基于模糊控制的逆變式絲管蒸發器焊接電源研究

摘要：文章介紹了模糊控制逆變電阻焊電源的基本工作原理、控制系統的構成以及硬件的實現方案。對二輸入一輸出的模糊控制器進行了設計，總結了怎樣通過輸入量的變化得出精確輸出值的結論，研究出一臺模糊控制逆變電阻焊絲管多點焊機，并在公司批量生產。

關鍵詞：逆變電阻焊電源；模糊控制；絲管蒸發器；MCS51單片機；模糊控制器 文獻標識碼：A

中圖分類號：TG409 文章編號：1009-2374（2015）11-0014-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.11.008

1 概述

節能高效的逆變電阻焊電源已經被廣泛應用。傳統電阻焊電源一般采用可控硅移相觸發技術輪流導通三相主電路的大電流可控硅。這種電路的優點是電路相對簡單，技術成熟、可靠性高，但其缺點也是非常明顯的。第一，整個系統采用的是工頻技術（50Hz），因而焊接變壓器體積龐大，消耗大量的硅鋼片和有色金屬；第二，可控硅移相觸發會產生很大的高次諧波，嚴重“污染”電網，且功率因數較低；第三，絲管蒸發器焊接是間隙工作制模式，焊接時間很短（一般只有5～10周波）工頻狀態下無法使用負反饋，因而焊接電流不穩定；第四，焊接過程是非線性系統，一般很難建立精確的數學模型，因而傳統的PID（比例積分微分）控制很難滿足要求。針對電阻焊電源的復雜工作環境，本文采取有效措施，從硬軟件入手進行改進，并且使用有效手段保證系統的穩定與可靠。

2 基本工作原理

如圖1所示，可以清晰看到模糊控制逆變電源的原理。若濾成直流電，需要三相交流電經三相橋式整流電路整流，逆變電路將直流電轉換為1000Hz的交流電，焊接的電壓和電流，需要經過中頻變壓器進行降壓，且輸出整流器整流。IGBT零電流軟開關方式，頻率高、開關損耗小、可靠性高、轉換效率高，因此逆變主電路采用IGBT零電流軟開關方式。4只IGBT開關交替控制電流，直流電會轉成10000Hz的交流電，中頻變壓器和一體化全波整流器加工后，即可得到所需的焊接電壓和電流。焊接電流的調節與控制，需要以8051單片機為中心，通過霍爾傳感器獲得電流反饋，模糊傳感器根據偏差及偏差變化為輸入量進行調節，獲得合適的占空比。

圖1 模糊控制逆變電源原理圖

3 建立控制系統

控制系統的組成可分為主電路部分和控制部分。控制部分以單片機控制系統為核心。A/D轉換電路為負反饋的關鍵參數，系統采用8位A/D轉換器AD0809。控制系統的軟件主要利用模糊算法完成焊接電流、電壓的調節，恒流特性的輸出及其他I/O功能。

4 如何設計模糊控制器

通過模糊化處理，模糊控制器的輸入量也會經過語言規則來模糊推理，而這一推理得出的結論會經過明晰化，最終得出控制變量的精確輸出值，這便是模糊控制器的工作原理。如何實現模糊算法的軟件設計，要設計一個模糊控制器，這就需要對模糊控制器的輸入變量與輸出變量進行掌握加以設計，并且得出輸入變量的參數和論域，建立賦值表，確定語言描述，將控制規則建立起來，將模糊化和明晰化區分開來，并且確定方法，最后將控制板建立起來。

4.1 模糊控制器中的語言變量

理論上，控制精度與模糊控制器出入的變量個數是成正比的，但是這個變量個數的增多會導致控制的復雜以至于更難實現控制。這時就應該采用二維模糊控制器，將被抽空對象的變差變化率取為輸入語言變量。焊接電流的偏差與變化率為輸入變量，輸出變量是控制器的開關管占空比。

4.2 如何描述變量以及建立賦值表

電流偏差的基本論域為[-10，10]，偏差變化率的基本論域取為[-5，5]，輸出占空比基本論域為[0.24，0.48]。

然后其離散論域的論域取為：{5，4，3，2，1，+0，-0，-1，-2，-3，-4，-5}。偏差變化率和輸出占空比的離散論域EC和ZK取為：{5，4，3，2，10，-1，-2，-3，-4，-5}。

量化因子分別表示為，，。

焊接電流偏差離散論域，其語言變量模糊子集為：{正大（IR）正中（IM）正小（IL）零（I0），負小（NL），負中（NM），負大（NR）}。焊接電流偏差變化占空比，語言值基本論域上的模糊子集為：{正大（IR），正中（IM），正小（IL）零（0），負小（NL），負中（NM），負大（NR）}。

4.3 建立一定的模糊規則

如何模糊控制是通過人為因素轉變的，若系統輸出量出現偏差時，則可以選取一定偏差變化，從而確立控制量，焊接電流的偏差和變化率，會對開關管占空比產生影響。在偏差較大的時候，我們則選擇能夠消除偏差的控制量，在偏差較小的時候，則以選取系統穩定的控制量為主，防止偏差超調。模糊關系是由模糊控制規則表的每句話確立的，總的模糊關系為：

R=（）V（）V（）V…V（）

4.4 模糊控制表生成

當計算出模糊關系之后，由電流偏差和偏差變化率及其離散論域，再由其中的語言變量建立起賦值表，并計算出語言變量。控制量的集合，選擇一個論語元素的空置變化值，利用到加權平均法，得出論域元素中表示空置量的變化值。當其輸入在線微機工作的同時，對變化值進行查詢，就能夠持續實現模糊控制。每一個在線控制的周期中，都應該將實測值與給定值比較，將比較后的偏差變化率計算出來。查詢控制表中的值便是這種變化率量化轉換后的結果，實際控制量也便是查詢控制表中的控制量與量化因子相乘而得出的。

這時會發現，模糊控制器中的控制量是一個能夠反映控制語言的集合，在不同取值下的控制語言被其進行了組合。然而，控制對象只可以接收一個控制量，所以應該從這個集合中找到一個最合適的控制量。這個算法公式為，式中：為模糊量輸出；為

模糊量的隸屬度；U為輸出的精確控制量。

5 結語

該焊接電源在多點絲管焊接機的電阻焊中，電弧穩定，飛濺很少，焊點成型良好。輸出平均值測試變動量小于±1%。利用查表法的模糊控制器，不僅能夠將復雜的數學模型簡易化，又可以將繁雜的控制簡潔化。當這種智能的模糊控制被應用時，電源特性就會得到改善，并不易受到干擾，電源外的控制也能夠實現。

參考文獻

[1] 諸靜.模糊控制原理與應用[M].北京：機械工業出版社，1999.

[2] 周志敏.逆變電路實用技術設計與應用[M].北京：中國電力出版社，2005.

[3] 趙燕.傳感器原理及應用[M].北京：北京大學出版社，2010.

作者簡介：何云松（1973-），男，浙江杭州人，杭州華日電冰箱股份有限公司工程師，研究方向：自動化控制。

（責任編輯：周 瓊）