基于單片機控制的TIG弧長跟蹤系統研究

陶會發，陳鳳林，呂其兵

（西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都610031）

基于單片機控制的TIG弧長跟蹤系統研究

陶會發，陳鳳林，呂其兵

（西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都610031）

針對TIG弧長跟蹤過程中存在高頻高壓的干擾和動態響應速度慢的問題，以STC12C5A60S2單片機為控制核心，設計了弧壓采樣電路、單片機檢測與控制系統和弧長調節電機驅動電路等弧長跟蹤控制系統硬件，在此基礎上采用PD控制算法設計并編制了弧長控制軟件，組成了TIG焊弧長跟蹤系統。該系統在現場TIG焊中的應用表明：系統能很好地實現TIG焊的弧長跟蹤，能夠克服TIG焊高頻引弧的影響，動態響應度快、調節精度高，且工作性能穩定可靠。

TIG焊；弧長跟蹤；高頻高壓；動態響應

0　前言

TIG焊因其電弧挺度好、焊縫易成形等優點，廣泛應用于工業生產中。目前，K-TIG（鎖孔TIG焊）更是以焊接生產效率高、質量好、成本低等優點大大擴展了TIG焊的應用范圍。在TIG焊中，焊接電源一般采用陡降外特性，電源特性保障了焊接電流的恒定，但焊接接頭的質量除與電流有關外，還與焊接弧長密切相關。在焊接過程中，工件的特殊外形、工件表面的不平整性或者運動機構的不穩定性都可能引起電弧長度的變化，從而使工件表面熱輸入及其分布發生顯著變化，導致工件出現未熔合或焊穿現象，影響焊接質量。因此在一些對焊接接頭質量要求較高的場合，如軍工、航天等需要精確控制焊接弧長，而焊接弧長在焊接電流、保護氣體流量、鎢極直徑和尖端錐度一定的條件下，與電弧電壓之間有很好的線性關系，因此，弧長的控制往往轉化為弧壓的檢測與控制[1-3]。目前，弧長跟蹤系統弧壓跟蹤精度可以達到0.1～0.2V，動態響應速度200～300ms，其驅動電機為步進電機，但步進電機成本高、控制復雜。為此，基于單片機控制直流電機進行弧長跟蹤研究。

1　硬件電路設計

弧長跟蹤系統總體結構如圖1所示。在焊接過程中，電弧電壓和電流信號經過濾波、隔離等環節進入單片機的A/D端口，單片機經過運算判斷當前電弧高度與設定的弧長是否相符，根據誤差進行運算，并輸出驅動直流電機，帶動執行機構調整焊槍高度，實現弧長跟蹤。系統在弧長跟蹤過程中需要采集弧壓、電流和弧壓設定值三路模擬量信號。根據式（1）可以將弧壓采樣值和弧壓設定值轉換為對應的弧長值

式中U、I、L分別為焊接電弧的電壓、電流和弧長；K1是與電流有關的常數；K2、K3、K4為特定常數。

圖1　弧長跟蹤系統總體結構

1.1弧壓采樣電路設計

為了消除高頻高壓對系統的影響，設計了如圖2所示的弧壓信號采集電路。電弧電壓取自a、b兩點，C1、C2均選用高壓瓷片電容，當引弧頻率f=250 kHz時，計算得R2、C1和C2的并聯復阻抗的模Z=3.3 Ω，此時電阻R2的分壓遠遠小于R1的分壓，有效地保護了后級電路免受高頻高壓沖擊；同時穩壓管VS選用瞬變抑制二極管（TVS），它能以極高的速度（10～12 s）使阻抗降低，將其兩端的電壓鉗位在一個預定數值上，從而確保后級免受瞬態高能量沖擊。

圖2　弧壓信號采集電路

另外，經過上述方式處理后的信號Uab再進一步經過光電隔離電路輸入至單片機A/D轉換口P1.0，保證了單片機系統的安全與系統可靠工作。

1.2驅動單元設計

弧長調節采用齒輪/齒條拖板機構，焊槍裝在拖板上，通過直流電機的正反轉來調節弧長，選用24 V、10 W的直流電機。為提高弧長調節的精度和調節響應速度，采用H型橋調速機構，電機調速主電路及電樞電壓波形如圖3a、3b所示。

圖3　直流電機調速主電路、電樞電壓波形及隔離功放電路

電機電樞電壓

當T1>T2，電機正轉；T1=T2，電機不轉；T1

單片機檢測TIG焊的電弧電壓，并根據式（1）計算對應的弧長，與根據弧壓設定值計算的弧長值進行比較，得到偏差信號，采用適當的算法計算后輸出固定周期的PWM信號，經過隔離和功率放大，驅動V2、V3、V1、V4，從而對直流電機進行控制。

選用兩片美國IR公司生產的IR2110芯片，記為I1和I2，與高速數字光耦4N25及外圍電路組成隔離和功率放大電路，如圖3c所示。I1的LO、HO管腳控制V3、V4的柵極，I2的LO、HO管腳控制V1、V2的柵極。T1時刻，單片機P1.3口輸出信號為高，則I1管腳HIN為高、LIN為低、HO為高、LO為低，I2管腳HIN為低、LIN為高、HO為低、LO為高，V1、V4開通，V2、V3關斷；T2時刻，單片機P1.3口輸出信號為低，則I1管腳HIN為低、LIN為高、HO為低、LO為高，I2管腳HIN為高、LIN為低、HO為高、LO為低，V2、V3開通，V1、V4關斷。

2　軟件設計

2.1弧壓控制算法

處理器選用STC12C5A60S2單片機，具有8路10位AD，有兩個定時器，帶PWM輸出功能。電弧電壓經過隔離進入單片機AD端口，單片機將采集到的弧壓值轉變為弧長采樣值L1，并與弧長給定值L0比較得弧長偏差信號ΔL=L1-L0，控制算法采用比例微分控制算法，弧長控制量P的計算公式為

比例系數Kp=2，微分系數Kd=1/50，單片機根據弧長控制量P產生脈寬可調的PWM信號，經過隔離和功率放大控制直流電機。

2.2控制程序

軟件程序主要包括主程序和子程序兩個部分。主程序控制各個硬件電路的執行過程順序，子程序主要是一些功能程序，如AD轉換子程序、定時器服務子程序。程序框圖如圖4所示，單片機上電后進入初始化狀態，檢測到啟動信號后控制系統引弧，如果引弧失敗則重新引弧，引弧成功則進入弧長跟蹤狀態，跟蹤過程中出現熄弧或者檢測到停止信號系統則直接進入初始化狀態。

圖4　弧長自動控制程序框圖

3　試驗和分析

采用直流TIG焊工藝，選用TIG-250逆變直流氬弧焊機，保護氣體為純Ar，流量10 L/min，焊接電流20A，鎢極直徑2.0mm，尖端錐度30°，弧長3mm。

在確定了PD控制相關參數的基礎上，通過焊接試驗過程確定單片機PWM控制信號的頻率，對于不同的PWM控制信號頻率，其響應速度不同，PWM控制信號頻率過低，即電樞電壓頻率過低時，電機的動態響應速度較差，且較容易產生共振。對應200 Hz、300 Hz、400 Hz、500 Hz的弧長調節響應曲線如圖5所示。

圖5　不同頻率的弧長調節響應曲線

由圖5可知，頻率高其響應速度快，但在試驗中發現，隨著頻率的升高，電機帶載能力下降，頻率進一步升高，甚至電機帶不動焊槍負載。經過反復試驗調試，當PWM信號頻率為300 Hz時，試驗用電機的動態性能和帶載能力可以同時滿足要求。

為檢驗弧長跟蹤的精度及動態性能，采用上述焊接工藝參數及弧長設定值進行焊接試驗。在碳鋼平板上開寬30mm、深1mm的凹槽，如圖6所示。

圖6　凹槽板

在凹槽板上連續進行弧長跟蹤試驗，電弧進入凹槽和離開凹槽的電壓曲線示波器截圖如圖7a、圖7c所示，電壓為經過分壓濾波和隔離的電弧電壓信號，圖7b、圖7d為曲線經過低通和數字濾波處理。進入凹槽時電弧拉長1 mm，系統響應時間tab= 80 ms，控制系統的全程調整時間tbc=120 ms；離開凹槽時電弧縮短1mm，tab=90ms，tbc=100ms。試驗結果表明弧長跟蹤系統能實現深度為1 mm的凹槽的上下跟蹤，而不會碰撞工件，電弧進入凹槽和離開凹槽弧長調節過程在200 ms內完成。

圖7　弧長調整曲線

焊接過程中，設定弧長對應電壓為2.1 V，在弧長跟蹤過程中，曲線所示電壓在0.05V范圍內波動，對應弧壓誤差為±0.2 V，這樣的弧壓跟蹤精度能夠滿足TIG焊弧長跟蹤的要求。

上述TIG焊接試驗確定了基于單片機控制的PD參數，采用設計的采樣電路能有效保護后級電路，在焊機整個運行過程中，起弧、焊接、斷弧都能夠正常工作，避免了焊機起弧或焊接過程中因不穩定產生的瞬態高頻高壓對系統的影響，同時經過反復調試控制系統參數，得到了最佳焊接控制參數。

4　結論

（1）設計的弧壓采樣電路消除了引弧高頻高壓對系統的影響，通過51單片機提取弧長信息，并采用PD控制算法處理輸入弧長信號，實現弧長跟蹤功能。

（2）提出的基于單片機的PWM弧長控制系統，實現了對直流電機轉速和轉向的控制；經過試驗確定了最佳的控制頻率，系統工作穩定可靠、動態響應速度快、跟蹤精度高。

[1]孫振國，陳念，陳強，等.精密脈沖TIG焊中的弧長跟蹤技術[J].焊接學報.2001，22（1）：46-48.

[2]楊春利，林三寶.TIG焊弧光傳感弧長控制的研究[J].材料科學與工藝，1998，6（1）：50-52.

[3]李德清，俞善松.交、直流鎢極氬弧焊弧長自動調節的研究[J].電焊機，1986（6）：8-9.

Study on arc length tracking system of TIG welding based on SCM control

TAO Huifa，CHEN Fenglin，LV Qibing
（School ofMaterial Science and Engineering，SWJTU，Chengdu 610031，China）

In view of the slow dynamic response and disturbances of high frequency and high voltage during TIG arc length tracing process，the hardware and software of arc length tracking system are designed based on SCM of STC12C5A60S2.The hardware includes arc voltage sampling circuit，SCM detection and control system，and drive circuit of arc length control motor.The software includes the control algorithm of PD and the arc length control software.The application of the system in TIG welding shows that the system can be a very good implementation of TIG welding arc length tracking，and the control system can overcome the influence of high frequency during arcstrike，andthesystemhastheadvantagesoffastdynamicresponse，highregulationprecisionandstableandreliableworkingperformance.

TIG welding；arc length tracing；high frequency high voltage；dynamic response

TG444

A

1001-2303（2015）11-0050-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.10

2015-04-01；

2015-04-29

陶會發（1990—），男，河南人，在讀碩士，主要從事焊接自動化的研究。