基于自動化控制的熔化極惰性氣體保護焊焊接電源設計及實驗測試初探

劉安琦，范勝海

（松下制冷（大連）有限公司，遼寧 大連 116600）

在自動化控制技術快速發展的推動下，近年來業界在熔化極惰性氣體保護焊領域取得了較為喜人的成果，焊弧能量和熔滴過渡的精確控制便屬于其中的成果典型，而在這些成果的基礎上進一步提升熔化極惰性氣體保護焊的焊接效率、質量、穩定性，正是本文就焊接電源設計及實驗測試開展具體研究的原因所在。

1 電源控制系統設計

電源控制系統可以細分為專家系統、電弧控制系統、電流波形系統3部分，其中的專家系統主要負責閉環系統和給定電壓的調節，而電弧控制系統和電流波形系統則共同組成了內、外雙閉環控制系統。

1.1 電流波形控制

電流波形控制屬于電源控制系統設計的關鍵點，本文選擇了基于變參數PI控制算法負責保證電流環的電流恒定輸出，由此即可為焊接過程的穩定、高效控制實現提供有力支持。之所以選擇基于變參數PI控制算法，是由于該算法基于偏差的比例等環節能夠較好地服務于波形控制，基于偏差的積分環節更是在克服靜差、提高控制精度領域有著較為出色的表現。對于本文研究的熔化極惰性氣體保護焊焊接來說，其本身具備熔滴過渡周期性特點，深入分析可以發現其熔滴過渡過程存在上升、峰值、下降、基值4個階段，而這4個階段均存在與之相對應的電流波形，這種對應關系正是基于變參數PI控制算法應用的原理所在。值得注意的是，很多時候基于變參數PI控制算法需要得到專家系統的支持，這是為了應對熔化極惰性氣體保護焊的保護氣體、焊絲直徑和材料、送絲速度發生變化情況[1]。

1.2 電弧控制

為進一步提升熔化極惰性氣體保護焊的焊接穩定性、質量、效率，其電弧控制也必須得到關注，但考慮到該焊接技術的電弧弧長存在非線性特征，因此本文選擇了模糊控制算法負責電弧控制，由此即可省略大量復雜數學模型的應用。在模糊控制算法的應用中，這一應用會通過控制電弧電壓精準控制電弧弧長。該過程需要將模糊控制器輸入變量定義為：

式（1）中：en為第n次的采樣偏差；Ug為給定電弧電壓；Ufn為第n次電弧均值電壓反饋量；ecn為第n次的偏差變化率；en-1為第n－1次的采樣偏差。

一般情況下，熔化極惰性氣體保護焊的焊接電弧弧長為5.5 mm，如果電場強度為0.61 V/mm，即可通過式（1）求得ecn為－3.36～＋3.36 V，由于基值時間12 ms時的熔化極惰性氣體保護焊焊接過程較為平穩，可求得峰值電壓為±3.2 V，進一步計算可得出1.79 ms這一電弧均值電壓變化1 V的對應基值時間，其變化范圍為－5.73～＋5.73 V。由于e，ecn，Tb分別與模糊量E、EC、T相對應，因此可以確定E和EC的論域設定為－3～＋3，T的論域設定則為－6～＋6，選擇1為單位分割論域內的模糊量，使用B，M，S表示大、中、小，使用P和N表示正與負，ZO表示零，即可得出輸入量E、EC和輸出量T的三角隸屬度函數，其中，ke＝kec＝2、kT＝1.參考熔化極惰性氣體保護焊特點，確定了基于模糊控制的推理原則，即“系統采樣偏差較小時，主要采用以穩定為主的控制策略；當系統采樣偏差較大時，以無誤差或誤差最小為主，同時需要關注系統超調及振蕩”。最終筆者得出了用于焊接電弧電壓控制的模糊控制規則，由此即可實現高質量焊接過程電弧均值電壓控制。

2 硬件與軟件設計

2.1 硬件設計

熔化極惰性氣體保護焊焊接電源的硬件主要由主電路、控制系統、顯示面板、自動送絲機4部分組成，其中的控制系統屬于研究的關鍵所在，該系統可以細分為外圍電路、電壓控制系統和電流環控制系統3部分。在焊接電源控制系統的控制中，采用了現場可編程門陣列FPGA實時控制電流環，具體硬件選擇了Altera公司生產的Cyclone III FPGA型號芯片、AD7863型號的14位A/D轉換器芯片、TVL5630型號的12位D/A轉換器芯片，為進一步提升焊接電源控制系統的信號傳輸能力和抗干擾能力，采用了波形整形電路和光電耦合器。值得注意的是，為了滿足電壓環控制的實時要求，芯片的采樣周期需要小于系統延遲時間，芯片的計算時間則需要小于系統數據處理時間，同時系統對多個芯片進行了集成，其穩定性由此可得到更好的保障[2]。

2.2 軟件設計

熔化極惰性氣體保護焊焊接電源設計中的軟件設計主要包括主控制器DSC系統、協處理器FPGA系統，前者主要負責電弧電壓的模糊控制，后者則負責電流波形控制。對于軟件層面的熔化極惰性氣體保護焊焊接電源設計來說，其控制流程可以概括為“控制系統初始化→焊接開始→運行引弧程序→等待一定時間或電流超過規定值→進入上升、峰值、下降、基值4個階段循環→基值段應用基于變參數的PI控制算法→給定閥值大于電弧均值時轉入上升段→采用基于變參數的PI控制算法控制峰值電流→1.2 ms后計算電弧均值電壓→給定閥值大于電弧均值電壓進入下降段→繼續應用基于變參數的PI控制算法控制→到達設定運行時間進入基值段→循環→收到終止信號→收弧、停止焊接”，由此可深入了解該系統的軟件設計環節。

3 實驗測試

為驗證上文研究的實踐價值，選擇了純氬氣作為保護氣體、直徑1.0 mm的鋁鎂合金焊絲、20 V的試焊電壓、125A的試焊電流，其中的起弧電流設定為410A、基值電流設定為85A、基值時間設定為3.6 ms、峰值時間設定為340A，由此開展的熔化極惰性氣體保護焊焊接電源控制系統的實驗測試，求得了該系統在實際應用中的起弧波形、焊接波形和收弧波形。

分析起弧波形不難發現，實驗求得了410A的起弧電流、22A的基值電流、78 V的空載電壓，而分析焊接波形和收弧波形可以發現，應用熔化極惰性氣體保護焊焊接電源控制系統焊接時的峰值電流為355A、峰值時間為1.45 ms、基值電流為82A、基值時間為3.6 ms，這一系列數值直觀說明了本文研究的電源控制系統具備較為優秀的控制效果，系統實現的實時精準控制電流波形與電壓弧長能夠大大提升熔化極惰性氣體保護焊的焊接質量、效率。

4 結論

綜上所述，本文研究的熔化極惰性氣體保護焊焊接電源控制系統具備較高的應用價值。而在此基礎上，本文涉及的理論分析、硬件設計、軟件設計等內容，則證明了研究的借鑒價值。因此，在相關領域的理論研究和實踐探索中，本文內容能夠發揮一定的參考作用。

［1］王江.馬氏體不銹鋼的熔化極惰性氣體保護焊焊接［J］.機械工程師，2013（12）：232.

［2］趙長清.鋁及鋁合金板材非熔化極惰性氣體保護焊的焊接工藝探討［J］.民營科技，2012（08）：31.