基于DSP+MCU?控制的雙PI控制脈沖GMAW焊接電源

2021-09-10 07:22:44陳彥強陳克選杜茵茵董軍強陳鵬

電焊機 2021年4期

陳彥強陳克選杜茵茵董軍強陳鵬

摘要：在脈沖焊數字控制系統設計中，針對基值電流、峰值電流控制期間對控制系統的不同要求以及基值、峰值瞬時切換時數字PI運算結果可能存在的銜接瞬時突變，設計了數字雙PI算法分別對基值、峰值進行控制;并與只使用一個PI調節器控制基值、峰值的情況進行比較，發現雙PI算法在脈沖焊中控制效果良好，系統穩定。根據變速積分PI控制特點，使用雙PI算法在引弧后進入脈沖峰值的過渡時間可以有較小的積分系數，通過工藝試驗證明該方法能有效提高一次引弧成功率。

關鍵詞：脈沖焊接電源;雙PI控制算法;工藝試驗;引弧問題

中圖分類號：TG434.1 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）04-0042-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.04.08

0 ? ?前言

在經典自動控制系統中PID控制器對于閉環反饋系統來說是必不可少的，雖然隨著控制理論的發展，產生了一系列新的控制算法，但是工業控制中應用最為廣泛的仍然是PID控制器，這是因為其原理簡單、適應性強，算法容易實現，魯棒性好。

焊機的穩定輸出是靠PI控制實現的，PI控制在脈沖焊系統中實現脈沖控制是相當重要的，是實現恒流閉環控制和弧長調節的強有力手段。數字PI調節器也是實現低熱輸入數字控制系統的關鍵，是對電流和時間進行精確控制，實現精密焊接的基礎[1]。在干擾作用下被控量發生變化時，經過比例控制可以實時調整控制器的輸出，從而使被控對象達到穩定的輸出，但是純比例控制會使得系統產生一個穩態誤差，并且該穩態誤差與比例系數呈正相關，即比例系數越大，穩態誤差越大;積分控制作用的特點是能夠消除穩態誤差;微分控制能有效地減少過渡過程的動態偏差[2]。考慮到微分項的加入雖然在某些場合可以提高系統的動態品質，但其運算和參數調整較為復雜，會占用過多時間，反而降低了系統的快速性。而且微分控制會帶來高頻干擾，為克服這種干擾一般設計濾波PID控制器，這就增加了系統的復雜度與算法實現的難度，并可能降低系統的快速性，根據經驗PI控制也能起到較好的控制效果[3]。但是使用單個PI控制必須兼顧脈沖基值、峰值期間的動態響應與穩態誤差，根據脈沖焊這一特點，山東大學[4]、北京工業大學[1，5，9]設計了變參數數字調節器，在峰值電流和基值電流控制期間采用不同的比例、積分系數。此外，剛鐵、殷樹言等[6]發現引燃電弧后向脈沖控制過渡的時間內使用較小的積分系數可以大大提高一次引弧成功率，所以綜合以上因素，文中對脈沖GMAW焊接電源系統擬采用雙PI控制。

1 脈沖焊數字控制系統

脈沖GMAW焊接電源的總體結構如圖1所示，主要由主電路、控制電路和送氣送絲電路等構成。主電路采用軟開關全橋逆變拓撲結構，輸出整流采用全波整流方式實現直流輸出。控制系統由“ DSP+MCU ”雙核以及擴展的采樣電路、顯示電路、通信接口電路、DA轉換電路構成，主要實現焊接時序的控制、焊接電流電壓采樣、參數預置與顯示、產生驅動板所需的控制信號、脈沖電流控制和弧長控制以及故障檢測與保護等功能，即DSP主要負責數據采樣、PI控制算法的實現、驅動板控制給定信號的輸出、電源的輸出特性控制等，MCU主要負責人機交互、數據通信、電源狀態監測等事件管理，DSP與MCU之間通過串行接口進行通信[7]。送氣送絲電路主要實現PWM信號對送絲電機的驅動控制以及簡單開關量控制。控制板預留CAN總線接口，可以為焊接機器人、焊機網絡化控制等提供接口。

2 脈沖焊控制系統PI算法

2.1 算法介紹

2.1.1 增量式PI控制算法

對峰值控制采用增量式PI控制算法，對基值控制采用變速積分PI控制算法。增量式PI控制算法是對位置型PI控制算法的改進，位置型PI控制算法采用全量輸出，每次輸出都與過去的狀態有關，所以必須對誤差e（k）進行累加，且計算機發生故障等會導致u（k）發生較大的變化，而增量式PI控制算法克服了以上困難。位置式PID控制器的傳遞函數為：

在進行判斷系統的穩定性與相對穩定性等分析時，通常在拉氏空間分析;而現在考慮時域里的問題，因此對式（1）進行拉普拉斯反變換，得到時域里的表達式為：

為使編程容易實現，將其離散化，得到差分方程為

由式（3）可得到增量式PID離散化表達式為

只取比例與積分兩項可得到增量式PI表達式為

在DSP中實現增量式PI控制算法的流程如圖2所示。

2.1.2 變速積分PI控制算法

變速積分PI可以看成是積分分離的PID算法更一般的形式。在普通PI控制算法中，由于積分系數Ki是常數，所以在整個控制過程中，積分增量是不變的。但是，系統對于積分項的要求是：系統偏差大時，積分作用應該減弱甚至沒有，而在偏差小時，則應該加強。積分系數太大會產生超調，甚至積分飽和，太小又不能在短時間內消除靜差[8]。因此，根據系統的偏差大小改變積分速度是必要的。

變速積分PI控制算法的基本思想：設法改變積分項的累加速度，使其與偏差大小相對應：偏差越大，積分越慢，反之則越快，有利于提高系統品質[9]。研究發現，在由基值電流向峰值電流過渡時，由于短時間內系統輸出的偏差很大，會造成PI運算的積分積累，引起系統較大的超調甚至振蕩[1];基于以上特點，在峰值時間采用變速積分PI控制算法。變速積分PI控制算法主要是積分項的累加速度，設置系數f [e（k）]，為e（k）的函數。當|e（k）|增大時，f減小，反之增大。變速積分的PI積分項的表達式為：

f [e（k）]的表達式如式（7）所示，其中A和B是可以變動的，其精度要求不高，參數易于整定。

變速積分的比例與積分項之和為變速積分PI的表達式：

2.2 兩種PI算法的比較

文中在峰值時采用變積分PI控制，基值時采用普通的增量式PI控制;雙PI控制器的參數整定方法與單PI控制器整定的方法類似，使用經驗試湊法完成。變速積分的結構與增量式的結構，不同處在于多出兩個參數A和B，見式（7），所以文中先采在用增量式PI控制器的情況下整定了Kp與Ki，再在使用雙PI控制器的情況下，根據輸出波形情況選取了A和B的值。最終得到的參數是Kp=0.09，Ki=0.02，A=25，B=5。

為觀察控制效果，用霍爾電流傳感器測量通過靜負載上的電流波形;靜負載電阻為0.1 Ω，霍爾電流傳感器的轉換比是500 A/5 V（以下所測波形均為同一方法）。

實驗中應用的離散PI表達式見式（5）、式（8）。但是采用雙PI控制器時存在一個問題：就是基值、峰值電流控制器切換時，數字PI運算結果可能存在銜接瞬時突變，導致基值、峰值切換時出現波形畸變等現象（見圖3a）。針對該問題設計了雙控制器切換過程中的參數銜接方法：切換峰值控制器后第一次計算時用的u（k-1）為剛結束的基值控制器的穩態u（k）值;切換基值控制器后第一次計算時用的u（k-1）為剛結束的峰值控制器的穩態u（k）值;相同焊接參數規范下的波形見圖3b。經過上述方案的改動，使得雙PI算法在控制基值峰值過程中的優勢明顯。

在脈沖焊數字控制系統設計中通過采用雙PI調節器，脈沖電流的上升沿和下降沿分別獨立可調，同時又能保證基值電流期間和峰值電流期間的穩態精度，體現了數字控制的結構靈活性[10]。同時與單個PI控制器相比，無需兼顧控制系統基值、峰值期間的動態響應和穩態精度，可調范圍更大。

采用變速積分PI算法，既可保持積分的作用，減小超調量，還能改善控制系統的響應。在使用整定好的同一PI參數下，比較使用單PI控制器與雙PI控制器情況下的電流波形，如圖4所示。

由圖4可知，采用雙PI算法時，在基值電流與峰值電流相互變化過程中，克服了使用單PI控制器因誤差積累導致的波形畸變問題，優勢明顯。

2.3 PI控制周期設計

根據文獻[11]可知，逆變頻率為20 kHz、輸出電感為80 μH的弧焊逆變電源，其控制周期不能超過100 μs，否則會導致電源的恒流控制特性急劇惡化。因此應盡量選取小的PI控制周期。但在實際系統中，DSP進行PI運算后得出控制參量用來控制TLC7528的輸出電壓，進而控制UC3846的輸出脈寬。UC3846輸出PWM信號為20 kHz，周期為50 μs，所以控制周期選擇太短會使得UC3846無法響應。綜合可知，系統的控制周期取70 μs左右，通過軟件設置采樣頻率及采樣次數后，進入PI運算并輸出控制信號即可設置控制周期。

為了準確測試程序執行的時間，在程序中有意加入一條語句，即在采樣計算出實際電流電壓之后使DSP的GPIOA0端口置1，執行一次PI控制并輸出控制信號之后使DSP的GPIOA0端口置0。通過示波器可以測出GPIOA0引腳輸出一方波，該方波的高電平時間即為執行一次PI算法所需時間，如圖5所示。由圖5可知，PI控制程序執行一次的時間約為55 μs，整個控制周期為70 μs。

使用雙PI控制后，將基值、峰值均設置在90 A，在加上靜負載的瞬間用示波器記錄焊機輸出的電流波形（系統的響應曲線），如圖6a所示。可以觀察到系統超調量σs約為10 A，是一個較小的超調，最終輸出穩定在91～92 A，由此可以計算得到穩態誤差為1%～2%，調節時間ts約為12 ms。

同樣將基值、峰值均設置為90 A，使用單PI控制后，所測系統響應曲線如圖6b所示。可以看出，超調量較大，超調后PI未調節到給定值，經過約40 ms才達到約90 A，調節時間較長。

3 工藝試驗

試驗采用脈沖焊焊接電源，選用5 mm厚Q235鋼板，直徑φ1.0 mm的H08Mn2Si A焊絲，焊絲干伸長12 mm，保護氣體為99.9%Ar，焊接參數見表1。

用單PI控制算法實現脈沖焊試焊的焊縫如圖7a所示，用雙PI控制算法實現并進行試焊，得到焊縫如圖7b所示。可以看出，使用單PI控制算法時引弧性能差，在焊接過程中有斷弧現象，焊接過程不太穩定;使用雙PI控制算法引弧性能好，焊接過程穩定。在不考慮其他因素的情況下，無論是給定空載起弧還是熱脈沖起弧，在短路爆斷瞬間都需要進入脈沖控制;而根據文獻[6]，電弧引燃后至穩定燃燒這段時間內能否快速一次轉向穩定而不熄弧是一次引弧能否成功的關鍵，為此提出了增大弧壓給定以及在引燃后過渡時間內使用較小積分系數來提高脈沖MIG焊機的一次引弧成功率。因此，對于一個參數的單個PI控制器就不能兼顧引弧與正常焊接時的控制要求，對于變參數的單個PI控制器在程序中還需要在穩定燃弧后切換PI參數，使得程序難度增大，而雙PI控制器可以靈活地解決此矛盾，變積分PI自身的特點就是根據偏差改變積分速度，可以在引弧后進入峰值控制階段采用變積分PI控制。

4 結論

（1）通過觀察靜負載上電流波形以及焊接過程和焊縫形貌，比較了在脈沖焊系統中采用單PI控制器與雙PI控制器的差距。并通過示波器測量了采用雙PI控制器時系統的響應曲線。

（2）采用雙PI控制算法實現了對系統啟動超調量降低的控制，使系統的沖擊減小，控制系統的響應速度明顯加快，控制精度提高，保證了PI控制的穩定性，避免了因 PI控制產生較大誤差導致脈沖波形的畸變。

（3）采用雙PI控制算法實現了對峰值、基值的精確控制，使得系統在峰值、基值相互切換時具有不同的控制性能，保證了峰值期間控制系統有較好的動態響應，既使脈沖峰值電流有合適的上升時間，又可以保證基值期間電流穩定，維持穩定的焊接過程;數字控制脈沖焊基值、峰值控制期間采用不同的PI算法，獲得了較好的波形控制效果。

（4）焊接工藝試驗表明，在使用雙PI算法時，引弧性能良好，焊接過程穩定，焊縫質量滿足要求。

參考文獻：

張撼鵬，黃鵬飛，殷樹言，等.新型低熱輸入數字化焊接電源控制系統的研制[J].焊接學報，2007（1）：89-92.

胡壽松.自動控制原理（第四版）[M]. 北京：科學出版社，2001.

李鶴岐，李春旭，李芳，等.脈沖MIG焊機優化控制[J].焊接學報，2004（4）：23-26.

王榮忠.脈沖MIG焊數字化控制系統的研究[D]. 山東：山東大學，2006.

王偉明.逆變式GMA單脈沖和雙脈沖焊機數字控制系統研究[D]. 北京：北京工業大學，2004.

剛鐵，殷樹言，王克鴻，等.微機控制脈沖MIG焊引弧及收弧的研究[J]. 焊接，1992（10）：12-17.

常春梅，陳克選，洪兆林，等. DSP+MCU雙核控制的脈沖MIG焊數字化控制系統[J]. 電焊機，2016，46（8）：11-16.

李旭淵，陳建輝，李石磊，等.積分分離PID控制在某防空導彈中的應用[J].兵工自動化，2004，23（4）：12-13.

趙景波. MATLAB控制系統仿真與設計[M]. 北京：機械工業出版社，2010.

馬德.數字控制鋁合金雙脈沖MIG焊工藝的研究[D]. 北京：北京工業大學，2004.