1、1.弧焊电源控制系统概述2.弧焊电源数字化控制系统的关键技术3.弧焊电源的单片机控制4.弧焊电源的全数字化控制5.弧焊电源的智能控制6.弧焊电源动态特性的数学描述7.数字化控制弧焊电源产品简介17.1.1弧焊电源的控制方法分类图7-1 弧焊电源控制方法的分类 对弧焊电源的控制方法可有不同的分类方法，按控制装置来分，主要有：机械式控制、电磁式控制、电子式控制和数字式控制,如图7-1所示。按控制方法来分，主要有：PID控制、自适应控制、模糊逻辑控制、人工神经网络控制等。按控制内容来分有外特性控制、动特性控制和工艺程序控制等等。27.1.2弧焊电源各种控制方法的特点 (1)机械式控制的弧焊电源 通过
2、机械移动铁心或绕组的位置,或换接抽头来改变漏抗和控制漏抗,从而控制弧焊电源的外特性。“结构做像了，性能也做像了”。(2)电磁式控制的弧焊电源靠改变主回路中饱和电抗器的磁饱和程度来控制弧焊电源。工作可靠性高,但是磁惯性大,调节速度慢,不灵活,体积和质量都很大,效率低,它们将逐渐被淘汰。(3)模拟电子式控制的弧焊电源模拟电子式控制的弧焊电源主电路采用电力电子功率器件进行功率调节。主要特点是：控制精度高,可控性好；参数调节范围宽,可调参数多；动特性好,动态响应速度快；高效、节能省材。(4)数字式控制的弧焊电源在模拟电子式控制弧焊电源的基础上,以单片微处理器、DSP、ARM嵌入式芯片为核心来实现弧焊电
3、源的部分或全数字化控制。37.1.3对弧焊电源控制系统的要求 弧焊工艺对弧焊电源的电气性能和特性提出了四项基本要求:适当高的空载电压；在不同弧焊方法工作过程中参数稳定合适的外特性曲线形状；足够宽的参数调节范围(良好的调节特性)；能使弧焊过程熔滴过渡平稳和减少飞溅的动态响应(良好的动特性)。41.弧焊电源控制系统概述2.弧焊电源数字化控制系统的关键技术3.弧焊电源的单片机控制4.弧焊电源的全数字化控制5.弧焊电源的智能控制6.弧焊电源动态特性的数学描述7.数字化控制弧焊电源产品简介5 数字化控制的弧焊电源自身并不能提高弧焊工艺性能,只是提供了易于提高弧焊性能的控制平台,要真正提高弧焊性能,还需要
4、更加深入地研究弧焊工艺机理。数字化控制弧焊的关键技术包括:弧焊工艺的时序控制 成功率高的起弧和重新引弧技术 稳定的弧焊过程 一元化参数控制技术 短路过渡焊、脉冲焊、高速焊等的电流波形及其软性变换控制技术 收弧和收弧控制技术67.2.1弧焊工艺的时序控制各种焊接方法都要按照一定的程序操作焊接过程，如图7-2a所示为带高频引弧器的TIG弧焊逆变器工艺控制时序。焊枪/焊炬控制开关接通后，弧焊电源的控制电路开始工作，Ar保护气电磁阀开通；延时后，高频引弧器开通引燃电弧，引弧成功后高频引弧器关断。电流在电弧引燃时经过短暂的峰值后回到维弧电流，经过一段预热延时后缓升到正常值。在焊接结束前电流要缓降到维弧电
5、流，经过一段延时后再降为零。送气阀经过延时后再关断。图7-2 弧焊工艺控制时序a)TIG焊（带高频引弧）工艺时序 b)CO2焊工艺时序 77.2.2引弧和收弧控制对于熔化极气体保护焊，在引弧过程中由于焊丝和工件的接触不可避免地存在抖动，电压产生剧烈震荡，电流上升缓慢，引燃电弧较为困难。如图7-3a所示，在引弧过程中，在空载电压上维持有一段时间，电流上升迅速，引弧时间短，引弧顺畅，电弧声音柔和。在收弧过程中，电流应缓慢减少到零，让焊丝回烧以填平弧坑，减少弧坑裂纹等焊接缺陷。若收弧过程中电流冲击比较严重，焊接电流和电弧电压的抖动都比较剧烈，收弧过程不稳定，焊接过后有较大的弧坑出现。如图7-3b所示
6、的收弧过程比较好，焊接电流波形比较稳定，纹波抖动也较小，电流平缓降低，收弧过程效果较好。图7-3 MAG焊的引弧收弧过程a)引弧过程 b)收弧过程 87.2.2引弧和收弧控制 对于脉冲弧焊一般采用“热脉冲”引弧技术，如图7-4a所示为实测脉冲引弧电流波形。用“热脉冲”引弧电流波形能够较好地完成引弧，引弧点熔深比普通引弧好，同时“热引弧”对铝板预热充分，引弧过程电弧相对稳定，并不扰乱弧焊气氛,焊缝气体保护状况较好。如图7-4b所示为实测双脉冲收弧电流波形。正常弧焊结束后，持续输出36个依次递减的脉冲能量，从而顺利平滑过渡到小电流填坑状态，填坑的能量视不同弧焊电流大小而定。最后，输出一个强脉冲将焊
7、丝末端积球削掉。图7-4“热脉冲”引弧和收弧电流波形a)引弧电流波形b)收弧电流波形97.2.3弧焊参数的一元化调节在焊接参数的调节中，焊接电流和电压需要有很好的配合，不同焊接方法其电流和电压之间的关系也不同。在某一焊接电流值下，有一个对应的最佳电压值，只有电流和电压合理搭配才能使焊丝的熔滴过渡最稳定。电流与电压之间的搭配关系可以从大量焊接工艺试验中得到的，并可绘制出一条一元化曲线。在焊接过程中，通常采用的是电压优先的一元化参数调节。根据焊接材料和焊丝直径的不同，将弧焊电源电压给定电压信号依据一定的比例变换后，作为送丝电机的控制电压，使送丝速度随着弧焊电源输出电压的增大而增大，从而使输出电流随
8、之增大。107.2.4弧焊电源的波形控制在熔化极气体保护焊中，熔滴的形成、尺寸、过渡模式和熔滴行为等是影响焊接工艺性能、焊缝成形和焊接质量的重要因素，熔滴过渡及行为一直是焊接工作者研究的热点。在熔化极气体保护焊中，典型的熔滴过渡模式有CO2短路过渡和脉冲MIG焊的射滴过渡，研究熔滴过渡模式及行为的目的之一，是要对熔滴过渡过程加以控制。117.2.4弧焊电源的波形控制1.短路过渡的电流波形控制在CO2焊中小电流规范下，熔滴主要是短路过渡，它是在电压较低，弧长较短的时候发生的，是燃弧与短路交替进行的不规则周期性变化过程。在短路过渡过程中，焊接电流起着极其重要的作用。焊接电流的大小及变化率既控制焊丝
9、的熔化，熔滴过渡过程，又影响飞溅的产生和焊缝成形。而焊接电流是焊机输出特性和电弧特性综合作用的结果。焊接工作者研究出各种有效的控制方法。典型的有：恒压特性控制法、复合外特性控制法、波形控制法、脉动送丝控制方法等。较为典型的控制方法有双L型输出特性、双阶梯输出特性。在波控法中，比较成功的是美国林肯公司的表面张力过渡。弧焊电源工作于短路过渡方式，在CO2焊过程实时测量电压与电压变化率，弧焊电源在一个过渡周期内根据不同电弧电压值输出不同的焊接电流。STT弧焊电源将短路过渡过程细分为七个阶段加以控制，即：短路前燃弧期、液桥形成段、颈缩段、液桥爆断段、重燃弧段、稳定燃烧段、燃弧后期段，如图7-5所示。1
10、27.2.4弧焊电源的波形控制图7-5STT弧焊电源的电压电流波形137.2.4弧焊电源的波形控制 2.脉冲弧焊的电流波形控制常规MIG/MAG焊工艺，只有当焊接电流大于临界电流时才能得到稳定的喷射过渡，包括射滴过渡和射流过渡,然而临界电流往往比较高，不宜用于焊接薄板和全位置焊缝。为此，又发明了脉冲MIG/MAG焊法。该法可以将焊接电流平均值减小到5060A仍能获得稳定的焊接过程，扩大了MIG/MAG焊的使用电流范围。脉冲MIG焊工艺是一种焊接质量比较高的熔化极气体保护焊方法。它具有熔滴过渡过程可控，平均电流比GMAW焊喷射过渡的临界电流低，因而母材热输入量低，焊接变形小，适于全位置焊接，生产
11、效率高。脉冲MIG焊的熔滴过渡形式为：多脉一滴、一脉一滴和一脉多滴，其中一脉一滴是所有过渡形式中最理想的一种，要获得这种熔滴过渡形式，焊接参数之间的配合尤为重要。脉冲焊接参数多，除了电弧电压、送丝速度和焊接速度外，还有脉冲参数，包括峰值电流Ip、峰值时间tp、基值电流Ib和基值时间tb,如图7-6所示。147.2.4弧焊电源的波形控制 脉冲弧焊的电流波形：图7-6脉冲MIG焊的脉冲参数157.2.4弧焊电源的波形控制 （1 1）SynergicSynergic控制法控制法 Synergic控制法是英国焊接研究所发明的一种脉冲MIG焊电弧控制方法，是目前已发展的脉冲MIG焊控制系统中应用最为广泛
12、的一种方法。它解决了众多脉冲参数调节的不便，实现了脉冲MIG焊的单旋钮控制。其原理为：弧焊电源的外特性采用恒流特性，通过两条恒流外特性曲线的切换实现脉冲焊接，给定送丝速度，按照一定的数学模型来控制脉冲参数，使焊丝熔化速度自动与送丝速度相协调而保持弧长的稳定和最佳的熔滴过渡方式。其优点是随着送丝速度的变化，脉冲频率（或脉冲宽度）发生相应的变化，但该控制方法对送丝速度以外的因素引起的弧长扰动没有调节作用，因为它对弧长（电弧电压）的扰动而言是开环控制。167.2.4弧焊电源的波形控制 （2 2）脉冲门限控制系统）脉冲门限控制系统它是通过设立电弧电压的门限值来控制弧长，弧焊电源的外特性为“口”字形，如
13、图7-7所示。在脉冲与维弧期间均工作在恒流状态，而脉冲频率（即脉冲持续时间）由弧长的给定电压和实际反馈电压的偏差来决定。图7-7MIG焊门限控制法的电源外特性177.2.4弧焊电源的波形控制 （3 3）QH-ARCQH-ARC控制法控制法在脉冲焊接中，维弧若采用恒压特性遇到干扰时易于产生断弧，若采用恒流特性则容易发生短路。为了克服上述缺点，清华大学的潘际銮院士提出了双阶梯形外特性，如图7-8a所示。若将两条不同的双阶梯外特性快速切换，将形成一个方框形外特性，如图7-8b所示。图7-8 QH-ARC控制法a)双阶梯形外特性 b)方框外特性 187.2.4弧焊电源的波形控制 （4 4）闭环控制法闭
14、环控制法利用弧长信号闭环反馈控制脉冲参数,提出了一种弧长闭环脉冲MIG焊控制方法，该方法通过采样每一周期中脉冲的某个特定对应点的电弧电压作为弧长信号闭环反馈，调整脉冲参数(基值时间tb)，实现对脉冲MIG焊的控制。为确保一脉一滴，预置单元能量(Ip和Tp)并设定Ib不变。这种方法有较强的抗弧长扰动能力,但送丝速度的波动引起过程不稳定。与此相对，Synergic控制法注意了送丝速度的影响，而忽视了弧长扰动的影响。两者结合产生了综合控制法。（5 5）综合控制法）综合控制法该方法综合了Synergic控制法和自适应闭环控制法的优点。电压和送丝速度的反馈信号均用于控制脉冲频率，而峰值电流和峰值时间的单
15、元能量恒定，以期得到一脉一滴的熔滴过渡。该方法弧长控制性好，焊接质量高，只要保证峰值电流Ip和峰值时间Tp满足一定的匹配关系，就能实现一脉一滴。197.2.4弧焊电源的波形控制 （6 6）中值波形控制法）中值波形控制法对于脉冲MIG焊工艺，一脉一滴是所有过渡形式中焊接质量最好的，此时熔滴的大小与焊丝直径相当，这可用一种新的脉冲电流的中值波形控制法来实现，如图7-9所示的三种中值波形形状，分别为：前中值、中间中值和后中值。图7-9 三种值电流波形a)前中值波形 b)中中值波形 c)后中值波形 2021 随着铝合金的广泛应用，近几年出现了有关铝合金双脉冲熔化极气体保护电弧焊(Double Puls
16、e Gas Metal Arc Welding,DP-GMAW)的新型脉冲波形控制技术。当前公认弧焊效果最好的实现方法是高频脉冲的低频调制。在送丝速度不变的条件下，使弧焊电源输出的高频脉冲电流具有两个不同的平均值电流IAV1和IAV2，第一群高频脉冲电流的平均值为IAV1；第二群高频脉冲电流的平均值为IAV2。这两个平均电流，按某一低频周期转换，由于平均电流值不同，使焊丝的熔化速度自然也按这一低频周期发生变化，从而获得了鱼鳞纹状的焊缝外观。这个方法就称为高频脉冲的低频调制。其中，高频脉冲电流是为了实现一脉一滴的熔滴过渡，而低频脉冲电流是为了获得鱼鳞纹状的熔池。由于低频脉冲电流IAV1和IAV2
17、的值不同，在弧焊过程中对熔池产生一定的搅拌作用，促使熔池中的气体排出，减少了焊缝中气孔的形成，进而提高了焊接质量，弥补了单脉冲MIG焊的不足。7.2.4弧焊电源的波形控制 3 3.双双脉冲弧焊的电流波形脉冲弧焊的电流波形控制控制22图7-10典型的双脉冲焊电流波形 典型的双脉冲电流波形如图7-10所示。图中TS表示强脉冲时间，TW表示弱脉冲时间。TBS、IBS(TPS、IPS)分别表示强脉冲基值(峰值)时间和电流。TBW、IBW(TPW、IPW)分别表示弱脉冲基值(峰值)时间和电流。目前，双脉冲波形控制技术在国外已经成熟，如奥地利福尼斯的TPS系列的弧焊电源，在铝合金焊接上取得了良好的工艺效果
18、。由于铝合金本身对扰动的敏感性较高，同时双脉冲焊的电弧长度按低频进行变换，因此，双脉冲焊铝对脉冲弧焊电源的控制性能要求更高，电弧控制性能的进一步提高对铝合金双脉冲弧焊是至关重要的。7.2.4弧焊电源的波形控制237.2.4弧焊电源的波形控制4 4.高速高速焊电流波形控制焊电流波形控制 高速焊与传统气体保护弧焊(GMAW)相比，最大的特点体现在弧焊速度上，目前比较成熟的单丝高速焊工艺，通常采用实心焊丝以CO2作为保护气体，即高速CO2焊。常规CO2焊的焊速为0.30.5m/min，高速焊可达14m/min，是常规CO2焊焊速的38倍。在保证弧焊质量的同时，大幅度提高弧焊效率。在高速焊中会出现一些
19、与常规速度弧焊时不同的问题，如焊缝成形差、咬边、驼峰,甚至不连续。正是这一因素的制约，其常规焊速不超过1m/min，一般焊速为0.30.5m/min。如何解决高速焊成形问题，是大幅度提高弧焊生产效率的关键。提高弧焊生产率的途径有两个：一是从工艺设备入手，二是从材料入手。T.I.M.E.焊就是从材料入手研制的新型高速弧焊方法。它是1980年加拿大人John church发明的，后来在欧洲和日本得到应用。它采用He(26.5%)、CO2(8%)、O2(0.5%)和Ar(65%)四元保护气体，通过大干伸长来增加熔化焊丝的电阻热，在连续大电流区间获得了稳定的旋转射流过渡形式，使焊丝的熔敷率比传统MAG
20、工艺提高23倍，达到0.43kg/min，这主要是靠加入He才获得良好的结果。24 为了解决高效MAG焊的我国贫氦问题,国内殷树言教授研究成功了纵向磁场的高效MAG焊,采用Ar+CO2二元混合气体或者Ar+CO2+O2三元混合气体保护,焊丝直径?1.2mm,干伸长30mm,这时送丝速度可达33m/min。其原理为：焊接电弧在纵向磁场的作用下，带电粒子的扩散运动或熔滴的旋转射流过渡将引起径向电流Ir，在纵向磁场作用下，将发生绕焊丝轴的旋转运动，同时产生圆周方向的电流分量Iw，如图7-11a所示。圆周电流Iw也在纵向磁场Bz作用下产生向心的作用力Fr,在焊丝端部的液柱上将使其向中心收缩。最后形成稳
21、定的圆锥形旋转射流过渡，如图7-11b所示。图7-11纵向磁场作用下的电弧行为7.2.4弧焊电源的波形控制25 在改变保护气体成分提高焊速方面,采用高速送丝、大干伸长和低氧化性气体，增强了熔池的润湿性，焊缝与母材过渡平滑，可在12m/min的速度下进行焊接而不出现成形缺陷。在弧焊设备方面则出现了双丝高速焊甚至多丝高速的MAG焊工艺。图7-12双丝焊弧焊电源a)单导电嘴b)双导电嘴 (1)双丝焊工艺的控制在开始进行双丝焊试验中，焊丝从一个共用的导电嘴送出，如图7-12a所示，试验结果表明弧焊效率并没有得到预期的提高。后来通过改用两个导电嘴时，如图7-12b所示，焊速得到了很大的提高。除了双丝高速
22、焊，还出现了三丝焊工艺。7.2.4弧焊电源的波形控制26 在双丝焊弧焊电源中，德国CLOOS公司开发了适于中厚板焊接的TANDEN高速双丝焊设备。它是将两根焊丝按一定角度放置在一个特别设计的焊炬里，两根焊丝分别由各自的弧焊电源供电，相互绝缘，两台弧焊电源的工艺参数可以独立设定，包括:送丝速度，焊丝的材质、直径，是否加脉冲等。正常条件下，利用其“1+12”的强大热效应，使焊速可以达到26m/min，熔敷率约为20kg/h。(2)多丝焊工艺的控制日本学者藤村告史开发了三丝焊方法。它采用同一个焊炬同时输送三根焊丝，各焊丝之间相互绝缘，可用药芯焊丝配合100%的CO2保护气体，也可用实芯焊丝配合80%
23、Ar+20%CO2保护气体。采用同一弧焊电源供电，如果弧焊电源和送丝系统不够稳定，则各电弧的电流和电压会不等，这样可能会使电弧失去自调节能力；此外，三根焊丝上燃烧的电弧之间存在强烈的电磁力，会造成电弧不稳，飞溅大，焊缝成形不好。为解决这一问题，藤村告史采用了电流相位控制的脉冲焊接方式，电弧在三个焊丝上轮流燃烧，可以保证电弧的挺直性，使弧焊过程稳定。另外，还可通过优化调节和匹配弧焊参数，改善能量分布，减小咬边、驼峰等成形缺陷，焊速达到1.8m/min。7.2.4弧焊电源的波形控制277.2.4弧焊电源的波形控制5.其他电流波形的控制新方法 (1)CMT法 冷金属过渡(Cold Metal Tra
24、nsfer，CMT)弧焊法(简称CMT法)是奥地利Fronius公司针对各种薄板焊接而开发的一种准确控制弧焊输入能量的短路过渡焊技术。普通短路过渡过程包括：焊丝升温熔化熔滴形成熔滴同熔池短路小桥爆断。由于在熔滴同熔池短路阶段电流突然急剧增大，导致能量积聚，并在小桥爆断时产生飞溅。而CMT法在此基础上，通过在短路阶段利用回抽焊丝使熔池与焊丝迅速分离，控制了电流增长速率，保证焊接在较小电流水平下进行，减少了焊接飞溅。CMT法过程如图7-13所示。图7-13CMT法过程287.2.4弧焊电源的波形控制 与普通弧焊方法相比，CMT法减少飞溅、提高焊缝质量的关键在于送丝与熔滴过渡电流的协同控制。把焊丝回
25、抽作为控制过渡电流的手段，将焊丝与熔池之间传统的爆断分离，通过对焊丝的回抽改为拉断分离，因此在短路过程热量输入低，弧焊接头的热影响区减小。CMT法弧焊能量为传统短路过渡形式的70%，可以实现0.3mm以上超薄板的焊接，不会出现熔池的穿塌，工件变形极小，熔滴过渡无飞溅。然而，尽管CMT法能以精确且超低的能量输入进行焊接，但是这一技术对送丝过程的过分依赖使得它对送丝系统的要求非常高，6070次/s的焊丝送进与回抽频率使送丝机的动态性能面临考验，而精密的送丝结构势必引起弧焊系统体积的笨重和价格的高昂，限制了CMT法在某些方面的应用；对于焊丝而言，70Hz的反复推拉也会使强度较弱的焊材在采用此方法时出
26、现问题。(2)EWM-Cold Arc法EWM-Cold Arc(冷弧焊)技术是德国EWM公司推出的一种无机械调节低能量弧焊技术。与CMT法相比，由于该法弧焊过程对送丝速度变化要求不高，因此其在经济上要优于CMT法。29 其注重的是对弧焊电流波形的控制，利用新型逆变开关与先进的数字化控制策略，它能够极大地减少连续短路过渡期间的引弧高峰能量，从而降低金属熔化阶段的热量输入。如图7-14所示，该方法在利用脉冲电流完成熔滴过渡之后，用电流迅速降低过程代替传统的电流缓降过程，并以一较小的电流脉冲再次引弧，使再次引弧电流及其后的时间里能量明显降低，从而减小了弧焊过程的热输入，如图7-15所示。图7-14
27、EWM-Cold Arc法波形与传统短路过渡波形对比示意图a)短弧焊接方法b)EWM-Cold Arc焊接方法7.2.4弧焊电源的波形控制307.2.4弧焊电源的波形控制 (3)双极性脉冲MIG焊双极性脉冲MIG焊(以下简称VPP MIG焊)是20世纪90年代出现的一种新型弧焊方法。可以认为，它是由直流正向接法脉冲MIG焊(DCEP PMIG焊，以下简称EP极焊)与直流负向接法脉冲MIG焊(DCEN MIG焊，以下简称EN极焊)组合而成，其两者对比见表7-1。表7-1EP极焊与EN极焊的焊接现象对比过渡状态 熔池状态 焊丝熔化系数 小 大(EP极性时的1.5倍)阴极雾化 下榻、咬边、烧穿 熔合
28、不良、凸焊道 薄板焊接的方法VPP MIG=EP极焊+EN极焊31图7-15EWM-Cold Arc法与传统短路过渡再引弧能量输入比较 EWM-Cold Arc法是采用类似于Lincoln的表面张力(STT)过渡技术，将传统输出滤波电感用旁路开关短接，以改变因电感对电流变化的阻滞作用，而使熔滴过渡后的电流迅速降低，但它将电感的接入与短接作为控制的手段，对电流的控制不够准确。EWM-Cold Arc法由于其短路过渡的实质，仍然无法摆脱小桥爆断的过渡形式，弧焊过程产生飞溅较多。另外，必须选择特制的Zn基焊丝使这一方法的使用范围变窄，难以得到广泛应用。7.2.4弧焊电源的波形控制327.2.47.2
29、.4弧焊电源的波形控制弧焊电源的波形控制 可以说VPP MIG焊是这二者的有机融合。一般而言，EP极焊电弧的稳定性好，熔深较大，但在焊接薄板时(特别是2.0mm以下)，会引起工件烧穿。而EN极焊的电弧能量更多地用于焊丝的加热，对母材的加热量减少，因此在EN极焊时焊丝的熔化速度较快，但焊缝的熔池建立受到制约，熔深较浅，经常出现熔滴在母材上堆积而非与熔池熔合的现象，产生凸焊道。VPP MIG焊根据EP极焊与EN极焊的特点，通过控制每个周期内EP极焊与EN极焊的比率，对焊缝的熔深进行调节，能够有效地控制电弧对母材的热输入量。而对铝合金薄板焊接而言，这种控制是较理想的，尤其适用于薄板搭接时对装配间隙大
30、小有特定要求的场合。(4)CBT焊接方法熔桥过渡控制(Controlled Bridge Transfer，CBT)焊接方法，是OTC公司开发的能够实现GMA焊接的低飞溅和低热输入的新型弧焊控制方法，使超薄板低飞溅弧焊成为可能。CBT在短路过渡GMAW焊接条件下，飞溅通常在短路后电弧重燃时产生。控制飞溅的产生，必须精确地监测电弧重燃前那一时刻的电压。33 在电弧重燃之前，弧焊电流被迅速降低，这就促使焊丝端部的熔化金属只在表面张力的作用下过渡到熔池。然而，熔滴收缩的时间由于受到焊丝干伸长、焊接速度、弧焊位置和熔滴形状、大小、速度以及熔池黏度等因素的影响而不同。为了克服这些因素的干扰，通过燃弧时即
31、时监测变化的电弧电压来调节最佳的电流值。这样就控制了短路过渡周期，稳定了电弧。该方法能精确检测出变化的熔滴过渡情况，并预测电弧重燃时间，因此抑制了飞溅的产生。图7-16CBT焊接方法的电流、电压波形图7.2.47.2.4弧焊电源的波形控制弧焊电源的波形控制347.2.47.2.4弧焊电源的波形控制弧焊电源的波形控制 CBT焊接方法在电流波形控制上，类似于STT法的较复杂的波形，其弧焊电流。电压波形如图7-16所示，在短路初期及短路后期都将电流迅速拉低，以防止瞬时短路和液体小桥的爆断，焊接飞溅很低，焊机输出极性在正极性(EP)和负极性(EN)两种状态下交替更换，并且EP和EN极性的比例也能自由调
32、节，可以精确控制工件热输入和熔敷金属量。（5)RMD焊接方法熔敷金属控制技术(Regulated Metal Deposition，RMD)，是基于美国米勒公司的PipePro450RFC弧焊电源和相匹配送丝机的一种单面焊双面成形根焊方法。它由软件控制，对短路过渡做出精确控制，在焊接过程中，通过对焊丝短路过程的检测，控制短路过程中各个阶段的电流波形，从而控制多余的电弧热量，提高电弧推力，结果在根部产生高质量的熔深。RMD软件集成了强大的专家系统，每个程序各个阶段的电流波形根据电流大小自动优化到最佳的电弧特性，规范的适应性广，电弧穿透性强，过渡频率快，熔池稳定，容易控制，焊缝两侧熔合好，对细化晶
33、粒有明显的提高作用。RMD技术用于有间隙根焊，可以解决坡口不良和错边等焊接难题，节省装配时间。7.2.5弧焊电源的数字化控制技术 1.弧焊电源的数字化 (1)主电路的数字化 (2)控制电路的数字化 (3)专家数据库软件系统 2.数字化弧焊电源的特点 (1)多功能集成 (2)接口的兼容性好 (3)具有更好的稳定性 (4)具有更高的控制精度 (5)便于功能升级 模拟控制的缺陷：采用模拟器件进行电路设计的效率低；电路的调试周期长；由于模拟器件的温度稳定性和老化问题,使得模拟器件的控制精度降低,可靠性下降。357.2.5弧焊电源的数字化控制技术 数字化控制弧焊电源的发展已经历了两个阶段:(1)以单片机
34、控制的弧焊逆变器它属于数字化弧焊电源开创时期的产品。其主要特征就是，单片机在完成弧焊电源的管理和弧焊参数的给定等功能中，起主要作用。而弧焊工艺中的恒压、恒流控制则通过模拟的PI(比例积分)控制器来完成。(2)以DSP为控制核心实现弧焊的直接数字化控制，包括控制信号的高速并行处理、PWM信号的直接输出、弧焊参数的数据库管理等。从某种意义上说，只有在数字化弧焊电源进入到直接数字化阶段才真正地实现了数字化，才充分体现了数字化控制所带来的优势。361.弧焊电源控制系统概述2.弧焊电源数字化控制系统的关键技术3.弧焊电源的单片机控制4.弧焊电源的全数字化控制5.弧焊电源的智能控制6.弧焊电源动态特性的数
35、学描述7.数字化控制弧焊电源产品简介37随着电子技术和信息技术的进步，弧焊电源向着数字化方向发展。弧焊电源的数字化包括两方面的内容：(1)主电路的数字化 电力电子技术的发展为焊接装备的数字化提供了条件，大功率电力电子器件的出现，使弧焊电源的主电路由模拟工作状态变为开关状态，完成了主电路从模拟到数字化的跨越，当前弧焊逆变器已成为焊机生产中的主流产品和重点发展方向。(2)控制电路的数字化 它们是以单片机、DSP或ARM嵌入式微处理器为控制核心，通过软件编程实现弧焊工艺过程控制，这就大大增加了控制系统的柔性和适应性，便于操作和精确控制。387.3.1单片机控制的功能和特点单片机具有三个基本功能，即数
36、值计算、数值分析和实时控制。采用单片机控制后，通过不同的控制算法可以获得弧焊电源的各种外特性；通过编程可实现任意复杂工艺的顺序控制；采用各种控制算法实现焊接工艺参数的最优控制和匹配；利用现场通信技术可进行双机协同控制，实现双丝高速焊接；通过以太网IP接口技术可以实现焊接电源设备的远程管理、维护和升级。397.3.1单片机控制的功能和特点 (1)外特性控制 通过不同的算法可获得恒流特性、恒压特性、不同的斜率外特性、组合的外特性和输出线能量的任意控制，以满足各种弧焊方法和应用场合的需要。(2)动特性控制 通过软件编程可以实现PI或PID调节器，在反馈量中加入电流变化率(di/dt)，可以控制电流的
37、上升速度，使其符合焊接工艺的动态性能特征，使熔滴过渡稳定和减少飞溅。控制电流的变化率就相当于在电路回路里串连了一个可变的电抗器，也称为电子电抗器。软件编程更加灵活，不仅能改善系统的动态性能，还能减小弧焊电源的体积和重量。(3)预置焊接参数 可以将焊丝材料与直径、工件材质与板厚、保护气体成分等预置在单片机系统的ROM存储器中。焊接时，操作人员可通过面板选择具体的焊接工艺参数，单片机系统根据记忆再现，并在焊接过程监控这些焊接参数。1.单片机控制实现的功能407.3.1单片机控制的功能和特点 (4)实现“一元化”调节功能 针对某一焊接方法，在不同焊接参数下进行大量的焊接工艺试验，找出焊接参数之间的最
38、佳组合。在焊接时，仅用单旋钮选择焊接电流(送丝速度)，其它焊接参数与之配合实现一元化调节，而不必逐个调节焊接参数。(5)对焊接电流波形的控制 通过软件编程实现PID、模糊逻辑等控制算法，在焊接过程实时采集电流波形，可以实现CO2焊的STT波形控制，脉冲MIG焊的脉冲参数控制等。(6)对焊接工艺程序的控制和焊接故障报警 如对先通气后通电、引弧、电流的递增和衰减等工艺程序进行控制；以及对焊接过程中可能产生的粘丝、熄弧、过流、过压、过热、触嘴等故障进行诊断和报警。417.3.1单片机控制的功能和特点2.单片机控制的特点 弧焊电源采用单片机控制后，性能更好，功能更全，与传统弧焊电源相比，具有以下特点:
39、(1)便于采用各种先进的控制算法采用软件编程，不仅可以实现常规PID控制算法，而且可以实现自调整参数PID、自适应控制、变结构控制、模糊控制、人工神经网络控制等更加先进、更加智能化的控制算法，从而提高弧焊电源的控制精度和抗干扰的能力，智能化水平更高。(2)控制更加灵活，系统升级方便采用单片机控制后，弧焊电源的许多控制功能可以通过软件编程实现，若改变弧焊电源的功能或对弧焊电源加以升级，只要修改软件重新装配到单片机系统，或者在线修改控制算法和工艺参数，而不必改动硬件电路，这样就大大缩短了设计开发周期，节约生产成本。427.3.1单片机控制的功能和特点 (3)控制电路的元器件数量明显减少随着单片机的
40、集成度的不断提高，以前需要专用IC和分立元件实现的功能，现可以在一块单片机内实现，诸如：多通道A-D、数字I/O口、定时/计数器、串行口、可编程计数器阵列(PCA)等，有的甚至配置多通道PWM、CAN总线控制器，这样，只要一块单片机配上很少的外围电路就能实现弧焊电源所需的各种控制功能。(4)控制系统的可靠性高,易于实现标准化采用单片机后，许多模拟信号的处理被数字信号处理所代替，使控制系统的可靠性得到大大提高。对于某一系列的弧焊电源产品，可以采用同一套硬件控制电路板，便于组织生产；而软件可以采用模块化设计，将程序分为工艺时序、控制算法、输入输出接口、键盘显示、通信接口等不同的模块，在产品开发时，
41、根据不同的焊接方法修改有关参数，并将所需要的软件模块组合起来即可实现相应的焊接工艺。这样从软硬件两方面都可以很容易实现标准化，进一步提高系统的性能和可靠性。437.3.1单片机控制的功能和特点 (5)存储能力强，便于实现一机多用存储技术的发展，出现不同的高速存储技术，而存储的密度在大幅度提高。目前，多数单片机中集成了多种大容量的存储器，如RAM、ROM、EEPROM、FLASH等。在控制系统中就可以存储不同的焊接工艺应用程序及控制参数，这样就可以实现一机多用。(6)系统一致性好，便于生产制造采用单片机实现信号的数字化处理，不会出现模拟器件中因温漂和时漂等带来的差异问题，使产品的一致性好，便于调
42、试和生产制造。447.3.2单片机控制原理 弧焊电源的控制主要可分为以下几个模块:主电路的驱动控制；电参数控制；信号检测电路；故障报警与处理电路；通信电路；人机界面。457.3.2单片机控制原理 1.系统组成 46图7-17“MCU+硬件驱动”方案框图 弧焊电源中，弧焊逆变器无疑具有很好的动态响应性能，配合单片机控制可以进一步增强整机的功能和提高性能。这里就以单片机控制的弧焊逆变器为例来说明系统的组成。图7-17所示为单片机控制的弧焊逆变器的闭环系统组成框图。它可分为主电路(即电子功率单元)和控制电路(即电子控制单元)两大部分。为了防止主电路对控制电路的干扰，在信号采集输入和控制信号输出通道上
43、都采用光电隔离和电磁隔离等措施。47 如图7-17所示，单片机控制的弧焊逆变器的闭环控制系统，采用“MCU+硬件驱动”的方案，由整流滤波电路、IGBT全桥构成的逆变主电路、控制电路、送丝驱动、人机交互系统等组成。基本设计原理：采用相对成熟的3846驱动芯片实现有限双极性软开关控制IGBT模块。高性能MCU作为流程控制核心，主要完成过电流保护、过电压保护、过温保护、电流给定、电压给定、送丝速度给定、工艺逻辑顺序控制、串口通信、数据存储、专家系统生成和管理等功能。采用ARM+CPLD模式，控制面板上的编码器、按键、LED灯、表和串口通信。7.3.2单片机控制原理7.3.2 单片机控制原理2.控制过
44、程单片机控制过程如下：由键盘直接输入焊接参数，或借助于多圈电位器从基准电源产生电压信号，并经过A-D转换输入焊接过程的焊接参数，然后通过键盘或控制开关发出焊接指令。单片机接上弧焊逆变器、送丝机、保护气体等设备的有关控制通道，并发出提前送气指令，然后是引弧指令。引弧成功后，单片机自动把电流从小递增到预定值。若是熔化极气体保护焊，微机控制系统通过对电弧电压、焊接电流信号的采集比较，使焊丝速度和电弧电压调节到预定焊接参数。待工件预热(工件厚度和电弧电压较大时才需预热)和形成预定熔池（到一定时间）后，单片机发出启动行走机构指令，并输出一定数值的焊接速度信号，开始正常焊接。在焊接过程中，单片机实时数字显
45、示焊接电流及电弧电压值(包括空载电压)，自动进行焊接过程中的参数变换。收弧时，单片机发出收弧指令，进行收弧、填弧坑处理(包括电流衰减、滞后送气等)。收弧完毕，单片机进入焊接结束状态，并关闭所有通道。若在焊接过程中或焊接结束后检测到故障信号，则以中断方式供单片机进行处理，中断一切工作，发出报警信息，并显示故障原因，以便操作者查找并排除故障，待故障排除后方可以进行焊接。487.3.3PID控制算法 按闭环系统误差信号的比例、积分和微分进行控制的调节器称为PID调节器。它具有结构简单，参数易于调整，应用广泛等特点。理想PID控制算式如下：式中，u为调节器输出控制量；KP为比例系数；e为给定量与反馈量
46、之间的偏差；Ti为积分常数；Td为微分常数。单片机系统是离散控制系统，因此，理想PID必须进行离散化，经过离散化的PID调节器成为数字PID调节器。其算式如下：（7-1）n0jdip)1()()()()(neneTTjeTTneKnu（7-2）49)1()(dipdtdeTedtTeKku7.3.3PID控制算法 式(7-2)表示在任何瞬时的控制量输出u都对应于执行机构，如调节阀的位置，故称此式为位置型算式。在采样时间t=kT(T为采样周期)时刻，实际数字PID调节器的控制规律为:式中，u（k）为调节器输出控制量；KP为比例系数；e（k）为给定量与反馈量之间的偏差；Ti为积分常数；Td为微分常
47、数；u（0）为控制常量。那么 因为：（7-3）（7-4）)1()()(kukuku（7-5）)0()1()()()()(dkiipuTkekeTieTTkeKku)0()2()1()()1()1(d1k1iipuTkekeTieTTkeKku507.3.3PID控制算法 1.PID调节算法 可以得出：式（7-6）被称为增量式PID算式。采用这种算法，算式只与最近几次采样有关，不易引起误差积累，可以降低出现机器故障的可能性。在PID调节器中，比例、积分和微分常数，需要根据不同的控制对象选择不同的数值，还需要经过现场调试才能获得较好的效果。（7-6）51)2()1(2)()()1()()1()(d
48、ipkekekeTTkeTTkekeKkuku7.3.3PID控制算法2.数字PID调节参数选择PID调节器是一种线性调节器，系统的给定值与反馈值的差成为偏差，对偏差进行的比例、积分、微分线性组合构成控制量式(7-3)。它们在PID调节器中的作用如下:(1)比例调节作用是按照比例反映系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用以便减少偏差。比例作用大,可以加快调节，减少误差；但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。(2)积分调节作用能使系统消除稳态误差，提高无差度。因为只要有误差，就进行积分调节，直至无误差，积分调节就停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决于
49、积分时间常数Ti,Ti愈小，积分作用就愈强；反之，Ti大则积分作用弱。加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节或PID调节器。527.3.3PID控制算法 (3)微分调节作用微分作用反映系统偏差信号的变化率，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除，因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调和调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此，过强的微分调节对系统抗干扰不利。此外，微分反映的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。另外，微分作用不能单独使用，需要与另外两
50、种调节规律相结合组成PD或PID控制器。一般来说，被控对象的数学模型很难建立，PID调节参数的选择需要反复调试才能找到比较理想的参数值，对不同的控制系统，也没有参考值可循，但是可以根据上述的PID调节作用原理对参数进行选择。537.3.3PID控制算法3.带死区的数字PID控制算法焊接过程是一种非线性系统，采用PID调节的控制算法，由于积分饱和、系统干扰等原因，控制量的超调可能很大，为了避免控制量的过大或者过小，在应用中，设置控制量的死区，对控制量进行限制。在式（7-7）算式中对控制量设置了范围，避免了系统过量的超调，增加了稳定性。（7-7）54kmaxkkminkkmaxkminkuuuuu
