基于80C196KC的軟開關(guān)型脈沖MIG焊機的研究

摘要：根據(jù)脈沖MIG(Metal Inert Gas)焊工藝特點，設(shè)計了基于80C196KC控制的軟開關(guān)型脈沖MIG焊機。采用單片機80C196KC作為控制系統(tǒng)的核心，主電路采用軟開關(guān)式全橋逆變結(jié)構(gòu)，功率開關(guān)器件為絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，逆變頻率為20kHz。采用PI算法實現(xiàn)恒流外特性，脈沖MIG焊接電源獲得了電流頻率、電流幅值、峰值基值導(dǎo)通比均可以獨立調(diào)節(jié)的波形。試驗表明脈沖MIG焊接電源控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠。
關(guān)鍵詞：焊機；軟開關(guān)；逆變；比例積分控制

1 引言
    脈沖MIG焊以其在較大電流調(diào)節(jié)范圍內(nèi)均能夠?qū)崿F(xiàn)射滴過渡、軸向性好，適用于全位置焊接、熱輸入量方便可調(diào)以及焊接質(zhì)量好等優(yōu)點，受到國內(nèi)外廣大焊接工作者的關(guān)注。軟開關(guān)技術(shù)采用諧振變流技術(shù)，其特點是功率器件在零電壓和零電流條件下自然開通和關(guān)斷。它從本質(zhì)上克服了硬開關(guān)型弧焊電源的缺點，在較大程度上解決了功率開關(guān)損耗過大的問題。根據(jù)脈沖MIG工藝要求，設(shè)計了基于80C196KC控制的軟開關(guān)型脈沖MIG焊機，峰值、基值電流調(diào)節(jié)范圍為20～500 A，輸出空載電壓70 V，熔滴過渡方式為射滴過渡，焊接參數(shù)獨立可調(diào)。

2 總體設(shè)計
    軟開關(guān)型脈沖MIG焊接電源系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由主電路、控制電路、驅(qū)動電路3個主要部分組成。系統(tǒng)采用目前較為常用的AC／  DC／AC／DC的逆變模式，脈沖開關(guān)信號來自單片機給出的控制指令，經(jīng)驅(qū)動和放大后，為功率開關(guān)管提供固定頻率為20 kHz的高頻脈沖開關(guān)信號。在峰值電流期間，采樣實際輸出的峰值電流，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后送入單片機與給定的峰值電流進(jìn)行比較，單片機根據(jù)兩者間偏差進(jìn)行離散PI運算，得到1個控制參量，利用該控制參量實時調(diào)整20 kHz高頻控制脈沖的寬度，使輸出峰值電流與給定峰值電流相等；在基值電流期間，采用同樣的方法，使輸出基值電流與給定基值電流相等。

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3 電源主電路設(shè)計
3．1 主電路工作原理
    全橋軟開關(guān)型逆變電源主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要分為：抗共模濾波、三相整流濾波、全橋逆變、功率變換和輸出整流濾波5部分。

3．2 全橋軟開關(guān)的工作原理
    逆變電路采用軟開關(guān)全橋逆變電路，由4個IGBT開關(guān)管(VT1～VT4)，4個反并聯(lián)二極管(VD1～VD4和外加IGBT吸收電容C3，C4組成，L4為諧振電感，C12為阻斷電容。其控制原理與常規(guī)移相PWM控制原理相同，在大范圍內(nèi)也是PWM控制。IGBT驅(qū)動波形如圖3所示。

    在t0時刻前，VT1，VT4兩個IGBT導(dǎo)通，此時電流由A流向B，在t0時刻，VT1提前關(guān)斷，此時電容C3，C4開始充放電，此時VT2的管壓降迅速降低，由于C3，C4容量極小，故在很短的時間內(nèi)(t2時刻到來前)，VT2的管壓降降為零，與其并聯(lián)的逆導(dǎo)二極管VD2導(dǎo)通，此時電流流向為C4→L4→C12→T1→VT4，由于初級電流衰減，流過VD2的電流也迅速降為零，飽和電感L4阻斷電流反向增加，同時阻斷電容C12上的電壓迅速升高，使初級電流保持為零。故在t1時刻，滯后臂上的VT4是在零電流狀態(tài)下關(guān)斷的；在t2時刻，VT2在零電壓、零電流狀態(tài)下導(dǎo)通。同理，在t3時刻，VT2提前關(guān)斷，C3，C4又一次開始充放電，此時電流流向是VT3→T1→C12→L4→C4，在極短的時間內(nèi)C4充電完成，其電壓與前端的正電壓相等，此時L4再次反方向的產(chǎn)生阻斷電流，阻斷電容此時反方向充電，產(chǎn)生反方向高壓來阻止初級電流，故在t4時刻，滯后臂上的VT3在零電流狀態(tài)下關(guān)斷；在t5時刻，VT1在零電壓、零電流狀態(tài)下導(dǎo)通。
    綜上所述，超前臂實現(xiàn)零電流零電壓開關(guān)(ZVZCS)，滯后臂實現(xiàn)零電流開關(guān)，從而整個軟開關(guān)逆變電路實現(xiàn)了ZVZCS。
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4 電源控制系統(tǒng)設(shè)計
4．1 控制系統(tǒng)工作原理
    在單片機閉環(huán)控制系統(tǒng)中，采用高性能的MCS-96系列單片機80C196KC作為電源控制系統(tǒng)核心，通過編程實現(xiàn)焊接過程控制、電流電壓采樣、A／D轉(zhuǎn)換、PI運算、參數(shù)預(yù)置等功能。整個系統(tǒng)采用閉環(huán)負(fù)反饋控制，逆變采用PWM方式控制輸出電流的大小，控制量經(jīng)由MAX530組成的D／A轉(zhuǎn)換電路后送到脈寬調(diào)制芯片UC3846，輸出自帶死區(qū)的兩路PWM驅(qū)動信號，經(jīng)過脈沖變壓器的隔離驅(qū)動IGBT，輸出恒流外特性。
4．2 IGBT驅(qū)動波形
    圖4為實測IGBT驅(qū)動波形，其中圖4a為同一橋臂VT1，VT2上的驅(qū)動波形ugVT1，ugVT2，由圖可知，兩路驅(qū)動波形相位相反，脈寬相等，與預(yù)期的目標(biāo)相同。圖4b為同一導(dǎo)通回路VT1，VT4上的驅(qū)動波形ugVT1，ugVT4，即ugVT4一直保持最大脈寬，通過控制ugVT1脈寬來實現(xiàn)PWM調(diào)節(jié)。圖4c為VT2，VT3上的驅(qū)動波形ugVT2，ugVT3。圖4d為VT3，VT4上的驅(qū)動波形ugVT3，ugVT4。由圖可見，ugVT3，ugVT4一直保持最大脈寬，只有ugVT1，ugVT2的脈沖寬度是跟隨PI計算后的給定值而變化的，符合所設(shè)計的軟開關(guān)主電路要求。

5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
    控制系統(tǒng)是在系統(tǒng)軟件的控制下工作的，控制程序作為整臺焊機的精髓所在，其結(jié)構(gòu)的合理性、程序的實用性以及可靠性就成為數(shù)字化焊機的關(guān)鍵所在。合理的程序結(jié)構(gòu)、正確的程序流程是保證焊機正常工作的基礎(chǔ)。
5．1 PI控制算法
    PI運算是控制軟件部分主要完成的工作之一，數(shù)字PID控制算法的程序編寫較為簡單，根據(jù)所設(shè)計焊機的具體要求，并結(jié)合以往的研究結(jié)果，系統(tǒng)有比例、積分環(huán)節(jié)即可得到滿意的控制效果，加入微分項可以提高系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)，但其運算和參數(shù)調(diào)整較為復(fù)雜，會占用單片機過多的時間，降低了響應(yīng)的快速性。故此處采用PID算法中的PI部分，其控制規(guī)律為：
   
    式中：α=K(1+T／Ti)，β=-K；ei，ei-1分別為第i次和第i-1次電流給定值與反饋值之差；I(i)，I(i-1)分別為第i次和第i-1次輸出給MAX530的控制參量；α，β的值是通過大量實驗整定后確定的。[!--empirenews.page--]
5．2 焊接過程時序控制
    根據(jù)焊接工藝要求，焊接過程中各個工序要按順序執(zhí)行。其時序控制如圖5所示。

5．3 軟件抗干擾措施
    雖然在主電路以及控制電路中都采取了抗干擾措施，但是干擾信號只是在一定程度上減弱，不可能完全消除的。因此，仍會有一些干擾能夠侵入到單片機系統(tǒng)中，我們在硬件抗干擾措施的基礎(chǔ)上又有意識的采取了幾種軟件抗干擾措施：監(jiān)視時器、冗余指令、數(shù)字濾波等。

6 系統(tǒng)調(diào)試
    為檢驗前述設(shè)計的硬件電路以及軟件程序，需對硬件電路以及軟件程序進(jìn)行整機調(diào)試，以檢驗其是否符合設(shè)計要求。針對整機試驗中的各個問題進(jìn)行分析與改進(jìn)，進(jìn)一步完善系統(tǒng)的設(shè)計。
    空載測試通過后，對焊機進(jìn)行靜負(fù)載試驗。將焊機輸出接到負(fù)載箱上，面板給定基值與峰值電流相同，即焊機處于恒流輸出狀態(tài)，通過改變負(fù)載箱的電阻值測試焊機外特性，根據(jù)測試數(shù)據(jù)繪制焊機外特性曲線。圖6a為給定65 A時測定的焊機輸出外特性曲線。

    圖6b為對5 mm厚Q235A碳鋼進(jìn)行手工焊接過程的脈沖電壓波形。其焊接條件為：焊絲直徑1．2 mm，峰值電流180 A，基值電流50 A，占空比為30％，頻率為50 Hz，送絲速度為4．5 m·min-1。
    在上述參數(shù)下焊接，過程穩(wěn)定，飛濺較少，實現(xiàn)了射滴過渡，達(dá)到了最初設(shè)計目的，焊縫成型較好，熔深較大，對5 mm厚的板材可一次性焊透。

7 結(jié)論
    焊機主電路采用軟開關(guān)IGBT式全橋逆變結(jié)構(gòu)，經(jīng)試驗表明，硬件電路結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，性能穩(wěn)定，實現(xiàn)了零電流、零電壓開通與關(guān)斷；采用以80C196KC單片機為核心的控制系統(tǒng)，并配以集成度高的專用芯片進(jìn)行控制，在各個環(huán)節(jié)采取了多種抗干擾和保護(hù)措施；采用匯編語言編程，軟件指令執(zhí)行效率高、速度快，并設(shè)有軟件抗干擾措施。最后進(jìn)行了焊接試驗，試驗結(jié)果驗證了控制系統(tǒng)的設(shè)計符合要求，實現(xiàn)了穩(wěn)定的脈沖MIG焊，并能滿足脈沖MIG焊接工藝的要求。