微机控制多功能逆变式弧焊机的研究
1 前言
在本课题研究中，我们着重解决了两个问题：其一，将单片机控制系统成功地运用于弧焊电源领域，并形成包括数据采集、PID运算、输出特性控制等一套完善的闭环控制系统；其二，解决了工业弧焊电源，特别是逆变式电源及高频发生器等强干扰源对单片机系统的干扰问题，使整个设备能十分可靠地运行。
2 基本工作原理
课题的技术要求如下：主机设备具有多种外特性输出功能，当和CO2焊控制箱以及送丝机组合时，可以构成MIG/MAG及CO2焊机，并且具有专家系统、一元化控制、自保非自保、弧坑填充、削小球处理等功能。当和TIG焊控制箱组合时可构成TIG焊机，并且具有接触引弧与高频引弧、脉冲输出等功能。单独使用时，主机可作为手工弧焊电源。
根据技术要求，我们将整个课题的设计思路按如下方式设定：
主机采用晶闸管逆变式主回路设计，取其技术成熟、动态响应迅速、性能可靠、效率高等优点。而控制回路采用工业控制中常用的16位单片机8098最小系统，由它完成参数给定、参数运算、电流反馈、电压反馈、反压检测及频率调制等几乎所有的重要工作。协调整个焊机的正常运行，并获得所需的各种特性。
CO2控制箱与TIG控制箱均由8位单片机8951作为主控制系统，与模拟控制相比，它在参数设置、参数给定、规范储存与调用、数据的接收与传送等方面具有十分明显的优越性。即使在生产成本上由于工控单片机的价格大幅降低也并不逊色于模拟电路。主机与控制箱的数据交换采用了单片机间常用的串行通信方式。实践证明，本方法简便易行，性能也十分可靠。在实施了奇偶校验方法与一定的抗干扰措施后，即使在TIG焊高频引弧的时候，也几乎不存在误码的可能。
不同的焊接方式是由主机根据控制箱传递的特征码自动识别的。当主机通电后，它自动设置为手工焊状态，此时如果输出端接入焊钳与焊条，可施行直流手工弧焊。在空载状态下，TIG焊或者CO2焊控制箱通电后，它们将向主机发出不同的特征码，主机根据接收到的特征码，自动转换焊接方式，并协同控制箱可进行TIG焊或者CO2焊。主机面板有指示灯自动显示当前工作状态为MMA、TIG或者是CO2方式。当控制箱关电后，主机又可自动回复到手工焊状态。
TIG焊与CO2焊参数的给定是由对应控制箱面板的预置键输入控制箱，再由控制箱将数据传递主机。而手工焊的给定是主机面板上给定电位器直接预置。
3 主机工作原理
晶闸管逆变电路是一种“调频控制”技术，原理框图如图1所示。由于其原理已经普及，此处不再赘述。
图1 ZD7—500WZ电源原理框图
图2是主控制电路原理框图。8098单片机系统采用悬浮式供电的方式，与其它控制回路及主电路完全隔离，甚至“地线”也是分开设置的。这是一种消除线间干扰的极好方法。单片机的三个高速输入口HSI1～HSI3分别用于采样给定值、电压值与电流值。这三个参数均由硬件电路进行滤波、整形、放大处理后，经V/F转换电路送入单片机输入端口。8098的高速转入口 HSI可以十分方便地读取输入信号的频率，通过频率值对应于电压值的运算，单片机便可获得需采样的三个参数值。而单片机的两路高速输出口HSO0与HSO1分别输出两路触发脉冲信号，这两路信号经控制电路放大后输入晶闸管触发极用于控制逆变器的逆变频率，达到调节输出的作用。单片机的外部中断口EXTINT用于反压检测，此信号协调逆变器的正常工作，防止发生自通。
图2 主控制电路原理框图
本机设计了多种故障自检功能，能够对电源缺相、温升超限、网压超限等进行自检并报警显示。而手工焊具有焊条防粘功能，在短路时间超过两秒后，能自动切断主回路电流；CO2焊具有长时限流功能，能对持续一秒时间的1.5I0电流进行自动保护，防止焊机硬件受损。
主控制板的软件设计由多个功能块组成，包括一个主程序和三个中断子程序。子程序分别为外中断服务子程序(EXTINT)、高速输入中断子程序(HSI) 及软定时中断服务子程序。其中HSI中断程序主要工作任务是数据采样，三个HSI口分别采样输出电压、输出电流及给定值三个参数，程序段内包含了PID运算功能及输出外特性控制功能。EXTINT中断与软定时中断这两个中断程序同时用于反压信号的检测，EXTINT中断口用于输入中断信号，关键还在于软定时中断程序的使用，它主要是通过软件来判断中断信号的真实性，防止干扰信号或不可靠反压信号导致的误触发，确保了反压信号可靠、准确、及时的被单片机所接收，这一点是非常重要的，它关系整个系统工作的可靠性与稳定性。
图3～5分别给出中断程序框图。其中定时器0用于计时触发脉冲间距，定时器1用于计时触发脉宽值。
图3 HSO中断服务程序流程图 图4 外中断服务程序流程图
图5 HSI中断服务程序流程图
主程序是十分复杂的，如果粗略划分，它可以分成三段：第一段是系统初始化段；第二段是空载段，第三段是负载段。初始化段不用多言。空载段是指当焊机处于空载状态时程序所运行的功能段，在这段程序中包括负载检测、控制箱特征码检测、控制箱数据流检测、工作状态判断、空载电压选择等多个程序块。负载段是指当焊机处于负载状态时程序所运行的功能段。它又分为三段，分别为MMA、TIG、CO2三种不同工作方式对应的程序段。而每个程序段都包含空载检测、引弧方式、负载方式、故障循检等必须的功能块。当然各个不同的工作方式还有其特有的功能块，不再多述。从图6的主程序流程框图可对上述所言加以了解。
图6 主程序流程图
研究中发现，手工焊沿用传统的陡降加外特性效果并不满意。主要表现于电弧自调节能力弱，熔深浅而穿透力差。于是采用程序模拟经典的变压器式焊机的斜降外特性，感觉焊接效果明显改善。同时PID参数调节时，发现去掉微分项反而有利于电弧的稳定及减小飞溅。
4 TIG控制箱基本原理
TIG控制箱是协调主机实现TIG焊工作方式，包括直流TIG焊和脉冲TIG焊。
其面板示意图见图7。
图7 TIG控制箱面板示意图
TIG控制箱的任务有：①参数预置与数显，由于具有脉冲输出功能，因此参数将包括直流电流、峰值电流、基值电流、脉冲频率、占空比等多项指标。控制箱对这五种参数具有分别设置并通过面板数显器显示其大小值的功能；②数据传递，控制箱可以将上述参数及其它相关的特征码通过串行通讯方式向主机传递数据，也可以接收来自主机的一些控制信号；③高频引弧器，控制箱有一套高频引弧装置，用于TIG焊非接触引弧方式时使用。当然这套设备的加入将严重干扰系统各单片机及主机逆变器的工作可靠性，因此在设计时要完全考虑消除干扰的措施及方法；④TIG焊必须的程序控制，包括提前送气、滞后断气等简单的程序控制模式。
控制箱的主控制电路采用英特尔公司生产的通用8位单片机8951，这是一种自带程序存储器和数据存储器的单片机芯片。由于无需扩展存储器，将其总线端口全部用作并行口使用。用于参数输入及显示输出等功能，这样可以大大减少硬件开销，使得整个控制电路十分简单可靠。
程序存储器的空间为4KB字节，足以容纳所编写的全部程序。而数据存储器为256字节，安排如下：00H～20H作为工作寄存器R0～R8，由RS0，RS1的不同分为四组，各组分代表电流、频率、基值、占空比四个不同的参数值，因每组8字节，前3字节代表各参数的百位，十位及个位，后5字节用于参数运算时保存中间结果。21H～7FH作为一般数据寄存器，用于计算、寄存中间结果。从80H～FFH是特殊功能寄存器。由于上述数据的特殊性，控制箱内单片机在发送数据前还有一特殊任务，就是将各参数转换为00H—FFH范围内的单字节数，以便主机收到后直接参与运算。
图8是TIG焊控制箱程序流程框图。
图8 TIG焊控制箱程序流程图
因为涉及到脉冲焊的问题，脉冲电流完全采用恒流式脉冲。所以TIG焊的外特性采用陡降特性。
5 CO2焊控制箱的工作原理
在单片机及存储器的选择安排上，CO2控制箱与TIG控制箱完全相同。但功能要求方面却是不同的。CO2焊与主机进行数据交换的量很少，只有焊接电压这一参数。而送丝速度是单片机自身对送丝机进行控制，其面板示意图见图9。
图9 CO2控制箱面板示意图
根据CO2焊的工作原理，本控制箱设计了三种参数预置方法，即专家系统、一元化、非一元化。专家系统是由设计者根据全面收集CO2焊多种经典与经验参数，按不同焊接材料、不同保护气体、不同焊接方法和种类归纳并总结出的可供参考的原始数据库。它同时具有可修改性与可扩充性。充分满足了用户厂对焊接工艺规范进行控制和管理的需要，因此实用性很强。这是充分发挥单片机功能的一个成果，我们在专家库中储存了50套常用的规范参数，这些参数可以调用或者修改使用，但修改后不能重写。另预留50套参数的储存空间，可让用户自己存储想保留的规范参数。一元化及非一元化调节是通用CO2焊机的功能，但本机因使用微机系统，一元化调节可以精确的按一元化曲线来确定参数，这一点是通用CO2焊机采用线性趋近方法进行一元化调节所不能做到的。
由于专家系统涉及到数据修改与存储的问题，本控制器采用2402串行E2PROM 作为存储器件。它可以随时修改内存数据，也可以在掉电情况下保存数据。同时由于它是串行传输数据方式，因此与8951之间只通过三根并行口联接，占用资源极少。因为只使用一片2402，其地址端全部接地，无需进行选址。8951并行口通过编程产生2402所需的时钟信号，在此时钟信号的配合下，使可通过另两只并行端口进行数据写入与读出。
程序控制器的空间划分与TIG控制箱相仿，只是每组对应参数值改为了电压与送丝速度的十位，个位与十分位的关系。通讯方式也与TIG焊控制箱一样。
CO2控制箱在控制送丝机转速时，采用电枢电压反馈这种准闭环负反馈方式，说是准闭环是因为对于速度参数而言，它只是一个局部负反馈。所以这种调速方法抗干扰的能力较差，不过实践中发觉可以满足CO2焊焊接的要求。它的优越性在于电路简单可靠，调试方便，无需单片机参与反馈。在程序设计上也少去许多麻烦。
图10是CO2控制箱程序流程框图。
图10 CO2焊控制箱程序流程图
CO2焊的平特性电源也非完全的恒压方式。通过实验确定3V/100A的斜率具有较好的焊接效果。
6 关于抗干扰问题
这是一个重点。单片机的抗干扰一般均采用软硬兼施的办法，但硬件防干扰才是主要的。方法如下：1.采用隔离电源，悬浮供电。即干扰源与被干扰的单元间没有直流电位的关系(不共地)，这是防止差模干扰的好方法。2.使用电源滤波器，电源滤波器对高频的共模干扰形成很强的阻碍作用，在关键部位要尽量采用。 3.屏蔽，金属屏蔽盒可防止空间电磁干扰，保护被干扰单元。注意屏蔽层一定要接地。在硬件防干扰措施的实施下，配合软件抗干扰，如指令冗余，数字滤波器等方法，便可彻底消除干扰，使系统可靠工作。
7 结论
充分发挥微机的智能作用，使电焊机这种工业产品具有更强的实用性和可开发性，为焊接生产提供更好更高层次的服务，这是国际上焊接设备的发展趋势。我们的课题是在这一方面迈出的第一步。随着研究开发的深入，微机控制技术将在焊接工艺方面发挥巨大作用，为焊接设备的发展开辟出崭新的道路。
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