CN1032195C

CN1032195C - 微机控制能量自补偿型氩弧焊电源

Info

Publication number: CN1032195C
Application number: CN 94115926
Authority: CN
Inventors: 张仁甫; 张长江; 江淑园; 邢丽
Original assignee: NANCHANG AVIATION INDUSTRY COLLEGE
Current assignee: NANCHANG AVIATION INDUSTRY COLLEGE
Priority date: 1994-08-30
Filing date: 1994-08-30
Publication date: 1996-07-03
Anticipated expiration: 2014-08-30
Also published as: CN1101597A

Abstract

一种包括模拟式晶体管主电源的微机控制能量自补偿型氩弧焊电源，设有8098单片机最小系统以及采用专用电源监视芯片的系统用净化电源，取自主电源的电流、电压信号经光电隔离送至单片机系统，电流信号为闭环控制，电弧电压信号为开环控制。可以均匀调节焊接电流，还可以均匀调节输出外特性斜率，在自动或半自动薄板焊接时，对弧长波动或网路电源电压变化造成的电弧能量变化，能获得相应的补偿，显著地提高焊接质量。

Description

微机控制能量自补偿型氩弧焊电源

本发明涉及使用保护气体的电弧焊接装置，尤其涉及一种微机控制能量自补偿型氩弧焊电源。

现有的通常市售焊机，其输出外特性都不能主动适应电弧负载的需求。在自动焊或半自动焊时，电弧长度的波动与网路电源电压变化是很难避免的，尤其是在薄板TIG焊时，电弧功率较小，在上列情况干扰下，对输入工件的热量变化异常敏感，极易出现烧穿、焊漏或未焊透等缺陷，不能保证在干扰情况下，使输入到工件上的有效热功率恒定，无法获得焊缝形状参数不变的焊接接头。

本发明的目的是克服上述现有技术的不足提出一种微机控制能量自补偿型氩弧焊电源。

大量的实验数据表明：在纯氩气氛中，对于薄板的焊接，欲使阳极(焊件)有效热功率恒定，所用氩弧焊电源应该是补偿型的。不同材料，或同一种材料在不同板厚的情况下所对应的补偿型电源的最佳外特性不同，但这种最佳外特性是客观存在的，且在一定的干扰范围内，即网路电源电压变化ΔU≤±10％，弧长波动ΔL≤6毫米时，可用不同斜率的直线逼近。本发明的目的正是采用依据上述事实设计的技术方案予以实现的。

本发明由四大部分组成：

1、由三相变压器、三相整流及滤波器、调整晶体管组、控制电压及电流采样电阻、高频引弧器及保护电路构成的模拟式晶体管主电源。该主电源与常用的模拟式晶体管主电源类似。该主电源为水冷式，对整流器与调整管组进行强制冷却。调整管组由大功率晶体三极管组成，可以通过对基极的控制，调节电源的输出电流。在该系统中，主机采用高频引弧器引弧，当焊炬与工件间产生电弧之后，其电弧电压经电阻分压后，取自电压采样电阻R_U作为电弧电压信号送往单片机控制系统，取自串联于焊接回路的电流采样电阻R_I的电流信号，也反馈给单片机控制系统。电流信号为闭环控制，电弧电压信号为开环控制。

2、8098单片机最小系统

这一最小系统由8098CPU、RAM及EPROM存储器、8255并行口、译码器、地址锁存器、A/D与D/A转换器、电流与电压放大器、线性光电耦合器组成。8098CPU是控制系统的核心。最小系统完全浮地，外围开关量都经光电隔离。取自主电源的电压、电流信号，和送至主电源调整晶体管组基极的D/A输出量即调整管的控制信号等三个模拟信号，经线性光电耦合器，出入最小系统。系统软件固化在一片16K的EPROM中，上电后系统即自动按其中的程序运行，控制过程中采样到的电流、电压信号量以及模型计算的中间数据等都暂存于RAM中，并不断备份、更新；8098CPU自带10位A/D转换器，其转换速度和精度较高，扩展的12位D/A转换器也保证了数模转换精度。

程序由8098汇编语言编制，采用模块化设计。后台服务程序为用户提供了友好的人机交互界面，实时控制程序简便。焊接开始前，系统自检，并判断用户通过拨码盘输入的有关参数是否有效，对于系统硬件故障、参数无效、用户的不正确操作等情况都给予警报；焊接过程中，采用PID控制算法。采样周期为5毫秒，一旦弧长变化或网路电源电压波动，随即可按最佳的外特性模型进行能量补偿，其实时性强。

该电源系统的软件主要由下列模块构成：

(1)系统自检

系统上电后，自动对RAM、D/A、A/D各通道、拨码盘等硬件部分进行检查。

(2)出错及状态报告

对用户的操作错误、系统硬件出现故障、干扰导致系统工作失常、短路等情况给予警报；对就绪、引弧、焊接等工作状态给予提示。

(3)运行参数的读入、判断

拨码盘上的参数被读入到RAM中以后，再对其有效性进行判断，并与前次运行时的参数进行比较，给出相应信号。被认为正确的参数将备份至其它单元，以得到保护。

(4)外特性模型Ig＝I₀＋U/tgα的预处理

将读入的BCD码数I₀、α转化为三字节浮点数I₀和α，并浮点运算1/tgα。

(5)实时采样电压、电流(即A/D转换)，软件滤波

每个采样周期5毫秒中，分别对电压、电流采样5次，并采用中值滤波法除去无效的信号量。

(6)电流给定值Ig的计算

在这一模块中，根据外特性模型预处理的结果和采样到的电压值计算电流给定值Ig，并将其转化为双字节的整数。

(7)PID计算

本系统中，采用增量式PID算法，即

Tn＝Tn－1＋ΔTn

ΔTn＝Kp(e_n－e_n－1)＋Kie_n＋Kd(e_n－2e_n－1＋e_n－2)

其中，Kp、Ki、Kd分别为比例、积分、微分系数

Tn——本次输出量

Tn－1——前一次输出量

e_n——本次模型上的电流给定值与实时采样值之差

(8)限幅D/A输出

根据PID计算的结果，在限定上、下幅后，由D/A转换输出。

(9)电流缓升

引燃电弧后，使焊接电流逐渐(速度可调)升至所需的焊接电流值。

(10)电流衰减

熄弧时，使焊接电流由当前值缓慢(速度可调)衰减至零。

(11)运行参数的冗余设计与掉电、停机保存

为了提高抗干扰能力，拨码盘输入的每一个参数及每一个中间计算结果等有用数据分别被备份至RAM的多个不相临近的区域。如果某一单元的数据丢失，而保存在其它几个单元的同一参数仍然完好，可以保证系统的正常运行。系统掉电或停机，有效参数将被保存至设有掉电保护装置的RAM中。

3、净化电源系统

本发明中的单片机最小系统所需的+5伏电源，是经屏蔽、多极LC和RC滤波、二级稳压后得到的净化电源，并采用新型的TL7705专用电源监视芯片对其进行监视。RAM存储器还设有掉电保护装置。

4、人机交互界面

这一部分是通过拨码盘、操作按键盘、信息提示灯、错误报警器、电源状态电路经多路光电隔离电路与8255并行口接口实现的。拨码盘用于参数的输入与显示，直观、可靠。用户通过小键盘操作该系统，并根据一排小信息提示灯了解各种异常情况及正常的工作状态。

本发明通过对模拟式晶体管主电源配以8098单片机控制系统，使弧焊电源可以均匀调节焊接电流，还可以均匀调节输出外特性斜率，斜率的调节可以按照规范表或实验决定，一旦决定就不需随时调节。即用户可以根据电弧负载的不同和对焊缝形状参数的要求，以及材料、厚度，选择不同的焊接电流与斜率。在自动或半自动薄板焊接时，对弧长波动或网路电源电压变化造成的电弧能量变化，能获得相应的补偿，从而达到电弧输入工件的有效热功率恒定，获得焊缝形状参数稳定的接头，显著地提高焊接质量。本发明的焊接工艺过程采用程序控制，焊接电流及输出外特性斜率都由拨码盘输入，使用方便。保护、隔离装置以及硬、软件采用模块化设计，通用性好。具有较强抗干扰能力，工作稳定，再现性良好的特点。本发明适用于低炭钢、低合金钢、耐热合金、不锈钢、以及钛、锆及其合金或物理性能与以上材料相近的金属焊接。

附图是本发明的组成方框图。

下面对照附图并结合实施例对本发明作出进一步的说明。

实施例

模拟式晶体管主电源1由三相变压器5、三相整流及滤波器6、调整晶体管组7、控制电压采样电阻R_U及控制电流采样电阻R_I、高频引弧器8及保护电路构成。三相变压器5功率为5千瓦，三相380伏网路供电，无相序要求，其次级输出经桥式整流电路整流后，空载直流电压为40伏，最大输出电流为200安。高频引弧器电压为2—3千伏，频率为100千赫左右。

单片机最小系统由8098CPU9、RAM存储器10(6264)、EPROM存储器11(27128)、8255并行口12、译码器13(74LS139×2)、地址锁存器14(74LS37×2)、A/D转换15(8098内)、D/A转换器16、电流放大器18、电压放大器19及线性光电耦合器17、20组成。

净化电源21是经屏蔽、多极滤波和二级稳压后得到的+5伏电源，采用了TL7705专用电源监视芯片22对其进行监视，RAM存储器10还设有掉电保护装置23(三节钮扣式镍镉电池)。

人机交互界面是通过拨码盘24、操作按键盘25、信息提示灯26、错误报警器27和电源状态电路28，经25路光电隔离电路29与8255并行口12接口实现的。

本实施例的弧焊电源额定电流调节范围为5—100安；外特性斜率α调节范围为70—145°，斜率的调节是按照规范表决定的，一旦决定后不需随时调节。在自动或半自动薄板(厚度小于1.5毫米)焊接网路电源电压变化在ΔU≤±10％、弧长波动在ΔL≤6毫米时，可以获得焊缝形状参数稳定的接头。

下面以能量正补偿(α＜90°)为例，说明其工作过程：

每个采样周期(5毫米)内，电弧电压U经电压采样电阻R_U分压、电压放大器19放大、线性光电耦合电路20耦合，由8098CPU9自带的10位A/D转换器15、软件滤波后，存于RAM存储器10中；焊接电流I取自电流采样电阻R_I，经相似的过程后存入RAM存储器10的不同单元。如果在某一采样周期间，弧长突然被拉长，或网路电源电压上升，采样到的电弧电压U将增大，这时，由实时控制程序根据用户选定的最佳外特性模型Ig＝I₀＋U/tgα计算出的电流给定值Ig也增大。本次模型上的Ig与实际采样值之差Δe_n＝Ig－I，通过PID计算校正，得到本次采样周期里D/A输出量的大小。已整定好的PID参数可保证晶体管主电源1在此输出量的控制下，其实际焊接电流I将向Ig靠近，即增大。经在线实测，一般经4至5个周期(即20—25毫米)可稳定，动特性满足要求，其超调量和静态误差也较小。由此，当电弧电压U增大，焊接电流I按照某一最佳外特性模型(α＜90°)进行闭环PID调节，结果也增大，乘积U·I增加。反之，如果电弧电压U因弧长缩短或网路电源电压下降而减小时，焊接电流I也减小，乘积U·I减小，实现能量的正补偿。负补偿(α＞90°)的原理类似。正负补偿量的大小取决于最佳外特性模型。这种最佳外特性模型需经过预试验确定成规范表。

本实施例与普通垂降电源进行的部分工艺对比试验见下表。

从表中可见能量补偿电源当弧长变化时，焊缝当量宽度变化很小。此外，利用本发明TIG焊接厚度达1毫米的10号钢，选用斜率α＝135°、电流I₀＝62安，焊接速度V＝4.2毫米/秒，氩气流量Q＝600升/小时，当弧长L_H由1.5毫米变为4.5毫米时，焊缝当量宽度B由3.53毫米变为3.62毫米。通过数百次工艺试验，证明本发明具有良好的再现性。两种电源TIG焊工艺对比表

Claims

1、一种微机控制能量自补偿型氩弧焊电源，包括由三相变压器、三相整流及滤波器、调整晶体管组、控制电流及电压采样电阻、高频引弧器与保护电路构成的模拟式晶体管主电源，其特征是：

1.1 设有由8098CPU、RAM及EPROM存储器、8255并行口、译码器、地址锁存器、A/D与D/A转换器、电流及电压放大器、线性光电耦合器组成的8098单片机最小系统，以及采用专用电源监视芯片的系统用净化电源；

1.2 8098单片机最小系统完全浮地，外围开关量都经光电隔离，电流信号为闭环控制，电弧电压信号为开环控制，取自主电源的控制电流及电压采样电阻的电流、电压信号输出端分别接至电流、电压放大器，电流、电压放大器的输出端再经线性光电耦合器接至8098CPU自带的A/D转换器，在开、闭环控制过程中产生的控制量再经D/A转换器接至另一线性光电耦合器，另一线性光电耦合器的输出端接至主电源调整晶体管组；

1.3 还设有通过拨码盘、操作按键盘、信息提示灯、错误报警器、电源状态电路经多路光电隔离电路与8255并行口接口的人机交互界面。