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CO2焊接逆變電源及其智能模糊控制
摘要:在分析co2焊接過程控制特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了恒流型igbt逆變電源。在不同的熔滴過渡形式下,提出了弧長和短路頻率智能模糊控制方案。試驗(yàn)證明,采用該技術(shù)有助于克服co2焊接存在的不足,可以更好地實(shí)現(xiàn)電弧狀態(tài)的控制。
關(guān)鍵詞:逆變電源模糊控制co2焊接
an inverter- type power supply and fuzzy control for co2 arc welding
abstract:based on the foundation of analysis of co2 welding process,a constant current (cc)igbt inverter is developed.in case of different droplet- transfer forms,fuzzy control schemes of arc length and short- circuit frequency are put forwords.it is indicated by experiments that the existing shortcomings of co2 welding can be overcome,and are states controlled more easily.
keywords:inverter- type power supply fuzzy control co2 welding
co2焊是一種重要的焊接方法,具有高效率、低成本的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的co2焊接質(zhì)量受到焊接電源和控制方法的局限,存在飛濺大、成型差和焊接參數(shù)需要調(diào)節(jié)等缺點(diǎn)。近年來,隨著弧焊逆變器和微處理器技術(shù)等的進(jìn)步,為提高焊接質(zhì)量奠定了基礎(chǔ),開發(fā)了新的co2焊接控制方法。目前已經(jīng)出現(xiàn)了多種方案,但是其效果仍有局限,應(yīng)用較為困難[1~3]。如何合理地設(shè)計(jì)co2焊逆變器和發(fā)展控制技術(shù),是目前面臨的主要問題。本文對此進(jìn)行了探討,提出了技術(shù)方案,在電源恒流外特性控制基礎(chǔ)上,采用了具有自學(xué)習(xí)能力的模糊控制,獲得了較好的試驗(yàn)效果。
1簡單恒壓型co2焊接電源的缺點(diǎn)
對于普通的co2焊接,大都采用變壓器抽頭調(diào)節(jié)的平特性焊機(jī),或恒壓控制和晶閘管焊機(jī),配合等速送絲系統(tǒng)進(jìn)行焊接。雖然可獲得一定的弧長自調(diào)節(jié)能力,但飛濺大、成型差,工藝效果不好。
分析其原因,這是與co2焊接的物理過程有關(guān)。co2焊接有自由過渡和短路過渡兩種形式,且以短路過渡為常用。對于自由過渡,恒壓型電源對焊絲的熔滴過渡具有較強(qiáng)的排斥作用,造成其偏向和飛濺,難于應(yīng)用。對于短路過渡包括短路與燃弧兩個狀態(tài),恒壓型電源通過在主電路串入電感來限制短路電流和提高燃弧能量,但難以很好兼顧。
電弧負(fù)載經(jīng)歷著空載、短路和燃弧狀態(tài)的變化,并且都是正常的工作狀態(tài)。在短路時,對于電源和負(fù)載來說,必然要以控制電流為目標(biāo)。而在燃弧時,對自動或半自動的co2焊,需要更合適的弧長控制方法。短路過渡則希望有合適的短路過渡頻率,以改善過程穩(wěn)定性。顯然,恒壓型電源不符合熔滴過渡過程要求。
2恒流型逆變電源的特點(diǎn)
基于上述分析,本文采用恒流型技術(shù)方案,設(shè)計(jì)了co2焊接逆變電源。該電源采用igbt器件和單端正激電路,工作頻率20khz。電路原理如圖1所示。電源具有恒流閉環(huán)控制系統(tǒng)和可控的電子電抗器特性,以滿足co2焊接過程的電流控制。通過輸出狀態(tài)判斷,進(jìn)行了變結(jié)構(gòu)控制。當(dāng)電源空載和輕載時,進(jìn)行脈寬控制,以提高電源的可靠性。當(dāng)短路時,焊接電流切換為峰值,保證重新燃;當(dāng)弧長波動過大時,又切換為小電流維弧,在相對較大的送絲速度的作用下,恢復(fù)弧長。
當(dāng)給定電流與送絲速度在一定范圍時,電弧穩(wěn)定而無短路過程,即自由過渡。當(dāng)送絲速度較大時,將產(chǎn)生不斷的燃弧、短路過程,即短路過渡。調(diào)節(jié)送絲速度,可得到不同的熔滴過渡形式,并改變電弧電壓工作點(diǎn)和短路過渡頻率。由于階梯特性很強(qiáng)的門限控制和約束作用,具有一定的自適應(yīng)特點(diǎn)。與平特性電源比較,避免了平特性對熔滴過渡的排斥作用,使電弧柔順,飛濺小。電流和送絲速度獨(dú)立調(diào)節(jié),兩者的配合可以控制電弧狀態(tài)和焊縫成型。但是,這種方法仍存在明顯不足:當(dāng)送絲速度和焊槍高度波動時,效果不盡理想,表現(xiàn)在兩方面,即自由過渡的電弧弧長變化,短路過渡時短路頻率變化,從而影響過程穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量。
圖1恒流型焊接逆變電源
(a)20a,100μs/格
。╞)20a,5ms/格
圖2輸出電流動態(tài)過程
3智能模糊控制系統(tǒng)
為了解決恒流型電源的不足,引入微機(jī)控制和模糊控制技術(shù)。系統(tǒng)可相應(yīng)地進(jìn)行自由或短路不同控制方案。自由過渡的控制較為簡單,其目標(biāo)即維持合適的電弧電壓來保證穩(wěn)定弧長。短路過渡除了對短路過程的電流和燃弧電壓控制外,還要進(jìn)行短路頻率控制。
圖3中的低成本單片機(jī)系統(tǒng)可代替模擬電子電路的簡單切換,即采用“微機(jī)+模擬”的方式,實(shí)時調(diào)整焊接電流和動特性。該設(shè)計(jì)接口容易,簡單可靠,具有更好的可控性。通過工藝試驗(yàn),在不同的工作狀態(tài)下,建立了開環(huán)條件下送絲速度與焊接電流的適用范圍關(guān)系,以及與動態(tài)性關(guān)系。在此基礎(chǔ)上,實(shí)施適智能控制方案。
圖3微機(jī)控制焊接逆變電源
3.1自由過渡的弧長控制
根據(jù)開環(huán)試驗(yàn)粗選的焊接送絲速度與電流,系統(tǒng)在焊接中因擾動導(dǎo)致弧長不穩(wěn)定,通過焊接電壓反饋和模糊控制調(diào)節(jié),控制器采用單片機(jī)構(gòu)成和實(shí)現(xiàn)。
設(shè)燃弧電壓偏差為e,燃弧電壓偏差變化率為ec,焊接電流調(diào)整量為△i,選取其論域、模糊語言變量,按照正態(tài)分布確定隸屬函數(shù)。燃弧電壓偏差考慮了熔滴尺寸造成的波動,有助于克服電弧暴躁。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定規(guī)則,然后按照fuzzy推理合成規(guī)則計(jì)算出模糊關(guān)系矩陣,選用加權(quán)平均法解模糊,構(gòu)成控制系統(tǒng)查詢表。它實(shí)時處理速度快,反映了模糊控制并行處理、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。
e={nb、nm、ms、no、po、ps、pm、pb}
ec={nb、nm、ns、0、ps、pm、pb}
△i={nb、nm、ns、0、ps、pm、pb}
基本模糊器設(shè)計(jì)有主觀性,要根據(jù)試驗(yàn)來確定,且不是唯一的,以達(dá)到較滿意的控制效果為目標(biāo)。由于電壓的偏差考慮了瞬時熔滴過渡,是符合實(shí)際特點(diǎn)的。同時,軟件設(shè)定了電壓門限,當(dāng)偏差過大時電流下降到維弧電流,當(dāng)接近短路時則進(jìn)行短路控制。
圖4 弧長模糊控制原理
3.2短路過渡的過程控制
短路過渡的控制可分為兩個層次,一是僅對短路過程本身的控制,二是通過短路頻率控制保證穩(wěn)定性。這里首先討論短路過程控制。
短路過渡是短路和燃弧的交替過程。短路期間實(shí)際上是控制電流上升,燃弧期間才是控制弧長,即電弧電壓控制。與傳統(tǒng)控制方法相比,這是分時控制。短路期間的電流控制原理可根據(jù)電弧物理狀態(tài)而進(jìn)行,但實(shí)際上由于逆變器短路時間常數(shù)(l/rsc)大,因此尚難得到理想效果。為了簡化設(shè)計(jì),采用了短路后電流不變,延時(1ms)后控制電流上升率。在燃弧期間,通過電弧電壓反饋和模糊控制,調(diào)整電流來控制弧長,方案與上相同。
但是,由于焊接過程的隨機(jī)性,僅對短路過程本身控制還不夠。在給定的弧壓控制下,擾動將引起短路頻率變化。因此,還需引入短路過渡的頻率控制。
3.3短路過渡的頻率控制
以短路頻率給定為目標(biāo),實(shí)際短路頻率偏差e,偏差變化率ec,用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)模糊控制器,控制量為燃弧電壓給定值△u。然后,在上述弧壓控制過程中,實(shí)現(xiàn)逆變器的電流調(diào)整。這是一種間接控制?紤]這一控制的低頻特點(diǎn),約0.25s進(jìn)行一次修正,計(jì)算量較少。為了便于靈活調(diào)整,未采用固定的模糊控制表,而是采用了具有修正因子的控制器。
△ug=αei+(1-α)eci
其中0<α <1, i取 遍 所 有 量 化 等 級 。
這種方法不僅簡單靈活,而且有明顯的物理意義。它模仿了人工操作手動控制的思維特點(diǎn),修正因子的大小表示對偏差和偏差變化率所加的權(quán)重。同時,反映了人工思維過程的連續(xù)性和瞬時單值性特點(diǎn),而且可避免控制規(guī)則可能的不平滑性。修正因子的大小可通過多次試驗(yàn)和離線調(diào)整選擇。
考慮到電弧過程的影響因素復(fù)雜和時變特點(diǎn),上述完全根據(jù)試驗(yàn)建立的模糊控制系統(tǒng)應(yīng)該引入一定的適應(yīng)能力。當(dāng)誤差較大時,系統(tǒng)控制量應(yīng)加大比例成分、減少微分分量以提高響應(yīng)速度,即應(yīng)取較大的α。否則相反。根據(jù)這一想法,在對修正因子有一定約束的條件下,采用線性插值的方法,調(diào)整控制因子。
α=[(αh-αl)ei/m]+αl
αh、αl分別為α的 大和 小取值,m為量化等級數(shù)。
可看出,該方法避免了復(fù)雜的計(jì)算過程,只需經(jīng)過簡單的比較及加減法即可,便于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。在上述公式中,通過實(shí)時修正控制因子,達(dá)到自學(xué)習(xí)目的。
3.4雙旋鈕自適應(yīng)調(diào)節(jié)方式
在焊機(jī)面板上,設(shè)定兩個電位器。一個為名義平均電流,設(shè)定送絲速度。另一個為名義平均電壓,設(shè)置電弧狀態(tài),當(dāng)自由過渡時是弧長(弧壓),當(dāng)短路過渡時是頻率。其大小決定自由過渡或短路過渡焊接模式,從而選取不同的控制參數(shù)和策略方法。查表確定焊接電流初值,通過智能控制,調(diào)整焊接電流,實(shí)現(xiàn)對電弧和熔滴過渡的控制。
與普通co2的一元化控制不同,該系統(tǒng)可由操作者選擇,實(shí)現(xiàn)了電弧狀態(tài)可控,而不是局限于某一狀態(tài),同時又實(shí)現(xiàn)了智能化的自適應(yīng)控制?煞Q之為“雙旋鈕自適應(yīng)調(diào)節(jié)”。
4試驗(yàn)結(jié)果
采用這種自行研制的igbt逆變電源進(jìn)行了co2氣體保護(hù)焊接,焊絲為直徑0.8mm的h08mn2si覆銅焊絲,分別采用了200a拉絲焊槍和s86a推絲式送絲機(jī)進(jìn)行焊接試驗(yàn)。
模糊控制的自由過渡,提高了弧長穩(wěn)定性,同時電弧柔順,焊接過程幾乎無飛濺,成型良好。在平焊位置,具有 好效果。智能模糊控制的短路過渡,飛濺較自由過渡略有增加,但過程穩(wěn)定?煽囟搪奉l率約80hz。在較低頻率,半自動焊能獲得 佳效果,可以獲得細(xì)密的焊縫而無粗大波紋。高頻時焊縫熔深小、堆高大、需相應(yīng)提高焊接速度。
如圖6所示,為恒流co2逆變電源的短路過渡電流波形,其中(a)、(b)分別為智能模糊控制前后的波形。
圖5短路頻率模糊控制
(a)
(b)
圖6co2逆變電源焊接電流波形
5結(jié)論
在分析了co2焊接過程控制特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了恒流型igbt逆變電源,并進(jìn)而提出了弧長和短路頻率智能模糊控制方案。試驗(yàn)表明,采用該技術(shù),有助于克服co2焊接存在的飛濺大、成型差和參數(shù)調(diào)節(jié)問題,可以更好地實(shí)現(xiàn)電弧狀態(tài)的控制。
(本文轉(zhuǎn)自電子工程世界)
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