一種晶閘管整流埋弧自動焊機單片機控制器的設計

宋學平

(蘭州石化職業技術學院，甘肅 蘭州730060)

埋弧焊是焊接生產中應用較普遍的工藝方法。由于它具有焊接熔深大、焊縫質量好、生產效率高、勞動條件相對較好等優點，因而在化工機械、壓力容器、造船、橋梁、鐵路車輛、工程機械、冶金機械及海洋結構等制造中應用廣泛。但傳統的埋弧自動焊機大多數采用分離元件模擬控制，“溫飄”和“時飄”所導致的控制精度低、性能分散、調試周期長、穩定性差等問題十分突出，對焊接質量影響很大[1-3]。近年來，雖然數字控制埋弧焊設備不斷推出，但市場占有率并不高，模擬控制式埋弧焊機在工業生產中仍占很大比例，對模擬控制式埋弧自動焊機進行數字化改造，拓寬焊機功能，降低設備升級成本，提高焊接效率，具有很現實的意義[4]。采用單片機設計的控制器，電源外特性、送絲速度和焊接速度的調節全部采用數字算法，引弧、焊接、收弧等由過程控制軟件完成，并通過人機界面，實現焊接工藝參數的預置、顯示、記憶和管理,使焊機的整機性能、操作性、適應性和自動化程度得以提升[5]。

1 控制器硬件設計

1.1 焊接電源主電路

擬改造的埋弧焊機所采用的電源主電路為三相半控橋整流電源，如圖1所示，主電源工作狀態良好，滿足改造需求。40，41 為焊接電流采樣信號點，42，43 為焊接電壓的采樣信號點?？刂葡到y產生的觸發脈沖使承受正向陽極電壓最高的晶閘管觸發導通，并與一個陰極電位最低的二極管串聯構成控制回路?？刂葡到y通過電流負反饋數字PI控制觸發脈沖的輸入時刻來控制焊接電源的外特性。

圖1 電源主電路原理圖

1.2 控制器總體結構

晶閘管整流埋弧自動焊機單片機控制器設計的總體結構如圖2所示[6]。該控制器由兩部分組成：電源控制器和過程控制器。電源控制器通過電源的輸出電流和電壓聯合反饋，控制其電源的外特性和動特性，以滿足不同焊接方法的要求；過程控制器通過電弧電壓和電機電樞電壓反饋，控制送絲速度和小車速度，并完成參數設置和焊接過程控制。兩個控制器之間采用抗干擾能力較強的光電隔離20 mA 電流環串行通訊接口交換數據。在焊接過程中，采用數字PI 控制算法，獲得精確的焊接工作點；控制軟件根據焊絲與工件是否短接自動選擇回抽或劃擦引??；收弧過程通過電流衰減方式實現弧坑填充。

1.3 電源控制器硬件設計

采用實時性好、運算能力強、控制精度高的16 位高性能80C196KB（Intel 公司生產）單片機為核心設計主電路控制系統[7]。

圖2 控制器總體結構原理圖

圖3 控制器電氣原理圖

電源控制器電氣原理如圖3所示。80C196KB單片機片內10 位A/D 轉換器擴展4 通道采樣電路，其中模擬輸入ACH0、ACH2 用于焊接電流、電壓采樣，ACH1、ACH3 與規范鑰匙一起進行焊接參數預置和調整；P0.4～P0.7 和P1.4～P1.7 為開關量輸入接口，用于選擇外特性類型、工作模式及單獨電源模式下的開關量輸入；P2.5～P2.7 通過固體繼電器構成開關量輸出接口，控制主電源通斷；P1.3 模擬SPI 工作方式擴展一片IMP705，用于系統復位、電源監控和提供看門狗定時器。UART 由高速光耦擴展為20mA 電流環通訊接口，實現電源控制器和過程控制器數據通訊。系統采用8 位外部總線，擴展16k 字節的程序存儲器27C128、并行接口8255、以及16 位計數器/定時器82C54。其中82C54 與同步電路、觸發電路等構成同步觸發脈沖產生電路，為電源主電路晶閘管提供觸發脈沖，控制外特性；擴展的并行輸入輸出芯片8255 用于驅動7 位（電壓3 位、電流4 位）LED 顯示器，該顯示器用于焊接電源工作在單獨電源模式下的焊接電壓、電流實時顯示[8]。同時通過單片機的P4.6、P4.7 擴展一片74HC139，作為片選信號，分別用來選通27C128、82C54 及8255。

該控制器工作原理為：單片機80C196KB 實時采樣焊接電流及焊接電壓、與預置參數進行比較，根據數字PI 控制算法求出下一時刻晶閘管的控制角，換算為時間常數n 寫入82C54 產生觸發脈沖，實現電源外特性和動特性的控制，從而建立起穩定的埋弧焊過程。

1.4 過程控制器硬件設計

過程控制器用于調節送絲速度和小車行走速度（即焊接速度），預置焊接參數、調整焊絲位置，完成引弧、焊接、收弧等操作。過程控制器仍基于80C196KB 單片機設計，根據送絲電機和小車驅動電機工作特性，設計單相半控橋整流電路進行電機調速[9]。該控制電路組成與焊接電源控制器類似，擴展3 路信號采樣電路，分別用于電弧電壓、送絲電動機和小車驅動電機的電樞電壓采樣；設計3 個預置電路，用于預置或調節焊接電流或送絲速度、焊接電壓、小車速度；擴展一片8255 構成人機界面，實現液晶顯示及操作鍵盤，液晶顯示屏顯示焊接電壓、電流及速度等信息；采用X24045芯片進行電源監控、系統復位和看門狗定時器（WDT）設計，利用其EEPROM 進行焊接參數的存儲/記憶和鎖定；通過單片機P0.4～P0.7 接口設計“啟動”、“停止”、“送絲”、“抽絲”4 個操作按鈕；“焊接小車的‘前進/后退’、‘自動/手動’”，焊接參數“記憶/提取”、送絲方式“等速/變速”等選擇開關通過單片機P1.4～P1.7 接口實現；送絲和小車的行走方向由繼電器電路控制。擴展一片82C54 計數器/定時器，設計同步電路、觸發電路等構成同步觸發脈沖產生電路，為送絲控制電路和小車控制電路的晶閘管提供觸發脈沖，實現送絲速度和小車行走速度的控制。

2 控制器軟件設計

2.1 控制原理

焊接速度、送絲速度和電弧電壓反饋均采用數字PI 調節算法，且設計中采用兩組數字PI 調節器實現多變量解耦控制[10]。圖4為陡降特性配合變速送絲的調節原理，該系統由三個PI 調節器構成。電源外特性由PI(1)調節，根據給定的焊接電流I、電壓U 和目標外特性曲線，采用弧壓反饋自動調節，利用變速送絲匹配陡降特性焊接電源，由輸出電壓u 確定當前目標電流It，然后進行電流負反饋PI 調節。

圖4 埋弧自動焊調節原理

對于恒流或陡降特性，送絲系統采用電弧電壓反饋和電樞電壓反饋進行雙閉環控制，PI (2)完成電弧電壓正反饋調節，獲取送絲電動機電樞電壓目標值Vt，PI(3)以Vt為基準值完成電樞電壓負反饋調節。當電源外特性為恒壓或緩降特性時，系統自動選擇等速送絲方式，由電樞電壓反饋使送絲恒定，給定速度Usg由焊接電流調節旋鈕預置。

預先設定Vt，此時采用電壓反饋獲得緩降的外特性，提高電弧的自調節能力。

2.2 控制算法

針對埋弧自動焊并兼顧焊條電弧焊、氣體保護焊、碳弧氣刨設備工作要求，電源外特性設計恒流、陡降、緩降和恒壓4 種方式[5]。采用數字PI 調節器控制，其中恒流和陡降特性為電流反饋，緩降和恒壓為電壓反饋。數字PI 調節算法的差分方程為：

式中 uk(n)——調節器輸出

e(n)——被控對象的目標值與采樣值的偏差

Kp——比例系數

T ——采樣周期Ti——積分時間

（1）系統以恒流特性工作時，偏差為：

e(n)＝Ig-i(n)

式中 i(n)——采樣輸出電流

Ig——給定焊接電流

（2）系統以恒壓特性工作時，偏差為：

e(n)＝Ug-u(n)

式中 u(n)——采樣輸出電壓

Ug——給定焊接電壓

（3）系統以陡降、緩降特性工作時，目標電壓或電流由Ug、Ig及選取的斜率μ 來確定

u(n)＝μ[i(n)-Ig]+Ug

電壓反饋偏差：e(n)＝μ[i(n)-I]+Ug-u(n)

其中，陡降特性μ＝-1V/20A，緩降特性μ＝-1V/5A。T＝0.25ms，Ti＝20～30ms，Kp＝0.01～2.0。

2.3 控制流程

將埋弧自動焊劃分為焊前準備、引弧、焊接和收弧4 個過程，采用模塊化方法設計控制軟件。過程控制流程如圖5所示。

3 試驗與應用

利用設計的單片機控制器對蘭州石化職業技術學院焊接技術實訓基地一臺MZ-1000 型模擬控制式埋弧焊機（主電路為三相半控橋）進行改造獲得了滿意效果。改造后的埋弧焊機具有如下特點：

（1）可輸出4 種特性，滿足埋弧焊、焊條電弧焊、碳弧氣刨和氣體保護焊工藝需要；

（2）能夠精確預置焊接參數并調整焊接工作點，焊接過程穩定時，電壓和電流波動低于1 V 和10A（每秒）；

（3）具有豐富的人機界面，焊接參數數字顯示，可預置、存儲、鎖定參數，拓寬了焊機功能，操作性能和自動化程度顯著提高；

（4）引弧、收弧自動智能進行，可根據焊絲與工件接觸狀態，自動選擇引弧方式；

（5）電流調節范圍拓寬，經調試，采用φ4 mm焊絲，電流在250～800A 范圍均可正常焊接。

4 結論

（1）基于80C196KB 單片機設計的電源控制器和過程控制器能夠滿足埋弧自動焊數字化控制要求；兩個控制器之間采用20mA 電流環串行接口通訊交換數據，電纜數量減少，穩定性高，極大的提高了施焊工作時的便利性。

圖5 過程控制流程

（2）選擇恒壓或緩降特性時，控制器通過電樞電壓反饋PI 調節器采取等速送絲方式；選擇恒流或陡降特性，控制器采用弧壓反饋的PI 調節器確定送絲速度，然后由送絲電機電樞電壓反饋調節送絲速度，構成雙PI 調節器的埋弧焊調節系統，效果良好。

（3）恒流、恒壓、陡降和緩降特性可通過改變PI 調節器偏差計算方法實現，滿足埋弧焊、焊條電弧焊、碳弧氣刨和氣體保護焊工藝需要。