基于模糊自適應的電阻點焊恒流控制

袁孝杰，王 賓，石曉艷，劉建龍

(1. 安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001； 2. 寰電智控科技(廣東)有限公司，廣東 東莞 523902)

電阻點焊工藝在連續焊接過程中，由于工件與電極存在不可靠接觸和電極磨損，導致負載電阻出現非線性變化，焊接電流無法恒定，時常發生飛濺和虛焊問題，嚴重影響焊接質量[1].為得到更好的電流控制性能，文獻[2]利用PID控制，實現了恒峰值電流控制.文獻[3]設計了FB-ZVZCS-PWM軟開關逆變式電源，降低了系統的功耗，提高了焊接電流控制精度.文獻[4]使用1對超聲波收發器，實時測量超聲波信號的滲透率，通過監測熔核直徑來控制焊接電流.文獻[5]建立了一種基于等效電阻的解析計算模型，通過焊接電流與工件兩端電壓實測信號，預測焊接過程各時刻導電通路直徑.文獻[6]根據熱力學原理建立了熱輸入能量與點焊熔核尺寸的數學模型.文獻[7]提出使用無差拍控制方法提高系統的穩定性和電流響應速度.

上述研究取得了一定成果，但由于電阻點焊過程涉及電學、力學、材料學和熱學等方面，各部分存在強耦合關系，難以解耦系統，建立精準的數學模型或物理模型.且使用傳統控制算法難以獲得滿意的控制性能，而人工智能算法可以同時考慮多個信號特征，從而提高系統的非線性適應性.本文利用智能算法，結合實際焊接數據和經驗，利用焊接過程的相關特征量，提出一種模糊自適應控制方案，實現恒流控制.

1 中頻直流電阻點焊特征量

電阻點焊電源經歷了從單相到三相，從不整流到整流的演變過程.隨著大功率開關器件及電力電子控制技術的發展，中頻直流電阻點焊系統以其成本低、體積小、可靠性高等優點得到越來越廣泛的應用和研究[8].

中頻直流電阻點焊電源的二次側等效電路如圖1所示.其中：Ls是線路的等效電感；IW(nT)是電源輸出焊接電流，由羅氏線圈測量得到；UW(nT)是電極兩端焊接工件之間的負載電壓；RD(nT)是非線性的負載電阻，表示工件接觸電阻和體電阻之和，負載電阻由同一采樣時刻的負載電壓除以焊接電流計算得到.控制系統在每個焊接電流周期的峰值時刻調整控制量.

圖1 點焊電源二次側等效電路

負載電阻變化率RS(nT)取每個控制周期內采樣開始時刻和結束時刻的電阻值計算.這種計算方式可以準確地反映控制周期內的負載電阻變化情況，即

(1)

式中：T為控制周期.

2 焊點有效接觸面積和電極磨損直徑

在焊接過程中由于金屬工件與電極存在不可靠接觸(例如安裝存在傾角、工件表面不平整等)，導致電極與工件的接觸面積減小，使得焊接電流密度迅速增加，短時間內產生了更多熱量，從而產生飛濺問題.因此需要估計在焊接過程中接觸面積變化，減小焊接電流.

中頻直流電阻點焊電源的逆變器開關頻率設定為1 kHz，對0.6 mm厚度的鍍鋅鋼板使用5種不同直徑規格的電極，電極壓力都設置為2.6 kN，取電流達到設定的恒定值后的10個控制周期，計算該周期內的負載電阻變化率，分析焊接電流與負載電阻變化率之間的關系，如圖2所示.

圖2 不同接觸面積電極IW(nT)與RS(nT)關系

由圖2可以看出：在相同電極直徑下，IW(nT)電流越大，RS(nT)越大，這是由于在相同時間內，IW(nT)增大使鍍鋅鋼板獲得的焦耳熱增多，鍍鋅鋼板的體電阻和接觸電阻的電阻率發生快速變化，所以RS(nT)增大；在相同IW(nT)情況下，焊接的有效接觸面積越大，RS(nT)越小，這是因為有效接觸面積越大，金屬導體的導電橫截面越大，體電阻越小，所以負載電阻總體減小，RS(nT)也較小.

電極與工件界面游離的鋅發生化學反應會加速電極磨損，且反應生成的黃銅會增大電極表面的電阻率，使得電極升溫，電極頂部會在反復加熱和機械沖擊下發生變形，最終使得電極直徑不斷增加，焊點處的電流密度降低，焊核所需熱量不足，最終產生虛焊，因而需要確定電極直徑與瞬時最大焊接功率關系.用PR(nT)表示瞬時焊接功率，反映點焊各個時刻的焊接功率大小，即輸入焊點的熱量，由焊接電流和負載電壓乘積得到，計算時刻與負載電阻相同，在控制周期內用PR(nT)max表示瞬時焊接功率的最大值.

將中頻直流電阻點焊機的電極壓力設置為2.6 kN、逆變器開關頻率設定為1 kHz情況下，在電流達到設定的恒定值后的10個控制周期內取電流和最大焊接功率的均值，使用5種相同規格不同厚度的鍍鋅鋼板，通過改變輸出電流的大小，研究其與最大焊接功率之間的關系，如圖3所示.

圖3 不同厚度鍍鋅鋼板IW(nT)與PR(nT)max關系

由圖3可知：在同一厚度的鍍鋅鋼板上，當IW(nT)增加時，周期內PR(nT)max會不斷增加，呈現類似指數關系，符合焦耳定律結論；當IW(nT)在相同情況下，鍍鋅鋼板厚度越大，PR(nT)max會越小，這是因為鍍鋅鋼板越厚，工件表面更加平整，板間接觸電阻相對減小.

3 模糊自適應控制器設計

電阻點焊過程的控制變量與輸出之間是一個非線性、時變系統，且存在許多的隨機干擾因素和干擾因素之間的相互耦合作用.利用常規的模擬控制、計算機控制或者二者的混合控制，都是采用線性調節或者查表的方式，很難實現點焊過程的精確控制.

本文選用智能控制算法，設計模糊自適應控制器實時補償焊接電流，結合PI控制實現恒流輸出.模糊控制算法可以根據狀態變量及操作者的經驗和專家分析進行模糊推理而確定控制系統的輸出，并不需要知道控制對象的精確數學模型，故適用于電阻點焊這樣負載動態變化的系統.圖4為整個智能控制系統的結構.

圖4 電阻點焊控制系統結構

在模糊自適應控制系統中，通過采樣電路和調理電路可以獲得電極兩端的電壓u(t)和焊接電流i(t)，通過計算可以獲得負載電阻RD(nT)和焊接功率PR(nT)，再通過對焊接有效接觸面積和電極直徑的估算，可以得到控制周期內的負載電阻變化率RS(nT)和最大焊接功率PR(nT)max.將這2個控制變量作為模糊控制器的輸入量，補償電流Id作為模糊控制器的輸出量，補償電流Id是通過與控制系統設定的初始電流Io求和，從而求得反饋電流Is，變壓器二次側通過電流互感器測得的電流Im與反饋電流Is做差值得到誤差電流Ie，再輸入到PI控制器中，控制移相角大小，驅動IGBT控制輸出焊接電流大小，整個控制系統閉環調節，最終實現焊接電流的精準恒定控制.

圖5為模糊控制器輸入量RS(nT)和PR(nT)max的隸屬函數，二者均采用三角和高斯的組合型，其中RS(nT)變化范圍為[-10，10] mΩ/s，PR(nT)max變化范圍為[-5 000，5 000] J/s，模糊控制器輸出量Id為補償電流，其隸屬函數與圖5相同，用來控制調整實際焊接電流大?。寒敵霈F虛焊情況時，補償電流為正值，使得實際焊接電流增大；當出現飛濺時，補償電流為負值，使得實際焊接電流減小，其論域范圍為[-2 000，2000] A.

根據鍍鋅鋼板實際焊接情況，以及IW(nT)與RS(nT)的關系、IW(nT)與PR(nT)max的關系以及點焊專家經驗，可以定義模糊規則為：如果RS(nT)增加時，判斷實際焊接出現瞬時接觸不良，從而導致接觸面積減小，此時應該減小焊接電流IW(nT)以防止焊核發生飛濺，Id為負值中等幅度變化；如果PR(nT)max減小，判斷連續點焊過程導致的焊接電極磨損，直徑增大，此時應該增大焊接電流IW(nT)以防止產生虛焊，Id正值中等程度增加；如果RS(nT)和PR(nT)max都增加，Id負值大幅度減??；如果RS(nT)和PR(nT)max都減小，Id正值大幅度增加；在模糊控制規則的設定中，RS(nT)的影響因素占主要部分.

圖5 模糊控制器輸入輸出隸屬度函數

根據上述模糊規則建立的模糊規則表如表1所示，其中PB、PM、PS、ZO、NS、NM、NB分別代表正大、正中、正小、零、負小、負中、負大.模糊推理采用Mamdani直接推理法，去模糊化采用重心法.

表1 PR(nT)max、RS(nT)與Id模糊規則

4 仿真結果與分析

使用Matlab/Simulink搭建電阻點焊控制系統，詳細模型如圖6所示.由于電阻點焊的焊接電流很大，常規逆變電路存在很大的開關損耗，本模型的主電路采用移相全橋電路，可以減小開關損耗.主電路的相關參數為：輸入三相交流電380/220 V 50 Hz；輸出直流側電壓Uo=15 V；中頻變壓器變比N1∶N2=50∶1，N2∶N3=1∶1，變壓器其他參數設置為理想值；IGBT的開關頻率f=1 kHz；線路等效電感L=1 μΩ.

圖6 電阻點焊系統仿真模型

在電阻點焊過程中，負載電阻為非線性變化.本文中使用的焊接工件為鍍鋅鋼板，當中頻電阻點焊機的控制系統以恒定占空比控制焊接電流，可以測得焊接過程中負載電阻的動態波形.圖6中的負載電阻R就是根據實際焊接負載電阻變化情況而搭建的非線性仿真負載電阻，其仿真波形如圖7所示，從而檢驗控制系統的可靠性.

圖7 負載電阻隨時間變化波形

仿真電流波形對比如圖8所示. 圖8(a)為傳統PID控制在最優參數下的4 000 A焊接電流仿真波形，由于負載在0～100 ms時間段內電阻變化率最大，所以傳統PID控制出現很大的超調，且在后面負載電阻變化率減小時，控制系統出現震蕩，無法達到穩態.

(a) PID控制

圖8(b)為模糊自適應控制下的4 000 A焊接電流仿真波形，可以看出控制系統的響應速度很快，可以在20 ms內達到4 000 A的恒定輸出，且沒有出現超調和震蕩，即使負載電阻變化率在70 ms前后變化幅度很大，輸出電流依然保持恒定，控制效果十分理想.

5 結語

針對中頻電阻點焊在連續焊接過程中由于電極磨損和焊點接觸面積變化，出現的飛濺和虛焊問題，本文利用智能控制算法設計了一種模糊自適應控制方案來解決上述問題.通過仿真試驗表明，該控制方案比傳統PID控制具有更好的控制性能，可以實現良好的恒流控制，具有很好的應用前景.