DSP控制的IGBT逆變式GMAW焊接電源主電路設(shè)計精

1、第3 9卷第1Elec重琿俄Weld0 9年11月gMac9No.1hilleV01.DSP控制的IGBT逆變式GMAW焊接電源主電路設(shè)計王曉非，陳克選，肖笑，宋聚海（蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州7 3 0 0 5 0 ）摘要：針對GMAw對焊接電源的要求，設(shè)計了一臺DsP控制的5 0 0 A全橋 式IGBT逆變GMAw焊接電源。詳細(xì)介紹了主電路的設(shè)計，包括輸入整流電 路、逆變功率開關(guān)IGBT的選型、中頻變壓器的設(shè)計、輸出整流電路、電抗 器。以及功率開關(guān)IGBT的保護電路等的設(shè)計。通過系統(tǒng)調(diào)試，所設(shè)計的主電 路滿足CMAW要求。關(guān)鍵詞：GMAw;Ds P;3 9.9D鴨ig文獻(xiàn)標(biāo)識

2、碼：A1Nov.20091 GET ;逆變電源；主電路中圖分類號：TG4文章編號:GMAW3 ( 2 0 0 9 ) 11 瑚6504weldigPo wers ourcciVener 夠peWANGXiaoofmair cttofDS PcontroHedlGBTillfei，CHENKe xuan，XIAOXiao，S ONGJu hai§ch00lofMate En矛 nee log)， Ab8n 甚c AWweld llb 而dg theDS PalScing，LazhoFog,r theAnduUnjvers 竹o fTechno 50，China)thepower urc

3、eofGMi ngpowerofIGBTfur 0UedbyaGMAWwee rterco(500A)isdesigned.TlisP印e。Presentsadetai1eddesi印ofthemaincircuitoftheinVe 毗rGMAW.meetse肥edPower舳urce.Inc1udingPre一肫1ectionofrectifierdiodes，theierPowers訪把hesoPtions，tI丑nsf0丌Isign。0utPutrertifierReactor，a蚰山eProtectionofIGBTPowerswi1chingcircuiI.111mughchesy

4、stPmtest，tncircuitn vert1 erdeswellhemaic anIGBT;inCiKeyword8:GMAW;DS P;r poweof rsource;maincircuU刖吾逆變GMAW焊接電源具有體積小、質(zhì)量輕、節(jié)主電路斷電時，由R°、C2和R2、Q為Co、C3提供放電回 路。（2）逆變器。功率電子開關(guān)IG】時在以n蚴腳A 為核心的控制回路的作用下，周期性的開/關(guān)，將輸入整流濾波電路產(chǎn)生的直流 電變換成頻率為20kHz材、高效節(jié)能和適應(yīng)性強等優(yōu)點，已經(jīng)逐步應(yīng)用于汽車、船舶、金屬結(jié)構(gòu)和壓力 容器等制造業(yè)中。逆變焊接電源由主電路、控制電路和保護電路三部分組成

5、【11,其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常有推挽式、半橋式、全橋式等形式。本研究設(shè)計的逆 變電源輸出電流5 0 0 A，空載電壓67V，頻率20kHz。功率較大，因此 選擇IGBT全橋式逆變主電路。的交流方波，之后經(jīng)高頻變壓器降壓輸出。輸出電壓采用DSP輸出的PWM波 進行調(diào)節(jié)，即改變驅(qū)動脈沖的占空比實現(xiàn)。（3）輸出整流濾波。高頻變壓器輸 出的交流方波電壓再經(jīng)VD,、VDs整流和電感濾波后，變?yōu)橹绷麟妷狠敵觯?為焊接提供能量。1主電路組成和工作原理本研究設(shè)計的逆變焊接電源輸出電流500A，2主電路設(shè)計2.1中頻變壓器設(shè)計中頻變壓器的作用是電壓變換、功率傳遞和實空載電壓6 7V，頻率20kHz，其主電路如圖1

6、所示。從圖1中可以看出，主電路分為三部分：（1）輸人整流濾波。電網(wǎng)輸入50Hz,3 8 0 V交流電，經(jīng)大功率整流二極管整流，為逆變器提供直流電壓。 C°、G為濾波電容。當(dāng)收稿日期：2 0 0 9_07_08作者簡介：王曉非（1 9 8 2 ）男河南商丘人，碩士主要從事數(shù)字化逆變電源的研究工作。現(xiàn)輸入、輸出之間的隔離。對于逆變焊接電源中的中頻變壓器，由于工作頻率高 達(dá)2 0 kHz，因此要求這種變壓器磁心材料高頻損耗盡可能小，此外更重要的 是要求避免磁心飽和，因此選擇磁通密度時按最惡劣條件來選擇工作磁通密度。 原因是鐵心的飽和意味著高頻變壓器勵磁電流的急劇增加，這顯然 男盔，盔S匸鱖

7、乏么矽/%么；.一? 6 5 ?萬方數(shù)據(jù)研究與設(shè)計雹暉拽第3 9卷圖1IGBT逆變焊接主電路原理會導(dǎo)致與之連接的功率開關(guān)承受極大的電壓、電流而損壞?？紤]以上要求，本設(shè) 計采用性價比較高的鐵氧體材料作變壓器磁心，其飽和磁通密度約0 .4T。工 作磁通B取小于1/3曰。本研究為全橋逆變，所以磁心中的磁通是交變的， 口也是交變的，所以£ = 2 XB=0.2T。此外變壓器工作在低電壓、大電流的條件下，高頻變壓器二次側(cè)繞組電流較大，導(dǎo)線比較粗，因而選擇E型鐵 心，便于繞制。中頻變壓器一次側(cè)繞組肌，二次側(cè)兩組繞組他，颶，對稱串聯(lián)。由主電路可以 計算出電網(wǎng)輸入經(jīng)整流濾波后輸入到變壓器輸入端的電壓

8、U=1.414x380V =5 3 7.4V（U 1為電網(wǎng)輸入電壓）。設(shè)計公式為習(xí):0。2推出2.1 .1磁心尺寸 變壓器磁心尺寸取決于輸出功率和溫升等， 由辟O .53 >廠 XSWXSc 心BXA1DSW烙F麗麗去麗而i 式中P為功率（單位：W），辟5 0 0 A X6V=33.5kW;0.53為經(jīng)驗系數(shù)；Isw為鐵心窗口面積（單位：cm2）;Sc為鐵心有 效截面積（單位：cm2）; 日為磁通變化量（單位：r11）;W為匝數(shù) （單位：匝）i廠為逆變工作頻率（單位：Hz）;.，為電流密度（單位：A /mm2），銅導(dǎo)線扛3.5A，mm2o由式（1）可以算出S私Is 5 1.5cm4o考慮

9、實際應(yīng)用時通風(fēng)和繞線留出的空間，窗口系數(shù)選擇1/3，實際選擇的S謝&>3x4515 = 1354.45cm4o查產(chǎn)品目錄選擇EE 3 2 0型磁心兩幅合并，其.sw =62,恥3 22。驗算瓣3210m4,符合要求。.1.2匝數(shù)比c2在此設(shè)計的電焊機空載電壓6 7V，在設(shè)計變壓器時適當(dāng)取大，其幅值取75V,n=Wl,W2=Ul/以=540V/7 5V因為IGBT的開關(guān)頻率為20kH 通，其導(dǎo)通時間小于2 5斗S。 乙=(WU2) xrV2 = 21.萬 方數(shù)據(jù)IGBT最大導(dǎo)通脈寬，7.2，實際取7。所以輸出電壓皓5 4 0 V刀一77V。Z,周期殆5 0斗S,為防止IGBT直 實

10、際電路7 5斗S,滿足要求。其中瓦。是璣焊機空載電壓，以中頻變壓器二次側(cè)電壓幅1/7 = 3 匝。4A,考慮到8n1|Il,選擇銅皮厚=,1/J=71.4A/值。電網(wǎng)輸入電壓經(jīng)整流濾波后，電壓幅值為£,i°F1.414 X以X1.1 = 1.4 1 4 X3 80VX1.1 = 591V (2)式中1.1為電網(wǎng)電壓波動系數(shù)。一次側(cè)匝數(shù)至少為人 rl以死皿 X0.010.2XSc)=20.08 匝(3)實際應(yīng)用J7v°=21匝，崢V3 = 2 中頻變壓器一次側(cè)電流，1 們=71.在2 0kHz下銅的集膚效應(yīng)為0 .46 度為0 .8mm。一次側(cè)繞組截面積S。3.5A

11、/mm2=20.4 mm2, 一次側(cè)銅皮寬度形。=.sI/0.8 = mm2，寬度形 2 = 71.4/mm。實際應(yīng)用中一次側(cè)選用25 衄銅皮繞制， 二次側(cè)采用寬度5 0 mm的銅皮，取兩股并聯(lián)繞制。IGBT選擇IGBT是逆變弧焊電源中的關(guān)鍵核心元件，對它的設(shè)計、選擇直接關(guān)系到整個 焊機的安全、可靠。因此在計算參數(shù)時應(yīng)留有較大的裕量。輸入電網(wǎng)電壓經(jīng)整 流、濾波后。直流輸出電壓U X1.1 XD =、/ 2 X3 8 0 V X1.1 X1.1 = 6 5 0 V(4)U為電網(wǎng)電壓有效值；1.1為波動系數(shù)；口為安全系數(shù)，取1.1。IGBT關(guān)斷時的峰值電壓以。U° = (璣X1.15 +

12、 150)8=(650V X1.15 +150V) X1.1 = 987.25V(5)1.15為過電壓系數(shù)；150為Ld池引起的尖峰電壓（單位：V）。實際中，額定電壓向上靠，選擇12 0 0 V。高頻變壓器一次側(cè)電流：X3-21 = 71.4A,1=,2 ? J7、，WI 500A（6）2.1.3繞組銅皮尺寸0/2=250A,0.8 = 892 5I砌，中頻變壓器二次側(cè)平均電流為50 銅皮截面積52 = 250/3.5 = 71.42.22.2. 1額定電壓最大值璣（IGET承受的穩(wěn)態(tài)最大電壓）為【3】：U#、/2式中 式中2.2.2額定電流，C研究與設(shè)計王曉非等：DS P控制的1GBT逆變式

13、GMAW焊接電源主電路設(shè)計第11期式中，1為高頻變壓器一次側(cè)電流；，2為高頻變壓器二次側(cè)電流，按照額定輸 出電流5 0 0 A計算；W°、W2為高頻變壓器一、二次側(cè)匝數(shù)。每只IGBT管子上的平均電流為，。的一半，即3 5.7A。額定電流，C是IGBT導(dǎo)通時能流過管子的最大持續(xù)電流（結(jié)溫2 5°C），因此，選擇管子的電流等級為15 0 Ao綜上所述，選擇德國西門子1 2 0 0 V標(biāo)準(zhǔn)系列BSM150GB120DN2IGBT，其額定電壓為12 0 0V，額定電流15 0Ao2.2.3IGBT阻容吸收保護電路為了防止IGBT在關(guān)斷時損壞，本設(shè)計中采用RCD緩沖電路，其組成如圖1

14、中VD R,C。所示。其作用是在IGBT關(guān) 斷時，負(fù)載電流通過VD。向C。分流，減輕IGBT負(fù)擔(dān)，抑制d/出和過電 壓。本設(shè)計中電容選擇0 .15 lF/lkV，電阻1 0Q/20W。2.3輸入電路設(shè)計電網(wǎng)輸入交流電經(jīng)整流器整流后，變成脈動直流電，需經(jīng)輸入濾波器進行濾波， 將脈動直流電變成平滑直流電再送給逆變器。2.3.1整流二極管選擇二極管時是根據(jù)電流的有效值進行選擇的，相應(yīng)的正弦半波有效值為【4JJb_1.57，N(7)式中，b為電流有效值(單位：A);，N為額定電流(單位：A)。由于是三相全橋整流，每個整流管導(dǎo)通1/3周 期，因此每個周期內(nèi)整流管電流發(fā)熱量QR X刀3(8).式中Q為電流

15、通過二極管的發(fā)熱量；，d為輸入電 流平均值；尺為負(fù)載；r為周期。由此可以推出，d2斌初=砰XRXr，從而得出，b =0.58，d，即0.58人j=1.57,N。中頻變壓器一次電流，1_71.4A，額定電流厶= 0.369,#0.369,1 = 0.369 X7 1.4A=26.3A。整流二極管最大承受電壓 %=1.414 XUx1.1 =1.4 1 4 X3 80VX1.1 = 591V。實際應(yīng)用選擇兩倍安全余量，選擇額定值為1 6 0 0 V，75A。實際焊機中選擇的是MDS75 16整 流模塊。2.3.2軟起動”電路設(shè)計一一限流電阻R電容輸入式整流濾波電路在接通交流電壓時，合閘時對電容進行

16、充電，往往會引起較大的浪涌電 萬方數(shù)據(jù)流，因此會引起一系列可靠性方面的問題，必須加以抑制。軟起動電路分 為兩部分：一是輸入電網(wǎng)電壓分段起動，在合閘時，先接人限流電阻R,將合閘 浪涌電流限制在設(shè)定范闈內(nèi)，待輸入電容充滿電后，再將該電阻短接；二是逆變 器的輸入、輸出濾波電容容量較大，若大功率開關(guān)管馬上按照額定負(fù)載的脈寬（最大）導(dǎo)通，輸入電容以最大電流放電和輸出電壓的突然建立，將會形成非常 大的電容電流，使得功率開關(guān)管的負(fù)擔(dān)過重，很有可能在合閘時將開關(guān)管燒壞。 對于第二部分軟起動電路通過軟件編程實現(xiàn)，第一部分軟起動電路通過硬件實 現(xiàn)。對于第一部分限流電阻的選擇要適當(dāng)，過大，主電路電壓降損失大；過小，

17、 起不到限流作用。本研究中，選擇的限流電阻R為2 0Q/20W的水泥電阻。起動后，延時一 段時間（即濾波電容C°、C，充滿電后，其時間常數(shù)為心尺C=20Q XI5 0 0斗F/2 = 15啪）嘲開關(guān)K1閉合，將R從主電路中短接。2.3.3濾波電容在此采用三相全波整流，其直流電壓脈動頻率為3 0 0 Hz。為了供給逆變器平 滑的直流電壓，必須在輸入整流電路和逆變器之間加入濾波電容，其目的是減小 整流輸出后直流電的交流分量。如圖1中C。和C,即濾波電容，其計算公式為C=揪蹦C，d2（9）式中r為整流輸出直流電壓的脈動周期；R為輸入功率（單位：W）;砜為電容器平均電壓（單位：V）。由式（9

18、）可得C= 3 8 2斗F。一般實際選取是算出值的3 5倍嘲。在此實際選取的是兩個2200仙F,400V電容串聯(lián)，其目的是提高耐壓值。由于電解電容不是理想的電容，它本身的阻抗對電容上的電壓會有影響，所以為了穩(wěn)定其兩端電 壓，使每組電容的分壓相等，分別在每組的電容兩端并聯(lián)一個均壓電阻。如圖1 中R1，R2。本設(shè)計選擇的尺1 尺2 = 70kQo由于串聯(lián)等效電阻ESR和串聯(lián)等效電感ESL的存在，影響濾波效果。實際電 路中，在電解電容兩端并聯(lián)高頻無極性電容，如圖1中C:,Co。選擇高頻濾 波電容主要滿足耐壓值夠，本設(shè)計中選擇的是6 3 0 V。10 4J， 2.4輸出電路設(shè)計采用全波中心抽頭整流，其

19、優(yōu)點是電壓損失少，使用二極管少，成本低。2.4. 1整流二極管因為是高頻整流，所以選擇的是快恢復(fù)二極管，它具有短的反向恢復(fù)時間和小的 反向恢復(fù)電流。對研究與設(shè)計重暉拽第3 9卷于單相全波整流電路，整流二極管額定電流為,N 0.5,2 = 0.5 X5 00A=250A（10）式中，N為整流二極管額定電流；，2為焊機輸出電流5 0 0 A。管上承受最大反向電壓%=2 以=2 X7 7V=154V（11）式中為焊機輸出電壓幅值77V。本設(shè)計中考慮實際應(yīng)用安傘問題，焊機選用四組MURP 2 0 0 4 0 CT整流二 極管，其額定電流2 0 0A，額定電壓4 0 0 V。米用兩兩并聯(lián)使用，使其電流每

20、組達(dá)到4 0 0 A。為了得到平滑的直流電壓，需要加入輸出濾波電容。其計算式為：RLXC >（3r。2kV。2.4.2輸出直流電抗器電焊機中直流電抗器的作用有兩個：一是濾波和儲能，二是改善電源的動特性， 限制短路電流的上升速度和峰值電流，改善引弧性能，減小飛濺。本焊機設(shè)計時 選用線性電抗器，其具有空氣隙較大，在大電流時不飽和。硅鋼片條形鐵心，其 價錢低廉。為了滿足輸出電流的連續(xù)，電抗器的電感量£應(yīng)滿足£ > （以一（九）x£o/2，f 曲（12）式中£為直流電抗器的電感量（單位：H）;以為中頻變壓器二次側(cè)電壓幅值 （單位：V）;%為焊機輸出電

21、壓（單位：V）;t。為IGBT最大導(dǎo)通時間 （單位：“S）；8）r。在此設(shè)計的是2 0kHz的焊機，所以選擇的電容為1 0 0 0 PF，乙為最小電流(單位：A)。 一般情況下乙0. 輸出電流5 0 0 A， 5%;計算的乙1A，取15A。即£( 7 7 6 7 )5 ,L，其中，L為電焊機額定 ,L為，L的變化量，一般取，L的2.5X2絲直徑為1 .61砌時， 器電感量的0.10. 圈匝數(shù)可由式(14)求得 肚44 0=21.75/(2 X1 5)=0.007mH(13 )當(dāng)焊L取值為0.3加.7mHoL取值一般為晶閘管逆變 3倍【4】，本焊機選擇的是0 .0 7mH。電抗器線0V

22、與 4400V號器等等甜1.2匝4)式中玩為鐵心最大磁感應(yīng)強度；J7v為直流電抗器匝數(shù)江為直流電感0 .07 mH;，L為電抗器中流過電流。本設(shè)計，V取2 2匝。邸盧L X/(Kw XB(15)式中K。為窗口利用系數(shù)，由式(15)可以選擇鐵心型號r II XJ)一般取0 .30.6閉，一，為? 6 8 ? gZa磊白鱖必0壚，危Z名矗，萬方數(shù)據(jù)導(dǎo)線電流密度(單位：肌m2)。3系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)果經(jīng)過IGBT逆變后，再經(jīng)高頻變壓器降壓后的波形見圖2。高頻變壓器輸出經(jīng) 快恢復(fù)二極管整流后的空載電壓波形見圖3,與預(yù)期輸出波形符合。圖2實測空載高頻變壓器二次側(cè)電壓波形圍3實測二次側(cè)整流后空載電壓波形4結(jié)論在

23、主電路設(shè)計中，中頻變壓器的計算是非常重要的，它起著傳遞功率和降壓的作用，是計算的核心，設(shè)計時要注意磁心是根據(jù) 逆變頻率選擇的。IG盯是主電路中的核心元器件，在設(shè)計時要考慮其安全余量和保護電路設(shè)計。輸出電抗器對電焊機的動特影響很大，對其設(shè)計要 在實際調(diào)試時進行調(diào)整。通過對電焊機的調(diào)試，該研究滿足GMAW對焊接主電路的要求。參考文獻(xiàn)：【1】顧公兵.全橋式CO:逆變焊接電源主電路的設(shè)計J】.電焊機，2003,33 (11):1822.【2】常云龍.新型焊接電源實用技術(shù)【M】.北京：中國教育文化 出版社.2 0 0 3.【3 1李芳.全數(shù)字ICBT逆變脈沖M1(塒AG焊接電源的研究fD】.蘭州：蘭州理

24、工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2 0 0 4.【4】殷樹言.C0 :焊接設(shè)備原理與調(diào)試【M】.北京：機械工業(yè)出 版社，2 0 0 0.【5】徐德進.微機控制多功能逆變焊機的研制【D】.蘭州：蘭州 理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2 0 0 3.【6 1屈穩(wěn)太大功率IGBT高頻逆變電焊機的研究【J1.電力電H o> A 1 hJ 廠子技術(shù)，2001,35 (2):31330 RRSWWANfANG DATA 丈獻(xiàn)錢按DSP控制的IGBT逆變式GMAW焊接電源主電路設(shè)計 作者：作者單位：刊名： 英文刊名： 年，卷(期): 被引用次數(shù)：王曉非，陳克選，肖笑，宋聚海，WANG Xiao-fei，CHEN

25、 Ke-xuan, XIAO Xiao，SONG Ju-hai蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,甘肅，蘭 州,730050 電焊機 ELECTRIC WELDING MACHINE2009 ，39(11)0次 相似文獻(xiàn)(10條)1. 期刊論文 吳開源潢石生李星林柯利濤.WU Kaiyuan.HUANG Shisheng丄IXinglin.KE Litao基于DSP的GMAW-P焊數(shù)字化控制系統(tǒng)-焊接學(xué)報2007,28(11) 針對GMAW-P焊的脈沖波形調(diào)制，采用16位定點數(shù)字信號處理器TMS320LF2407A建立了基于DSP的GMAW-P焊數(shù)字化控制系統(tǒng).利用DSP內(nèi)部 集成的PWM產(chǎn)生模塊

26、，通過選擇合適的工作方式實現(xiàn)了 PWM信號的直接數(shù)字化 控制,從而實現(xiàn)了 GMAW-P焊高頻逆變和低頻脈沖波形調(diào)制，提高了控制系統(tǒng)的工 作穩(wěn)定性和可靠性，闡述了控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計.結(jié)果表明，所設(shè)計的數(shù)字化控制系 統(tǒng)能實現(xiàn)良好的GMAW-P焊接工藝,焊接過程穩(wěn)定，獲得的焊縫質(zhì)量好，成形美觀， 充分顯示了 DSP數(shù)字化控制的優(yōu)點.2. 期刊論文 華學(xué)明.李芳.陸志強.吳毅雄.Hua Xueming.Li Fang.Lu Zhiqiang.WUYixiong DSP+MCU數(shù)字控制脈沖GMAW鋁合金焊機研究-焊接2010(10) 鋁合金在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用促進了鋁合金脈沖GMAW焊接工藝及焊接設(shè)備的大

27、發(fā)展,數(shù)字化技術(shù)為研發(fā)適合高效焊接鋁合金工藝新電源提供了契機.文中基于數(shù)字信號處理器(DSP)和MCU雙核數(shù)字控制，研制了數(shù)字化脈沖GMAW鋁合金焊機. 基于模塊化設(shè)計思想QSP主要處理焊接過程信號和焊接輸出波形控制,MCU主要 處理人機交互信息，雙核之間采用通訊方式進行信息交互.設(shè)計的數(shù)字化控制電源 具有焊接電源輸出波形控制、熔滴過渡控制、電弧性能控制、專家系統(tǒng)等功能，適合各種鋁合金不同場合的應(yīng)用.焊接試驗結(jié)果表明，焊接工藝性能良好，焊縫成形均 勻一致，建立的焊接電源數(shù)字控制平臺可用于鋁合金焊接工藝的研究.3. 學(xué)位論文 傅延安GMAW引弧動態(tài)過程DSP控制優(yōu)化2003該文建立了以NBMD-

28、500焊接電源為核心、輔以焊接過程參數(shù)采集分析系統(tǒng)及高 速攝像驗證系統(tǒng)的引弧優(yōu)化控制試驗平臺.所研制以DSP為控制核心的NBMD- 500 焊接電源工作穩(wěn)定可靠，初步實現(xiàn)了焊機控制的數(shù)字化.基于Labview的數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)能實時的采集焊接電流、電壓及送絲速度信號.而高速攝像系統(tǒng)可記錄引弧 過程中發(fā)生的瞬變現(xiàn)象.該文通過建立GMAW接觸引弧時間預(yù)測及焊絲與工件接 觸處溫度數(shù)學(xué)模型，在理想化條件下模擬實際引弧過程上述參數(shù).在焊絲直徑為 1.2mm的情況下,GMAW接觸引弧時間計算結(jié)果6.3ms與實際引弧時間9ms接近. 而焊絲與工件接觸處溫度計算結(jié)果表明該處可以達(dá)到高于焊絲氣化點以上的溫度 對加

29、深接觸引弧時焊絲熔化、間隙擊穿過程的理解具有一定的意義.另外，為順利 引弧創(chuàng)造更加有利條件，該文通過分析焊絲端部形狀對接觸引弧過程影響，提出了 改善焊絲端部成形初步控制方案，使小球?qū)τ谝〕晒β实挠绊懡档偷捷^小程度.4. 期刊論文張勇.華學(xué)明.吳毅雄.于乾波數(shù)字信號處理器DSP主控GMAW焊接- 電焊機 2003,33(2)闡述了焊接過程信息數(shù)字處理控制思想，實際研究了數(shù)字信號處理器(DSP)在CO2 氣體保護焊接中的應(yīng)用，將數(shù)字信號處理器(DSP)在送絲系統(tǒng)的柔性化調(diào)節(jié)、引弧 和收弧模式、焊接參數(shù)的一元化自調(diào)節(jié)等方面的應(yīng)用作了研究和試驗.通過研究的樣機試驗，建立了一套焊接電源的數(shù)字化、信息化

30、、柔性化控制平臺，并探討了數(shù)字信號處理器(DSP)在CO2焊接領(lǐng)域中的應(yīng)用優(yōu)點和前景,并提取了 DSP主控 GMAW焊接電源全系統(tǒng)框圖.試驗證明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,較好地滿足了工藝性 能,實現(xiàn)了焊接機控制的數(shù)字化.5. 學(xué)位論文王偉明逆變式GMA單脈沖和雙脈沖焊機數(shù)字控制系統(tǒng)研究 2004 針對當(dāng)前脈沖焊設(shè)備存在的上述問題，與采用模擬調(diào)節(jié)芯片的脈沖電流傳統(tǒng)控制方 法不同，該文提出采用變參數(shù)數(shù)字PI設(shè)計實現(xiàn)脈沖電流波形控制.實現(xiàn)了對脈沖上 升沿和下降沿的分別、獨立調(diào)節(jié)，同時很好保證了基值電流和峰值電流控制期間的 穩(wěn)態(tài)精度.試驗表明在較大的電流范圍內(nèi)，波形調(diào)節(jié)的靈活性、波形的一致性和可 重復(fù)性都很

31、好.該文同時提出一種新的電弧控制方法，即弧長同步脈沖控制法，與傳 統(tǒng)電弧控制方案不同，在設(shè)計中不再采用調(diào)節(jié)器.實現(xiàn)了全電流范圍內(nèi)對弧長的快 速穩(wěn)定調(diào)節(jié).取得了良好的工藝效果.鋁焊過程易產(chǎn)生氣孔，為獲得理想的焊接質(zhì)量， 近年在國外又開發(fā)了雙脈沖焊焊鋁合金.該文雙脈沖焊接過程中送絲速度不變.目 前，只有國外幾家公司掌握該技術(shù)，國內(nèi)還未有相關(guān)研究和產(chǎn)品.由于與鋼相比鋁對 擾動變化更為敏感，而雙脈沖焊弧長本身又在不停變換，因此對電弧調(diào)節(jié)性能要求 很高.該研究在單脈沖焊設(shè)計的基礎(chǔ)上提出鋁合金薄板雙脈沖焊全數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計,并對雙脈沖焊工藝進行了實驗設(shè)計和研究.試驗表明雙脈沖全數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè) 計獲得了一致

32、性好的脈沖電流波形，同時對弧長強有力的控制使雙脈沖焊兩個不同的弧長即便在切換頻率較高（即焊速較高）的情況下,也得到了很好的控制，獲得了非 常穩(wěn)定的焊接過程，無回?zé)?、頂絲現(xiàn)象發(fā)生（目前鋁自動焊中常發(fā)生的現(xiàn)象），焊接過 程非常穩(wěn)定.同時,好的弧長控制效果與合理設(shè)計工藝參數(shù)相結(jié)合可以有效的防止 雙脈沖焊中飛濺的發(fā)生.試驗表明，雙脈沖焊鋁有效的減小了氣孔發(fā)生的幾率，甚至 無氣孔，薄板焊焊縫變形小.針對當(dāng)前Matlab/Simulink環(huán)境下對GMAW焊仿真建 模較為理想、仿真結(jié)果與實際情況有一定差距的現(xiàn)狀.該文根據(jù)數(shù)字控制研究的需 要，在Matlab/Simulink環(huán)境下首次建立了逆變式數(shù)字控制 G

33、MAW-P電源整體建模 （包括"功率變換器一數(shù)字控制系統(tǒng)一動態(tài)電弧負(fù)載"）,提出用受控電流源實現(xiàn)動態(tài) 電弧負(fù)載模型與系統(tǒng)模型的連接，解決了系統(tǒng)整合中的關(guān)鍵問題.該文研究表明，所 建仿真模型能夠較為真實的模擬實際系統(tǒng)的動態(tài)過程，將熔化極氣保焊系統(tǒng)的建模 和仿真研究水平向前推進了一步.該模型用于其它GMAW方法，只需修正相應(yīng)的電 弧負(fù)載模型即可.另外，該模型為進一步仿真先進控制算法提供了很好的平臺.6. 期刊論文 孫廣.張春波何建萍.白日輝.吳毅雄.SUN Guang.ZHANG Chun-bo.HE Jian-ping.BAI Ri-hui.WU Yi-xiong 波控參數(shù)對

34、 GMAW 焊接性能的影響-電焊機 2005,35（3）在對GMAW焊接性能影響因素的分析的基礎(chǔ)之上，通過DSP控制系統(tǒng)對波控參數(shù) 進行調(diào)整與比較，結(jié)合實驗具體分析波控參數(shù)對 GMAW焊接性能的影響.結(jié)果表明 通過對波控參數(shù)精確的調(diào)節(jié)，可以有效地提高GMAW的焊接性能，可以滿足不同的 焊接工藝的要求.7. 學(xué)位論文孫廣基于能量調(diào)節(jié)的DSP主控短路過渡GMAW焊智能控制研究2005采用CO2氣體保護焊的短路過渡方式進行焊接時，由于CO2氣體的性質(zhì)造成了焊接過程穩(wěn)定性及工藝性能較差（主要是飛濺大和焊縫成形差）的缺陷。本文結(jié)合 CO2氣體保護短路過渡焊控制方式的研究現(xiàn)狀，以及對短路過渡各階段控制逐漸

35、 細(xì)化及精確化的發(fā)展趨勢，將先進的數(shù)字化技術(shù)引入到控制過程中，同時采用更 加體現(xiàn)焊接過程本質(zhì)的能量調(diào)節(jié)方式對焊接過程的各階段進行精確控制，獲得穩(wěn) 定的焊接過程，并同時達(dá)到減少飛濺及改善焊縫成形的目的。理論分析及實驗結(jié)果表明，短路過渡 CO2焊接過程中短路期和燃弧期的能量分配 是與焊接過程的穩(wěn)定性及焊接質(zhì)量有直接影響的，不同的能量分配形式會引起焊 接工藝性能的很大變化。以往任何一種以減少飛濺率和改善焊縫成形為目的的波 形控制方式的實質(zhì)就是對焊接電源提供能量的一種分配過程。在一定的焊接規(guī)范下焊接電源在每一個過渡周期之內(nèi)所提供給負(fù)載的總能量Q是一定的。并且以燃弧能量Qa和短路能量Qs的形式體現(xiàn)出來并

36、對焊接過程產(chǎn)生不 同的影響；燃弧能量Qa中包含加熱工件形成熔池的能量 Qb，維持電弧穩(wěn)定燃燒 的能量Qp,及熔化焊絲形成熔滴所需的能量 Qd。短路能量Qs主要 是熔滴在向熔池過渡過程中系統(tǒng)所提供的能量。同時CO2短路過渡焊的穩(wěn)定性與焊接過程能量的匹配有很大關(guān)系，經(jīng)大量實驗結(jié) 果證明在一個給定的規(guī)范下存在著使焊接過程保持穩(wěn)定的最佳短路過渡頻率，在 該過渡頻率下燃弧與短路過程的重復(fù)性好，因而焊接過程具有較高的穩(wěn)定性。通過調(diào)節(jié)燃弧能量Qa及短路能量Qs的匹配及其比值對焊縫尺寸及過渡頻率的影 響實驗，得出結(jié)論：燃弧能量 Qa主要對焊縫的寬度(熔寬)影響較大，Qa值越高 則熔寬較大、電弧穩(wěn)定性高，反之熔

37、深較淺，且電弧不穩(wěn)定；短路能量Qs主要是短路階段中熔滴向熔池過渡時熔滴內(nèi)部積聚能量的釋放，該能量的大小直接影 響到焊接過程的飛濺率，Qs值越大則飛濺率越高、反之則飛濺率減少。而燃弧能 量與短路能量比(Qa/Qs)對焊接質(zhì)量及短路過渡頻率都有較大的影響，當(dāng) (Qa/Qs) 較大時焊縫成形平坦而且光滑，反之則焊縫成形窄而高。同時(Qa/Qs)與短路過渡頻率有很強的對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)(Qa/Qs)合適時短路過渡頻率最高焊接過程最穩(wěn)定。 由此可見獲得良好的焊接質(zhì)量和穩(wěn)定焊接的過程就是焊接電源提供的諸能量之間 的合理匹配的過程。利用基于能量調(diào)節(jié)的波形控制方式通過統(tǒng)計分析的方法驗證了各控制參數(shù)對焊接 過程穩(wěn)定性

38、的影響。通過大量的工藝實驗確定了可以利用改變再燃弧電壓Ei的方式調(diào)節(jié)短路過渡過程中的燃弧與短路階段的能量比(Qa/Qs)，從而提高焊接過程的穩(wěn)定性及改善焊縫成形。同時由于短路過渡的過渡頻率f與能量比(Q/aQs)之間有很強的線性對應(yīng)關(guān)系，因此可以用短路過渡頻率f作為控制目標(biāo)而實現(xiàn)基于能量調(diào)節(jié)的波形控制方式。并由此可以制定出在不改變系統(tǒng)規(guī)范參數(shù)的情況下，完全 可以通過調(diào)節(jié)能量比(Qa/Qs)來調(diào)整短路過渡頻率，使焊接過程保持穩(wěn)定。以此設(shè)計出基于能量調(diào)節(jié)的波形控制方案及具體控制區(qū)間，采用PI控制與模糊自尋優(yōu)控制相結(jié)合的控制方式，在保持燃弧階段的恒壓控制對弧長波動的抗干擾能 力的同時，采用模糊自尋優(yōu)

39、控制對再燃弧脈沖電壓Ei的調(diào)節(jié)以保證在不改變規(guī)范的前提下合理調(diào)節(jié)能量比(Qa/Qs)調(diào)整短路過渡頻率使其最優(yōu)。在數(shù)字化逆變電源的具體設(shè)計中，首先對電源系統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)參數(shù)進行精確的調(diào)節(jié)，并最后確定恒壓控制的比例系數(shù) Kp、積分系數(shù)Ki使控制波形穩(wěn)定。根據(jù) DSP控制系統(tǒng)的特點，設(shè)計適于數(shù)字化程序控制的易于編程的具體PI算法公式。在本設(shè)計中把再燃弧脈沖電壓 Ei作為模糊控制的調(diào)節(jié)量，把最佳短路過渡頻率f作為被控量，采用基于短路過渡頻率 f的模糊自尋優(yōu)控制方式，在其他焊接參數(shù) 給定的情況下，通過調(diào)整燃弧能量與短路能量比 (Qa/Qs)的方式來獲得最佳短路過 渡頻率值，在保持焊接過程穩(wěn)定性的前提下同時

40、獲得滿意的焊縫質(zhì)量。8. 期刊論文 張勇.華學(xué)明.吳毅雄.張躍龍封閉焊縫多焊炬GMAW焊機的柔性化控 制-電焊機2004,34(5)討論了液力變矩器總成環(huán)縫精度焊接系統(tǒng) GMAW焊機柔性化控制的幾個由數(shù)字 信號處理器(DSP)作為控制核心的新型CO2氣保護焊接電源的柔性化控制技術(shù)，有效實現(xiàn)了同步引弧、焊接過程分段時變參數(shù)以及焊縫搭接這幾項技術(shù)要素，保證了液力變矩器焊后同軸度和內(nèi)部間隙量精度.9. 學(xué)位論文李芳GMAW-P數(shù)字電源設(shè)計及熔滴過渡特征信號提取與建模研究2008脈沖熔化極氣體保護焊（GMAW-P）在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用日益廣泛。當(dāng)前，鋁合金 等材料的廣泛應(yīng)用，由此而帶來的新工藝等對焊接設(shè)

41、備提出了更高的要求。GMAW-P焊接方法在應(yīng)用中存在的其中一個工藝問題就是：弧長穩(wěn)定性。由于 GMAW-P焊接過程中，脈沖電流波形不斷地在基值與峰值電流之間進行切換，因 此弧長也在兩個值之間不斷變化，很容易出現(xiàn)導(dǎo)電嘴的回?zé)?。如何有效的控制?弧長度是GMAW-P亟待解決的工藝問題之一。GMAW-P熔滴形成、長大及過渡 與脈沖參數(shù)有著密切的關(guān)系，而 GMAW-P熔滴過渡過程對GMAW-P焊接工藝性 能、焊縫成形和焊接質(zhì)量有重要影響。如何能有效、精確控制熔滴過渡的形式， 實現(xiàn)精確的一脈一滴熔滴過渡過程也是 GMAW-P研究的一個重要任務(wù)。 對于GMAW-P焊接電源，應(yīng)用環(huán)境多為開放式的車間或野外，

42、各種高頻信號干 擾容易導(dǎo)致數(shù)字焊接電源發(fā)生故障。目前，GMAW-P數(shù)字焊接電源從控制方案設(shè) 計角度存在以下問題：1）采用單一的CPU,信號高度集中；2）資源獨占，程序設(shè) 計復(fù)雜；3）可靠性不高，某一環(huán)節(jié)的問題可能會導(dǎo)致系統(tǒng)的癱瘓。針對當(dāng)前GMAW-P數(shù)字焊接電源存在的問題，應(yīng)用模塊化理論，計算各零部件之間的相似 程度系數(shù)，形成模糊相似矩陣，從數(shù)字控制角度對 GMAW-P焊接電源系統(tǒng)進行 了模塊劃分。系統(tǒng)的主模塊分為主回路模塊和控制模塊?？刂颇K又包括信息交 互模塊、過程控制模塊、輔助功能模塊三大部分。信息交互模塊與過程控制模塊 分別采用DSP和MCU獨立控制。過程控制模塊以 DSP為核心，通過

43、RS-485總 線與MCU控制的信息交互模塊采用軟件握手的方式進行數(shù)據(jù)通訊，實現(xiàn)對GMAW-P焊接過程中脈沖電流、電弧長度控制。此外，通過 CAN總線實現(xiàn)了 GMAW-P焊接電源與PC機之間的通訊，方便的進行產(chǎn)品的升級。雙 CPU設(shè)計 將管理功能與算法功能合理分配，為優(yōu)化 GMAW-P工藝奠定了基礎(chǔ)。采用模塊 化熵Sm=1/rESmi度量系統(tǒng)的模塊化程度，其中，p為產(chǎn)品模塊化的級數(shù)；i為模 塊的級別。論文分析了 GMAW-P焊接電源的故障類型，研究了 GMAW-P焊接電源系統(tǒng)的可 靠性。采用分層控制技術(shù)，構(gòu)建了 GMAW-P焊接電源系統(tǒng)故障樹模型。確定了 故障傳播的邏輯關(guān)系，根據(jù)傳播矩陣來確定

44、各故障節(jié)點的排查次序。如果故障一 旦發(fā)生，從直接導(dǎo)致頂事件發(fā)生的第一級節(jié)點按照排查次序檢查各個節(jié)點，快速 確定故障源，提高故障的診斷效率。根據(jù)故障的關(guān)鍵重要度采用了不同的處理方 法，可以有效的節(jié)約DSP的軟件資源，并且快速的處理異常狀況，達(dá)到保護焊接 電源的目的。理想的GMAW-P 脈一滴熔滴過渡方式可以保證熔滴尺寸的一致性，而脈沖頻 率與熔滴直徑有著密切關(guān)系：f=k*vf/D。一個脈沖周期內(nèi)焊絲熔化的體積由兩部 分組成，一部分為發(fā)生過渡的熔滴體積 ©d另一部分為沒有過渡而殘留在焊絲端 部的熔化金屬的體積©?；趯附z端部熔化金屬體積的考慮，修正了GMAW-P熔滴過渡時熔滴的尺寸與脈沖頻率的關(guān)系方程：f= £ k*vf/p£ =© d/ © d+© r=4 S 3R3/3a202aXR2-a2O*(a2O-R2)+4 S 3R3為考慮熔滴過渡后 殘余熔滴的體積系數(shù)。修正公式為優(yōu)化選擇脈沖參數(shù)提供