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摘　要：當前國際弧焊電源的發(fā)展趨勢是在逆變電源的基礎上，引入微機控制技術，實現(xiàn)多功能焊接以及提高智能化水平。相比之下，我國在此領域進展不大。本文介紹一種自行研制開發(fā)的微機控制多功能組合式氣體保護焊機。
關鍵詞：微機控制；多功能；專家系統(tǒng)
分類號：TG434.5　文獻標識碼：A
文章編號：1001－2303(2000)01－0009－06

The Research of Inverter's Arc Welding Machine of Microcomputer Control and Many Function

YANG Jun et al
(Chengdu Electric Welding Machine Research Institute)

Abstract：The trend of international arc power source at present is that the microcomputer controlled technology is leaded and the many function welding is realized and the wisdom level is improved.A microcomputer controlled and many function combinatorial MIG/MAG、TIG、CO₂ arc welding machine is introduced.
Key words：microcomputer controlled;many function;expert system▲

1　前言

在本課題研究中，我們著重解決了兩個問題：其一，將單片機控制系統(tǒng)成功地運用于弧焊電源領域，并形成包括數(shù)據(jù)采集、PID運算、輸出特性控制等一套完善的閉環(huán)控制系統(tǒng)；其二，解決了工業(yè)弧焊電源，特別是逆變式電源及高頻發(fā)生器等強干擾源對單片機系統(tǒng)的干擾問題，使整個設備能十分可靠地運行。

2　基本工作原理

課題的技術要求如下：主機設備具有多種外特性輸出功能，當和CO₂焊控制箱以及送絲機組合時，可以構成MIG/MAG及CO₂焊機，并且具有專家系統(tǒng)、一元化控制、自保非自保、弧坑填充、削小球處理等功能。當和TIG焊控制箱組合時可構成TIG焊機，并且具有接觸引弧與高頻引弧、脈沖輸出等功能。單獨使用時，主機可作為手工弧焊電源。
　　根據(jù)技術要求，我們將整個課題的設計思路按如下方式設定：
　　主機采用晶閘管逆變式主回路設計，取其技術成熟、動態(tài)響應迅速、性能可靠、效率高等優(yōu)點。而控制回路采用工業(yè)控制中常用的16位單片機8098最小系統(tǒng)，由它完成參數(shù)給定、參數(shù)運算、電流反饋、電壓反饋、反壓檢測及頻率調(diào)制等幾乎所有的重要工作。協(xié)調(diào)整個焊機的正常運行，并獲得所需的各種特性。
　　CO₂控制箱與TIG控制箱均由8位單片機8951作為主控制系統(tǒng)，與模擬控制相比，它在參數(shù)設置、參數(shù)給定、規(guī)范儲存與調(diào)用、數(shù)據(jù)的接收與傳送等方面具有十分明顯的優(yōu)越性。即使在生產(chǎn)成本上由于工控單片機的價格大幅降低也并不遜色于模擬電路。主機與控制箱的數(shù)據(jù)交換采用了單片機間常用的串行通信方式。實踐證明，本方法簡便易行，性能也十分可靠。在實施了奇偶校驗方法與一定的抗干擾措施后，即使在TIG焊高頻引弧的時候，也幾乎不存在誤碼的可能。
　　不同的焊接方式是由主機根據(jù)控制箱傳遞的特征碼自動識別的。當主機通電后，它自動設置為手工焊狀態(tài)，此時如果輸出端接入焊鉗與焊條，可施行直流手工弧焊。在空載狀態(tài)下，TIG焊或者CO₂焊控制箱通電后，它們將向主機發(fā)出不同的特征碼，主機根據(jù)接收到的特征碼，自動轉(zhuǎn)換焊接方式，并協(xié)同控制箱可進行TIG焊或者CO₂焊。主機面板有指示燈自動顯示當前工作狀態(tài)為MMA、TIG或者是CO₂方式。當控制箱關電后，主機又可自動回復到手工焊狀態(tài)。
　　TIG焊與CO₂焊參數(shù)的給定是由對應控制箱面板的預置鍵輸入控制箱，再由控制箱將數(shù)據(jù)傳遞主機。而手工焊的給定是主機面板上給定電位器直接預置。

3　主機工作原理

晶閘管逆變電路是一種“調(diào)頻控制”技術，原理框圖如圖1所示。由于其原理已經(jīng)普及，此處不再贅述。

圖1　ZD7—500WZ電源原理框圖

圖2是主控制電路原理框圖。8098單片機系統(tǒng)采用懸浮式供電的方式，與其它控制回路及主電路完全隔離，甚至“地線”也是分開設置的。這是一種消除線間干擾的極好方法。單片機的三個高速輸入口HSI₁～HSI₃分別用于采樣給定值、電壓值與電流值。這三個參數(shù)均由硬件電路進行濾波、整形、放大處理后，經(jīng)V/F轉(zhuǎn)換電路送入單片機輸入端口。8098的高速轉(zhuǎn)入口 HSI可以十分方便地讀取輸入信號的頻率，通過頻率值對應于電壓值的運算，單片機便可獲得需采樣的三個參數(shù)值。而單片機的兩路高速輸出口HSO₀與HSO₁分別輸出兩路觸發(fā)脈沖信號，這兩路信號經(jīng)控制電路放大后輸入晶閘管觸發(fā)極用于控制逆變器的逆變頻率，達到調(diào)節(jié)輸出的作用。單片機的外部中斷口EXTINT用于反壓檢測，此信號協(xié)調(diào)逆變器的正常工作，防止發(fā)生自通。

圖2　主控制電路原理框圖

本機設計了多種故障自檢功能，能夠?qū)﹄娫慈毕�、溫升超限、網(wǎng)壓超限等進行自檢并報警顯示。而手工焊具有焊條防粘功能，在短路時間超過兩秒后，能自動切斷主回路電流；CO₂焊具有長時限流功能，能對持續(xù)一秒時間的1.5I₀電流進行自動保護，防止焊機硬件受損。
　　主控制板的軟件設計由多個功能塊組成，包括一個主程序和三個中斷子程序。子程序分別為外中斷服務子程序(EXTINT)、高速輸入中斷子程序(HSI) 及軟定時中斷服務子程序。其中HSI中斷程序主要工作任務是數(shù)據(jù)采樣，三個HSI口分別采樣輸出電壓、輸出電流及給定值三個參數(shù)，程序段內(nèi)包含了PID運算功能及輸出外特性控制功能。EXTINT中斷與軟定時中斷這兩個中斷程序同時用于反壓信號的檢測，EXTINT中斷口用于輸入中斷信號，關鍵還在于軟定時中斷程序的使用，它主要是通過軟件來判斷中斷信號的真實性，防止干擾信號或不可靠反壓信號導致的誤觸發(fā)，確保了反壓信號可靠、準確、及時的被單片機所接收，這一點是非常重要的，它關系整個系統(tǒng)工作的可靠性與穩(wěn)定性。
　　圖3～5分別給出中斷程序框圖。其中定時器0用于計時觸發(fā)脈沖間距，定時器1用于計時觸發(fā)脈寬值。

圖3　HSO中斷服務程序流程圖　　　　圖4　外中斷服務程序流程圖

圖5　HSI中斷服務程序流程圖

主程序是十分復雜的，如果粗略劃分，它可以分成三段：第一段是系統(tǒng)初始化段；第二段是空載段，第三段是負載段。初始化段不用多言�？蛰d段是指當焊機處于空載狀態(tài)時程序所運行的功能段，在這段程序中包括負載檢測、控制箱特征碼檢測、控制箱數(shù)據(jù)流檢測、工作狀態(tài)判斷、空載電壓選擇等多個程序塊。負載段是指當焊機處于負載狀態(tài)時程序所運行的功能段。它又分為三段，分別為MMA、TIG、CO₂三種不同工作方式對應的程序段。而每個程序段都包含空載檢測、引弧方式、負載方式、故障循檢等必須的功能塊。當然各個不同的工作方式還有其特有的功能塊，不再多述。從圖6的主程序流程框圖可對上述所言加以了解。

圖6　主程序流程圖

研究中發(fā)現(xiàn)，手工焊沿用傳統(tǒng)的陡降加外特性效果并不滿意。主要表現(xiàn)于電弧自調(diào)節(jié)能力弱，熔深淺而穿透力差。于是采用程序模擬經(jīng)典的變壓器式焊機的斜降外特性，感覺焊接效果明顯改善。同時PID參數(shù)調(diào)節(jié)時，發(fā)現(xiàn)去掉微分項反而有利于電弧的穩(wěn)定及減小飛濺。

4　TIG控制箱基本原理

TIG控制箱是協(xié)調(diào)主機實現(xiàn)TIG焊工作方式，包括直流TIG焊和脈沖TIG焊。
　　其面板示意圖見圖7。

圖7　TIG控制箱面板示意圖

TIG控制箱的任務有：①參數(shù)預置與數(shù)顯，由于具有脈沖輸出功能，因此參數(shù)將包括直流電流、峰值電流、基值電流、脈沖頻率、占空比等多項指標�？刂葡鋵�這五種參數(shù)具有分別設置并通過面板數(shù)顯器顯示其大小值的功能；②數(shù)據(jù)傳遞，控制箱可以將上述參數(shù)及其它相關的特征碼通過串行通訊方式向主機傳遞數(shù)據(jù)，也可以接收來自主機的一些控制信號；③高頻引弧器，控制箱有一套高頻引弧裝置，用于TIG焊非接觸引弧方式時使用。當然這套設備的加入將嚴重干擾系統(tǒng)各單片機及主機逆變器的工作可靠性，因此在設計時要完全考慮消除干擾的措施及方法；④TIG焊必須的程序控制，包括提前送氣、滯后斷氣等簡單的程序控制模式。