CO2焊接逆變電源及其智能模糊控制

3．1自由過渡的弧長(zhǎng)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(dòng)導(dǎo)致弧長(zhǎng)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(dòng)，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(shí)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(shí)熔滴過渡，是符合實(shí)際特點(diǎn)的。同時(shí)，軟件設(shè)定了電壓門限，當(dāng)偏差過大時(shí)電流下降到維弧電流，當(dāng)接近短路時(shí)則進(jìn)行短路控制。

圖4 弧長(zhǎng)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(gè)層次，一是僅對(duì)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(zhǎng)，即電弧電壓控制。與傳統(tǒng)控制方法相比，這是分時(shí)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(shí)間常數(shù)（L/Rsc）大，因此尚難得到理想效果。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，采用了短路后電流不變，延時(shí)（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(zhǎng)，方案與上相同。

但是，由于焊接過程的隨機(jī)性，僅對(duì)短路過程本身控制還不夠。在給定的弧壓控制下，擾動(dòng)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0α 1， i取 遍 所 有 量 化 等 級(jí) 。

這種方法不僅簡(jiǎn)單靈活，而且有明顯的物理意義。它模仿了人工操作手動(dòng)控制的思維特點(diǎn)，修正因子的大小表示對(duì)偏差和偏差變化率所加的權(quán)重。同時(shí)，反映了人工思維過程的連續(xù)性和瞬時(shí)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(shí)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(shí)，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(duì)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的最大和最小取值，m為量化等級(jí)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(jiǎn)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(shí)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(gè)電位器。一個(gè)為名義平均電流，設(shè)定送絲速度。另一個(gè)為名義平均電壓，設(shè)置電弧狀態(tài)，當(dāng)自由過渡時(shí)是弧長(zhǎng)（弧壓），當(dāng)短路過渡時(shí)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(duì)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(shí)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(zhǎng)穩(wěn)定性，同時(shí)電弧柔順，焊接過程幾乎無飛濺，成型良好。在平焊位置，具有最好效果。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(dòng)焊能獲得最佳效果，可以獲得細(xì)密的焊縫而無粗大波紋。高頻時(shí)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(zhǎng)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。