微機(jī)模糊控制在TIG逆變電源中設(shè)計(jì)

摘 要： 在TIG焊逆變電源的實(shí)時(shí)檢測(cè)電弧電流控制系統(tǒng)中建立電弧電流模糊控制算法。采用雙輸入單輸出的模糊控制器模型，即采用電弧電流的變化及其變化率作為模糊控制器的兩個(gè)輸入量，把調(diào)節(jié)移相式PWM脈寬的輸入電壓作為模糊控制器的輸出量。給出了單片機(jī)模糊控制的總體框圖，并詳細(xì)介紹了對(duì)應(yīng)模糊控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程。

采用TIG焊接方法焊接薄壁結(jié)構(gòu)時(shí)，人們最關(guān)注的是焊接電源的引弧性能和電弧穩(wěn)定性。然而，由于存在著各種因素的影響，如：電弧長(zhǎng)度、工作平面不平、氣體介質(zhì)的壓力、氣體流量的變化、焊槍相對(duì)焊縫表面距離的變化及供電網(wǎng)電壓波動(dòng)等，都會(huì)使系統(tǒng)偏離平衡點(diǎn)。如果系統(tǒng)具有快速自動(dòng)返回平衡點(diǎn)的能力，則電弧可維持穩(wěn)定燃燒，這里，控制系統(tǒng)是弧焊逆變電源的核心，是影響其工作穩(wěn)定性和可*性的重要方面。

針對(duì)焊接過(guò)程具有非線性、時(shí)變形和不確定性，電弧穩(wěn)定控制存在一系列模糊特征。故使用應(yīng)用前景十分廣泛的模糊控制理論，再配以單片微機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)TIG焊接的電弧電流實(shí)行穩(wěn)定控制，結(jié)果表明：具有控制精度高，電弧燃燒穩(wěn)定，對(duì)焊接參數(shù)變化適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

１ 電弧電流的模糊控制系統(tǒng)組成

TIG焊機(jī)的模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是：實(shí)現(xiàn)逆變電源的恒流外特性，即用于檢測(cè)電弧電流的霍爾傳感器實(shí)時(shí)地把電流轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電壓，該電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送微機(jī)，與事先給定的電流值進(jìn)行比較。CPU根據(jù)其偏差和偏差率，運(yùn)行固化在EPROM中的模糊控制程序，由D/A輸出控制信號(hào)給移相式ＰＷＭ，移相控制電路不斷地調(diào)整逆變電源中兩橋臂功率開(kāi)關(guān)器件IGBT移相角的大小，確定功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通脈沖寬度，改變輸出電壓的大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的控制。

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖１所示。以高速單片機(jī)80C51FA作為系統(tǒng)的核心，外配81C55作擴(kuò)展接口，實(shí)現(xiàn)與鍵盤的通訊，通過(guò)鍵盤設(shè)定焊接方式、焊接功能及各種焊接參數(shù)指標(biāo)，采用DS80C320作D/A片，其輸出經(jīng)UA741放大器，放大器的功效是用來(lái)調(diào)整電壓以滿足PWM輸入（1.7～5.2V）的范圍，移相式PWM采用UC3875，用來(lái)調(diào)整IGBT的導(dǎo)通脈寬，PWM控制器內(nèi)部設(shè)有電路保護(hù)措施，為保證PWM高頻（20kHz）開(kāi)關(guān)控制信號(hào)可*地傳輸，采用高速光耦合器TLP559，其開(kāi)關(guān)速度可達(dá)1MHz，這樣有利于將強(qiáng)電與弱電隔離，同時(shí)，為保證信號(hào)有足夠大的驅(qū)動(dòng)能力，采用74CH4050作同相驅(qū)動(dòng)器，由于霍爾元件本身已經(jīng)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電和弱電的隔離，故在信號(hào)輸入時(shí)不必加隔離器，A/D片采用AD574A，具有高速轉(zhuǎn)換速度，AT24C01作 ，用以記憶鍵盤輸入的各種參數(shù)，內(nèi)存由單片機(jī)和81C55的內(nèi)存協(xié)調(diào)解決，LCD液晶顯示器采用菜單和圖形兩種方式，顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)和焊接順序、指標(biāo)參數(shù)等，用ACM-24064A芯片來(lái)完成，采用32K的EPROM27C256和IMP815L作μp電源監(jiān)視及運(yùn)行管理，動(dòng)作開(kāi)關(guān)服務(wù)于起弧和收弧。

２ 模糊控制器設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用典型的兩輸入單輸出的模糊控制器，其結(jié)構(gòu)如圖２所示，主要由三部分組成：精確量的模糊化；模糊推理規(guī)則的構(gòu)成；輸出信息的模糊決策。

2.1 語(yǔ)言變量的確定

2.1.1 模糊控制器的輸入輸出定義

模糊控制器輸入定義為：；式中e為電弧電流的偏差；ec為其偏差的變化率；Ig為電弧電流給定值；If為電弧電流采樣值;e(n)為nT時(shí)刻誤差；e(n-1)為（n-1)T時(shí)刻誤差；T為采樣周期。

模糊控制器的輸出定義為：調(diào)節(jié)移相式PWM的脈沖寬度所對(duì)應(yīng)的電壓校正量Δu。

有了上述的定義，則輸入語(yǔ)言變量定為E和EC，輸出語(yǔ)言變量為U。

2.1.2 量化因子Ke、Kec和比例因子Ku的選擇

根據(jù)本系統(tǒng)的特點(diǎn)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，語(yǔ)言變量E、EC和U的基本論域選擇為：

三個(gè)語(yǔ)言變量E、EC和U的論域均設(shè)為[-6,6]，由此可得到對(duì)應(yīng)的量化因子和比例因子：

量化因子和比例因子大小的確定，取決于基本論域的選擇，它決定了最終控制的效果，如：超調(diào)量、響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性等，故基本論域一般事先初步地選取，在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中需不斷修正，最終確定一個(gè)較滿意的結(jié)果。