CO2焊接逆变电源及其智能模糊控制

摘要：在分析CO2焊接过程控制特点的基础上，设计了恒流型IGBT逆变电源。在不同的熔滴过渡形式下，提出了弧长和短路频率智能模糊控制方案。试验证明，采用该技术有助于克服CO2焊接存在的不足，可以更好地实现电弧状态的控制。

关键词：逆变电源模糊控制CO2焊接

An Inverter－ type Power Supply and Fuzzy Control for CO2 Arc Welding

Abstract:Based on the foundation of analysis of CO2 welding process,a constant current (CC)IGBT inverter is developed.In case of different droplet－ transfer forms,fuzzy control schemes of arc length and short－ circuit frequency are put forwords.It is indicated by experiments that the existing shortcomings of CO2 welding can be overcome,and are states controlled more easily.

Keywords:Inverter－ type power supply Fuzzy control CO2 welding 　

    CO2焊是一种重要的焊接方法，具有高效率、低成本的特点。传统的CO2焊接质量受到焊接电源和控制方法的局限，存在飞溅大、成型差和焊接参数需要调节等缺点。近年来，随着弧焊逆变器和微处理器技术等的进步，为提高焊接质量奠定了基础，开发了新的CO2焊接控制方法。目前已经出现了多种方案，但是其效果仍有局限，应用较为困难[1～3]。如何合理地设计CO2焊逆变器和发展控制技术，是目前面临的主要问题。本文对此进行了探讨，提出了技术方案，在电源恒流外特性控制基础上，采用了具有自学习能力的模糊控制，获得了较好的试验效果。

1简单恒压型CO2焊接电源的缺点

    对于普通的CO2焊接，大都采用变压器抽头调节的平特性焊机，或恒压控制和晶闸管焊机，配合等速送丝系统进行焊接。虽然可获得一定的弧长自调节能力，但飞溅大、成型差，工艺效果不好。

    分析其原因，这是与CO2焊接的物理过程有关。CO2焊接有自由过渡和短路过渡两种形式，且以短路过渡为常用。对于自由过渡，恒压型电源对焊丝的熔滴过渡具有较强的排斥作用，造成其偏向和飞溅，难于应用。对于短路过渡包括短路与燃弧两个状态，恒压型电源通过在主电路串入电感来限制短路电流和提高燃弧能量，但难以很好兼顾。

    电弧负载经历着空载、短路和燃弧状态的变化，并且都是正常的工作状态。在短路时，对于电源和负载来说，必然要以控制电流为目标。而在燃弧时，对自动或半自动的CO2焊，需要更合适的弧长控制方法。短路过渡则希望有合适的短路过渡频率，以改善过程稳定性。显然，恒压型电源不符合熔滴过渡过程要求。

2恒流型逆变电源的特点

    基于上述分析，本文采用恒流型技术方案，设计了CO2焊接逆变电源。该电源采用IGBT器件和单端正激电路，工作频率20kHz。电路原理如图1所示。电源具有恒流闭环控制系统和可控的电子电抗器特性，以满足CO2焊接过程的电流控制。通过输出状态判断，进行了变结构控制。当电源空载和轻载时，进行脉宽控制，以提高电源的可靠性。当短路时，焊接电流切换为峰值，保证重新燃弧；当弧长波动过大时，又切换为小电流维弧，在相对较大的送丝速度的作用下，恢复弧长。

当给定电流与送丝速度在一定范围时，电弧稳定而无短路过程，即自由过渡。当送丝速度较大时，将产生不断的燃弧、短路过程，即短路过渡。调节送丝速度，可得到不同的熔滴过渡形式，并改变电弧电压工作点和短路过渡频率。由于阶梯特性很强的门限控制和约束作用，具有一定的自适应特点。与平特性电源比较，避免了平特性对熔滴过渡的排斥作用，使电弧柔顺，飞溅小。电流和送丝速度独立调节，两者的配合可以控制电弧状态和焊缝成型。但是，这种方法仍存在明显不足：当送丝速度和焊枪高度波动时，效果不尽理想，表现在两方面，即自由过渡的电弧弧长变化，短路过渡时短路频率变化，从而影响过程稳定性和焊接质量。

图1恒流型焊接逆变电源

（a）20A,100μs/格

（b）20A,5ms/格
图2输出电流动态过程

3智能模糊控制系统

　　为了解决恒流型电源的不足，引入微机控制和模糊控制技术。系统可相应地进行自由或短路不同控制方案。自由过渡的控制较为简单，其目标即维持合适的电弧电压来保证稳定弧长。短路过渡除了对短路过程的电流和燃弧电压控制外，还要进行短路频率控制。

图3中的低成本单片机系统可代替模拟电子电路的简单切换，即采用“微机＋模拟”的方式，实时调整焊接电流和动特性。该设计接口容易，简单可靠，具有更好的可控性。通过工艺试验，在不同的工作状态下，建立了开环条件下送丝速度与焊接电流的适用范围关系，以及与动态性关系。在此基础上，实施适智能控制方案。

图3微机控制焊接逆变电源 [p]

3．1自由过渡的弧长控制

　　根据开环试验粗选的焊接送丝速度与电流，系统在焊接中因扰动导致弧长不稳定，通过焊接电压反馈和模糊控制调节，控制器采用单片机构成和实现。

设燃弧电压偏差为E，燃弧电压偏差变化率为EC，焊接电流调整量为△I，选取其论域、模糊语言变量,按照正态分布确定隶属函数。燃弧电压偏差考虑了熔滴尺寸造成的波动，有助于克服电弧暴躁。根据经验确定规则，然后按照FUZZY推理合成规则计算出模糊关系矩阵，选用加权平均法解模糊，构成控制系统查询表。它实时处理速度快，反映了模糊控制并行处理、适应性强的特点。

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}

基本模糊器设计有主观性，要根据试验来确定，且不是唯一的，以达到较满意的控制效果为目标。由于电压的偏差考虑了瞬时熔滴过渡，是符合实际特点的。同时，软件设定了电压门限，当偏差过大时电流下降到维弧电流，当接近短路时则进行短路控制。

图4 弧长模糊控制原理

3．2短路过渡的过程控制

短路过渡的控制可分为两个层次，一是仅对短路过程本身的控制，二是通过短路频率控制保证稳定性。这里首先讨论短路过程控制。

短路过渡是短路和燃弧的交替过程。短路期间实际上是控制电流上升，燃弧期间才是控制弧长，即电弧电压控制。与传统控制方法相比，这是分时控制。短路期间的电流控制原理可根据电弧物理状态而进行，但实际上由于逆变器短路时间常数（L/Rsc）大，因此尚难得到理想效果。为了简化设计，采用了短路后电流不变，延时（1ms）后控制电流上升率。在燃弧期间，通过电弧电压反馈和模糊控制，调整电流来控制弧长，方案与上相同。

但是，由于焊接过程的随机性，仅对短路过程本身控制还不够。在给定的弧压控制下，扰动将引起短路频率变化。因此，还需引入短路过渡的频率控制。

3．3短路过渡的频率控制

以短路频率给定为目标，实际短路频率偏差E，偏差变化率EC，用单片机实现模糊控制器，控制量为燃弧电压给定值△U。然后，在上述弧压控制过程中，实现逆变器的电流调整。这是一种间接控制。考虑这一控制的低频特点，约0.25s进行一次修正，计算量较少。为了便于灵活调整，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0<α <1， i取 遍 所 有 量 化 等 级 。

这种方法不仅简单灵活，而且有明显的物理意义。它模仿了人工操作手动控制的思维特点，修正因子的大小表示对偏差和偏差变化率所加的权重。同时，反映了人工思维过程的连续性和瞬时单值性特点，而且可避免控制规则可能的不平滑性。修正因子的大小可通过多次试验和离线调整选择。

　　考虑到电弧过程的影响因素复杂和时变特点，上述完全根据试验建立的模糊控制系统应该引入一定的适应能力。当误差较大时，系统控制量应加大比例成分、减少微分分量以提高响应速度，即应取较大的α。否则相反。根据这一想法，在对修正因子有一定约束的条件下，采用线性插值的方法，调整控制因子。

α=[(αH－αL)Ei/m]＋αL

αH、αL分别为α的最大和最小取值，m为量化等级数。

可看出，该方法避免了复杂的计算过程，只需经过简单的比较及加减法即可，便于单片机实现。在上述公式中，通过实时修正控制因子，达到自学习目的。

3．4双旋钮自适应调节方式

在焊机面板上，设定两个电位器。一个为名义平均电流，设定送丝速度。另一个为名义平均电压，设置电弧状态，当自由过渡时是弧长（弧压），当短路过渡时是频率。其大小决定自由过渡或短路过渡焊接模式，从而选取不同的控制参数和策略方法。查表确定焊接电流初值，通过智能控制，调整焊接电流，实现对电弧和熔滴过渡的控制。

与普通CO2的一元化控制不同，该系统可由操作者选择，实现了电弧状态可控，而不是局限于某一状态，同时又实现了智能化的自适应控制。可称之为“双旋钮自适应调节”。

4试验结果

采用这种自行研制的IGBT逆变电源进行了CO2气体保护焊接，焊丝为直径0.8mm的H08Mn2Si覆铜焊丝，分别采用了200A拉丝焊枪和S86A推丝式送丝机进行焊接试验。

模糊控制的自由过渡，提高了弧长稳定性，同时电弧柔顺，焊接过程几乎无飞溅，成型良好。在平焊位置，具有最好效果。智能模糊控制的短路过渡，飞溅较自由过渡略有增加，但过程稳定。可控短路频率约80Hz。在较低频率，半自动焊能获得最佳效果，可以获得细密的焊缝而无粗大波纹。高频时焊缝熔深小、堆高大、需相应提高焊接速度。

如图6所示，为恒流CO2逆变电源的短路过渡电流波形，其中（a）、（b）分别为智能模糊控制前后的波形。

图5短路频率模糊控制

(a)

(b)
图6CO2逆变电源焊接电流波形

5结论

在分析了CO2焊接过程控制特点的基础上，设计了恒流型IGBT逆变电源，并进而提出了弧长和短路频率智能模糊控制方案。试验表明，采用该技术，有助于克服CO2焊接存在的飞溅大、成型差和参数调节问题，可以更好地实现电弧状态的控制。