全數(shù)字脈沖逆變焊接電源控制策略與應用的研究.pdf

1、逆變焊接電源的數(shù)字化是全面提高焊接質(zhì)量的有效途徑。焊接電源是一個典型的弱電控制強電的設備,工作在高電壓、大電流、強干擾的惡劣環(huán)境中,這為數(shù)字控制系統(tǒng)的信號獲取和穩(wěn)定運行帶來了巨大的困難,尤其是脈沖焊接方式對控制系統(tǒng)的實時性和可靠性要求較高,迫切需要相關理論和控制策略的深入研究。本文在對國內(nèi)外焊接電源發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)研的基礎上,針對其數(shù)字化過程中的關鍵問題和難點,進行了深入、系統(tǒng)的研究。
　　 本文分析了脈沖焊接電源主變壓器原邊電流和副

2、邊電流的特點,討論了基于這兩種電流反饋模式的焊接電源數(shù)字化的優(yōu)缺點,提出了以副邊電流為脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制器和焊接電流閉環(huán)的反饋信號,并與原邊電流共同產(chǎn)生PWM調(diào)節(jié)脈沖的雙閉環(huán)數(shù)字化思想,解決了數(shù)字控制系統(tǒng)難以滿足原邊電流反饋模式的高速要求和副邊電流反饋模式不具備抑制偏磁能力的難題。提出了以現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)為主控制器的焊接電源主回路和控制回路的全數(shù)字化設計方案,闡述了整個焊接電源的設計思路和研究主線。
　　 根

3、據(jù)各元器件的實際參數(shù),構(gòu)建了包含輸入、輸出整流濾波和逆變、降壓等電路的物理模型,通過非線性接口模型,研究了主回路和數(shù)字控制系統(tǒng)的混合建模與仿真；建立了動態(tài)焊接過程的系統(tǒng)數(shù)學模型,定量分析了各物理量變化機理和各參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)響應過程的影響,指出了焊接電流和電弧電壓控制的意義,有效預測了脈沖MIG焊接電源的工作過程,為進一步研究指明了方向。
　　 在分析了脈沖電流信號特點和噪聲形成機理的基礎上,提出了一種新的濾波思想,即對微秒級的焊

4、接電流信號去噪,進而獲得整個波形的有用信息。先后研究并提出了改進的IIR Butterworth濾波器、改進的小波去噪方法和基于Kalman預測的信號處理方法。焊接試驗表明盡管IIR Butterworth濾波器運算簡單,在小電流下能夠保證正常焊接,但隨著電流增大,干擾變大,濾波性能變差；而基于閾值和模極大值的小波去噪方法,能夠很好地提取有用信號特征,但實時性差,僅可應用在焊接電源工藝評判等場合。根據(jù)信號和噪聲的特點,首次將基于Kalm

5、an預測的信號處理方法在數(shù)字焊接電源中應用,解決了高速數(shù)字PWM控制器對反饋電流精度和信號實時處理速度要求均較高的問題；焊接試驗表明該方法能夠最大程度的降低過程噪聲和測量噪聲,產(chǎn)生精確的PWM信號,保證全數(shù)字脈沖焊接電源穩(wěn)定、可靠地工作。
　　 針對焊接電源中現(xiàn)有控制策略參數(shù)調(diào)節(jié)麻煩和控制性能不高的問題,提出了采用高速并行智能算法在線調(diào)整PID參數(shù)的焊接電流自適應控制策略。從參數(shù)的編、譯碼操作和適應度函數(shù)等角度,對標準遺傳算法(

6、GA)進行了改進,研究了混沌自適應GA-PID算法；方波焊接試驗表明盡管它比目前焊接電源中常用的試湊法更加簡便和快捷,但由于模型參數(shù)等方面的誤差,離線得到的參數(shù)組合并非最優(yōu)。進而對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(ANN)進行了全面優(yōu)化和改進,研究了適于逆變焊接電源的專家自適應神經(jīng)網(wǎng)絡(EAANN)PID控制策略,解決了非線性焊接系統(tǒng)和復雜焊接工藝的自適應控制難點;焊接試驗表明基于該算法的焊接電流閉環(huán)控制器,能夠?qū)崿F(xiàn)熔滴過渡的脈沖焊接電流的精細控制,為達到

7、較高的焊接質(zhì)量奠定了基礎。
　　 在對弧長調(diào)節(jié)和熔滴過渡理論研究的基礎上,結(jié)合仿真章節(jié)的部分結(jié)論,提出了弧長和熔滴過渡的多維脈沖波形參數(shù)模糊調(diào)整的控制策略,解決了焊接過程易受各種擾動影響的問題,保證了弧長的快速穩(wěn)定、熔滴的均勻過渡和穩(wěn)定的引、收弧。提出了短路雙環(huán)控制方法,完善了焊接系統(tǒng)控制策略,有效解決了焊縫熔合不佳(彎曲、咬邊等)、焊接飛濺較大等難題。試驗表明焊接過程穩(wěn)定,熔滴過渡一致性好,焊縫成形美觀,焊接質(zhì)量較高。

8、　　 根據(jù)脈沖焊接工藝和系統(tǒng)設計方案,研究并設計了基于硬開關的主回路系統(tǒng)、基于FPGA的主控系統(tǒng)和基于32位MCU的上位機系統(tǒng)。針對研究的控制策略的特點,提出了基于流水線技術和優(yōu)化時序邏輯的VHDL設計理念,解決了高速、并行的控制策略運算問題；并驗證了所提出的全數(shù)字焊接電源設計方案。
　　 利用研究成果,研制了符合國家焊接電源標準的全數(shù)字智能脈沖MIG逆變焊接電源,進行了焊接試驗和焊接質(zhì)量檢測,并在天然氣管道集輸工程和鋁合金游