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摘　要：當(dāng)前國際弧焊電源的發(fā)展趨勢是在逆變電源的基礎(chǔ)上，引入微機(jī)控制技術(shù)，實(shí)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(lǐng)域進(jìn)展不大。本文介紹一種自行研制開發(fā)的微機(jī)控制多功能組合式氣體保護(hù)焊機(jī)。
關(guān)鍵詞：微機(jī)控制；多功能；專家系統(tǒng)
分類號(hào)：TG434.5　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：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(gè)問題：其一，將單片機(jī)控制系統(tǒng)成功地運(yùn)用于弧焊電源領(lǐng)域，并形成包括數(shù)據(jù)采集、PID運(yùn)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(qiáng)干擾源對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的干擾問題，使整個(gè)設(shè)備能十分可靠地運(yùn)行。

2　基本工作原理

課題的技術(shù)要求如下：主機(jī)設(shè)備具有多種外特性輸出功能，當(dāng)和CO₂焊控制箱以及送絲機(jī)組合時(shí)，可以構(gòu)成MIG/MAG及CO₂焊機(jī)，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(dāng)和TIG焊控制箱組合時(shí)可構(gòu)成TIG焊機(jī)，并且具有接觸引弧與高頻引弧、脈沖輸出等功能。單獨(dú)使用時(shí)，主機(jī)可作為手工弧焊電源。
　　根據(jù)技術(shù)要求，我們將整個(gè)課題的設(shè)計(jì)思路按如下方式設(shè)定：
　　主機(jī)采用晶閘管逆變式主回路設(shè)計(jì)，取其技術(shù)成熟、動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速、性能可靠、效率高等優(yōu)點(diǎn)。而控制回路采用工業(yè)控制中常用的16位單片機(jī)8098最小系統(tǒng)，由它完成參數(shù)給定、參數(shù)運(yùn)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(gè)焊機(jī)的正常運(yùn)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(jī)8951作為主控制系統(tǒng)，與模擬控制相比，它在參數(shù)設(shè)置、參數(shù)給定、規(guī)范儲(chǔ)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(jī)的價(jià)格大幅降低也并不遜色于模擬電路。主機(jī)與控制箱的數(shù)據(jù)交換采用了單片機(jī)間常用的串行通信方式。實(shí)踐證明，本方法簡便易行，性能也十分可靠。在實(shí)施了奇偶校驗(yàn)方法與一定的抗干擾措施后，即使在TIG焊高頻引弧的時(shí)候，也幾乎不存在誤碼的可能。
　　不同的焊接方式是由主機(jī)根據(jù)控制箱傳遞的特征碼自動(dòng)識(shí)別的。當(dāng)主機(jī)通電后，它自動(dòng)設(shè)置為手工焊狀態(tài)，此時(shí)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(jī)發(fā)出不同的特征碼，主機(jī)根據(jù)接收到的特征碼，自動(dòng)轉(zhuǎn)換焊接方式，并協(xié)同控制箱可進(jìn)行TIG焊或者CO₂焊。主機(jī)面板有指示燈自動(dòng)顯示當(dāng)前工作狀態(tài)為MMA、TIG或者是CO₂方式。當(dāng)控制箱關(guān)電后，主機(jī)又可自動(dòng)回復(fù)到手工焊狀態(tài)。
　　TIG焊與CO₂焊參數(shù)的給定是由對(duì)應(yīng)控制箱面板的預(yù)置鍵輸入控制箱，再由控制箱將數(shù)據(jù)傳遞主機(jī)。而手工焊的給定是主機(jī)面板上給定電位器直接預(yù)置。

3　主機(jī)工作原理

晶閘管逆變電路是一種“調(diào)頻控制”技術(shù)，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(jī)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(shè)置的。這是一種消除線間干擾的極好方法。單片機(jī)的三個(gè)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(gè)參數(shù)均由硬件電路進(jìn)行濾波、整形、放大處理后，經(jīng)V/F轉(zhuǎn)換電路送入單片機(jī)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(hào)的頻率，通過頻率值對(duì)應(yīng)于電壓值的運(yùn)算，單片機(jī)便可獲得需采樣的三個(gè)參數(shù)值。而單片機(jī)的兩路高速輸出口HSO₀與HSO₁分別輸出兩路觸發(fā)脈沖信號(hào)，這兩路信號(hào)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(dá)到調(diào)節(jié)輸出的作用。單片機(jī)的外部中斷口EXTINT用于反壓檢測，此信號(hào)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(jī)設(shè)計(jì)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(jìn)行自檢并報(bào)警顯示。而手工焊具有焊條防粘功能，在短路時(shí)間超過兩秒后，能自動(dòng)切斷主回路電流；CO₂焊具有長時(shí)限流功能，能對(duì)持續(xù)一秒時(shí)間的1.5I₀電流進(jìn)行自動(dòng)保護(hù)，防止焊機(jī)硬件受損。
　　主控制板的軟件設(shè)計(jì)由多個(gè)功能塊組成，包括一個(gè)主程序和三個(gè)中斷子程序。子程序分別為外中斷服務(wù)子程序(EXTINT)、高速輸入中斷子程序(HSI) 及軟定時(shí)中斷服務(wù)子程序。其中HSI中斷程序主要工作任務(wù)是數(shù)據(jù)采樣，三個(gè)HSI口分別采樣輸出電壓、輸出電流及給定值三個(gè)參數(shù)，程序段內(nèi)包含了PID運(yùn)算功能及輸出外特性控制功能。EXTINT中斷與軟定時(shí)中斷這兩個(gè)中斷程序同時(shí)用于反壓信號(hào)的檢測，EXTINT中斷口用于輸入中斷信號(hào)，關(guān)鍵還在于軟定時(shí)中斷程序的使用，它主要是通過軟件來判斷中斷信號(hào)的真實(shí)性，防止干擾信號(hào)或不可靠反壓信號(hào)導(dǎo)致的誤觸發(fā)，確保了反壓信號(hào)可靠、準(zhǔn)確、及時(shí)的被單片機(jī)所接收，這一點(diǎn)是非常重要的，它關(guān)系整個(gè)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(shí)器0用于計(jì)時(shí)觸發(fā)脈沖間距，定時(shí)器1用于計(jì)時(shí)觸發(fā)脈寬值。

圖3　HSO中斷服務(wù)程序流程圖　　　　圖4　外中斷服務(wù)程序流程圖

圖5　HSI中斷服務(wù)程序流程圖

主程序是十分復(fù)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(fù)載段。初始化段不用多言。空載段是指當(dāng)焊機(jī)處于空載狀態(tài)時(shí)程序所運(yùn)行的功能段，在這段程序中包括負(fù)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(gè)程序塊。負(fù)載段是指當(dāng)焊機(jī)處于負(fù)載狀態(tài)時(shí)程序所運(yùn)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(duì)應(yīng)的程序段。而每個(gè)程序段都包含空載檢測、引弧方式、負(fù)載方式、故障循檢等必須的功能塊。當(dāng)然各個(gè)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(duì)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(jī)的斜降外特性，感覺焊接效果明顯改善。同時(shí)PID參數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)，發(fā)現(xiàn)去掉微分項(xiàng)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(jī)實(shí)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(wù)有：①參數(shù)預(yù)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(xiàng)指標(biāo)。控制箱對(duì)這五種參數(shù)具有分別設(shè)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(guān)的特征碼通過串行通訊方式向主機(jī)傳遞數(shù)據(jù)，也可以接收來自主機(jī)的一些控制信號(hào)；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(shí)使用。當(dāng)然這套設(shè)備的加入將嚴(yán)重干擾系統(tǒng)各單片機(jī)及主機(jī)逆變器的工作可靠性，因此在設(shè)計(jì)時(shí)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。