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：TG434.5　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
文章編號：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 wordsmicrocomputer 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)。#p#分頁標(biāo)題#e#
　　TIG焊與CO₂焊參數(shù)的給定是由對應(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的頻率，通過頻率值對應(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，這兩路信號經(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)﹄娫慈毕唷厣蕖⒕W(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)用于反壓信號的檢測，EXTINT中斷口用于輸入中斷信號，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的真實(shí)性，防止干擾信號或不可靠反壓信號導(dǎo)致的誤觸發(fā)，確保了反壓信號可靠、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上述所言加以了解。#p#分頁標(biāo)題#e#

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；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。

　　控制箱的主控制電路采用英特爾公司生產(chǎn)的通用8位單片機(jī)8951，這是一種自帶程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的單片機(jī)芯片。由于無需擴(kuò)展存儲器，將其總線端口全部用作并行口使用。用于參數(shù)輸入及顯示輸出等功能，這樣可以大大減少硬件開銷，使得整個(gè)控制電路十分簡單可靠。
　　程序存儲器的空間為4KB字節(jié)，足以容納所編寫的全部程序。而數(shù)據(jù)存儲器為256字節(jié)，安排如下：00H～20H作為工作寄存器R₀～R₈，由RS₀，RS₁的不同分為四組，各組分代表電流、頻率、基值、占空比四個(gè)不同的參數(shù)值，因每組8字節(jié)，前3字節(jié)代表各參數(shù)的百位，十位及個(gè)位，后5字節(jié)用于參數(shù)運(yùn)算時(shí)保存中間結(jié)果。21H～7FH作為一般數(shù)據(jù)寄存器，用于計(jì)算、寄存中間結(jié)果。從80H～FFH是特殊功能寄存器。由于上述數(shù)據(jù)的特殊性，控制箱內(nèi)單片機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)前還有一特殊任務(wù)，就是將各參數(shù)轉(zhuǎn)換為00H—FFH范圍內(nèi)的單字節(jié)數(shù)，以便主機(jī)收到后直接參與運(yùn)算。

　　控制箱內(nèi)置高頻引弧器，采用常見的火花發(fā)生器震蕩電路。這種電路的優(yōu)點(diǎn)在于高頻能量大，電路故障率低。唯一的缺點(diǎn)是對外電路的干擾比較嚴(yán)重，但經(jīng)過處理是可以防止的。
　　圖8是TIG焊控制箱程序流程框圖。

圖8　TIG焊控制箱程序流程圖

　　因?yàn)樯婕暗矫}沖焊的問題，脈沖電流完全采用恒流式脈沖。所以TIG焊的外特性采用陡降特性。

5　CO₂焊控制箱的工作原理

　　在單片機(jī)及存儲器的選擇安排上，CO₂控制箱與TIG控制箱完全相同。但功能要求方面卻是不同的。CO₂焊與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的量很少，只有焊接電壓這一參數(shù)。而送絲速度是單片機(jī)自身對送絲機(jī)進(jìn)行控制，其面板示意圖見圖9。

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圖9　CO₂控制箱面板示意圖

　　根據(jù)CO₂焊的工作原理，本控制箱設(shè)計(jì)了三種參數(shù)預(yù)置方法，即專家系統(tǒng)、一元化、非一元化。專家系統(tǒng)是由設(shè)計(jì)者根據(jù)全面收集CO₂焊多種經(jīng)典與經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，按不同焊接材料、不同保護(hù)氣體、不同焊接方法和種類歸納并總結(jié)出的可供參考的原始數(shù)據(jù)庫。它同時(shí)具有可修改性與可擴(kuò)充性。充分滿足了用戶廠對焊接工藝規(guī)范進(jìn)行控制和管理的需要，因此實(shí)用性很強(qiáng)。這是充分發(fā)揮單片機(jī)功能的一個(gè)成果，我們在專家?guī)熘袃Υ媪?0套常用的規(guī)范參數(shù)，這些參數(shù)可以調(diào)用或者修改使用，但修改后不能重寫。另預(yù)留50套參數(shù)的儲存空間，可讓用戶自己存儲想保留的規(guī)范參數(shù)。一元化及非一元化調(diào)節(jié)是通用CO₂焊機(jī)的功能，但本機(jī)因使用微機(jī)系統(tǒng)，一元化調(diào)節(jié)可以精確的按一元化曲線來確定參數(shù)，這一點(diǎn)是通用CO₂焊機(jī)采用線性趨近方法進(jìn)行一元化調(diào)節(jié)所不能做到的。
　　由于專家系統(tǒng)涉及到數(shù)據(jù)修改與存儲的問題，本控制器采用2402串行E²PROM作為存儲器件。它可以隨時(shí)修改內(nèi)存數(shù)據(jù)，也可以在掉電情況下保存數(shù)據(jù)。同時(shí)由于它是串行傳輸數(shù)據(jù)方式，因此與8951之間只通過三根并行口聯(lián)接，占用資源極少。因?yàn)橹皇褂靡黄?402，其地址端全部接地，無需進(jìn)行選址。8951并行口通過編程產(chǎn)生2402所需的時(shí)鐘信號，在此時(shí)鐘信號的配合下，使可通過另兩只并行端口進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入與讀出。
　　程序控制器的空間劃分與TIG控制箱相仿，只是每組對應(yīng)參數(shù)值改為了電壓與送絲速度的十位，個(gè)位與十分位的關(guān)系。通訊方式也與TIG焊控制箱一樣。
　　CO₂控制箱在控制送絲機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，采用電樞電壓反饋這種準(zhǔn)閉環(huán)負(fù)反饋方式，說是準(zhǔn)閉環(huán)是因?yàn)閷τ谒俣葏?shù)而言，它只是一個(gè)局部負(fù)反饋。所以這種調(diào)速方法抗干擾的能力較差，不過實(shí)踐中發(fā)覺可以滿足CO₂焊焊接的要求。它的優(yōu)越性在于電路簡單可靠，調(diào)試方便，無需單片機(jī)參與反饋。在程序設(shè)計(jì)上也少去許多麻煩。
　　圖10是CO₂控制箱程序流程框圖。

圖10　CO₂焊控制箱程序流程圖

　　CO₂焊的平特性電源也非完全的恒壓方式。通過實(shí)驗(yàn)確定3V/100A的斜率具有較好的焊接效果。

6　關(guān)于抗干擾問題

　　這是一個(gè)重點(diǎn)。單片機(jī)的抗干擾一般均采用軟硬兼施的辦法，但硬件防干擾才是主要的。方法如下：1.采用隔離電源，懸浮供電。即干擾源與被干擾的單元間沒有直流電位的關(guān)系（不共地），這是防止差模干擾的好方法。2.使用電源濾波器，電源濾波器對高頻的共模干擾形成很強(qiáng)的阻礙作用，在關(guān)鍵部位要盡量采用。3.屏蔽，金屬屏蔽盒可防止空間電磁干擾，保護(hù)被干擾單元。注意屏蔽層一定要接地。在硬件防干擾措施的實(shí)施下，配合軟件抗干擾，如指令冗余，數(shù)字濾波器等方法，便可徹底消除干擾，使系統(tǒng)可靠工作。

7　結(jié)論

　　充分發(fā)揮微機(jī)的智能作用，使電焊機(jī)這種工業(yè)產(chǎn)品具有更強(qiáng)的實(shí)用性和可開發(fā)性，為焊接生產(chǎn)提供更好更高層次的服務(wù)，這是國際上焊接設(shè)備的發(fā)展趨勢。我們的課題是在這一方面邁出的第一步。隨著研究開發(fā)的深入，微機(jī)控制技術(shù)將在焊接工藝方面發(fā)揮巨大作用，為焊接設(shè)備的發(fā)展開辟出嶄新的道路。