CO2焊接逆變電源及其智能模糊控制

3．1自由過渡的弧長控制

　　根據(jù)開環(huán)試驗粗選的焊接送絲速度與電流，系統(tǒng)在焊接中因擾動導(dǎo)致弧長不穩(wěn)定，通過焊接電壓反饋和模糊控制調(diào)節(jié)，控制器采用單片機構(gòu)成和實現(xiàn)。

設(shè)燃弧電壓偏差為E，燃弧電壓偏差變化率為EC，焊接電流調(diào)整量為△I，選取其論域、模糊語言變量,按照正態(tài)分布確定隸屬函數(shù)。燃弧電壓偏差考慮了熔滴尺寸造成的波動，有助于克服電弧暴躁。根據(jù)經(jīng)驗確定規(guī)則，然后按照FUZZY推理合成規(guī)則計算出模糊關(guān)系矩陣，選用加權(quán)平均法解模糊，構(gòu)成控制系統(tǒng)查詢表。它實時處理速度快，反映了模糊控制并行處理、適應(yīng)性強的特點。

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}

基本模糊器設(shè)計有主觀性，要根據(jù)試驗來確定，且不是唯一的，以達到較滿意的控制效果為目標(biāo)。由于電壓的偏差考慮了瞬時熔滴過渡，是符合實際特點的。同時，軟件設(shè)定了電壓門限，當(dāng)偏差過大時電流下降到維弧電流，當(dāng)接近短路時則進行短路控制。

圖4 弧長模糊控制原理

3．2短路過渡的過程控制

短路過渡的控制可分為兩個層次，一是僅對短路過程本身的控制，二是通過短路頻率控制保證穩(wěn)定性。這里首先討論短路過程控制。

短路過渡是短路和燃弧的交替過程。短路期間實際上是控制電流上升，燃弧期間才是控制弧長，即電弧電壓控制。與傳統(tǒng)控制方法相比，這是分時控制。短路期間的電流控制原理可根據(jù)電弧物理狀態(tài)而進行，但實際上由于逆變器短路時間常數(shù)（L/Rsc）大，因此尚難得到理想效果。為了簡化設(shè)計，采用了短路后電流不變，延時（1ms）后控制電流上升率。在燃弧期間，通過電弧電壓反饋和模糊控制，調(diào)整電流來控制弧長，方案與上相同。

但是，由于焊接過程的隨機性，僅對短路過程本身控制還不夠。在給定的弧壓控制下，擾動將引起短路頻率變化。因此，還需引入短路過渡的頻率控制。

3．3短路過渡的頻率控制

以短路頻率給定為目標(biāo)，實際短路頻率偏差E，偏差變化率EC，用單片機實現(xiàn)模糊控制器，控制量為燃弧電壓給定值△U。然后，在上述弧壓控制過程中，實現(xiàn)逆變器的電流調(diào)整。這是一種間接控制?？紤]這一控制的低頻特點，約0.25s進行一次修正，計算量較少。為了便于靈活調(diào)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0α 1， i取 遍 所 有 量 化 等 級 。

這種方法不僅簡單靈活，而且有明顯的物理意義。它模仿了人工操作手動控制的思維特點，修正因子的大小表示對偏差和偏差變化率所加的權(quán)重。同時，反映了人工思維過程的連續(xù)性和瞬時單值性特點，而且可避免控制規(guī)則可能的不平滑性。修正因子的大小可通過多次試驗和離線調(diào)整選擇。

　　考慮到電弧過程的影響因素復(fù)雜和時變特點，上述完全根據(jù)試驗建立的模糊控制系統(tǒng)應(yīng)該引入一定的適應(yīng)能力。當(dāng)誤差較大時，系統(tǒng)控制量應(yīng)加大比例成分、減少微分分量以提高響應(yīng)速度，即應(yīng)取較大的α。否則相反。根據(jù)這一想法，在對修正因子有一定約束的條件下，采用線性插值的方法，調(diào)整控制因子。

α=[(αH－αL)Ei/m]＋αL

αH、αL分別為α的最大和最小取值，m為量化等級數(shù)。

可看出，該方法避免了復(fù)雜的計算過程，只需經(jīng)過簡單的比較及加減法即可，便于單片機實現(xiàn)。在上述公式中，通過實時修正控制因子，達到自學(xué)習(xí)目的。

3．4雙旋鈕自適應(yīng)調(diào)節(jié)方式

在焊機面板上，設(shè)定兩個電位器。一個為名義平均電流，設(shè)定送絲速度。另一個為名義平均電壓，設(shè)置電弧狀態(tài)，當(dāng)自由過渡時是弧長（弧壓），當(dāng)短路過渡時是頻率。其大小決定自由過渡或短路過渡焊接模式，從而選取不同的控制參數(shù)和策略方法。查表確定焊接電流初值，通過智能控制，調(diào)整焊接電流，實現(xiàn)對電弧和熔滴過渡的控制。

與普通CO2的一元化控制不同，該系統(tǒng)可由操作者選擇，實現(xiàn)了電弧狀態(tài)可控，而不是局限于某一狀態(tài)，同時又實現(xiàn)了智能化的自適應(yīng)控制?？煞Q之為“雙旋鈕自適應(yīng)調(diào)節(jié)”。

4試驗結(jié)果

采用這種自行研制的IGBT逆變電源進行了CO2氣體保護焊接，焊絲為直徑0.8mm的H08Mn2Si覆銅焊絲，分別采用了200A拉絲焊槍和S86A推絲式送絲機進行焊接試驗。

模糊控制的自由過渡，提高了弧長穩(wěn)定性，同時電弧柔順，焊接過程幾乎無飛濺，成型良好。在平焊位置，具有最好效果。智能模糊控制的短路過渡，飛濺較自由過渡略有增加，但過程穩(wěn)定?？煽囟搪奉l率約80Hz。在較低頻率，半自動焊能獲得最佳效果，可以獲得細密的焊縫而無粗大波紋。高頻時焊縫熔深小、堆高大、需相應(yīng)提高焊接速度。

如圖6所示，為恒流CO2逆變電源的短路過渡電流波形，其中（a）、（b）分別為智能模糊控制前后的波形。

圖5短路頻率模糊控制

(a)

(b)
圖6CO2逆變電源焊接電流波形

5結(jié)論

在分析了CO2焊接過程控制特點的基礎(chǔ)上，設(shè)計了恒流型IGBT逆變電源，并進而提出了弧長和短路頻率智能模糊控制方案。試驗表明，采用該技術(shù)，有助于克服CO2焊接存在的飛濺大、成型差和參數(shù)調(diào)節(jié)問題，可以更好地實現(xiàn)電弧狀態(tài)的控制。