电焊机的数字化

第２３卷第１期２０Ｏ２年２月焊接学报７ＩＲＡＮＳＡＣⅡＯＮＳＯＦＴＨＥＣｍＮＡＷＥＬＤＩＮＧＩＮＳ兀ＴＩｍ０ＮＶ０１．２３Ｎｏ．１Ｆｅ岫２００２电焊机的数字化刘嘉，卢振洋，殷树言，丁京柱’（北京工业大学材料学院．北京１０００２２）擅一：逆变拄束在焊接电纛中自啦用使得焊接设备在小型化、膏效化的方面有了飞跃性的发晨。

同时，甄婢逆变电■良好的动特性更为焊接工艺控翻墨供丁一十充分发挥的平台。

蒜而．传统的模拟控村方式存在的种种彝墙却限捌了蕞岸逆变屯纛的进一步发晨。

本文结台敷宇信号处理技木的特点，综合分析了敦字化掉机的优点。

在此基础上针对电焊机的主电路和控耐电路爵部分介绍了教字化的发晨概况爰其宴曩方式。

量后．本文舟甥了北京工生大学在敦字亿婢机方面开晨的部分研究工作。

美■■：焊接电■；薮字信号处夏ｉ逆变嚣中■分囊■：Ｔ仪辩．１文■标识码：＾文章■号：０２５３一姗ｘ（２０啦）０１一鹞一晒Ｏ序言数字信号处理相对于模拟信号处理具有很大的优越性，表现在精度高、灵活性大、可靠性好以及易于犬规模集成等方面。

因此．数字信号处理技术在通信、语音处理、图形／图像处理、自动控制、消费电子等诸多领域内得到了广泛的应用川。

作为数字信号处理技术与弧焊工艺结合的产物，数字化焊机的出现引起了业内人士的广泛关注。

本文将对效字化埠机的概念、特点、实现方式及其未来的发晨前景进行探讨。

１数字化焊机及其特点因为数字化掉机出现得比较晚，例如ｎＤ“ｍ是在１９９８年才开始进行数字化埠机的生产，因此剜目前为止还没有形成敷字化焊机的统一的、得到各个方面认同的定义。

作者理解．所谓数字化焊机应当是指这样—些焊机，它们主要的控制电路由传统的模拟技术直接被数字技术所代瞢，在控制电路中的控制信号也随之由模拟信号过渡到０／ｌ编码的数字信号。

在计算控制技术的发展中经历过两个关键的阶段，即开创时期和直接效字控谢时期。

在开刨时期，计算机系统速度慢、价格高，也不可靠，因此这个阶段的计算控制主要以两种方式进行。

一种方式是计算机打印出指令给操作者；另一种方式是计算机收■日囊：∞０Ｉ—１０—２２蕾●疆耳：北京市敦霄羹员台辩拉发晨重点赍助项目・●加奉疆目研兜的还有尊】时君、黄■飞捌＾修改模拟调节器的设定值。

进入直接数字控制时期后，计算机的任务不再局限于向操作者发送指令和謦改摸｛Ｉ重ｌ调节器的设定值，而是直接替代了模拟调节器的功能”Ｊ。

在数字化焊机的发晨中同样有与此类似的两个阶段。

以∞蛆或∞ｃ１９６为代表的单片机控制弧焊逆变电源基本上属于数字化焊机开创时期的产品。

其主要特征就是单片机在焊机中的主要作用是完成焊机的蕾理和焊接参数的给定。

而焊接工艺中的恒压、恒流控制则通过模拟的ＰＩ（比例积分）控制器来完成。

当然这并不是绝对的．在有些单片机控制的可控硅焊机中，从参数设定、焊接参数反馈采样、Ｐｌ控制，到可控硅触发脉冲的发生都是由单片机完成的。

这种情况下的单片机控制的弧焊电源就应当属于直接数字控制时期的产品。

从某种意义上说，只有在数字化焊机进人到直接数字化阶段才真正地实现了数字化，才充分体现出了数字化控制所带来的优势。

不言而喻，数字化控制具有很好的系统灵活性。

对于模拟系统，系统的配量和增益由阻容网络等硬件参数所决定，一旦确定就很难改变。

而对于数字系统，这一切仅仅是改变软件而已。

对于数字化焊机来说，灵活性意昧着同一套硬件电路可以实现不同的焊接工艺控悄，对于不同焊接工艺方法和不同焊丝材料、直径可以选用不同的控制策略、控制参数，从而使焊机在实现多功能集成的同时，每一种焊接工艺方法的工艺效果也将得到大幅度的提高。

以ｃ０，焊接短路过渡的波形控制为例，短路时的电流波形决定了其焊接飞溅的大小和焊缝成形的好坏，第１期刘嘉，等：电焊机的数字化并且对于不同的焊丝直径和焊接工艺区间．最佳的电流波形会有所区别。

在采用模拟控制时，往往是按照兼顾整个工艺区间的原则来选取电流波形，这样就必然造成部分区间的工艺效果的不理想。

数字化控镧的灵活性同时也体现在数字化焊机的控稍软件的在线升级的功能上。

由于采用ｎ∞ｈ作为存储器，同时在电路设计上增加了在线的ｎ＊ｈ编程功能，因此，数字化焊机的控制程序升级或在线调试修改，只需要简单地通过Ｒｓ２３２串行通讯接口进行。

数字化焊机的第二个优势是它具有更好的稳定性。

在模拟系统中．信号的处理是通过有潦或无源的电网络进行的，处理参数的设定通过电阻、电容参数的选择来完成。

这样在模拟系统中阻容参数的容差、漂移必然导蕺控制器参数的变化，一方面模拟控制的温度稳定性较差，另一方面模拟控制时的产品一致性难以保证。

而在数字化控制中，信号的处理或控制算法的实施是通过软件的加／碱、乘／除运算来完成的，因此其稳定性好，产品的一致性也得到了很好的保证。

数字化焊机具有更高的控制精度。

模拟控制的精度一般由元件参数值引起的误差和运算放大器非理想特性参数（如Ａ。

＾“、％。

、，循、噪声等）引起的误差所决定。

以反向放大器电阻网络引起放大倍数的相对误差为倒，放大倍数ＩＡ，．Ｉ＝玛佃，，其相对误差ｈ＝讹一｜ｙ。

，这里＊＝△尺１／Ｒｌ，竹＝△掣玛为电阻Ｒ，和马的相对误差”Ｊ。

如果月．和五：的相对谩差同为±５％，则放大倍数的相对误差为±１０％。

而数字化控镧的精度仅仅与模一数转化的量化误差及系统有限字长有关，如果对一个Ｏ—ｌＯＶ变化的信号进行１０位模一数转化的话，模一数转化中ｎ１１ｎ的量化误差为ＩｅＩ≤羊＝÷ｘ岩＝ｏ．００４鹞２８１２５。

‘‘Ｚ一由此可见，数字化控制可以获得很高的精度。

最后，数字化焊机具有良好接口兼容性。

由于散字化焊机大量采用了单片机、ＤｓＰ（数字信号处理器）等数字芯片，因此数字化焊机与其它设备间就可以非常方便地实现大量的信息交换。

随着现代焊接生产网络化管理的发展和普及，数字化焊机良好的接口兼容性必然会发挥越来超重要的作用。

数字化焊机与传统模拟控制焊机相比具有无可争议的优势。

但是，焊机数字化系统的实现具有极大的挑战性。

处理速度慢和抗干扰能力差是数字控制的主要缺点。

因此，在数字化焊机的实现中必须通过合理的控制芯片选择和整体设计满足弧焊工艺对数字系统处理速度的要求。

同时，必须采取有效的抗干扰措施，使数字控制电路适应高辐射、强电磁干扰的弧焊工艺环境。

２数字化焊机的实现焊机向数字化方向发展，包吉两方面的内容。

一个是主电路的数字化．另一个是控制电路的数字化。

２．１主电路的数宇化在焊接电源中，变压器的作用非常关键，它一方面满足电流、电压的匹配要求，另一方面对送电回路和焊接回路起到电气隔离的作用。

同时，变压器在能量传输回路中的位置决定了焊接电源的体积和质量。

图１为模拟式焊机的主电路框图。

这种电源由一个工频变压器、三相整流桥和一个晶体管组组成，晶体管组在回路中的作用相当于负载的串联电阻。

晶体管组工作在放大区．焊接中不需要的电压消耗在晶体管组的ｃ、Ｅ极之间，因此功耗极大，晶体管组需要水冷。

模拟焊机的输出波形如图２所示。

这种焊机的优点是响应速度快，缺点是晶体管组的能耗大，因此基本上已经被其它类型的电源所取代。

３ｘ３８０再圈１攮掇焊机主电路榧圈Ｆｋｌ瑚ｏｃｋ棚－肿一蛆柚山唧训妇田２蕞拟爆机输出电藏跛形唧２ｃｌ删ｗ印吡一ｍ¨岫ｍ№ｒ与模拟式焊机不同，在开关电源中晶体管组工作在开关态，其主电路如图３所示。

开关电源主要由工频变压器、整流桥和半导体开关组成。

半导体开关按照某一固定频率周期性地开ｉ苴／关断（如开关频率２０ｋ也）．由于采用ＩＧＢＴ（Ｉ池ｋｄｇ且ｔｅｂｉｐｏ－ｌ“咖ｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯｓＦＥＴ（场效应管）或双极性晶体管等作为开关器件，其开关损耗是相当小的。

以一台加ｋｗ开关电源为例，由于开关器件多为电压驱动型，所需要的电流极小，控制电路只需要几瓦的功串焊接学报第２３卷就可以满足要求。

除了效率高而外，开关电源另一个优点是它的工作频率高。

开关电源的工作频率越高，则回路输出电流的纹渡越小，响应速度就越快，因此焊机就获得了更好的动态响应特性。

表１列举了在开关型焊机中采用的不同开关器件以及与其相对应的典型开关频率。

圈ａ开美电蠢的主电路攉田融●３Ｂ雌ｍ喀咖Ⅱ－ｔｒｊ岫蛆孵一硼Ｉ删僦断寰１开关毫■采用的开关■件疆萁开关赣章蛳１Ｐ㈣＿讪Ⅻ岫咖１叫ｂ，栅脚ｔ埘ｒｗ瞳Ｉ血Ｉｈ●岬ｌ栅呵在开关电源中为了在一个较宽的范围内调节功率输出，触发脉冲的导通时间与关断时间的比率（或占空比）必须可词。

如匪４所示．占空比高则输出较高的平均电流值，占空比低则输出较低的平均电流值。

这种调节方式称为脉冲宽度调节（阿Ｍ）。

目前几乎所有的逆变电源和开关电源中都采用跚Ｍ形式的控制电路。

划ｕｏ暖４开关电■的电谵■出啦４ｏＩ删删印叫Ⅱ啊城ｍｌ聊Ｈ盯焊接电源从模拟式焊机发展到开关式焊机，实肪；上是完成了焊接电源从模拟到数字化的跨越。

焊接电源主电路的数字化使得焊接电源在两方面的性能上获得了提高：（１）焊接电源的功率损耗大大地减少．使得焊接电源的效率达到９０％以上；（２）随着工作援率的提膏，回路输出电流的纹渡更小，响应速度更快，因此焊机获得了更好的动态响应特性。

在变压器的设计中。

经常使用式（１），即叩＝筠，（１）式中：ｎ为变压器一次的感应电动势，单位为Ｖ；曰．为变压器铁心材料的磁通密度的最大值，单位为Ｔ；Ⅳ。

为变压器原边绕组的匝数；ｓ为铁心截面积，单位为ｃｍ２，为变压器的工作频率，单位为Ｈｚ。

因此，变压器的质量、体积与频率成反比。

变压器的工作频率越高，即，越大，则变压器绕组的匝数Ⅳｌ越少及铁心的截面积ｓ越小。

因此它的质量越轻、体积越小。

图５为变压器体积一频率曲线。

如果把变压器放在开关器件的后面，如图６所示，就得到了弧焊逆变电源的主电路结构。

这时，变压器的工作频率由５０Ｈ王提高到人们经常提到的２０ｋＨｚ的逆变频率，有些设计中甚至可以达到１００ｋＩｋ。

因此弧焊逆变电源与开关电源相比，又具有了体积小、质量轻的优点。

田５变压■体积与工作凝事关系曲线ｎ昏５鼬ｈ嘶蛐ｋ懈Ⅶｌ衄删ｈ州喇ｏｆ－心哪柚蛳呻日越＿如唧叫舯帐蝌”ｉ田Ｂ逆变电蠢主电路他６Ｂｂｃｋｄｌ蹿舢０ｆ－＿幽ｎ嗥ｈ咖弧焊逆变电源起源于晶闸管逆变弧焊电源，尽管晶闸管的电压及电流容量可以制造得较高，控制的功率大．但是由于它是一种半控型开关器件，一旦触发后不能自行关断，因此嚣要强制关断，造成电路复杂。

同时晶闸管的开关速度慢、工作频率低，只能工作在５ｋＨｚ以下的范围内。

从８０年代开始，功率开关器件无论在种类上，还是在容量上都有了很大的发展。

从目前的应用来看，采用ＭｏＳ肿和ＩＧＢＴ作为功事开关是弧焊逆变电源的主流。

第ｌ期刘嘉．等：电焊机的数字化９ｌ２．２控制电路的数宇化数字信号处理由模拟信号的滤波、模／数转化、数字化处理、数／模转化、平滑滤波等环节组成。

最终输出模拟控制量从而完成对模拟信号的数字化处理。