摘 要： 研究一種采用模塊化設計的數字逆變" title="逆變">逆變焊接系統" title="焊接系統">焊接系統。通過軟件算法使逆變焊接電源單元具有多種外特性，滿足了不同焊接工藝的要求。本文給出了系統硬件結構框圖、軟件流程以及在強電磁干擾下的可靠性設計。
關鍵詞： 數字控制 逆變焊接系統 模塊化
隨著技術進步，新型材料不斷涌現，并在焊接結構中大量采用，這對焊機和焊接工藝提出了更高要求。通常，僅靠一種焊接工藝難以解決問題，需要多種焊接工藝的結合，所以對焊機提出多功能要求[1]。此外，在氬弧焊工藝中，多采用非接觸式引弧方式，通過高頻高壓擊穿空氣間隙而引燃電弧，由于高壓脈沖" title="高壓脈沖">高壓脈沖的存在，對逆變電源" title="逆變電源">逆變電源帶來嚴重干擾。因此，采用模塊化設計，不但可以提高焊機的擴展性，滿足不同焊接工藝的要求，而且可以減小各個模塊之間以及模塊對逆變電源的干擾，提高焊機的可靠性[2]。
模塊化數字控制焊接系統包括：單片機控制的IGBT逆變式焊接電源單元、單片機控制的TIG氬弧焊單元，單片機控制的MIG送絲單元，并為以后的擴展留有接口。其中焊接電源單元可單獨進行普通MMA焊、點焊和碳弧氣刨，配上TIG焊裝置可進行普通的或脈沖的TIG焊，配上送絲機單元可進行普通的或脈沖的CO2/MIG/MAG焊，覆蓋全部焊接功能。單元模塊之間通過通信協議進行焊接參數的共享和顯示。而且對各種焊接功能，單片微機都能對焊接參數進行優化匹配，使焊接電源都有優良的動特性，達到焊接性能的優化。
1 逆變電源單元的組成及工作原理
逆變電源單元模塊的原理框圖如圖1所示,它由主電路和控制電路兩部分組成。
1.1 主電路
主電路包括電磁干擾濾波器、輸入整流器、電容濾波器、IGBT逆變器、中頻變壓器、輸出整流器、濾波電抗器，其核心是IGBT逆變器，通過它將50Hz的整流電壓變成20kHz脈寬調制的交流電壓，使電源頻率從50Hz提高到20kHz，弧焊的控制速度提高130多倍，焊接的動特性有了質的提高，焊接性能優良。同時，焊機的體積和重量與電源頻率成反比地縮小和減輕，使焊機便于攜帶。另外，整機功率因素和效率有了很大提高，與傳統直流焊機相比可節能40%左右。
1.2 控制電路
控制電路由80C196KC" title="80C196KC">80C196KC單片機系統和欠壓、過熱、短路保護等多種保護電路組成。80C196KC微機系統的功能是：①對焊接電流、弧電壓等焊接參數模擬量進行采樣和A/D轉換；②對欠壓、過熱、短路保護信號的響應；③根據不同的功能單元的要求，對焊接電流或焊接電壓進行數字閉環控制，使焊機輸出外特性滿足焊接工藝要求；④對焊接技師的焊接經驗參數進行存儲；⑤對焊接電流的預置值、實際值和電弧電壓值進行數顯。
1.3 軟件流程
焊接電源單元的微機控制系統的軟件設計由多個功能程序塊組成，包括主程序、軟件定時中斷服務程序和串行口中斷服務程序。
(1)主程序。根據功能轉換開關的設置，判斷是MMA焊，還是TIG/MIG焊，根據串行口通信服務程序中所接收和存儲的數據幀，判斷是普通的還是脈沖的TIG焊，是普通的或脈沖的CO2/MIG/MAG焊，根據不同的焊接方式，選擇相應的數字控制算法，計算出輸出PWM信號的脈沖寬度，最后由HSO.0和HSO.1輸出去控制IGBT逆變器的開關，實現焊接工藝要求的外特性。
(2)軟件定時器中斷服務程序。調用采樣子程序對弧電壓、預設焊接電流、實際焊接電流、電流推力調節、引弧電流調節等多個焊接參數進行采樣和A/D轉換，同時，對功能轉換命令進行掃描巡檢。并根據命令有無分別設置MMA焊標志、點焊標志、碳弧氣刨標志。調用數顯子程序用以對采得的焊接電流及其給定值和電弧電壓進行顯示。
(3)串行口中斷服務程序。各單元數據的接收和發送都采用中斷方式完成，波特率設定為9600波特。
主單元發送給MIG和TIG氬弧焊單元的數據幀格式如圖2所示，數據中的前兩個字節為標識碼，代表是電源單元所發送的數據。以#19H代表一幀的結束。
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2 功能單元的組成及工作原理
以TIG氬弧焊單元為例進行說明，TIG單元的系統框圖如圖3所示，主要由80C196KC微機系統，輸入信號采集與處理，顯示驅動與逆變電源模塊的通信等幾部分組成。
(1)80C196KC微機系統
它由80C196KC型16位單片機，8位鎖存器和程序存儲器等組成，對面板輸入的各種調節參數和由逆變電源單元傳輸來的參數進行采集和優化計算，通過通信接口與逆變電源單元進行參數的傳輸和共享。
(2)輸入信號的采集和處理
焊接電流、弧電壓、前氣延時、后氣延時、收弧電流衰減時間通過80C196KC上的模擬量輸入端口進行采樣和A/D轉換；由于輸入的焊接參數比較多，為了擴展模擬量輸入端口，基值電流、峰值電流、脈沖周期和占空比調節參數通過多路開關74HC4051送至ACH3，ACH0檢測從逆變電源單元供給的+50V是否正常。
開關量信號通過P1和P2口輸入，氬弧焊炬起動命令的傳輸線因6000V引弧脈沖電壓的感應有很高電壓，在進入微機P1.1口前要進行隔離，以免損壞CPU芯片。
P1.0口輸出電磁氣閥的開關信號；P1.6口輸出高壓脈沖引弧器的開關信號，以控制高壓脈沖引??；P2.0和 P2.1與焊接單元進行通信。
(3)顯示和驅動
在輸出面板上設置兩組數碼顯示管，分別顯示焊接電流和焊接電壓，在焊機空載時，顯示設定值，在焊機焊接時顯示實際值，由控制系統自動進行切換。
(4)工頻高壓脈沖引弧器
采用倍壓加迭加升壓技術，通過多個磁芯原側繞組的并聯，最后在迭加式升壓變壓器的副側繞組上產生脈沖幅值為6000V的脈沖列。由于采用工頻高壓脈沖引弧，無高頻輻射，對人體和電氣設備無危害。
(5)軟件流程
TIG送絲單元的微機控制系統的軟件包括主程序、軟件定時中斷服務程序、串行口中斷服務程序以及多個功能程序塊組成。
?、僦鞒绦颉Ｖ饕瓿捎嬎愫痛鎯卧跏蓟?；軟件定時中斷和串口中斷的設置；延時等待系統上電復位所需要的穩定時間；設置WATCHDOG監視定時器及溢出標志，然后等待中斷。
②串口中斷服務程序。MIG單元發送給主單元的數據幀格式如圖4所示。
為了提高數據傳輸的可靠性，每幀數據以#CCH開頭，緊接著是#11H，最后以#19H結尾，數據中的前兩個字節為標識碼，代表是TIG送絲機單元所發送的數據，中間為經過TIG單元優化計算的控制數據，逆變電源單元每接收到一幀數據時，都會對這幾個數據進行校驗，確保在傳輸中未產生誤碼。數據幀中的每個參數都采用奇偶校驗。
?、圮浖〞r中斷。軟件定時器中斷每隔1ms中斷一次，通過它調用各個功能子程序，實現對焊接參數的優化匹配和焊接過程的程序控制。
3 抗干擾及可靠性設計
隨著變頻調速技術和大功率開關電源的大量使用，電網受到高次諧波噪聲的污染越來越嚴重，這些諧波噪聲通過電源傳入焊機，造成傳導電磁干擾，嚴重影響焊機工作的可靠性[4]。另一方面，焊機的逆變電源也是一個電磁干擾源，當微機系統與主電路共地時，干擾尤為嚴重。此外，在TIG焊的高壓脈沖引弧時，也會產生嚴重的干擾。因此，焊機的抗干擾及可靠性設計十分重要，它是確保焊機可靠工作的關鍵。
(1)電磁干擾濾波器。經電源傳入的電磁干擾有共模干擾和差模干擾，其中共模干擾對焊機的危害最大。為此，電磁干擾濾波器的結構和參數確定，既要考慮能抑制共模干擾，又要考慮能抑制差模干擾，而且以抑制共模干擾為主。
(2)為了提高通信的可靠性，設計了光電隔離和電平轉換電路。CPU的串行通信口P2.0和P2.1通過光電隔離與通信接口在地線上進行分離，減少外界信號對微機系統的干擾，由CPU輸出的信號幅值為＋5V，通過電平變換，將傳輸的信號電壓升至＋25V，這樣即使在傳輸過程中信號受到干擾，也可以在接受端通過數字濾波將干擾濾除。
(3)焊炬操作電路的隔離。TIG焊的啟動和停止都是由焊炬上的控制開關操作的，而在高壓脈沖引弧過程中，引弧器產生的6000伏高壓通過焊炬引線傳輸到鎢極，在鎢極與工件之間產生火花放電引弧。因此，控制開關的連線必定會感應很高的干擾電壓，重則會擊壞控制板上的元件，輕則會對微機系統產生嚴重干擾。為此，設計了變壓器隔離電路使得焊炬開關的操作電路必須隔離。
模塊化數字控制焊接系統經過實驗室試驗研究，試制出樣機，經過實驗室試驗和現場工業試驗，可得出以下結論：
(1)在IGBT逆變器基礎上引入80C196KC單片微機的實時控制和模塊化設計，使焊接系統經過模塊化的組合，具有CO2/MIG/MAG半自動焊、脈沖TIG焊、連續TIG焊和MMA焊等多功能。并為以后的擴展留有余地。
(2)通過模塊化設計，減小了功能模塊之間以及功能模塊對逆變焊接電源的干擾。保證了焊接系統的可靠工作。
(3)制定了逆變焊接電源與MIG送絲單元和TIG氬弧焊單元之間的通信協議，為了提高通信的可靠性，在硬件和軟件上使用了多種糾錯算法，使各個單元之間的組合連接十分簡單可靠。
參考文獻
1 劉 嘉，盧振洋，殷樹言等.電焊機的數字化[J].焊接學報，2002；123(1)：88～92
2 周 潔.逆變電源的數字控制技術電焊機[J].電焊機，2004；(12)：8～10
3 孫涵芳.Intel 16位單片機.北京：北京航空航天大學出版社，1995
4 張松春，趙秀芬.電子控制設備抗干擾技術及其應用.北京：機械工業出版社，1989