1　前言

　　在本課題研究中两曼，我們著重解決了兩個(gè)問題：其一菩擦，將單片機(jī)控制系統(tǒng)成功地運(yùn)用于弧焊電源領(lǐng)域辰令，并形成包括數(shù)據(jù)采集、PID運(yùn)算鸿市、輸出特性控制等一套完善的閉環(huán)控制系統(tǒng)锯梁；其二，解決了工業(yè)弧焊電源焰情，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)的干擾問題陌凳，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内舟，當(dāng)和CO₂焊控制箱以及送絲機(jī)組合時(shí)合敦，可以構(gòu)成MIG/MAG及CO₂焊機(jī)，并且具有專家系統(tǒng)验游、一元化控制充岛、自保非自保、弧坑填充耕蝉、削小球處理等功能崔梗。當(dāng)和TIG焊控制箱組合時(shí)可構(gòu)成TIG焊機(jī)夜只，并且具有接觸引弧與高頻引弧、脈沖輸出等功能蒜魄。單獨(dú)使用時(shí)盐肃，主機(jī)可作為手工弧焊電源。
　　根據(jù)技術(shù)要求没靖，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)成熟酒管、動態(tài)響應(yīng)迅速驱宴、性能可靠、效率高等優(yōu)點(diǎn)拌艳。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)歧衡，由它完成參數(shù)給定、參數(shù)運(yùn)算橙樟、電流反饋庸颂、電壓反饋、反壓檢測及頻率調(diào)制等幾乎所有的重要工作沸稻。協(xié)調(diào)整個(gè)焊機(jī)的正常運(yùn)行扁钥，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)所饺，與模擬控制相比捐煤，它在參數(shù)設(shè)置、參數(shù)給定蓄诽、規(guī)范儲存與調(diào)用薛训、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仑氛。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乙埃。實(shí)踐證明，本方法簡便易行锯岖，性能也十分可靠介袜。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)候嚎莉，也幾乎不存在誤碼的可能米酬。
　　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識別的。當(dāng)主機(jī)通電后趋箩，它自動設(shè)置為手工焊狀態(tài)赃额，此時(shí)如果輸出端接入焊鉗與焊條，可施行直流手工弧焊叫确。在空載狀態(tài)下跳芳，TIG焊或者CO₂焊控制箱通電后叁渣，它們將向主機(jī)發(fā)出不同的特征碼，主機(jī)根據(jù)接收到的特征碼谍潮，自動轉(zhuǎn)換焊接方式溯侦，并協(xié)同控制箱可進(jìn)行TIG焊或者CO₂焊。主機(jī)面板有指示燈自動顯示當(dāng)前工作狀態(tài)為MMA慷啊、TIG或者是CO₂方式况魔。當(dāng)控制箱關(guān)電后，主機(jī)又可自動回復(fù)到手工焊狀態(tài)某扑。
　　TIG焊與CO₂焊參數(shù)的給定是由對應(yīng)控制箱面板的預(yù)置鍵輸入控制箱奢赡，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)置筐积。

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)掷暇，原理框圖如圖1所示。由于其原理已經(jīng)普及珊求，此處不再贅述层攀。

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赃阀，與其它控制回路及主電路完全隔離霎肯，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凹耙。單片機(jī)的三個(gè)高速輸入口HSI₁～HSI₃分別用于采樣給定值姿现、電壓值與電流值。這三個(gè)參數(shù)均由硬件電路進(jìn)行濾波肖抱、整形备典、放大處理后，經(jīng)V/F轉(zhuǎn)換電路送入單片機(jī)輸入端口意述。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提佣，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)值荤崇。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)脈沖信號拌屏，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)輸出的作用术荤。單片機(jī)的外部中斷口EXTINT用于反壓檢測倚喂，此信號協(xié)調(diào)逆變器的正常工作，防止發(fā)生自通瓣戚。

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笛吱，能夠?qū)﹄娫慈毕唷厣藁尤⒕W(wǎng)壓超限等進(jìn)行自檢并報(bào)警顯示途培。而手工焊具有焊條防粘功能建搞，在短路時(shí)間超過兩秒后，能自動切斷主回路電流注欧；CO₂焊具有長時(shí)限流功能祈岔，能對持續(xù)一秒時(shí)間的1.5I₀電流進(jìn)行自動保護(hù)，防止焊機(jī)硬件受損钙蕉。
　　主控制板的軟件設(shè)計(jì)由多個(gè)功能塊組成口纸，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)官孝、高速輸入中斷子程序(HSI) 及軟定時(shí)中斷服務(wù)子程序揉民。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听公、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诉濒。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周伦，EXTINT中斷口用于輸入中斷信號，關(guān)鍵還在于軟定時(shí)中斷程序的使用未荒，它主要是通過軟件來判斷中斷信號的真實(shí)性专挪，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片排、準(zhǔn)確寨腔、及時(shí)的被單片機(jī)所接收，這一點(diǎn)是非常重要的率寡，它關(guān)系整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性與穩(wěn)定性迫卢。
　　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)脈沖間距冶共，定時(shí)器1用于計(jì)時(shí)觸發(fā)脈寬值乾蛤。

       

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，如果粗略劃分捅僵，它可以分成三段：第一段是系統(tǒng)初始化段家卖；第二段是空載段，第三段是負(fù)載段荷右。初始化段不用多言度堤。空載段是指當(dāng)焊機(jī)處于空載狀態(tài)時(shí)程序所運(yùn)行的功能段完簿，在這段程序中包括負(fù)載檢測沙螺、控制箱特征碼檢測、控制箱數(shù)據(jù)流檢測予售、工作狀態(tài)判斷场致、空載電壓選擇等多個(gè)程序塊藕龄。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。它又分為三段籍投，分別為MMA削蕊、TIG、CO₂三種不同工作方式對應(yīng)的程序段圣烤。而每個(gè)程序段都包含空載檢測元丈、引弧方式、負(fù)載方式喘建、故障循檢等必須的功能塊显驼。當(dāng)然各個(gè)不同的工作方式還有其特有的功能塊，不再多述坯临。從圖6的主程序流程框圖可對上述所言加以了解焊唬。

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看靠。主要表現(xiàn)于電弧自調(diào)節(jié)能力弱赶促，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)的斜降外特性挟炬，感覺焊接效果明顯改善鸥滨。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)定及減小飛濺谤祖。

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焊工作方式婿滓，包括直流TIG焊和脈沖TIG焊。
　　其面板示意圖見圖7粥喜。

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)顯凸主，由于具有脈沖輸出功能，因此參數(shù)將包括直流電流额湘、峰值電流秕铛、基值電流、脈沖頻率蛙途、占空比等多項(xiàng)指標(biāo)讯完。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汤袭；②數(shù)據(jù)傳遞于扳，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)的一些控制信號席栅；③高頻引弧器炸穿，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暖鬓，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要完全考慮消除干擾的措施及方法继锰；④TIG焊必須的程序控制，包括提前送氣麸档、滯后斷氣等簡單的程序控制模式及窃。

　  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)芯片乃沙。由于無需擴(kuò)展存儲器起趾，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警儒，這樣可以大大減少硬件開銷训裆，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)蜀铲，足以容納所編寫的全部程序边琉。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记劝，由RS₀艺骂，RS₁的不同分為四組，各組分代表電流隆夯、頻率、基值别伏、占空比四個(gè)不同的參數(shù)值蹄衷，因每組8字節(jié)，前3字節(jié)代表各參數(shù)的百位厘肮，十位及個(gè)位愧口，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)寄存器咆杯，用于計(jì)算幌瓦、寄存中間結(jié)果。從80H～FFH是特殊功能寄存器终太。由于上述數(shù)據(jù)的特殊性苫担，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)辰丛，以便主機(jī)收到后直接參與運(yùn)算滓层。

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

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民轴。所以TIG焊的外特性采用陡降特性攻柠。

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控制箱完全相同杉武。但功能要求方面卻是不同的辙诞。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)轻抱。而送絲速度是單片機(jī)自身對送絲機(jī)進(jìn)行控制飞涂，其面板示意圖見圖9。

圖9　CO₂控制箱面板示意圖

　　根據(jù)CO₂焊的工作原理祈搜，本控制箱設(shè)計(jì)了三種參數(shù)預(yù)置方法较店，即專家系統(tǒng)、一元化容燕、非一元化梁呈。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)，按不同焊接材料蘸秘、不同保護(hù)氣體官卡、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)充性僚洋。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剥乍，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)成果候赏，我們在專家?guī)熘袃Υ媪?0套常用的規(guī)范參數(shù)斧炎，這些參數(shù)可以調(diào)用或者修改使用，但修改后不能重寫盯媚。另預(yù)留50套參數(shù)的儲存空間铝寿，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)的功能抖唧，但本機(jī)因使用微機(jī)系統(tǒng)陷克，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)所不能做到的瓤鬓。
　　由于專家系統(tǒng)涉及到數(shù)據(jù)修改與存儲的問題曾瞪，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)既憔，也可以在掉電情況下保存數(shù)據(jù)掰儿。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，占用資源極少扬跋。因?yàn)橹皇褂靡黄?402阶捆，其地址端全部接地，無需進(jìn)行選址钦听。8951并行口通過編程產(chǎn)生2402所需的時(shí)鐘信號洒试，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)寫入與讀出朴上。
　　程序控制器的空間劃分與TIG控制箱相仿垒棋，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)系痪宰。通訊方式也與TIG焊控制箱一樣叼架。
　　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)反饋方式衣撬，說是準(zhǔn)閉環(huán)是因?yàn)閷τ谒俣葏?shù)而言乖订，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具练，不過實(shí)踐中發(fā)覺可以滿足CO₂焊焊接的要求乍构。它的優(yōu)越性在于電路簡單可靠，調(diào)試方便喝壹，無需單片機(jī)參與反饋仓近。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旱已。

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肌蛮。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)派料。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滑攘。方法如下：1.采用隔離電源腊匆，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)超璧，這是防止差模干擾的好方法隙趣。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)的阻礙作用嘴缓，在關(guān)鍵部位要盡量采用旱万。 3.屏蔽，金屬屏蔽盒可防止空間電磁干擾吐句，保護(hù)被干擾單元胁后。注意屏蔽層一定要接地。在硬件防干擾措施的實(shí)施下，配合軟件抗干擾攀芯，如指令冗余屯断，數(shù)字濾波器等方法，便可徹底消除干擾侣诺，使系統(tǒng)可靠工作殖演。

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)性年鸳，為焊接生產(chǎn)提供更好更高層次的服務(wù)趴久，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搔确。隨著研究開發(fā)的深入彼棍，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妥箕。

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