周玉榮，蒲紅梅

(攀枝花學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，四川 攀枝花 617000)

晶閘管整流弧焊機(jī)引弧及其數(shù)字控制設(shè)計

周玉榮，蒲紅梅

(攀枝花學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，四川 攀枝花 617000)

針對直流電焊機(jī)引弧的工作環(huán)境和特點，分析了在焊接時采用旁路引弧的方法，同時在焊接時對焊機(jī)輸出的電壓、電流采樣，并進(jìn)行數(shù)字控制運(yùn)算，適時穩(wěn)定地控制焊機(jī)輸出的電壓、電流。其實現(xiàn)方法是采用C8051芯片處理器控制整個焊機(jī)的性能和功能，同時通過對負(fù)載電壓、電流的采樣進(jìn)行雙閉環(huán)控制。通過理論分析，實驗驗證了該焊接系統(tǒng)能根據(jù)焊接工藝要求設(shè)定輸出焊接的電壓、電流值，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、運(yùn)行可靠，能提高焊接質(zhì)量。

三相可控半橋整流；引??；晶閘管；C8051

0 前言

焊接是一種重要的金屬加工方法，我國從20世紀(jì)60年代開始研制晶閘管整流弧焊機(jī)，但當(dāng)時由于功率器件和控制電路元件的可靠性差，控制方法和制造工藝落后，導(dǎo)致發(fā)展緩慢，隨著國外技術(shù)的引進(jìn)，數(shù)字控制技術(shù)得到了飛速的發(fā)展[1]。在電弧焊開始時要引燃電弧，通常手弧焊引弧有兩種：碰撞引弧和劃擦引弧。在自動焊接系統(tǒng)中，由于要不斷引弧，因此，引弧的成功率引起了人們極大的關(guān)注，同時也引起了學(xué)者和開發(fā)人員的重視。通常引弧從以下幾個方面進(jìn)行考慮[2]。

(1)提高短路電流增長速度 dis/dt，主要是改善電源的工作狀態(tài)。如整流焊機(jī)中往往利用電流電感調(diào)節(jié)焊機(jī)的動態(tài)特性，以減小飛濺和改善成形，但是卻降低了dis/dt，從而降低了引弧成功率。為此，在引弧時常常利用旁路電路將直流電感短接，引弧成功后再將該電感接入。當(dāng)逆變焊機(jī)問世后，充分利用電子電抗器調(diào)節(jié)電源動特性，而選用很小的直流電感，無需采用上述方法，都可以獲得可靠的引弧。

(2)減小接觸電阻RA的衰減速度。引弧時使焊絲送進(jìn)速度慢一些，以便減小焊絲與母材的壓力增長速度，RA衰減速度減緩。送絲速度太慢也不利，通常選用 1.5～3.0 m/min。引弧成功后，應(yīng)立刻轉(zhuǎn)換為正常送絲速度。

(3)利用剪斷效應(yīng)引弧。一般情況下，焊接時都利用鉗子剪斷焊絲端頭殘留的金屬熔滴小球，以利于引弧。但這樣做很麻煩，所以現(xiàn)在許多氣體保護(hù)焊設(shè)備增加了去球功能，也就是剪斷效應(yīng)。在焊接結(jié)束時，適當(dāng)降低電弧電壓和送絲速度，從而實現(xiàn)自動去球功能。

(4)導(dǎo)電嘴磨耗較大時，將增大B點處的接觸電阻RB，不利于引弧。應(yīng)及時更換導(dǎo)電嘴。

在此將針對焊接系統(tǒng)的旁路引弧和焊機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字控制進(jìn)行深入的分析和研究。

1 旁路引弧電路

文獻(xiàn)[1]講述了三相全橋整流焊接的數(shù)字控制，沒有對焊接的引弧進(jìn)行分析。而引弧是焊接成功的關(guān)鍵，引弧成功率與哪些因素有關(guān)呢？目前普遍認(rèn)為，細(xì)絲氣體保護(hù)焊大都采用接觸引弧，焊絲與工件接觸點為A點，焊絲與導(dǎo)電嘴的接觸為B點，由于接觸狀態(tài)不同，A與B點的接觸電阻隨時間的變化而變化，由于焊絲導(dǎo)電，A點的接觸電阻從接觸時的無窮大迅速衰減。因此，短路電流將成指數(shù)曲線上升，這就使焊絲與工件接觸處的焊絲頭變軟和接觸面增加。而B點是焊絲的側(cè)面與導(dǎo)電嘴內(nèi)表面接觸，接觸狀態(tài)變化不大。所以要充分利用引弧初期電阻較大的特性，完成引弧過程，短路電流上升速度很重要，該值越大，則引弧成功率就越高。引弧電路有旁路引弧、并聯(lián)電容引弧、慢送絲引弧等，如圖1所示，VT1～VT3是旁路引弧電路[3－4]。

圖1 三相橋式全控整流旁路引弧電路原理

圖1 中，在整流橋并聯(lián)一組晶閘管，該電路的輸出電壓不經(jīng)過電感L，成為旁路引弧電路。在引弧時，該旁路晶閘管組被觸發(fā)導(dǎo)通，則焊接電流不經(jīng)過L，這樣短路電流上升速度很快，有利于引弧[2]。

文獻(xiàn)[1]研究了三相橋式可控整流的數(shù)字控制，主要分析了三相電路整流的控制方法，但是沒有對焊接的引弧電路進(jìn)行分析，在此，針對焊機(jī)的工作特點，對焊接引弧電路部分進(jìn)行分析，著重分析三相半波可控整流電路的理論和控制方法。圖2為三相半波可控整流電路共陰極接法電阻負(fù)載時的電路在觸發(fā)角為0°時的觸發(fā)波形。圖1中三個晶閘管分別接入A、B、C三相電源，其陰極連接在一起(共陰極接法)，其自然換相點是各相晶閘管能觸發(fā)導(dǎo)通的最早時刻，將其作為計算各晶閘管觸發(fā)角α的起點，即α ＝0°[4]。

圖2 晶閘管α＝0°時的波形

整流電壓平均值的計算：

α≤30°時，負(fù)載電流連續(xù)，有

當(dāng)α ＝0°時，Ud最大，為

當(dāng)α＞30°時，負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角減小，此時有

Ud/U2隨α 變化的規(guī)律如圖3所示。焊接時通常是阻性負(fù)載，當(dāng)觸發(fā)角為 150°時，Ud＝0，因此，在數(shù)字設(shè)計實現(xiàn)時要根據(jù)該曲線進(jìn)行編程。

2 數(shù)字控制的實現(xiàn)

圖3 Ud/U2隨α 變化的關(guān)系曲線

隨著數(shù)字控制技術(shù)在各個領(lǐng)域的發(fā)展，焊接控制系統(tǒng)中，國外的數(shù)字控制得到了飛速的發(fā)展，國內(nèi)也引起了商家和焊接研究所以及學(xué)者的關(guān)注，如文獻(xiàn)[1]采用FPGA和DSP的數(shù)字控制進(jìn)行了分析和研究。在此分析和介紹焊接系統(tǒng)的采樣電路，只有精確地對負(fù)載電壓、電流采樣才能更好的實現(xiàn)控制。否則，即使用先進(jìn)的控制策略和電路都不能實時、穩(wěn)定的對焊接系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而達(dá)不到焊接質(zhì)量的要求。

三相整流焊接系統(tǒng)是由三相380 V的交流電壓經(jīng)過三相橋式電路整流，如圖1所示主電路結(jié)構(gòu)。三相380 V的交流電壓經(jīng)過三相橋式電路整流后通過L濾波得到穩(wěn)定的焊接直流電壓，通過檢測其輸出的電壓和電流采樣處理后送給中央處理器進(jìn)行運(yùn)算處理，經(jīng)過處理后的信號由驅(qū)動電路驅(qū)動SCR實時可靠觸發(fā)。負(fù)載電流的采樣是用電流傳感器(精密電阻)采樣，該精密電阻是一種線形關(guān)系，實際上是取精密電阻兩端的電壓，其電壓與電流的關(guān)系是：100 mV相當(dāng)于300 A；電壓的取樣采用電阻分壓采樣，負(fù)載的電壓和電流經(jīng)過有效值采樣電路處理后送給處理器的A/D運(yùn)算端口并處理，由處理器運(yùn)算并產(chǎn)生晶閘管的觸發(fā)信號，該觸發(fā)信號經(jīng)過驅(qū)動放大送給SCR，使SCR適時可靠的導(dǎo)通，其導(dǎo)通角的大小控制負(fù)載的電壓，從而控制焊接電流的大小。

2.1 電壓取樣

電壓取樣是電子電路中的基礎(chǔ)。在電子電路中，電路的工作狀態(tài)如諧振，工作點的動態(tài)范圍，通常都以電壓形式表現(xiàn)出來。電子設(shè)備的控制信號、反饋信號及其他信息，主要表現(xiàn)為電壓。在非電量的測量中，也多利用各種傳感裝置，將非電參數(shù)轉(zhuǎn)換成電壓參數(shù)。電路中其他電參數(shù)，包括電流、功率、信號的調(diào)幅等，都可以作為電壓的派生量，通過電壓測量獲得其量值。電壓測量是最直接方便的，一般電路由于在負(fù)載端是直流電壓，因此可直接用大電阻分壓得到。

2.2 電流取樣

電流取樣的方法有兩種：一是被測電流流過分流器，在分流器兩端產(chǎn)生電壓，測量該電壓即可達(dá)到測電流的目的，該方法為直接式電流取樣法；二是用鉗型表取樣電流，即被測電流由鉗子夾注，在鐵心中產(chǎn)生磁場，此磁場通過霍爾元件，在霍爾元件的輸出端產(chǎn)生電壓，將此電壓通過放大后，再進(jìn)行取樣，該方法稱為間接式電流取樣法。圖4為電壓、電流采樣電路原理[3]。

圖4 電壓、電流采樣電路

電流取樣由分流器300 A/100 mV(精密電阻)，取樣的電壓、電流經(jīng)反相輸入放大器放大10倍再經(jīng)ISO100隔離放大器放大30倍后到C8051－F020的ADC輸入口，由單片機(jī)F020處理后由DAC去控制SCR的導(dǎo)通角，同時顯示電壓、電流的當(dāng)前值。

第一級電壓放大為

第二級電壓放大為

如果取電壓100 mV，則輸出的電壓為3 V，這樣能達(dá)到C8051－F020的端口電壓，并通過查表對應(yīng)其真實值。

2.3 A/D 轉(zhuǎn)換原理

F020采用TQFP100封裝，芯片引腳有8個(引腳18－25)專用于模擬輸入，是8路12位ADC的輸入端。每路12位的轉(zhuǎn)換精度都是其自身的±1 LSB(最低位)。實際上，對應(yīng)12位逐次逼近寄存器型(SAR)ADC只有1個，在它與各輸入端之間有1個具有9通道輸入的多路選擇開關(guān)(可配置模擬多路開關(guān)AMUX)。AMUX的第9通道連接溫度傳感器。在F020是中，12位ADC稱為ADC0，另有8路8位在系統(tǒng)可編程(ISP)的ADC電路稱為ADC1。其8個外接引腳與P1口復(fù)用，片內(nèi)結(jié)構(gòu)與ADC0相近，只是轉(zhuǎn)換的位數(shù)為8位，轉(zhuǎn)換精度為8位的±1 LSB。

ADC0端口的每一對均可用編程設(shè)置成分別地單端輸入或差分輸入。差分輸入時的端口配對為0－1、2－3、4－5、6－7，該設(shè)置由通道選擇寄存器 AMUX0SL的低4位和通道配置寄存器AMUX0CF的低4位確定。在AMX0CF中，位3～0各對應(yīng)2個引腳通道。位值等于0，表示是獨(dú)立的單端輸入(復(fù)位值均為單端輸入)；位值等于1，表示是差分輸入對。對應(yīng)AMX0CF選差分輸入時，AMUX0SL中只有在選雙數(shù)(含0)通道時才有效(注：AMUX0SL低4位為1xxx時，不論AMX0CF低4位為何值，均選溫度傳感器)。

2.4 ADC的速率與起動

8051F系列單片機(jī)中ADC的速率都是可用編程設(shè)置的，但最少要用16個系統(tǒng)時鐘。一般在轉(zhuǎn)換之前還自動加上3個系統(tǒng)時鐘的跟蹤/保持捕獲時間(大于 1.5 μ s)。設(shè)置 F020 內(nèi) ADC 速率的方法是通過配置寄存器ADCxCF(x為0或1)的位7～3來進(jìn)行的，其復(fù)位值為 11111(位 7～3＝SYSCLK/CLKSAR－1)。

一般在起動ADC之前都要處于跟蹤方式，控制寄存器ADCxCN的位6如果為“0”，則一直處于跟蹤方式(此時起動4種起動方式都可比跟蹤起動快3個系統(tǒng)時鐘)；如為“1”，則有4種跟蹤起動方式可選擇，即對ADCxCN中的位3～2賦值；00為向ADBUSY寫1時跟蹤(軟件命令)；01為定時器3溢出跟蹤；10為CNVSTR上升沿跟蹤(外部信號)；11為定時器2溢出跟蹤。

復(fù)位時，ADCxCN的位7為0，處于關(guān)斷狀態(tài)。每次轉(zhuǎn)換結(jié)束時，ADCxCN的位5為“1”，位4(忙標(biāo)志)的下降沿觸發(fā)結(jié)束中斷。也可用軟件查詢這些狀態(tài)位。

2.5 ADC的基準(zhǔn)與增益

F020 的片內(nèi)有 1 個 1.2 V、15×10－6/℃的帶隙電壓基準(zhǔn)發(fā)生器和1個兩倍增益的輸出緩沖器。2.4 V的基準(zhǔn)電壓(VREF)可通過外引腳分別接入ADC0、ADC1和DAC中。VREF對外帶載能力為200μ A(建議在驅(qū)動外部負(fù)載時，對地接1個負(fù)載電阻)。ADC使用偏置時，必須將參考源控制寄存器REFxCN中的位1置于“1”；如置于“0”，則關(guān)閉內(nèi)部偏壓，此時可通過VREF引腳(引腳12)使用外部基準(zhǔn)電壓，外部基準(zhǔn)電壓必須小于VAV±0.3 V(應(yīng)大于1 V)。不用ADC，也不用DAC時，可將REFxCN的位0置“0”，使緩沖放大器處于省電方式(輸出為高阻態(tài))。

設(shè)置REF0CN的位4為“0”時，ADC0用VREF偏置，為“1”時，用DAC0輸出偏置；設(shè)置為REF0CN的位3為“0”時，ADC1用VREF偏置，為“1”時，用AV＋偏置。

在F020的ADC電路中，輸入多路選擇開關(guān)AMUX后面都帶有1個可用編程設(shè)置增益的內(nèi)部放大器(PGA)。當(dāng)各模擬通道之間輸入的電壓信號范圍差距較大時，或需要放大一個具有較大直流偏移的信號時(在差分輸入方式，DAC可用于提供直流偏移)顯得尤為有用。設(shè)置的方式是配置ADCxCF中的位2～0(000對應(yīng)PGA的增益為1；001對應(yīng)為2；010對應(yīng)4；011 對應(yīng)為 8；10x 對應(yīng)為 16、11x對應(yīng)為 0.5)。這里的增益對溫度傳感器信號也起作用。當(dāng)增益為1時

2.6 ADC的數(shù)據(jù)與控制

對應(yīng)單端輸入，ADC結(jié)果數(shù)據(jù)字格式為：0V－0000，VREF－0FFF 或 FFF0；對應(yīng)差分輸入，ADC 結(jié)果數(shù)據(jù)字格式為 2 的補(bǔ)碼：VREF－07FF，0－0000，VREF－F800或8000。將ADCxCN 的位 0置“0”可使結(jié)果右對齊；置“1”可使結(jié)果左對齊。當(dāng)差分輸入時，右對齊產(chǎn)生的多余高位是符號擴(kuò)展位；C8051F系列單片機(jī)內(nèi)還設(shè)有數(shù)據(jù)相關(guān)窗口中斷發(fā)生器或稱可編程窗口檢測器，也叫ADC上(下)數(shù)據(jù)寄存器ADC0G(L)TH(L)，采用后臺方式監(jiān)視一個關(guān)鍵電壓。當(dāng)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)位于規(guī)定的窗口之內(nèi)(或之外)時，向控制器申請轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷。要求在窗口之內(nèi)中斷時，上限寄存器LT裝入高位窗口數(shù)，下限寄存器GT裝入低位窗口數(shù)；若要求在窗口之外中斷時，則在下限寄存器GT中裝入高位窗口數(shù)，在上限寄存器LT中裝入下限窗口數(shù)；復(fù)位時，ADC部分的狀態(tài)為：內(nèi)部電壓基準(zhǔn)緩沖器關(guān)閉、內(nèi)部偏壓關(guān)閉、內(nèi)部傳感器關(guān)閉、ADC禁止、轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)寄存器右對齊、12位的端口均為單端輸入、端口指向AIN0、SAR轉(zhuǎn)換時鐘為33個系統(tǒng)時鐘、內(nèi)部放大器增益為1、下限數(shù)據(jù)寄存器為FFFFH、上限數(shù)據(jù)寄存器為0000H。綜合F020中與ADC相關(guān)的各要素，要想正確應(yīng)用ADC功能，應(yīng)按下列順序編程：設(shè)置參考電壓→設(shè)置允許ADC→設(shè)置跟蹤(起動)方式→設(shè)定數(shù)據(jù)對齊→配置通道→選擇通道→設(shè)置轉(zhuǎn)換時鐘和增益→設(shè)定窗口檢測上、下限→起動轉(zhuǎn)換。操作SFR的順序(以12位為例)為：REF0CN→ADC0CN→AMX0CF→AMUX0SL→ADC0CF→ADC0GTH→ADC0GTL→ADC0LTH→ADC0LT LADC0CN 或其他起動方式[5－7]。

3 試驗和數(shù)據(jù)

晶閘管的觸發(fā)波形如圖5所示，為了保證晶閘管的可靠觸發(fā)，在程序?qū)崿F(xiàn)時要連續(xù)發(fā)觸發(fā)脈沖，如圖5中下部分所示。圖5上部分為觸發(fā)后的電壓波形。從圖中可以看出，晶閘管能可靠實時觸發(fā)。

圖5 晶閘管觸發(fā)波形

4 結(jié)論

針對焊接系統(tǒng)的工作特點，理論分析了焊機(jī)的引弧原因，以及引弧的電路分析，重點分析了旁路引弧的原理和設(shè)計方法；分析了數(shù)字焊接系統(tǒng)的設(shè)計以及三相半橋可控的原理；重點分析了焊接系統(tǒng)的電壓、電流采樣電路的原理及其實現(xiàn)方法，通過對電壓、電流的數(shù)值并通過A/D轉(zhuǎn)換送到中央處理器去控制晶閘管的大小。通過實驗表明，晶閘管能實時觸發(fā)導(dǎo)通。

[1]潘慧梅.基于DSP和FPGA實現(xiàn)三相整流焊機(jī)數(shù)字控制和觸發(fā)[J].電焊機(jī)，2009，39(11)：69－72.

[2]殷樹言，耿 正，剛 軼.晶閘管整流弧焊機(jī)的設(shè)計與調(diào)試[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[3]曹太強(qiáng)，許建平，吳 昊.基于DSP數(shù)字調(diào)速直流電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計[J].電力電子技術(shù)，2008，2(24)：73－77.

[4]郭世明，黃念慈.電力電子技術(shù)[M].成都：西南交大出版社，2002.

[5]Inc.[美國].C8051F 單片機(jī)及應(yīng)用解析[M].潘琢全，譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[6]李 剛，林 凌.與8051兼容的高性能，高速單片機(jī)——C8051FXXX[M]北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[7]紀(jì)宗南.單片及外圍器件實用手冊[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

Research on arc ignition and digital control of SCR rectifier

ZHOU Yu-rong，PU Hong-mei
(School of Information and Electric Engineering，Panzhihua University，Panzhihua 617000，China)

For the feature of arc ignition in the DC electric-welding，to analyzing bypass arc ignition way and To sampling output current and voltage of load and digital control to current and voltage.It is use MCU to control performance and function in the welding.Use C8051 to control its performance and function.Finally，the experiments prove that the rectifier can have good precision.The control method can not only realize the functions of the whole system，but also run more precisely and steadily.Improved quality of welding.

three-phase half-bridge rectifier；ignition；SCR；C8051

TG403

A

1001－2303(2011)03－0035－05

2010－04－08

周玉榮(1968—)，男，副教授，博士，主要從事數(shù)字控制和隨機(jī)共振理論的研究工作。