袁孝杰，王 賓，石曉艷，劉建龍

(1. 安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001； 2. 寰電智控科技(廣東)有限公司，廣東 東莞 523902)

電阻點(diǎn)焊工藝在連續(xù)焊接過程中，由于工件與電極存在不可靠接觸和電極磨損，導(dǎo)致負(fù)載電阻出現(xiàn)非線性變化，焊接電流無法恒定，時(shí)常發(fā)生飛濺和虛焊問題，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量[1].為得到更好的電流控制性能，文獻(xiàn)[2]利用PID控制，實(shí)現(xiàn)了恒峰值電流控制.文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了FB-ZVZCS-PWM軟開關(guān)逆變式電源，降低了系統(tǒng)的功耗，提高了焊接電流控制精度.文獻(xiàn)[4]使用1對(duì)超聲波收發(fā)器，實(shí)時(shí)測(cè)量超聲波信號(hào)的滲透率，通過監(jiān)測(cè)熔核直徑來控制焊接電流.文獻(xiàn)[5]建立了一種基于等效電阻的解析計(jì)算模型，通過焊接電流與工件兩端電壓實(shí)測(cè)信號(hào)，預(yù)測(cè)焊接過程各時(shí)刻導(dǎo)電通路直徑.文獻(xiàn)[6]根據(jù)熱力學(xué)原理建立了熱輸入能量與點(diǎn)焊熔核尺寸的數(shù)學(xué)模型.文獻(xiàn)[7]提出使用無差拍控制方法提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電流響應(yīng)速度.

上述研究取得了一定成果，但由于電阻點(diǎn)焊過程涉及電學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)和熱學(xué)等方面，各部分存在強(qiáng)耦合關(guān)系，難以解耦系統(tǒng)，建立精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型或物理模型.且使用傳統(tǒng)控制算法難以獲得滿意的控制性能，而人工智能算法可以同時(shí)考慮多個(gè)信號(hào)特征，從而提高系統(tǒng)的非線性適應(yīng)性.本文利用智能算法，結(jié)合實(shí)際焊接數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，利用焊接過程的相關(guān)特征量，提出一種模糊自適應(yīng)控制方案，實(shí)現(xiàn)恒流控制.

1 中頻直流電阻點(diǎn)焊特征量

電阻點(diǎn)焊電源經(jīng)歷了從單相到三相，從不整流到整流的演變過程.隨著大功率開關(guān)器件及電力電子控制技術(shù)的發(fā)展，中頻直流電阻點(diǎn)焊系統(tǒng)以其成本低、體積小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)得到越來越廣泛的應(yīng)用和研究[8].

中頻直流電阻點(diǎn)焊電源的二次側(cè)等效電路如圖1所示.其中：Ls是線路的等效電感；IW(nT)是電源輸出焊接電流，由羅氏線圈測(cè)量得到；UW(nT)是電極兩端焊接工件之間的負(fù)載電壓；RD(nT)是非線性的負(fù)載電阻，表示工件接觸電阻和體電阻之和，負(fù)載電阻由同一采樣時(shí)刻的負(fù)載電壓除以焊接電流計(jì)算得到.控制系統(tǒng)在每個(gè)焊接電流周期的峰值時(shí)刻調(diào)整控制量.

圖1 點(diǎn)焊電源二次側(cè)等效電路

負(fù)載電阻變化率RS(nT)取每個(gè)控制周期內(nèi)采樣開始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻的電阻值計(jì)算.這種計(jì)算方式可以準(zhǔn)確地反映控制周期內(nèi)的負(fù)載電阻變化情況，即

(1)

式中：T為控制周期.

2 焊點(diǎn)有效接觸面積和電極磨損直徑

在焊接過程中由于金屬工件與電極存在不可靠接觸(例如安裝存在傾角、工件表面不平整等)，導(dǎo)致電極與工件的接觸面積減小，使得焊接電流密度迅速增加，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生了更多熱量，從而產(chǎn)生飛濺問題.因此需要估計(jì)在焊接過程中接觸面積變化，減小焊接電流.

中頻直流電阻點(diǎn)焊電源的逆變器開關(guān)頻率設(shè)定為1 kHz，對(duì)0.6 mm厚度的鍍鋅鋼板使用5種不同直徑規(guī)格的電極，電極壓力都設(shè)置為2.6 kN，取電流達(dá)到設(shè)定的恒定值后的10個(gè)控制周期，計(jì)算該周期內(nèi)的負(fù)載電阻變化率，分析焊接電流與負(fù)載電阻變化率之間的關(guān)系，如圖2所示.

圖2 不同接觸面積電極IW(nT)與RS(nT)關(guān)系

由圖2可以看出：在相同電極直徑下，IW(nT)電流越大，RS(nT)越大，這是由于在相同時(shí)間內(nèi)，IW(nT)增大使鍍鋅鋼板獲得的焦耳熱增多，鍍鋅鋼板的體電阻和接觸電阻的電阻率發(fā)生快速變化，所以RS(nT)增大；在相同IW(nT)情況下，焊接的有效接觸面積越大，RS(nT)越小，這是因?yàn)橛行Ы佑|面積越大，金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電橫截面越大，體電阻越小，所以負(fù)載電阻總體減小，RS(nT)也較小.

電極與工件界面游離的鋅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)會(huì)加速電極磨損，且反應(yīng)生成的黃銅會(huì)增大電極表面的電阻率，使得電極升溫，電極頂部會(huì)在反復(fù)加熱和機(jī)械沖擊下發(fā)生變形，最終使得電極直徑不斷增加，焊點(diǎn)處的電流密度降低，焊核所需熱量不足，最終產(chǎn)生虛焊，因而需要確定電極直徑與瞬時(shí)最大焊接功率關(guān)系.用PR(nT)表示瞬時(shí)焊接功率，反映點(diǎn)焊各個(gè)時(shí)刻的焊接功率大小，即輸入焊點(diǎn)的熱量，由焊接電流和負(fù)載電壓乘積得到，計(jì)算時(shí)刻與負(fù)載電阻相同，在控制周期內(nèi)用PR(nT)max表示瞬時(shí)焊接功率的最大值.

將中頻直流電阻點(diǎn)焊機(jī)的電極壓力設(shè)置為2.6 kN、逆變器開關(guān)頻率設(shè)定為1 kHz情況下，在電流達(dá)到設(shè)定的恒定值后的10個(gè)控制周期內(nèi)取電流和最大焊接功率的均值，使用5種相同規(guī)格不同厚度的鍍鋅鋼板，通過改變輸出電流的大小，研究其與最大焊接功率之間的關(guān)系，如圖3所示.

圖3 不同厚度鍍鋅鋼板IW(nT)與PR(nT)max關(guān)系

由圖3可知：在同一厚度的鍍鋅鋼板上，當(dāng)IW(nT)增加時(shí)，周期內(nèi)PR(nT)max會(huì)不斷增加，呈現(xiàn)類似指數(shù)關(guān)系，符合焦耳定律結(jié)論；當(dāng)IW(nT)在相同情況下，鍍鋅鋼板厚度越大，PR(nT)max會(huì)越小，這是因?yàn)殄冧\鋼板越厚，工件表面更加平整，板間接觸電阻相對(duì)減小.

3 模糊自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)

電阻點(diǎn)焊過程的控制變量與輸出之間是一個(gè)非線性、時(shí)變系統(tǒng)，且存在許多的隨機(jī)干擾因素和干擾因素之間的相互耦合作用.利用常規(guī)的模擬控制、計(jì)算機(jī)控制或者二者的混合控制，都是采用線性調(diào)節(jié)或者查表的方式，很難實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊過程的精確控制.

本文選用智能控制算法，設(shè)計(jì)模糊自適應(yīng)控制器實(shí)時(shí)補(bǔ)償焊接電流，結(jié)合PI控制實(shí)現(xiàn)恒流輸出.模糊控制算法可以根據(jù)狀態(tài)變量及操作者的經(jīng)驗(yàn)和專家分析進(jìn)行模糊推理而確定控制系統(tǒng)的輸出，并不需要知道控制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，故適用于電阻點(diǎn)焊這樣負(fù)載動(dòng)態(tài)變化的系統(tǒng).圖4為整個(gè)智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu).

圖4 電阻點(diǎn)焊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)中，通過采樣電路和調(diào)理電路可以獲得電極兩端的電壓u(t)和焊接電流i(t)，通過計(jì)算可以獲得負(fù)載電阻RD(nT)和焊接功率PR(nT)，再通過對(duì)焊接有效接觸面積和電極直徑的估算，可以得到控制周期內(nèi)的負(fù)載電阻變化率RS(nT)和最大焊接功率PR(nT)max.將這2個(gè)控制變量作為模糊控制器的輸入量，補(bǔ)償電流Id作為模糊控制器的輸出量，補(bǔ)償電流Id是通過與控制系統(tǒng)設(shè)定的初始電流Io求和，從而求得反饋電流Is，變壓器二次側(cè)通過電流互感器測(cè)得的電流Im與反饋電流Is做差值得到誤差電流Ie，再輸入到PI控制器中，控制移相角大小，驅(qū)動(dòng)IGBT控制輸出焊接電流大小，整個(gè)控制系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)焊接電流的精準(zhǔn)恒定控制.

圖5為模糊控制器輸入量RS(nT)和PR(nT)max的隸屬函數(shù)，二者均采用三角和高斯的組合型，其中RS(nT)變化范圍為[-10，10] mΩ/s，PR(nT)max變化范圍為[-5 000，5 000] J/s，模糊控制器輸出量Id為補(bǔ)償電流，其隸屬函數(shù)與圖5相同，用來控制調(diào)整實(shí)際焊接電流大?。寒?dāng)出現(xiàn)虛焊情況時(shí)，補(bǔ)償電流為正值，使得實(shí)際焊接電流增大；當(dāng)出現(xiàn)飛濺時(shí)，補(bǔ)償電流為負(fù)值，使得實(shí)際焊接電流減小，其論域范圍為[-2 000，2000] A.

根據(jù)鍍鋅鋼板實(shí)際焊接情況，以及IW(nT)與RS(nT)的關(guān)系、IW(nT)與PR(nT)max的關(guān)系以及點(diǎn)焊專家經(jīng)驗(yàn)，可以定義模糊規(guī)則為：如果RS(nT)增加時(shí)，判斷實(shí)際焊接出現(xiàn)瞬時(shí)接觸不良，從而導(dǎo)致接觸面積減小，此時(shí)應(yīng)該減小焊接電流IW(nT)以防止焊核發(fā)生飛濺，Id為負(fù)值中等幅度變化；如果PR(nT)max減小，判斷連續(xù)點(diǎn)焊過程導(dǎo)致的焊接電極磨損，直徑增大，此時(shí)應(yīng)該增大焊接電流IW(nT)以防止產(chǎn)生虛焊，Id正值中等程度增加；如果RS(nT)和PR(nT)max都增加，Id負(fù)值大幅度減小；如果RS(nT)和PR(nT)max都減小，Id正值大幅度增加；在模糊控制規(guī)則的設(shè)定中，RS(nT)的影響因素占主要部分.

圖5 模糊控制器輸入輸出隸屬度函數(shù)

根據(jù)上述模糊規(guī)則建立的模糊規(guī)則表如表1所示，其中PB、PM、PS、ZO、NS、NM、NB分別代表正大、正中、正小、零、負(fù)小、負(fù)中、負(fù)大.模糊推理采用Mamdani直接推理法，去模糊化采用重心法.

表1 PR(nT)max、RS(nT)與Id模糊規(guī)則

4 仿真結(jié)果與分析

使用Matlab/Simulink搭建電阻點(diǎn)焊控制系統(tǒng)，詳細(xì)模型如圖6所示.由于電阻點(diǎn)焊的焊接電流很大，常規(guī)逆變電路存在很大的開關(guān)損耗，本模型的主電路采用移相全橋電路，可以減小開關(guān)損耗.主電路的相關(guān)參數(shù)為：輸入三相交流電380/220 V 50 Hz；輸出直流側(cè)電壓Uo=15 V；中頻變壓器變比N1∶N2=50∶1，N2∶N3=1∶1，變壓器其他參數(shù)設(shè)置為理想值；IGBT的開關(guān)頻率f=1 kHz；線路等效電感L=1 μΩ.

圖6 電阻點(diǎn)焊系統(tǒng)仿真模型

在電阻點(diǎn)焊過程中，負(fù)載電阻為非線性變化.本文中使用的焊接工件為鍍鋅鋼板，當(dāng)中頻電阻點(diǎn)焊機(jī)的控制系統(tǒng)以恒定占空比控制焊接電流，可以測(cè)得焊接過程中負(fù)載電阻的動(dòng)態(tài)波形.圖6中的負(fù)載電阻R就是根據(jù)實(shí)際焊接負(fù)載電阻變化情況而搭建的非線性仿真負(fù)載電阻，其仿真波形如圖7所示，從而檢驗(yàn)控制系統(tǒng)的可靠性.

圖7 負(fù)載電阻隨時(shí)間變化波形

仿真電流波形對(duì)比如圖8所示. 圖8(a)為傳統(tǒng)PID控制在最優(yōu)參數(shù)下的4 000 A焊接電流仿真波形，由于負(fù)載在0～100 ms時(shí)間段內(nèi)電阻變化率最大，所以傳統(tǒng)PID控制出現(xiàn)很大的超調(diào)，且在后面負(fù)載電阻變化率減小時(shí)，控制系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩，無法達(dá)到穩(wěn)態(tài).

(a) PID控制

圖8(b)為模糊自適應(yīng)控制下的4 000 A焊接電流仿真波形，可以看出控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度很快，可以在20 ms內(nèi)達(dá)到4 000 A的恒定輸出，且沒有出現(xiàn)超調(diào)和震蕩，即使負(fù)載電阻變化率在70 ms前后變化幅度很大，輸出電流依然保持恒定，控制效果十分理想.

5 結(jié)語

針對(duì)中頻電阻點(diǎn)焊在連續(xù)焊接過程中由于電極磨損和焊點(diǎn)接觸面積變化，出現(xiàn)的飛濺和虛焊問題，本文利用智能控制算法設(shè)計(jì)了一種模糊自適應(yīng)控制方案來解決上述問題.通過仿真試驗(yàn)表明，該控制方案比傳統(tǒng)PID控制具有更好的控制性能，可以實(shí)現(xiàn)良好的恒流控制，具有很好的應(yīng)用前景.