0 序 言

雙脈沖MIG焊接技術(shù)不但具有脈沖MIG焊接技術(shù)寬電流調(diào)節(jié)范圍、易于實現(xiàn)全位置焊接,、可有效控制輸入熱量等特點,，而且其平均電流變化產(chǎn)生的電弧力對熔池具有攪拌作用，從而能降低氣孔發(fā)生率,、細化晶粒,，故在工業(yè)中應(yīng)用廣泛. 雙脈沖焊接技術(shù)是對電弧能量輸入的精細調(diào)控，隨著生產(chǎn)的發(fā)展,，其對逆變焊機提出了更高的性能要求. 具有更高逆變頻率的數(shù)字化焊接電源,，是實現(xiàn)對雙脈沖MIG焊接電弧能量精細化控制的硬件基礎(chǔ)[1].

受限于開關(guān)損耗，采用Si IGBT為開關(guān)器件的傳統(tǒng)逆變焊機逆變頻率一般為20 kHz,，難以進一步提高. 隨著半導(dǎo)體技術(shù)更新迭代,，開關(guān)速度快、高耐壓,、低開關(guān)損耗的新型碳化硅功率器件日趨成熟,，為提升焊機的逆變頻率帶來了可能[2-4].

文中以ARM CortexTM-M4處理器為控制核心，選用碳化硅功率器件為主電路的開關(guān)器件,，研制了一臺逆變頻率可達100 kHz的數(shù)字焊接電源.設(shè)計了焊接電源的數(shù)字面板以及送絲控制電路,，采用單脈沖輸出配合脈動送絲控制的方法進行雙脈沖焊接[5]. 結(jié)果表明，所研制的焊接電源具有快速的動態(tài)響應(yīng)性能，焊接過程穩(wěn)定可靠,，能滿足雙脈沖MIG焊接的要求.

1 焊接電源硬件設(shè)計

1.1 焊接電源總體設(shè)計

數(shù)字化焊接電源由硬件電路以及相應(yīng)的控制軟件組成. 其硬件電路部分的總體架構(gòu)如圖1所示,，包括功率變換電路、主控制電路,、數(shù)字面板以及送絲控制電路等. 功率變換電路中應(yīng)用了碳化硅功率器件,，其優(yōu)異的開關(guān)性能是提升焊接電源開關(guān)頻率的基礎(chǔ). 主控制電路以高性能的STM32F405RGT6為核心，通過其豐富的外設(shè)及相應(yīng)的外圍電路實現(xiàn)數(shù)字化焊接電源的控制要求. 數(shù)字面板以及送絲控制電路同樣采用了該32位單片機,，可滿足其參數(shù)調(diào)節(jié),、與主控電路通信等功能需求并方便功能拓展.

圖 1 焊接電源硬件電路總體架構(gòu)
Fig. 1 Schematic of the proposed welding power supply

1.2 功率變換電路設(shè)計

功率變換電路采用全橋逆變 + 全波整流拓撲結(jié)構(gòu)[6],，其中核心的功率器件如開關(guān)管,、輸出整流二極管等分別選用了碳化硅MOSFET和碳化硅肖特基二極管. 新型的碳化硅材料賦予MOSFET和肖特基二極管高耐壓,、低損耗,、快速開關(guān)等優(yōu)勢，使其得以在高壓場合進行應(yīng)用,，但碳化硅MOSFET的電流容量相較于Si IGBT的電流容量還比較低,，為保證焊接電源的輸出功率,，主電路采用雙路并聯(lián)結(jié)構(gòu),，單路具有200 A的輸出電流容量.

我們用H表示有限維實希爾伯特空間,，它的內(nèi)積和范數(shù)分別記為〈·,·〉和‖·‖。用R表示全體實數(shù),，用Rn表示n維向量空間,，其內(nèi)積定義為：

主電路的構(gòu)成如圖2所示，按功率變換的路徑可劃分為輸入整流濾波,、全橋逆變電路,、全波整流濾波等部分. 輸入整流部分選用了整流橋模塊，將三相380 V的交流工業(yè)用電整流后濾波,，該部分輸出約540 V的直流電. 全橋電路中的開關(guān)管碳化硅MOSFET在驅(qū)動信號的作用下以約100 kHz的頻率切換在導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài),，從而將540 V的直流電逆變?yōu)楦哳l交流電. 該高頻交流電經(jīng)過變壓器降壓之后到副邊進行全波整流濾波輸出用于進行焊接的大電流. 焊機利用霍爾傳感器檢測輸出的電流并反饋到控制電路中.

圖 2 焊接電源主電路構(gòu)成
Fig. 2 Structure of the main circuit

碳化硅MOSFET開關(guān)速度快、開關(guān)損耗低的特點是文中所提出的焊接電源得以高頻化的基礎(chǔ),，針對其快速開關(guān)的特性匹配相應(yīng)的驅(qū)動是應(yīng)用碳化硅功率器件的關(guān)鍵之一. 在碳化硅MOSFET開關(guān)瞬間會產(chǎn)生很高的電壓變化率dv/dt和電流變化率di/dt. 如圖3所示,，在互補的橋臂中,，在下管關(guān)斷而上管開通時,，開關(guān)所產(chǎn)生的dv/dt會引起電流流過下管的米勒電容Cgd，以及驅(qū)動電阻Rg2,，從而在Rg2上產(chǎn)生了壓降,，該串?dāng)_電壓可能超過了碳化硅MOSFET的閾值電壓，觸發(fā)下管誤導(dǎo)通. 而電流變化率di/dt則會導(dǎo)致功率變換回路中的寄生電感,、變壓器漏感上產(chǎn)生感應(yīng)電壓,，反映到MOSFET上就是Vds出現(xiàn)電壓尖峰，該尖峰可能超出管子的耐壓而使MOS管損壞. 為充分利用碳化硅MOSFET快速開關(guān)特性并降低其帶來的副作用，必須合理地選擇驅(qū)動參數(shù),，優(yōu)化功率變換回路的寄生參數(shù),，或考慮增加RC吸收電路抑制尖峰、減輕振蕩[7- 8].

圖 3 橋式電路中的驅(qū)動串?dāng)_
Fig. 3 Drive crosstalk in bridge circuit

1.3 主控制電路設(shè)計

所研制的焊接電源采用數(shù)字化控制方式以獲得穩(wěn)定的控制效果,，方便功能升級拓展[9]. 以STM32F405RGT6微處理器為中心,，搭建起數(shù)字化焊接電源的主控制電路，如圖4所示.

圖 4 主控制電路框架
Fig. 4 Structure of the main control circuit

該芯片工作頻率可達168 MHz,，數(shù)據(jù)處理速度達1.25 DMIPS/MHz,，同時整合了DSP模塊以及浮點運算單元，既能發(fā)揮MCU的控制優(yōu)勢,，又具有足夠的數(shù)字運算能力,，便于應(yīng)用數(shù)字控制算法，提高焊接電源輸出調(diào)節(jié)能力. STM32F405RGT6片上集成豐富的外設(shè),，焊接電源充分利用這些外設(shè)實現(xiàn)檢測,、控制、通信等功能：3 × 12 bit的A/D轉(zhuǎn)換器用于對焊接電流,、電壓的測量,，單一ADC模塊的轉(zhuǎn)換時間約0.41 μs. 每個GPIO都可配置為多種模式，用作各種電路信號的輸入或輸出控制,，如接收按槍信號,、故障檢測等. 其定時器功能多樣，可用于產(chǎn)生初始的互補PWM信號供給驅(qū)動,、為焊接流程定時控制電源輸出的脈沖時間. STM32F405RGT6內(nèi)置USART,，CAN等通信接口，用于與數(shù)碼面板,、送絲控制電路以及焊接機器人等相對較獨立的模塊之間進行通信,，實現(xiàn)焊接系統(tǒng)的數(shù)字集成.

1.4 送絲控制電路

所研制的焊機可通過單脈沖輸出配合脈動送絲來實現(xiàn)雙脈沖焊接. 脈動送絲即是單位時間內(nèi)，焊絲的送絲以“一停一送”或“一快一慢”或“送進-反抽”等脈動方式進行[10].

送絲控制電路如圖5所示. 為實現(xiàn)脈動送絲的功能,，設(shè)計了基于STM32F405RGT6的送絲控制系統(tǒng),，其結(jié)構(gòu)如圖5a所示. 該控制電路采用4 個MOSFET構(gòu)成H橋驅(qū)動，驅(qū)動的輸出端與直流電機相連,，如圖5b所示. H橋的左半橋用于控制直流電機的轉(zhuǎn)速,，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動信號的脈寬，改變驅(qū)動直流電機的電壓,，實現(xiàn)送絲速度調(diào)節(jié). 右半橋用于切換直流電機的轉(zhuǎn)向,，使之正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn). LED指示其當(dāng)前轉(zhuǎn)向工作狀態(tài). 如控制送絲機快速正轉(zhuǎn)時,，開關(guān) RLY 斷開,，Q1,，Q4的占空比遠大于 Q2，Q3,，直流電機兩端的電壓UAB波形以正壓為主,，電機正轉(zhuǎn)；控制送絲機快速反轉(zhuǎn)時,，Q2,，Q3的占空比遠大于Q1，Q4,，直流電機兩端的電壓UAB波形以負壓為主,，電機反轉(zhuǎn). 圖5c為送絲機正轉(zhuǎn)驅(qū)動波形. 控制送絲機剎車時，關(guān)閉上述四個開關(guān)管的驅(qū)動,，同時開關(guān)RLY閉合,，直流電機剎車的再生電能在電阻BRK上消耗. 由于送絲直流電機的輸入電壓和其轉(zhuǎn)速存在著對應(yīng)關(guān)系，對該電壓進行檢測控制可間接實現(xiàn)對送絲速度的控制,，H橋輸出的電壓經(jīng)差分放大和濾波之后由控制芯片的ADC采樣反饋,，利用反饋值進行PID計算，調(diào)節(jié)驅(qū)動H橋的PWM信號脈寬. 送絲控制電路與主控制電路之間通過CAN進行通信,，根據(jù)實際的焊接輸出及時控制送絲.

四是要訓(xùn)練學(xué)生獨立學(xué)習(xí)的能力,。在確立了現(xiàn)實的目標、恰當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)水平以后,，教師應(yīng)給與學(xué)生一些幫助與指導(dǎo),，不過這種指導(dǎo)與幫助要盡可能少，給學(xué)生更多的自由,，以便獨立完成任務(wù),。如果教師渴望為學(xué)生做一切事情，逐漸的,，學(xué)生就會越發(fā)依賴教師,，同時也很難被激勵。等到?jīng)]有教師的幫助,，將很難取得成績,。

圖 5 送絲控制電路
Fig. 5 Wire feeder control circuit

2 控制軟件設(shè)計

控制軟件是數(shù)字化焊接電源實現(xiàn)不同焊接工藝、提高控制精度的關(guān)鍵. 所研究的焊接電源控制軟件可劃分為三大模塊：焊接流程任務(wù),，PID控制算法,，焊接電源波形控制. 焊接流程任務(wù)部分實現(xiàn)對雙脈沖MIG焊接過程的宏觀控制，焊接波形控制部分對輸出的電流波形進行調(diào)節(jié),，PID算法提高閉環(huán)控制精度.

2.1 焊接任務(wù)流程設(shè)計

焊接電源,、焊接機器人,、工業(yè)用氬氣以及送絲機共同構(gòu)成了脈沖MIG焊接系統(tǒng). 宏觀焊接任務(wù)流程設(shè)計便是對焊接系統(tǒng)協(xié)同工作的規(guī)劃. 焊接任務(wù)流程如圖6所示.

在系統(tǒng)初始化并完成焊接參數(shù)設(shè)定之后,，焊接電源等待焊接機器人的按槍信號. 焊接機器人移動到焊接起始位置后即發(fā)送按槍信號，接收到該信號的焊接電源開始進入焊接作業(yè). 首先打開氣閥，送保護氣,，送氣時間結(jié)束后便開始引弧. 主控制電路通過CAN接口與送絲控制板通信,，控制送絲機的轉(zhuǎn)速，在引弧階段進行空載慢速送絲引弧,，兩者的ADC模塊分別反饋電流大小與送絲機的轉(zhuǎn)速. 當(dāng)反饋的電流值大于判斷值時,，控制系統(tǒng)即認為引弧成功并向焊接機器人發(fā)送反饋信號，使機器人開始按設(shè)定的軌跡運動. 焊接電源根據(jù)設(shè)定的焊接參數(shù)進行相應(yīng)的輸出,，并在焊接過程中不斷檢測是否有故障發(fā)生. 機器人走完設(shè)定的運動軌跡,，焊接作業(yè)進入收尾階段，焊接電源停止輸出并打開氣閥送保護氣,，防止焊縫被氧化. 送氣時間結(jié)束,，氣閥關(guān)閉，該焊接流程完成.

圖 6 焊接任務(wù)流程
Fig. 6 Welding task flow

2.2 焊接電源輸出波形控制

數(shù)字化焊接電源可根據(jù)工藝需求的不同控制輸出不同的波形. 文中采用了單脈沖 + 脈動送絲的方法來進行雙脈沖焊接. 波形控制的程序流程圖如圖7所示.

焊接電源輸出單脈沖波形,，在脈沖的峰值時間和基值時間內(nèi),，控制送絲機分別工作在不同的工作狀態(tài). 焊機在完成引弧之后即按設(shè)定的參數(shù)輸出波形. 初始先進入峰值電流階段，控制送絲機快速送絲,；峰值時間定時完成后,，進入基值電流階段，此時控制送絲機慢送絲或剎車,，基值定時完成后再度進入峰值電流階段,，如此循環(huán)，直到焊接完成.

2.3 焊接過程控制算法設(shè)計

圖 7 波形控制程序流程
Fig. 7 Waveform control flow

所提出的數(shù)字化焊接電源中需要對輸出的焊接電流,、焊接電壓進行準確的調(diào)節(jié),，而送絲控制板也必須控制送絲速度的穩(wěn)定，故應(yīng)采用合理的控制方法. STM32F405RGT6支持單精度的浮點運算,，數(shù)據(jù)處理速度快,，并具有大量數(shù)據(jù)存儲空間，方便應(yīng)用各類控制算法,，其中PID控制在焊接電源中應(yīng)用較為成熟.

基本的PID表達式為

式中：u(t)為PID控制器的控制量,；KP為控制器的比例放大系數(shù)；e(t)為輸入控制器的偏差量,；TI為積分時間,；TD為微分時間.

自然答案生成基于原始序列(問題)和匹配事實，預(yù)測輸出序列,。首先介紹序列生成模型的基礎(chǔ),，然后介紹本文提出的前后向序列生成模型，最后對訓(xùn)練過程進行描述,。

為在微處理器上應(yīng)用PID算法,，需將式(1)離散化,，假設(shè)采樣的間隔為T，則在第kT個節(jié)點有

例如,，在學(xué)習(xí)呼吸道對空氣的處理和疾病的預(yù)防相關(guān)知識時,，教師可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐目諝鉅顩r為依據(jù)，比如,，相對于北方而言,，在冬季霧霾的情況會相對嚴重，教師可以以此為例,，加強學(xué)生對于呼吸道系統(tǒng)的安全保護意識,。

在認真總結(jié)多年來對危險貨物申報人員和集裝箱裝箱現(xiàn)場檢查員的管理實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合黨中央,、國務(wù)院關(guān)于建設(shè)“誠信中國”的總體要求,，建立了“兩員”誠信管理制度，進一步加強對“兩員”日常從業(yè)情況的監(jiān)管,，具體誠信管理制度由交通運輸部海事局制定,。

式(2)即為位置式PID控制的表達形式. 而增量式PID控制器輸出的是控制量的增量Δu(kT)，即

由式(3)可見,，增量PID控制器輸出的結(jié)果受最近三次的偏差值的影響,，確保了一定的系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時運算量遠低于式(2)位置式PID,，適合在焊機控制軟件中應(yīng)用[11].

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 系統(tǒng)動態(tài)特性

試驗平臺由研制的焊接電源,、大功率模擬負載、力科HDO4104示波器等組成. 通過測量焊接電流的動態(tài)響應(yīng)指標(圖8),，驗證焊機是否滿足系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度要求. 所研制的焊接電源逆變頻率為100 kHz,，單個MOSFET的驅(qū)動波形如圖8a所示. 電源輸出單脈沖電流波形如圖8b所示：設(shè)定基值電流為50 A，峰值電流為200 A,，峰值占空比為50%,，頻率200 Hz，電流的上升時間約為 120 μs,，下降時間 297 μs. 脈沖MIG焊接電源閉環(huán)控制穩(wěn)定,，輸出電流準確，動態(tài)響應(yīng)迅速,，能對電弧進行快速調(diào)節(jié).

圖 8 焊接電源動特性測試
Fig. 8 Dynamic response test of the proposed welding power supply

3.2 雙脈沖焊接試驗

試驗平臺由研制的焊接電源樣機,、焊接機器人、送絲機,、供氣系統(tǒng)等構(gòu)成. 圖9為研制的焊接電源樣機.

③http：//xuewen.cnki.net/CJFD-MTCI201307013.html,。正名，不是所有媒體都得了“選擇性失明”,。

文件上傳功能是云盤系統(tǒng)的基本功能,，實現(xiàn)用戶對本地數(shù)據(jù)與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸,。用戶發(fā)起文件上傳請求，與Na?meNode建立連接,，獲取DataNode信息,。NameNode收到請求后獲取DataNode信息,，并將可存儲文件的節(jié)點信息返回給用戶,。用戶收到NameNode返回的信息，與對應(yīng)的DataNode節(jié)點取得聯(lián)系,，并向該節(jié)點寫文件,。文件上傳功能通過FileSystem.copy?FormLocalFile()方法將本地數(shù)據(jù)上傳到用戶專屬目錄中，User?File類的文件上傳功能部分實現(xiàn)代碼如下：

圖 9 所提出的焊接電源樣機
Fig. 9 Proposed welding power supply prototype

圖10為雙脈沖焊接試驗送絲機驅(qū)動波形及焊縫形貌. 焊接母材為304不銹鋼,，焊絲為直徑1.2 mm的308LSi,，保護氣體為99%氬氣，流量15 L/min.取峰值電流220 A,，基值電流90 A,，峰值占空比為45%，脈沖頻率3 Hz,，控制送絲機工作在“一送一?！钡臓顟B(tài)，如圖10a所示,。進行雙脈沖焊接試驗,，試驗所得焊縫如圖10b所示，焊縫成形良好,，魚鱗紋清晰,，無明顯缺陷.

圖 10 雙脈沖焊接試驗
Fig. 10 DP-MIG welding test

4 結(jié) 論

(1)主電路應(yīng)用了新型的碳化硅器件作開關(guān)器件，以Cortex-M4內(nèi)核的ARM微處理器為控制核心設(shè)計了控制系統(tǒng),，成功研制一臺數(shù)字化雙脈沖MIG焊接電源.

(2)根據(jù)雙脈沖焊接需要,，設(shè)計了送絲控制電路，并采用單脈沖 + 脈動送絲的方法實現(xiàn)雙脈沖焊接. 控制軟件上設(shè)計了焊接任務(wù)流程以及波形控制程序,，采用了增量式PID控制算法,，提高控制精度.

(3)所研制的焊接電源輸出電流穩(wěn)定，動態(tài)響應(yīng)迅速,，調(diào)節(jié)精度高,，具有良好的性能，為實現(xiàn)弧長精細化控制打下基礎(chǔ).

美國教師總愛說：“沒有提問,，就沒有回答,。一個好的提問比一個好的回答更有價值！”我十分欣賞這句話,，其中蘊含著一個值得探討的問題,，那就是課堂教學(xué)中每一位教師都會面臨的一個問題——怎么教,。要回答“怎么教”，我們必須先解決課堂教學(xué)中“放”與“收”的問題,。

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