基于ARM控制的脈沖MIG焊機(jī)研究

李玉榮　陳克選　李宜炤　王向余

摘要：將ARM芯片STM32F407做簡單的外圍電路擴(kuò)展作為控制核心，利用UC3846芯片產(chǎn)生的驅(qū)動信號對全橋軟開關(guān)逆變主電路進(jìn)行驅(qū)動，設(shè)計了一臺脈沖MIG焊機(jī)。該焊機(jī)基于等速送絲和電弧電壓反饋調(diào)節(jié)占空比的方式實現(xiàn)了焊接過程的弧長控制，具有過載、過熱和過欠壓保護(hù)等基本功能，數(shù)字化界面具有參數(shù)調(diào)節(jié)方便的特點。焊接工藝試驗結(jié)果表明，通過電流與電壓雙閉環(huán)控制方式設(shè)計的脈沖MIG焊機(jī)具有較好的弧長調(diào)節(jié)能力，焊縫質(zhì)量可以滿足焊接要求。

關(guān)鍵詞：ARM;脈沖MIG;雙閉環(huán)控制;等速送絲;占空比調(diào)節(jié)

中圖分類號：TG434.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-2303（2020）04-0047-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.04.07

0 前言

脈沖MIG焊的電流波形及其基本參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍較寬，電弧能量調(diào)節(jié)的可靠性提高了其焊接質(zhì)量并擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍，尤其適合對熱敏感材料和超薄工件和薄管的全位置焊接。華南理工大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)、河南科技大學(xué)、蘭州理工大學(xué)等國內(nèi)眾多科研機(jī)構(gòu)近年來基于單片機(jī)和DSP微控制器在脈沖MIG電源方面做了大量研究，但是由于普通單片機(jī)和DSP片上資源的限制，在數(shù)字化MIG焊機(jī)控制電路設(shè)計中一般需要進(jìn)行復(fù)雜的電路擴(kuò)展[1]。

目前ARM芯片以豐富的片上資源和高性價比等特點廣泛應(yīng)用于數(shù)字化控制電路設(shè)計中，尤其是片上集成的多種串行通信機(jī)制為雙脈沖、機(jī)器人等復(fù)雜焊接功能的實現(xiàn)提供了極大便利。本文采用STM32F407芯片基于全橋軟開關(guān)逆變主電路設(shè)計了一臺脈沖MIG焊機(jī)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

脈沖MIG焊機(jī)的總體設(shè)計方案如圖1所示，主要包括主電路、控制電路和供氣送絲電路三部分。主電路采用全橋軟開關(guān)逆變與全波整流方式實現(xiàn)脈沖直流焊接電流的可控輸出?？刂葡到y(tǒng)采用STM32F407芯片最小系統(tǒng)為核心并經(jīng)過簡單外圍擴(kuò)展構(gòu)成，主要提供驅(qū)動板給定信號的產(chǎn)生，焊接時序的控制、電壓和電流采樣與參數(shù)顯示、電流與弧長控制以及故障檢測與保護(hù)等功能。送氣送絲電路是實現(xiàn)送氣和送絲時序的控制以及PWM信號對送絲電機(jī)的驅(qū)動控制?？刂瓢孱A(yù)留多路串行通信接口，可為雙脈沖等復(fù)雜焊接功能多種需求提供接口。

1.2 主電路結(jié)構(gòu)及驅(qū)動電路

主電路結(jié)構(gòu)見圖1，工頻380 V交流電經(jīng)過共模電感抗干擾設(shè)計后進(jìn)行全橋整流并濾波后得到540 V左右直流電，經(jīng)過全橋軟開關(guān)逆變之，得到20 kHz方波交流信號，經(jīng)過中頻變壓器降壓以及全波整流和電抗器濾波后得到脈沖電流提供給電弧負(fù)載。

驅(qū)動電路由電流型脈寬調(diào)制芯片UC3846、555定時器以及脈沖變壓器為核心構(gòu)成。ARM芯片將電流偏差經(jīng)過PI運算后由芯片上DAC模塊轉(zhuǎn)換為模擬信號，然后由UC3846產(chǎn)生兩路互補的可變脈寬，555定時器產(chǎn)生兩路互補的最大脈寬作為全橋軟開關(guān)逆變主電路的驅(qū)動信號，最后經(jīng)過脈沖變壓器作用于主電路保證脈沖恒流外特性和弧長穩(wěn)定的實現(xiàn)?；赨C3846驅(qū)動電路采用峰值電流控制模式，當(dāng)驅(qū)動信號占空比超過50%時的外界干擾會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，本文中引入UC3846內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生斜坡信號，與變壓器一次峰值電流采樣信號相疊加構(gòu)成斜坡補償電路，獲得了較好的補償效果[2]。

1.3 主控制電路設(shè)計

控制系統(tǒng)主要包括ARM最小系統(tǒng)、IGBT隔離驅(qū)動放大電路，電流和電壓采樣電路、參數(shù)顯示電路、異常保護(hù)電路等部分。主控芯片STM32F407為意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的32位高性能微控制芯片，其內(nèi)部集成了DSP指令和FPU運算功能，時鐘周期最高可達(dá)168 MHz，接口資源豐富，片上模塊可以獨立工作以降低功耗。3個獨立的12位高精度ADC轉(zhuǎn)換器可滿足電壓和電流采樣通道配置，從而可靠地保證脈沖恒流和弧長控制需求。2個12位DAC轉(zhuǎn)換器為UC3846驅(qū)動芯片的給定信號提供足夠精度，確保對主電路通過PI調(diào)節(jié)可以獲得精確可靠的輸出電流。片上擁有12個16位定時器和2個32位定時器，焊接電流與電壓的定時更新顯示與占空比的切換由16位定時器中斷方式控制，送絲機(jī)的速度調(diào)節(jié)由定時器輸出的PWM信號控制[3]。程序存儲采用片上1 MB的Flash程序存儲器空間，焊接參數(shù)通過SPI接口存儲在片外Flash芯片W25Q128中，主控芯片擁有112個可獨立設(shè)置通用I/O接口，面板按鍵和二極管接口全部采用I/O方式。

1.4 面板設(shè)計

脈沖焊接參數(shù)——基值電流、峰值電流、頻率、占空比、送絲速度及2T/4T功能均可由面板按鍵調(diào)節(jié)方式預(yù)置，在焊接參數(shù)調(diào)節(jié)時除了面板上該參數(shù)對應(yīng)的二極管點亮外，電壓顯示位置還有字母提示功能，如圖2所示。數(shù)碼管顯示采用MAX7219芯片，主控芯片與該芯片采用SPI單向通信，具有接口電氣連接簡單和編程容易的特點，焊接過程中通過定時器中斷方式實時顯示焊接電壓與焊接電流，焊接結(jié)束后恢復(fù)預(yù)置平均電流顯示。

1.5 供氣和送絲系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的送絲系統(tǒng)為開環(huán)控制方式，送絲速度由主控芯片上定時器產(chǎn)生的PWM信號控制。該PWM信號經(jīng)過快速光耦合器件隔離后驅(qū)動MOSFET開關(guān)電源為送絲電機(jī)供電，只要改變占空比即可調(diào)節(jié)送絲電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而使送絲速度在0～10 m/min連續(xù)可調(diào)。供氣系統(tǒng)由主控芯片I/O端口輸出信號經(jīng)過放大之后對電磁閥門進(jìn)行控制。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件部分主要完成焊接時序、焊接電流與焊接電壓的雙閉環(huán)控制、故障檢測與保護(hù)等功能。

2.1 主程序設(shè)計

焊機(jī)主程序原理如圖3所示，其基本工作原理為：焊機(jī)供電之后，主控制電路首先檢測焊槍開關(guān)是否閉合，如果焊槍開關(guān)未閉合且參數(shù)設(shè)置鍵按下則進(jìn)入?yún)?shù)預(yù)置子程序;如果焊槍開關(guān)閉合則進(jìn)入焊接程序。

控制系統(tǒng)檢測到焊槍開關(guān)閉合后首先判斷2T/4T狀態(tài)，接著調(diào)用送氣和慢送絲引弧子程序并在引弧程序中調(diào)用采樣與顯示子程序，當(dāng)采樣電路檢測到主電路輸出電壓和電流達(dá)到引弧成功閾值后停止建立空載電壓，然后按照預(yù)置焊接參數(shù)送入焊絲進(jìn)行焊接，系統(tǒng)通過調(diào)用采樣與顯示子程序、恒流控制子程序和弧長控制子程序（占空比調(diào)節(jié)子程序）分別實現(xiàn)脈沖恒流和弧長穩(wěn)定雙閉環(huán)控制，當(dāng)檢測到焊接結(jié)束信號后，2T狀態(tài)下系統(tǒng)調(diào)用熄弧程序并返回到主程序起始位置處待機(jī)，而4T狀態(tài)下加入了填弧坑功能。

2.2 參數(shù)預(yù)置子程序

焊機(jī)供電初始化后首先顯示上次焊機(jī)關(guān)機(jī)前最后一次焊接過程使用的參數(shù)，在焊槍開關(guān)沒有按下時通過設(shè)置鍵可進(jìn)入?yún)?shù)預(yù)置子程序。

參數(shù)預(yù)置子程序如圖4所示，其基本原理為：通過參數(shù)選擇按鍵選擇需要設(shè)置的下一個參數(shù)，若選擇調(diào)節(jié)精度則按粗調(diào)/微調(diào)按鍵切換，通過面板的遞增和遞減按鍵修改參數(shù)后程序自動進(jìn)行參數(shù)極限值限制、更新顯示與存儲，當(dāng)焊槍開關(guān)按下或者修改完最后一個參數(shù)時從參數(shù)預(yù)置子程序返回到主程序。

2.3 脈沖恒流過程控制的實現(xiàn)

STM32F407芯片的多個定時器可以保證各種定時功能的實現(xiàn)，脈沖電流的峰值和基值切換由16位定時器中斷方式產(chǎn)生，具體實現(xiàn)方法是：在程序中將基值峰值電流標(biāo)志變量設(shè)置為全局變量，當(dāng)定時器進(jìn)入周期中斷時，將基值峰值電流標(biāo)志變量設(shè)置為高電平使脈沖焊接程序進(jìn)入峰值電流控制，當(dāng)定時器進(jìn)入比較中斷時，將基值峰值電流標(biāo)志變量設(shè)置為低電平使脈沖焊接程序進(jìn)入基值電流控制。

基值電流與峰值電流的恒流控制方法如圖5所示，焊機(jī)的輸出電流經(jīng)霍爾電流傳感器采樣、ARM芯片A/D轉(zhuǎn)換折算成實際電流值與給定電流值進(jìn)行比較得到偏差值，PI控制環(huán)節(jié)對偏差信號進(jìn)行運算，運算結(jié)果由D/A轉(zhuǎn)換模塊對UC3846的給定電壓值進(jìn)行調(diào)節(jié)[4-5]，從而使UC3846輸出脈寬發(fā)生變化完成恒流過程的控制。

2.4 弧長穩(wěn)定性控制

弧長穩(wěn)定是保證焊接過程熔滴平穩(wěn)過渡和焊接質(zhì)量穩(wěn)定的前提，直接關(guān)系到焊縫成形和焊接缺陷的預(yù)防。為避免焊接時發(fā)生工件燒穿或者短路等現(xiàn)象，本文中脈沖MIG焊機(jī)是基于等速送絲和電弧電壓閉環(huán)控制調(diào)節(jié)占空比的方法來實現(xiàn)弧長穩(wěn)定性控制。

給定電壓由預(yù)先設(shè)置的焊接平均電流經(jīng)過約定負(fù)載特性計算獲得，弧長的閉環(huán)控制原理見圖5。霍爾電壓傳感器測得電壓經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后折算成實際電壓值，并且與給定電弧電壓值比較后得到電弧電壓偏差信號，PI控制環(huán)節(jié)對偏差信號進(jìn)行運算，通過運算結(jié)果改變占空比并由D/A轉(zhuǎn)換模塊對UC3846的給定值進(jìn)行調(diào)節(jié)并對主電路進(jìn)行驅(qū)動，確保焊接過程的弧長穩(wěn)定。

2.5 過流檢測與控制

焊接過程中過流檢測與控制采用硬件和軟件相結(jié)合的形式。在中頻變壓器一次線圈上通過電感線圈取樣并經(jīng)過整流和采樣電阻分壓連接在UC3846保護(hù)功能引腳上，當(dāng)流過IGBT的電流大于設(shè)計允許電流時，UC3846保護(hù)功能引腳上得到高電平信號，輸出PWM波形將被封鎖，從而對全橋逆變主電路起到過流保護(hù)作用。在控制程序中，每次電流采樣后與設(shè)計最大電流500 A進(jìn)行比較，當(dāng)電流超過500 A時迅速關(guān)閉主控芯片DA輸出并點亮面板過流指示燈。當(dāng)焊機(jī)過熱時，安裝在全橋逆變電路散熱模塊上的溫度保護(hù)開關(guān)閉合，焊接程序進(jìn)入中斷保護(hù)子程序并在面板提示。供電系統(tǒng)發(fā)生過欠壓時，過欠壓比較電路使焊機(jī)進(jìn)入保護(hù)中斷并在焊機(jī)面板提示。

3 實驗結(jié)果及分析

為驗證基于占空比調(diào)節(jié)方式弧長穩(wěn)定性控制效果，選用多種焊接參數(shù)隨機(jī)組合，在厚度為10 mm的碳鋼表面進(jìn)行了手工堆焊實驗，焊縫參數(shù)如表1所示，焊縫外觀形貌如圖6所示，焊接過程中示波器隨機(jī)捕捉的電流波形如圖7所示。實際焊接過程中弧長穩(wěn)定，沒有頂絲和回?zé)F(xiàn)象，并且飛濺現(xiàn)象極少發(fā)生，在沒有擺動電弧情況下，焊縫魚鱗紋較為均勻。

4 結(jié)論

（1）基于軟開關(guān)全橋逆變主電路結(jié)構(gòu)，以ARM芯片STM32F407最小系統(tǒng)為核心，經(jīng)過簡單外圍電路設(shè)計完成了脈沖MIG焊機(jī)的研制。

（2）焊接工藝試驗表明，采用電流和電壓雙閉環(huán)控制方式設(shè)計的脈沖MIG焊機(jī)具有較好的弧長調(diào)節(jié)能力，焊縫質(zhì)量可滿足焊接要求。

（3）基于等速送絲和占空比調(diào)節(jié)方式控制弧長能夠以較低的成本實現(xiàn)脈沖MIG焊機(jī)的開發(fā)，為傳統(tǒng)MIG焊機(jī)升級提供了一種新的思路。

參考文獻(xiàn)：

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