全数字脉冲逆变焊接电源控制策略与应用的研究

题名:全数字脉冲逆变焊接电源控制策略与应用的研究
作者:段彬
学位授予单位:山东大学
关键词:全数字焊接电源;;信号处理;; Kalman预测;;电弧控制策略;; FPGA
摘要:
 逆变焊接电源的数字化是全面提高焊接质量的有效途径。焊接电源是一个典型的弱电控
制强电的设备,工作在高电压、大电流、强干扰的恶劣环境中,这为数字控制系统的信号获取和稳
定运行带来了巨大的困难,尤其是脉冲焊接方式对控制系统的实时性和可靠性要求较高,迫切需要
相关理论和控制策略的深入研究。本文在对国内外焊接电源发展现状调研的基础上,针对其数字化
过程中的关键问题和难点,进Rare earth magnets行了深入、系统的研究。
 本文分析了脉冲焊接电源主变压
器原边电流和副边电流的特点,讨论了基于这两种电流反馈模式的焊接电源数字化的优缺点,提出
了以副边电流为脉冲宽度调制(PWM)控制器和焊接电流闭环的反馈信号,并与原边电流共同产生PWM
调节脉冲的双闭环数字化思想,解决了数字控制系统难以满足原边电流反馈模式的高速要求和副边
电流反馈模式不具备抑制偏磁能力的难题。提出了以现场可编程门阵列(FPGA)为主控制器的焊接
电源主回路和控制回路的全数字化设计方案,阐述了整个焊接电源的设计思路和研究主线。

根据各元器件的实际参数,构建了包含输入、输出整流滤波和逆变、降压等电路的物理模型,通过
非线性接口模型,研究了主回路和数字控制系统的混合建模与仿真；建立了动态焊接过程的系统数
学模型,定量分析了各物理量变化机理和各参数对系统动态响应过程的影响,指出了焊接电流和电
弧电压控制的意义,有效预测了脉冲MIG焊接电源的工作过程,为进一步研究指明了方向。
 在分
析了脉冲电流信号特点和噪声形成机理的基础上,提出了一种新的滤波思想,即对微秒级的焊接电
流信号去噪,进而获得整个波形的有用信息。先后研究并提出了改进的IIR Butterworth滤波器、
改进的小波去噪方法和基于Kalman预测的信号处理方法。焊接试验表明尽管IIR Butterworth滤波
器运算简单,在小电流下能够保证正常焊接,但随着电流增大,干扰变大,滤波性能变差；而基于阈
值和模极大值的小http://www.chinamagnets.biz/faq.php波去噪方法,能够很好地提取有用信号特征,但实时性差,仅可应用在焊接电源工
艺评判等场合。根据信号和噪声的特点,首次将基于Kalman预测的信号处理方法在数字焊接电源中
应用,解决了高速数字PWM控制器对反馈电流精度和信号实时处理速度要求均较高的问题；焊接试
验表明该方法能够最大程度的降低过程噪声和测量噪声,产生精确的PWM信号,保证全数字脉冲焊接
电源稳定、可靠地工作。
 针对焊接电源中现有控制策略参数调节麻烦和控制性能不高的问题,提
出了采用高速并行智能算法在线调整PID参数的焊接电流自适应控制策略。从参数的编、译码操作
和适应度函数等角度,对标准遗传算法(GA)进行了改进,研究了混沌自适应GA-PID算法；方波焊接
试验表明尽管它比目前焊接电源中常用的试凑法更加简便和快捷,但由于模型参数等方面的误差,
离线得到的参数组合并非最优。进而对BP神经网络(ANN)进行了全面优化和改进,研究了适于逆变
焊接电源的专家自适应神经网络(EAANN) PID控制策略,解决了非线性焊接系统和复杂焊接工艺的
自适应控制难点；焊接试验表明基于该算法的焊接电流闭环控制器,能够实现熔滴过渡的脉冲焊接
电流的精细控制,为达到较高的焊接质量奠定了基础。
 在对弧长调节和熔滴过渡理论研
究的基础上,结合仿真章节的部分结论,提出了弧长和熔滴过渡的多维脉冲波形参数模糊调整的控
制策略,解决了焊接过程易受各种扰动影响的问题,保证了弧长的快速稳定、熔滴的均匀过渡和稳
定的引、收弧。提出了短路双环控制方法,完善了焊接系统控制策略,有效解决了焊缝熔合不佳(弯
曲、咬边等)、焊接飞溅较大等难题。试验表明焊接过程稳定,熔滴过渡一致性好,焊缝成形美观,
焊接质量较高。
 根据脉冲焊接工艺和系统设计方案,研究并设计了基于硬开关的主回路系统、基
于FPGA的主控系统和基于32位MCU的上位机系统。针对研究的控制策略的特点,提出了基于流水线
技术和优化时序逻辑的VHDL设计理念,解决了高速、并行的控制策略运算问题；并验证了所提出的
全数字焊接电源设计方案。
 利用研究成果,研制了符合国家焊接电源标准的全数字智能脉
冲MIG逆变焊接电源,进行了焊接试验和焊接质量检测,并在天然气管道集输工程和铝合金游艇建造
工程中应用。相比模拟驱动的焊接电源,它在焊缝质量、飞溅量、电弧性能和系统抗干扰性等各方
面都有很大的改进,取得了高质量的焊接效果。
学位年度:2010