1　前言

在本課題研究中，我們著重解決了兩個(gè)問(wèn)題：其一，將單片機(jī)控制系統(tǒng)成功地運(yùn)用于弧焊電源領(lǐng)域，并形成包括數(shù)據(jù)采集、PID運(yùn)算、輸出特性控制等一套完善的閉環(huán)控制系統(tǒng)；其二，解決了工業(yè)弧焊電源，特別是逆變式電源及高頻發(fā)生器等強(qiáng)干擾源對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的干擾問(wèn)題，使整個(gè)設(shè)備能十分可靠地運(yùn)行。

2　基本工作原理

課題的技術(shù)要求如下：主機(jī)設(shè)備具有多種外特性輸出功能，當(dāng)和CO2焊控制箱以及送絲機(jī)組合時(shí)，可以構(gòu)成MIG/MAG及CO2焊機(jī)，并且具有專家系統(tǒng)、一元化控制、自保非自保、弧坑填充、削小球處理等功能。當(dāng)和TIG焊控制箱組合時(shí)可構(gòu)成TIG焊機(jī)，并且具有接觸引弧與高頻引弧、脈沖輸出等功能。單獨(dú)使用時(shí)，主機(jī)可作為手工弧焊電源。

根據(jù)技術(shù)要求，我們將整個(gè)課題的設(shè)計(jì)思路按如下方式設(shè)定：

主機(jī)采用晶閘管逆變式主回路設(shè)計(jì)，取其技術(shù)成熟、動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速、性能可靠、效率高等優(yōu)點(diǎn)。而控制回路采用工業(yè)控制中常用的16位單片機(jī)8098最小系統(tǒng)，由它完成參數(shù)給定、參數(shù)運(yùn)算、電流反饋、電壓反饋、反壓檢測(cè)及頻率調(diào)制等幾乎所有的重要工作。協(xié)調(diào)整個(gè)焊機(jī)的正常運(yùn)行，并獲得所需的各種特性。

CO2控制箱與TIG控制箱均由8位單片機(jī)8951作為主控制系統(tǒng)，與模擬控制相比，它在參數(shù)設(shè)置、參數(shù)給定、規(guī)范儲(chǔ)存與調(diào)用、數(shù)據(jù)的接收與傳送等方面具有十分明顯的優(yōu)越性。即使在生產(chǎn)成本上由于工控單片機(jī)的價(jià)格大幅降低也并不遜色于模擬電路。主機(jī)與控制箱的數(shù)據(jù)交換采用了單片機(jī)間常用的串行通信方式。實(shí)踐證明，本方法簡(jiǎn)便易行，性能也十分可靠。在實(shí)施了奇偶校驗(yàn)方法與一定的抗干擾措施后，即使在TIG焊高頻引弧的時(shí)候，也幾乎不存在誤碼的可能。

不同的焊接方式是由主機(jī)根據(jù)控制箱傳遞的特征碼自動(dòng)識(shí)別的。當(dāng)主機(jī)通電后，它自動(dòng)設(shè)置為手工焊狀態(tài)，此時(shí)如果輸出端接入焊鉗與焊條，可施行直流手工弧焊。在空載狀態(tài)下，TIG焊或者CO2焊控制箱通電后，它們將向主機(jī)發(fā)出不同的特征碼，主機(jī)根據(jù)接收到的特征碼，自動(dòng)轉(zhuǎn)換焊接方式，并協(xié)同控制箱可進(jìn)行TIG焊或者CO2焊。主機(jī)面板有指示燈自動(dòng)顯示當(dāng)前工作狀態(tài)為MMA、TIG或者是CO2方式。當(dāng)控制箱關(guān)電后，主機(jī)又可自動(dòng)回復(fù)到手工焊狀態(tài)。

TIG焊與CO2焊參數(shù)的給定是由對(duì)應(yīng)控制箱面板的預(yù)置鍵輸入控制箱，再由控制箱將數(shù)據(jù)傳遞主機(jī)。而手工焊的給定是主機(jī)面板上給定電位器直接預(yù)置。

3　主機(jī)工作原理

晶閘管逆變電路是一種“調(diào)頻控制”技術(shù)，原理框圖如圖1所示。由于其原理已經(jīng)普及，此處不再贅述。

圖2是主控制電路原理框圖。8098單片機(jī)系統(tǒng)采用懸浮式供電的方式，與其它控制回路及主電路完全隔離，甚至“地線”也是分開(kāi)設(shè)置的。這是一種消除線間干擾的極好方法。單片機(jī)的三個(gè)高速輸入口HSI1～HSI3分別用于采樣給定值、電壓值與電流值。這三個(gè)參數(shù)均由硬件電路進(jìn)行濾波、整形、放大處理后，經(jīng)V/F轉(zhuǎn)換電路送入單片機(jī)輸入端口。8098的高速轉(zhuǎn)入口HSI可以十分方便地讀取輸入信號(hào)的頻率，通過(guò)頻率值對(duì)應(yīng)于電壓值的運(yùn)算，單片機(jī)便可獲得需采樣的三個(gè)參數(shù)值。而單片機(jī)的兩路高速輸出口HSO0與HSO1分別輸出兩路觸發(fā)脈沖信號(hào)，這兩路信號(hào)經(jīng)控制電路放大后輸入晶閘管觸發(fā)極用于控制逆變器的逆變頻率，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出的作用。單片機(jī)的外部中斷口EXTINT用于反壓檢測(cè)，此信號(hào)協(xié)調(diào)逆變器的正常工作，防止發(fā)生自通。

本機(jī)設(shè)計(jì)了多種故障自檢功能，能夠?qū)﹄娫慈毕唷厣蕖⒕W(wǎng)壓超限等進(jìn)行自檢并報(bào)警顯示。而手工焊具有焊條防粘功能，在短路時(shí)間超過(guò)兩秒后，能自動(dòng)切斷主回路電流；CO2焊具有長(zhǎng)時(shí)限流功能，能對(duì)持續(xù)一秒時(shí)間的1.5I0電流進(jìn)行自動(dòng)保護(hù)，防止焊機(jī)硬件受損。

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主控制板的軟件設(shè)計(jì)由多個(gè)功能塊組成，包括一個(gè)主程序和三個(gè)中斷子程序。子程序分別為外中斷服務(wù)子程序（EXTINT）、高速輸入中斷子程序（HSI）及軟定時(shí)中斷服務(wù)子程序。其中HSI中斷程序主要工作任務(wù)是數(shù)據(jù)采樣，三個(gè)HSI口分別采樣輸出電壓、輸出電流及給定值三個(gè)參數(shù)，程序段 內(nèi)包含了PID運(yùn)算功能及輸出外特性控制功能。EXTINT中斷與軟定時(shí)中斷這兩個(gè)中斷程序同時(shí)用于反壓信號(hào)的檢測(cè)，EXTINT中斷口用于輸入中斷信號(hào)，關(guān)鍵還在于軟定時(shí)中斷程序的使用，它主要是通過(guò)軟件來(lái)判斷中斷信號(hào)的真實(shí)性，防止干擾信號(hào)或不可靠反壓信號(hào)導(dǎo)致的誤觸發(fā)，確保了反壓信號(hào)可靠、準(zhǔn)確、及時(shí)的被單片機(jī)所接收，這一點(diǎn)是非常重要的，它關(guān)系整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性與穩(wěn)定性。
　　　　　
是十分復(fù)雜的，如果粗略劃分，它可以分成三段：第一段是系統(tǒng)初始化段；第二段是空載段，第三段是負(fù)載段。初始化段不用多言。空載段是指當(dāng)焊機(jī)處于空載狀態(tài)時(shí)程序所運(yùn)行的功能段，在這段程序中包括負(fù)載檢測(cè)、控制箱特征碼檢測(cè)、控制箱數(shù)據(jù)流檢測(cè)、工作狀態(tài)判斷、空載電壓選擇等多個(gè)程序塊。負(fù)載段是指當(dāng)焊機(jī)處于負(fù)載狀態(tài)時(shí)程序所運(yùn)行的功能段。它又分為三段，分別為MMA、TIG、CO2三種不同工作方式對(duì)應(yīng)的程序段。而每個(gè)程序段都包含空載檢測(cè)、引弧方式、負(fù)載方式、故障循檢等必須的功能塊。當(dāng)然各個(gè)不同的工作方式還有其特有的功能塊，不再多述。從圖6的主程序流程框圖可對(duì)上述所言加以了解。

研究中發(fā)現(xiàn)，手工焊沿用傳統(tǒng)的陡降加外特性效果并不滿意。主要表現(xiàn)于電弧自調(diào)節(jié)能力弱，熔深淺而穿透力差。于是采用程序模擬經(jīng)典的變壓器式焊機(jī)的斜降外特性，感覺(jué)焊接效果明顯改善。同時(shí)PID參數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)，發(fā)現(xiàn)去掉微分項(xiàng)反而有利于電弧的穩(wěn)定及減小飛濺。

4　TIG控制箱基本原理

TIG控制箱是協(xié)調(diào)主機(jī)實(shí)現(xiàn)TIG焊工作方式，包括直流TIG焊和脈沖TIG焊。

TIG控制箱的任務(wù)有：①參數(shù)預(yù)置與數(shù)顯，由于具有脈沖輸出功能，因此參數(shù)將包括直流電流、峰值電流、基值電流、脈沖頻率、占空比等多項(xiàng)指標(biāo)。控制箱對(duì)這五種參數(shù)具有分別設(shè)置并通過(guò)面板數(shù)顯器顯示其大小值的功能；②數(shù)據(jù)傳遞，控制箱可以將上述參數(shù)及其它相關(guān)的特征碼通過(guò)串行通訊方式向主機(jī)傳遞數(shù)據(jù)，也可以接收來(lái)自主機(jī)的一些控制信號(hào)；③高頻引弧器，控制箱有一套高頻引弧裝置，用于TIG焊非接觸引弧方式時(shí)使用。當(dāng)然這套設(shè)備的加入將嚴(yán)重干擾系統(tǒng)各單片機(jī)及主機(jī)逆變器的工作可靠性，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要完全考慮消除干擾的措施及方法；④TIG焊必須的程序控制，包括提前送氣、滯后斷氣等簡(jiǎn)單的程序控制模式。

控制箱的主控制電路采用英特爾公司生產(chǎn)的通用8位單片機(jī)8951，這是一種自帶程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的單片機(jī)芯片。由于無(wú)需擴(kuò)展存儲(chǔ)器，將其總線端口全部用作并行口使用。用于參數(shù)輸入及顯示輸出等功能，這樣可以大大減少硬件開(kāi)銷，使得整個(gè)控制電路十分簡(jiǎn)單可靠。

程序存儲(chǔ)器的空間為4KB字節(jié)，足以容納所編寫的全部程序。而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為256字節(jié)，安排如下：00H～20H作為工作寄存器R0～R8，由RS0，RS1的不同分為四組，各組分代表電流、頻率、基值、占空比四個(gè)不同的參數(shù)值，因每組8字節(jié)，前3字節(jié)代表各參數(shù)的百位，十位及個(gè)位，后5字節(jié)用于參數(shù)運(yùn)算時(shí)保存中間結(jié)果。21H～7FH作為一般數(shù)據(jù)寄存器，用于計(jì)算、寄存中間結(jié)果。從80H～FFH是特殊功能寄存器。由于上述數(shù)據(jù)的特殊性，控制箱內(nèi)單片機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)前還有一特殊任務(wù)，就是將各參數(shù)轉(zhuǎn)換為00H—FFH范圍內(nèi)的單字節(jié)數(shù)，以便主機(jī)收到后直接參與運(yùn)算。


控制箱內(nèi)置高頻引弧器，采用常見(jiàn)的火花發(fā)生器震蕩電路。這種電路的優(yōu)點(diǎn)在于高頻能量大，電路故障率低。唯一的缺點(diǎn)是對(duì)外電路的干擾比較嚴(yán)重，但經(jīng)過(guò)處理是可以防止的。

因?yàn)樯婕暗矫}沖焊的問(wèn)題，脈沖電流完全采用恒流式脈沖。所以TIG焊的外特性采用陡降特性。


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5　CO2焊控制箱的工作原理

在單片機(jī)及存儲(chǔ)器的選擇安排上，CO2控制箱與TIG控制箱完全相同。但功能要求方面卻是不同的。CO2焊與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的量很少，只有焊接電壓這一參數(shù)。而送絲速度是單片機(jī)自身對(duì)送絲機(jī)進(jìn)行控制，其面板示意圖見(jiàn)圖9。

根據(jù)CO2焊的工作原理，本控制箱設(shè)計(jì)了三種參數(shù)預(yù)置方法，即專家系統(tǒng)、一元化、非一元化。專家系統(tǒng)是由設(shè)計(jì)者根據(jù)全面收集CO2焊多種經(jīng)典與經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，按不同焊接材料、不同保護(hù)氣體、不同焊接方法和種類歸納并總結(jié)出的可供參考的原始數(shù)據(jù)庫(kù)。它同時(shí)具有可修改性與可擴(kuò)充性。充分滿足了用戶廠對(duì)焊接工藝規(guī)范進(jìn)行控制和管理的需要，因此實(shí)用性很強(qiáng)。這是充分發(fā)揮單片機(jī)功能的一個(gè)成果，我們?cè)趯＜規(guī)熘袃?chǔ)存了50套常用的規(guī)范參數(shù)，這些參數(shù)可以調(diào)用或者修改使用，但修改后不能重寫。另預(yù)留50套參數(shù)的儲(chǔ)存空間，可讓用戶自己存儲(chǔ)想保留的規(guī)范參數(shù)。一元化及非一元化調(diào)節(jié)是通用CO2焊機(jī)的功能，但本機(jī)因使用微機(jī)系統(tǒng)，一元化調(diào)節(jié)可以精確的按一元化曲線來(lái)確定參數(shù)，這一點(diǎn)是通用CO2焊機(jī)采用線性趨近方法進(jìn)行一元化調(diào)節(jié)所不能做到的。

由于專家系統(tǒng)涉及到數(shù)據(jù)修改與存儲(chǔ)的問(wèn)題，本控制器采用2402串行E2PROM作為存儲(chǔ)器件。它可以隨時(shí)修改內(nèi)存數(shù)據(jù)，也可以在掉電情況下保存數(shù)據(jù)。同時(shí)由于它是串行傳輸數(shù)據(jù)方式，因此與8951之間只通過(guò)三根并行口聯(lián)接，占用資源極少。因?yàn)橹皇褂靡黄?402，其地址端全部接地，無(wú)需進(jìn)行選址。8951并行口通過(guò)編程產(chǎn)生2402所需的時(shí)鐘信號(hào)，在此時(shí)鐘信號(hào)的配合下，使可通過(guò)另兩只并行端口進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入與讀出。

程序控制器的空間劃分與TIG控制箱相仿，只是每組對(duì)應(yīng)參數(shù)值改為了電壓與送絲速度的十位，個(gè)位與十分位的關(guān)系。通訊方式也與TIG焊控制箱一樣。

CO2控制箱在控制送絲機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，采用電樞電壓反饋這種準(zhǔn)閉環(huán)負(fù)反饋方式，說(shuō)是準(zhǔn)閉環(huán)是因?yàn)閷?duì)于速度參數(shù)而言，它只是一個(gè)局部負(fù)反饋。所以這種調(diào)速方法抗干擾的能力較差，不過(guò)實(shí)踐中發(fā)覺(jué)可以滿足CO2焊焊接的要求。它的優(yōu)越性在于電路簡(jiǎn)單可靠，調(diào)試方便，無(wú)需單片機(jī)參與反饋。在程序設(shè)計(jì)上也少去許多麻煩。

CO2焊的平特性電源也非完全的恒壓方式。通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定3V/100A的斜率具有較好的焊接效果。

6　關(guān)于抗干擾問(wèn)題

這是一個(gè)重點(diǎn)。單片機(jī)的抗干擾一般均采用軟硬兼施的辦法，但硬件防干擾才是主要的。方法如下：1.采用隔離電源，懸浮供電。即干擾源與被干擾的單元間沒(méi)有直流電位的關(guān)系（不共地），這是防止差模干擾的好方法。2.使用電源濾波器，電源濾波器對(duì)高頻的共模干擾形成很強(qiáng)的阻礙作用，在關(guān)鍵部位要盡量采用。3.屏蔽，金屬屏蔽盒可防止空間電磁干擾，保護(hù)被干擾單元。注意屏蔽層一定要接地。在硬件防干擾措施的實(shí)施下，配合軟件抗干擾，如指令冗余，數(shù)字濾波器等方法，便可徹底消除干擾，使系統(tǒng)可靠工作。

7　結(jié)論

充分發(fā)揮微機(jī)的智能作用，使電焊機(jī)這種工業(yè)產(chǎn)品具有更強(qiáng)的實(shí)用性和可開(kāi)發(fā)性，為焊接生產(chǎn)提供更好更高層次的服務(wù)，這是國(guó)際上焊接設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)。我們的課題是在這一方面邁出的第一步。隨著研究開(kāi)發(fā)的深入，微機(jī)控制技術(shù)將在焊接工藝方面發(fā)揮巨大作用，為焊接設(shè)備的發(fā)展開(kāi)辟出嶄新的道路。