[发明专利]微机控制能量自补偿型氩弧焊电源

说明书

本发明涉及使用保护气体的电弧焊接装置，尤其涉及一种微机控制能量自补偿型氩弧焊电源。

现有的通常市售焊机，其输出外特性都不能主动适应电弧负载的需求。在自动焊或半自动焊时，电弧长度的波动与网路电源电压变化是很难避免的，尤其是在薄板TIG焊时，电弧功率较小，在上列情况干扰下，对输入工件的热量变化异常敏感，极易出现烧穿、焊漏或未焊透等缺陷，不能保证在干扰情况下，使输入到工件上的有效热功率恒定，无法获得焊缝形状参数不变的焊接接头。

本发明的目的是克服上述现有技术的不足提出一种微机控制能量自补偿型氩弧焊电源。

大量的实验数据表明：在纯氩气氛中，对于薄板的焊接，欲使阳极(焊件)有效热功率恒定，所用氩弧焊电源应该是补偿型的。不同材料，或同一种材料在不同板厚的情况下所对应的补偿型电源的最佳外特性不同，但这种最佳外特性是客观存在的，且在一定的干扰范围内，即网路电源电压变化ΔU≤±10％，弧长波动ΔL≤6毫米时，可用不同斜率的直线逼近。本发明的目的正是采用依据上述事实设计的技术方案予以实现的。

本发明由四大部分组成：

1、由三相变压器、三相整流及滤波器、调整晶体管组、控制电压及电流采样电阻、高频引弧器及保护电路构成的模拟式晶体管主电源。该主电源与常用的模拟式晶体管主电源类似。该主电源为水冷式，对整流器与调整管组进行强制冷却。调整管组由大功率晶体三极管组成，可以通过对基极的控制，调节电源的输出电流。在该系统中，主机采用高频引弧器引弧，当焊炬与工件间产生电弧之后，其电弧电压经电阻分压后，取自电压采样电阻R_U作为电弧电压信号送往单片机控制系统，取自串联于焊接回路的电流采样电阻R_I的电流信号，也反馈给单片机控制系统。电流信号为闭环控制，电弧电压信号为开环控制。

2、8098单片机最小系统

这一最小系统由8098CPU、RAM及EPROM存储器、8255并行口、译码器、地址锁存器、A/D与D/A转换器、电流与电压放大器、线性光电耦合器组成。8098CPU是控制系统的核心。最小系统完全浮地，外围开关量都经光电隔离。取自主电源的电压、电流信号，和送至主电源调整晶体管组基极的D/A输出量即调整管的控制信号等三个模拟信号，经线性光电耦合器，出入最小系统。系统软件固化在一片16K的EPROM中，上电后系统即自动按其中的程序运行，控制过程中采样到的电流、电压信号量以及模型计算的中间数据等都暂存于RAM中，并不断备份、更新；8098CPU自带10位A/D转换器，其转换速度和精度较高，扩展的12位D/A转换器也保证了数模转换精度。

程序由8098汇编语言编制，采用模块化设计。后台服务程序为用户提供了友好的人机交互界面，实时控制程序简便。焊接开始前，系统自检，并判断用户通过拨码盘输入的有关参数是否有效，对于系统硬件故障、参数无效、用户的不正确操作等情况都给予警报；焊接过程中，采用PID控制算法。采样周期为5毫秒，一旦弧长变化或网路电源电压波动，随即可按最佳的外特性模型进行能量补偿，其实时性强。

该电源系统的软件主要由下列模块构成：

(1)系统自检

系统上电后，自动对RAM、D/A、A/D各通道、拨码盘等硬件部分进行检查。

(2)出错及状态报告

对用户的操作错误、系统硬件出现故障、干扰导致系统工作失常、短路等情况给予警报；对就绪、引弧、焊接等工作状态给予提示。

(3)运行参数的读入、判断

拨码盘上的参数被读入到RAM中以后，再对其有效性进行判断，并与前次运行时的参数进行比较，给出相应信号。被认为正确的参数将备份至其它单元，以得到保护。

(4)外特性模型Ig＝I₀＋U/tgα的预处理

将读入的BCD码数I₀、α转化为三字节浮点数I₀和α，并浮点运算1/tgα。

(5)实时采样电压、电流(即A/D转换)，软件滤波

每个采样周期5毫秒中，分别对电压、电流采样5次，并采用中值滤波法除去无效的信号量。

(6)电流给定值Ig的计算

在这一模块中，根据外特性模型预处理的结果和采样到的电压值计算电流给定值Ig，并将其转化为双字节的整数。

(7)PID计算

本系统中，采用增量式PID算法，即

Tn＝Tn－1＋ΔTn