晶閘管整流弧焊機引弧及其數字控制設計

周玉榮，蒲紅梅

(攀枝花學院 電氣信息工程學院，四川 攀枝花 617000)

晶閘管整流弧焊機引弧及其數字控制設計

周玉榮，蒲紅梅

(攀枝花學院 電氣信息工程學院，四川 攀枝花 617000)

針對直流電焊機引弧的工作環境和特點，分析了在焊接時采用旁路引弧的方法，同時在焊接時對焊機輸出的電壓、電流采樣，并進行數字控制運算，適時穩定地控制焊機輸出的電壓、電流。其實現方法是采用C8051芯片處理器控制整個焊機的性能和功能，同時通過對負載電壓、電流的采樣進行雙閉環控制。通過理論分析，實驗驗證了該焊接系統能根據焊接工藝要求設定輸出焊接的電壓、電流值，系統性能穩定、運行可靠，能提高焊接質量。

三相可控半橋整流；引弧；晶閘管；C8051

0 前言

焊接是一種重要的金屬加工方法，我國從20世紀60年代開始研制晶閘管整流弧焊機，但當時由于功率器件和控制電路元件的可靠性差，控制方法和制造工藝落后，導致發展緩慢，隨著國外技術的引進，數字控制技術得到了飛速的發展[1]。在電弧焊開始時要引燃電弧，通常手弧焊引弧有兩種：碰撞引弧和劃擦引弧。在自動焊接系統中，由于要不斷引弧，因此，引弧的成功率引起了人們極大的關注，同時也引起了學者和開發人員的重視。通常引弧從以下幾個方面進行考慮[2]。

(1)提高短路電流增長速度 dis/dt，主要是改善電源的工作狀態。如整流焊機中往往利用電流電感調節焊機的動態特性，以減小飛濺和改善成形，但是卻降低了dis/dt，從而降低了引弧成功率。為此，在引弧時常常利用旁路電路將直流電感短接，引弧成功后再將該電感接入。當逆變焊機問世后，充分利用電子電抗器調節電源動特性，而選用很小的直流電感，無需采用上述方法，都可以獲得可靠的引弧。

(2)減小接觸電阻RA的衰減速度。引弧時使焊絲送進速度慢一些，以便減小焊絲與母材的壓力增長速度，RA衰減速度減緩。送絲速度太慢也不利，通常選用 1.5～3.0 m/min。引弧成功后，應立刻轉換為正常送絲速度。

(3)利用剪斷效應引弧。一般情況下，焊接時都利用鉗子剪斷焊絲端頭殘留的金屬熔滴小球，以利于引弧。但這樣做很麻煩，所以現在許多氣體保護焊設備增加了去球功能，也就是剪斷效應。在焊接結束時，適當降低電弧電壓和送絲速度，從而實現自動去球功能。

(4)導電嘴磨耗較大時，將增大B點處的接觸電阻RB，不利于引弧。應及時更換導電嘴。

在此將針對焊接系統的旁路引弧和焊機系統的數字控制進行深入的分析和研究。

1 旁路引弧電路

文獻[1]講述了三相全橋整流焊接的數字控制，沒有對焊接的引弧進行分析。而引弧是焊接成功的關鍵，引弧成功率與哪些因素有關呢？目前普遍認為，細絲氣體保護焊大都采用接觸引弧，焊絲與工件接觸點為A點，焊絲與導電嘴的接觸為B點，由于接觸狀態不同，A與B點的接觸電阻隨時間的變化而變化，由于焊絲導電，A點的接觸電阻從接觸時的無窮大迅速衰減。因此，短路電流將成指數曲線上升，這就使焊絲與工件接觸處的焊絲頭變軟和接觸面增加。而B點是焊絲的側面與導電嘴內表面接觸，接觸狀態變化不大。所以要充分利用引弧初期電阻較大的特性，完成引弧過程，短路電流上升速度很重要，該值越大，則引弧成功率就越高。引弧電路有旁路引弧、并聯電容引弧、慢送絲引弧等，如圖1所示，VT1～VT3是旁路引弧電路[3－4]。

圖1 三相橋式全控整流旁路引弧電路原理

圖1 中，在整流橋并聯一組晶閘管，該電路的輸出電壓不經過電感L，成為旁路引弧電路。在引弧時，該旁路晶閘管組被觸發導通，則焊接電流不經過L，這樣短路電流上升速度很快，有利于引弧[2]。

文獻[1]研究了三相橋式可控整流的數字控制，主要分析了三相電路整流的控制方法，但是沒有對焊接的引弧電路進行分析，在此，針對焊機的工作特點，對焊接引弧電路部分進行分析，著重分析三相半波可控整流電路的理論和控制方法。圖2為三相半波可控整流電路共陰極接法電阻負載時的電路在觸發角為0°時的觸發波形。圖1中三個晶閘管分別接入A、B、C三相電源，其陰極連接在一起(共陰極接法)，其自然換相點是各相晶閘管能觸發導通的最早時刻，將其作為計算各晶閘管觸發角α的起點，即α ＝0°[4]。

圖2 晶閘管α＝0°時的波形

整流電壓平均值的計算：

α≤30°時，負載電流連續，有

當α ＝0°時，Ud最大，為

當α＞30°時，負載電流斷續，晶閘管導通角減小，此時有

Ud/U2隨α 變化的規律如圖3所示。焊接時通常是阻性負載，當觸發角為 150°時，Ud＝0，因此，在數字設計實現時要根據該曲線進行編程。

2 數字控制的實現

圖3 Ud/U2隨α 變化的關系曲線

隨著數字控制技術在各個領域的發展，焊接控制系統中，國外的數字控制得到了飛速的發展，國內也引起了商家和焊接研究所以及學者的關注，如文獻[1]采用FPGA和DSP的數字控制進行了分析和研究。在此分析和介紹焊接系統的采樣電路，只有精確地對負載電壓、電流采樣才能更好的實現控制。否則，即使用先進的控制策略和電路都不能實時、穩定的對焊接系統進行控制，從而達不到焊接質量的要求。

三相整流焊接系統是由三相380 V的交流電壓經過三相橋式電路整流，如圖1所示主電路結構。三相380 V的交流電壓經過三相橋式電路整流后通過L濾波得到穩定的焊接直流電壓，通過檢測其輸出的電壓和電流采樣處理后送給中央處理器進行運算處理，經過處理后的信號由驅動電路驅動SCR實時可靠觸發。負載電流的采樣是用電流傳感器(精密電阻)采樣，該精密電阻是一種線形關系，實際上是取精密電阻兩端的電壓，其電壓與電流的關系是：100 mV相當于300 A；電壓的取樣采用電阻分壓采樣，負載的電壓和電流經過有效值采樣電路處理后送給處理器的A/D運算端口并處理，由處理器運算并產生晶閘管的觸發信號，該觸發信號經過驅動放大送給SCR，使SCR適時可靠的導通，其導通角的大小控制負載的電壓，從而控制焊接電流的大小。

2.1 電壓取樣

電壓取樣是電子電路中的基礎。在電子電路中，電路的工作狀態如諧振，工作點的動態范圍，通常都以電壓形式表現出來。電子設備的控制信號、反饋信號及其他信息，主要表現為電壓。在非電量的測量中，也多利用各種傳感裝置，將非電參數轉換成電壓參數。電路中其他電參數，包括電流、功率、信號的調幅等，都可以作為電壓的派生量，通過電壓測量獲得其量值。電壓測量是最直接方便的，一般電路由于在負載端是直流電壓，因此可直接用大電阻分壓得到。

2.2 電流取樣

電流取樣的方法有兩種：一是被測電流流過分流器，在分流器兩端產生電壓，測量該電壓即可達到測電流的目的，該方法為直接式電流取樣法；二是用鉗型表取樣電流，即被測電流由鉗子夾注，在鐵心中產生磁場，此磁場通過霍爾元件，在霍爾元件的輸出端產生電壓，將此電壓通過放大后，再進行取樣，該方法稱為間接式電流取樣法。圖4為電壓、電流采樣電路原理[3]。

圖4 電壓、電流采樣電路

電流取樣由分流器300 A/100 mV(精密電阻)，取樣的電壓、電流經反相輸入放大器放大10倍再經ISO100隔離放大器放大30倍后到C8051－F020的ADC輸入口，由單片機F020處理后由DAC去控制SCR的導通角，同時顯示電壓、電流的當前值。

第一級電壓放大為

第二級電壓放大為

如果取電壓100 mV，則輸出的電壓為3 V，這樣能達到C8051－F020的端口電壓，并通過查表對應其真實值。

2.3 A/D 轉換原理

F020采用TQFP100封裝，芯片引腳有8個(引腳18－25)專用于模擬輸入，是8路12位ADC的輸入端。每路12位的轉換精度都是其自身的±1 LSB(最低位)。實際上，對應12位逐次逼近寄存器型(SAR)ADC只有1個，在它與各輸入端之間有1個具有9通道輸入的多路選擇開關(可配置模擬多路開關AMUX)。AMUX的第9通道連接溫度傳感器。在F020是中，12位ADC稱為ADC0，另有8路8位在系統可編程(ISP)的ADC電路稱為ADC1。其8個外接引腳與P1口復用，片內結構與ADC0相近，只是轉換的位數為8位，轉換精度為8位的±1 LSB。

ADC0端口的每一對均可用編程設置成分別地單端輸入或差分輸入。差分輸入時的端口配對為0－1、2－3、4－5、6－7，該設置由通道選擇寄存器 AMUX0SL的低4位和通道配置寄存器AMUX0CF的低4位確定。在AMX0CF中，位3～0各對應2個引腳通道。位值等于0，表示是獨立的單端輸入(復位值均為單端輸入)；位值等于1，表示是差分輸入對。對應AMX0CF選差分輸入時，AMUX0SL中只有在選雙數(含0)通道時才有效(注：AMUX0SL低4位為1xxx時，不論AMX0CF低4位為何值，均選溫度傳感器)。

2.4 ADC的速率與起動

8051F系列單片機中ADC的速率都是可用編程設置的，但最少要用16個系統時鐘。一般在轉換之前還自動加上3個系統時鐘的跟蹤/保持捕獲時間(大于 1.5 μ s)。設置 F020 內 ADC 速率的方法是通過配置寄存器ADCxCF(x為0或1)的位7～3來進行的，其復位值為 11111(位 7～3＝SYSCLK/CLKSAR－1)。

一般在起動ADC之前都要處于跟蹤方式，控制寄存器ADCxCN的位6如果為“0”，則一直處于跟蹤方式(此時起動4種起動方式都可比跟蹤起動快3個系統時鐘)；如為“1”，則有4種跟蹤起動方式可選擇，即對ADCxCN中的位3～2賦值；00為向ADBUSY寫1時跟蹤(軟件命令)；01為定時器3溢出跟蹤；10為CNVSTR上升沿跟蹤(外部信號)；11為定時器2溢出跟蹤。

復位時，ADCxCN的位7為0，處于關斷狀態。每次轉換結束時，ADCxCN的位5為“1”，位4(忙標志)的下降沿觸發結束中斷。也可用軟件查詢這些狀態位。

2.5 ADC的基準與增益

F020 的片內有 1 個 1.2 V、15×10－6/℃的帶隙電壓基準發生器和1個兩倍增益的輸出緩沖器。2.4 V的基準電壓(VREF)可通過外引腳分別接入ADC0、ADC1和DAC中。VREF對外帶載能力為200μ A(建議在驅動外部負載時，對地接1個負載電阻)。ADC使用偏置時，必須將參考源控制寄存器REFxCN中的位1置于“1”；如置于“0”，則關閉內部偏壓，此時可通過VREF引腳(引腳12)使用外部基準電壓，外部基準電壓必須小于VAV±0.3 V(應大于1 V)。不用ADC，也不用DAC時，可將REFxCN的位0置“0”，使緩沖放大器處于省電方式(輸出為高阻態)。

設置REF0CN的位4為“0”時，ADC0用VREF偏置，為“1”時，用DAC0輸出偏置；設置為REF0CN的位3為“0”時，ADC1用VREF偏置，為“1”時，用AV＋偏置。

在F020的ADC電路中，輸入多路選擇開關AMUX后面都帶有1個可用編程設置增益的內部放大器(PGA)。當各模擬通道之間輸入的電壓信號范圍差距較大時，或需要放大一個具有較大直流偏移的信號時(在差分輸入方式，DAC可用于提供直流偏移)顯得尤為有用。設置的方式是配置ADCxCF中的位2～0(000對應PGA的增益為1；001對應為2；010對應4；011 對應為 8；10x 對應為 16、11x對應為 0.5)。這里的增益對溫度傳感器信號也起作用。當增益為1時

2.6 ADC的數據與控制

對應單端輸入，ADC結果數據字格式為：0V－0000，VREF－0FFF 或 FFF0；對應差分輸入，ADC 結果數據字格式為 2 的補碼：VREF－07FF，0－0000，VREF－F800或8000。將ADCxCN 的位 0置“0”可使結果右對齊；置“1”可使結果左對齊。當差分輸入時，右對齊產生的多余高位是符號擴展位；C8051F系列單片機內還設有數據相關窗口中斷發生器或稱可編程窗口檢測器，也叫ADC上(下)數據寄存器ADC0G(L)TH(L)，采用后臺方式監視一個關鍵電壓。當轉換數據位于規定的窗口之內(或之外)時，向控制器申請轉換結束中斷。要求在窗口之內中斷時，上限寄存器LT裝入高位窗口數，下限寄存器GT裝入低位窗口數；若要求在窗口之外中斷時，則在下限寄存器GT中裝入高位窗口數，在上限寄存器LT中裝入下限窗口數；復位時，ADC部分的狀態為：內部電壓基準緩沖器關閉、內部偏壓關閉、內部傳感器關閉、ADC禁止、轉換結果數據寄存器右對齊、12位的端口均為單端輸入、端口指向AIN0、SAR轉換時鐘為33個系統時鐘、內部放大器增益為1、下限數據寄存器為FFFFH、上限數據寄存器為0000H。綜合F020中與ADC相關的各要素，要想正確應用ADC功能，應按下列順序編程：設置參考電壓→設置允許ADC→設置跟蹤(起動)方式→設定數據對齊→配置通道→選擇通道→設置轉換時鐘和增益→設定窗口檢測上、下限→起動轉換。操作SFR的順序(以12位為例)為：REF0CN→ADC0CN→AMX0CF→AMUX0SL→ADC0CF→ADC0GTH→ADC0GTL→ADC0LTH→ADC0LT LADC0CN 或其他起動方式[5－7]。

3 試驗和數據

晶閘管的觸發波形如圖5所示，為了保證晶閘管的可靠觸發，在程序實現時要連續發觸發脈沖，如圖5中下部分所示。圖5上部分為觸發后的電壓波形。從圖中可以看出，晶閘管能可靠實時觸發。

圖5 晶閘管觸發波形

4 結論

針對焊接系統的工作特點，理論分析了焊機的引弧原因，以及引弧的電路分析，重點分析了旁路引弧的原理和設計方法；分析了數字焊接系統的設計以及三相半橋可控的原理；重點分析了焊接系統的電壓、電流采樣電路的原理及其實現方法，通過對電壓、電流的數值并通過A/D轉換送到中央處理器去控制晶閘管的大小。通過實驗表明，晶閘管能實時觸發導通。

[1]潘慧梅.基于DSP和FPGA實現三相整流焊機數字控制和觸發[J].電焊機，2009，39(11)：69－72.

[2]殷樹言，耿 正，剛 軼.晶閘管整流弧焊機的設計與調試[M].北京：機械工業出版社，1997.

[3]曹太強，許建平，吳 昊.基于DSP數字調速直流電機系統設計[J].電力電子技術，2008，2(24)：73－77.

[4]郭世明，黃念慈.電力電子技術[M].成都：西南交大出版社，2002.

[5]Inc.[美國].C8051F 單片機及應用解析[M].潘琢全，譯.北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[6]李 剛，林 凌.與8051兼容的高性能，高速單片機——C8051FXXX[M]北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[7]紀宗南.單片及外圍器件實用手冊[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

Research on arc ignition and digital control of SCR rectifier

ZHOU Yu-rong，PU Hong-mei
(School of Information and Electric Engineering，Panzhihua University，Panzhihua 617000，China)

For the feature of arc ignition in the DC electric-welding，to analyzing bypass arc ignition way and To sampling output current and voltage of load and digital control to current and voltage.It is use MCU to control performance and function in the welding.Use C8051 to control its performance and function.Finally，the experiments prove that the rectifier can have good precision.The control method can not only realize the functions of the whole system，but also run more precisely and steadily.Improved quality of welding.

three-phase half-bridge rectifier；ignition；SCR；C8051

TG403

A

1001－2303(2011)03－0035－05

2010－04－08

周玉榮(1968—)，男，副教授，博士，主要從事數字控制和隨機共振理論的研究工作。