基于模糊控制的逆變式絲管蒸發(fā)器焊接電源研究

摘要：文章介紹了模糊控制逆變電阻焊電源的基本工作原理、控制系統(tǒng)的構(gòu)成以及硬件的實(shí)現(xiàn)方案。對(duì)二輸入一輸出的模糊控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，總結(jié)了怎樣通過輸入量的變化得出精確輸出值的結(jié)論，研究出一臺(tái)模糊控制逆變電阻焊絲管多點(diǎn)焊機(jī)，并在公司批量生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：逆變電阻焊電源；模糊控制；絲管蒸發(fā)器；MCS51單片機(jī)；模糊控制器 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TG409 文章編號(hào)：1009-2374（2015）11-0014-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.11.008

1 概述

節(jié)能高效的逆變電阻焊電源已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)電阻焊電源一般采用可控硅移相觸發(fā)技術(shù)輪流導(dǎo)通三相主電路的大電流可控硅。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是電路相對(duì)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟、可靠性高，但其缺點(diǎn)也是非常明顯的。第一，整個(gè)系統(tǒng)采用的是工頻技術(shù)（50Hz），因而焊接變壓器體積龐大，消耗大量的硅鋼片和有色金屬；第二，可控硅移相觸發(fā)會(huì)產(chǎn)生很大的高次諧波，嚴(yán)重“污染”電網(wǎng)，且功率因數(shù)較低；第三，絲管蒸發(fā)器焊接是間隙工作制模式，焊接時(shí)間很短（一般只有5～10周波）工頻狀態(tài)下無法使用負(fù)反饋，因而焊接電流不穩(wěn)定；第四，焊接過程是非線性系統(tǒng)，一般很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，因而傳統(tǒng)的PID（比例積分微分）控制很難滿足要求。針對(duì)電阻焊電源的復(fù)雜工作環(huán)境，本文采取有效措施，從硬軟件入手進(jìn)行改進(jìn)，并且使用有效手段保證系統(tǒng)的穩(wěn)定與可靠。

2 基本工作原理

如圖1所示，可以清晰看到模糊控制逆變電源的原理。若濾成直流電，需要三相交流電經(jīng)三相橋式整流電路整流，逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換為1000Hz的交流電，焊接的電壓和電流，需要經(jīng)過中頻變壓器進(jìn)行降壓，且輸出整流器整流。IGBT零電流軟開關(guān)方式，頻率高、開關(guān)損耗小、可靠性高、轉(zhuǎn)換效率高，因此逆變主電路采用IGBT零電流軟開關(guān)方式。4只IGBT開關(guān)交替控制電流，直流電會(huì)轉(zhuǎn)成10000Hz的交流電，中頻變壓器和一體化全波整流器加工后，即可得到所需的焊接電壓和電流。焊接電流的調(diào)節(jié)與控制，需要以8051單片機(jī)為中心，通過霍爾傳感器獲得電流反饋，模糊傳感器根據(jù)偏差及偏差變化為輸入量進(jìn)行調(diào)節(jié)，獲得合適的占空比。

圖1 模糊控制逆變電源原理圖

3 建立控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的組成可分為主電路部分和控制部分?？刂撇糠忠詥纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)為核心。A/D轉(zhuǎn)換電路為負(fù)反饋的關(guān)鍵參數(shù)，系統(tǒng)采用8位A/D轉(zhuǎn)換器AD0809?？刂葡到y(tǒng)的軟件主要利用模糊算法完成焊接電流、電壓的調(diào)節(jié)，恒流特性的輸出及其他I/O功能。

4 如何設(shè)計(jì)模糊控制器

通過模糊化處理，模糊控制器的輸入量也會(huì)經(jīng)過語言規(guī)則來模糊推理，而這一推理得出的結(jié)論會(huì)經(jīng)過明晰化，最終得出控制變量的精確輸出值，這便是模糊控制器的工作原理。如何實(shí)現(xiàn)模糊算法的軟件設(shè)計(jì)，要設(shè)計(jì)一個(gè)模糊控制器，這就需要對(duì)模糊控制器的輸入變量與輸出變量進(jìn)行掌握加以設(shè)計(jì)，并且得出輸入變量的參數(shù)和論域，建立賦值表，確定語言描述，將控制規(guī)則建立起來，將模糊化和明晰化區(qū)分開來，并且確定方法，最后將控制板建立起來。

4.1 模糊控制器中的語言變量

理論上，控制精度與模糊控制器出入的變量個(gè)數(shù)是成正比的，但是這個(gè)變量個(gè)數(shù)的增多會(huì)導(dǎo)致控制的復(fù)雜以至于更難實(shí)現(xiàn)控制。這時(shí)就應(yīng)該采用二維模糊控制器，將被抽空對(duì)象的變差變化率取為輸入語言變量。焊接電流的偏差與變化率為輸入變量，輸出變量是控制器的開關(guān)管占空比。

4.2 如何描述變量以及建立賦值表

電流偏差的基本論域?yàn)閇-10，10]，偏差變化率的基本論域取為[-5，5]，輸出占空比基本論域?yàn)閇0.24，0.48]。

然后其離散論域的論域取為：{5，4，3，2，1，+0，-0，-1，-2，-3，-4，-5}。偏差變化率和輸出占空比的離散論域EC和ZK取為：{5，4，3，2，10，-1，-2，-3，-4，-5}。

量化因子分別表示為，，。

焊接電流偏差離散論域，其語言變量模糊子集為：{正大（IR）正中（IM）正?。↖L）零（I0），負(fù)?。∟L），負(fù)中（NM），負(fù)大（NR）}。焊接電流偏差變化占空比，語言值基本論域上的模糊子集為：{正大（IR），正中（IM），正?。↖L）零（0），負(fù)?。∟L），負(fù)中（NM），負(fù)大（NR）}。

4.3 建立一定的模糊規(guī)則

如何模糊控制是通過人為因素轉(zhuǎn)變的，若系統(tǒng)輸出量出現(xiàn)偏差時(shí)，則可以選取一定偏差變化，從而確立控制量，焊接電流的偏差和變化率，會(huì)對(duì)開關(guān)管占空比產(chǎn)生影響。在偏差較大的時(shí)候，我們則選擇能夠消除偏差的控制量，在偏差較小的時(shí)候，則以選取系統(tǒng)穩(wěn)定的控制量為主，防止偏差超調(diào)。模糊關(guān)系是由模糊控制規(guī)則表的每句話確立的，總的模糊關(guān)系為：

R=（）V（）V（）V…V（）

4.4 模糊控制表生成

當(dāng)計(jì)算出模糊關(guān)系之后，由電流偏差和偏差變化率及其離散論域，再由其中的語言變量建立起賦值表，并計(jì)算出語言變量?？刂屏康募?，選擇一個(gè)論語元素的空置變化值，利用到加權(quán)平均法，得出論域元素中表示空置量的變化值。當(dāng)其輸入在線微機(jī)工作的同時(shí)，對(duì)變化值進(jìn)行查詢，就能夠持續(xù)實(shí)現(xiàn)模糊控制。每一個(gè)在線控制的周期中，都應(yīng)該將實(shí)測(cè)值與給定值比較，將比較后的偏差變化率計(jì)算出來。查詢控制表中的值便是這種變化率量化轉(zhuǎn)換后的結(jié)果，實(shí)際控制量也便是查詢控制表中的控制量與量化因子相乘而得出的。

這時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，模糊控制器中的控制量是一個(gè)能夠反映控制語言的集合，在不同取值下的控制語言被其進(jìn)行了組合。然而，控制對(duì)象只可以接收一個(gè)控制量，所以應(yīng)該從這個(gè)集合中找到一個(gè)最合適的控制量。這個(gè)算法公式為，式中：為模糊量輸出；為

模糊量的隸屬度；U為輸出的精確控制量。

5 結(jié)語

該焊接電源在多點(diǎn)絲管焊接機(jī)的電阻焊中，電弧穩(wěn)定，飛濺很少，焊點(diǎn)成型良好。輸出平均值測(cè)試變動(dòng)量小于±1%。利用查表法的模糊控制器，不僅能夠?qū)?fù)雜的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)易化，又可以將繁雜的控制簡(jiǎn)潔化。當(dāng)這種智能的模糊控制被應(yīng)用時(shí)，電源特性就會(huì)得到改善，并不易受到干擾，電源外的控制也能夠?qū)崿F(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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[3] 趙燕.傳感器原理及應(yīng)用[M].北京：北京大學(xué)出版社，2010.

作者簡(jiǎn)介：何云松（1973-），男，浙江杭州人，杭州華日電冰箱股份有限公司工程師，研究方向：自動(dòng)化控制。

（責(zé)任編輯：周 瓊）