基于ARM控制的脈沖MIG焊機研究

李玉榮　陳克選　李宜炤　王向余

摘要：將ARM芯片STM32F407做簡單的外圍電路擴展作為控制核心，利用UC3846芯片產生的驅動信號對全橋軟開關逆變主電路進行驅動，設計了一臺脈沖MIG焊機。該焊機基于等速送絲和電弧電壓反饋調節占空比的方式實現了焊接過程的弧長控制，具有過載、過熱和過欠壓保護等基本功能，數字化界面具有參數調節方便的特點。焊接工藝試驗結果表明，通過電流與電壓雙閉環控制方式設計的脈沖MIG焊機具有較好的弧長調節能力，焊縫質量可以滿足焊接要求。

關鍵詞：ARM;脈沖MIG;雙閉環控制;等速送絲;占空比調節

中圖分類號：TG434.5文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）04-0047-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.04.07

0 前言

脈沖MIG焊的電流波形及其基本參數的調節范圍較寬，電弧能量調節的可靠性提高了其焊接質量并擴大了其應用范圍，尤其適合對熱敏感材料和超薄工件和薄管的全位置焊接。華南理工大學、北京工業大學、沈陽工業大學、河南科技大學、蘭州理工大學等國內眾多科研機構近年來基于單片機和DSP微控制器在脈沖MIG電源方面做了大量研究，但是由于普通單片機和DSP片上資源的限制，在數字化MIG焊機控制電路設計中一般需要進行復雜的電路擴展[1]。

目前ARM芯片以豐富的片上資源和高性價比等特點廣泛應用于數字化控制電路設計中，尤其是片上集成的多種串行通信機制為雙脈沖、機器人等復雜焊接功能的實現提供了極大便利。本文采用STM32F407芯片基于全橋軟開關逆變主電路設計了一臺脈沖MIG焊機。

1 系統硬件設計

1.1 總體結構設計

脈沖MIG焊機的總體設計方案如圖1所示，主要包括主電路、控制電路和供氣送絲電路三部分。主電路采用全橋軟開關逆變與全波整流方式實現脈沖直流焊接電流的可控輸出?？刂葡到y采用STM32F407芯片最小系統為核心并經過簡單外圍擴展構成，主要提供驅動板給定信號的產生，焊接時序的控制、電壓和電流采樣與參數顯示、電流與弧長控制以及故障檢測與保護等功能。送氣送絲電路是實現送氣和送絲時序的控制以及PWM信號對送絲電機的驅動控制。控制板預留多路串行通信接口，可為雙脈沖等復雜焊接功能多種需求提供接口。

1.2 主電路結構及驅動電路

主電路結構見圖1，工頻380 V交流電經過共模電感抗干擾設計后進行全橋整流并濾波后得到540 V左右直流電，經過全橋軟開關逆變之，得到20 kHz方波交流信號，經過中頻變壓器降壓以及全波整流和電抗器濾波后得到脈沖電流提供給電弧負載。

驅動電路由電流型脈寬調制芯片UC3846、555定時器以及脈沖變壓器為核心構成。ARM芯片將電流偏差經過PI運算后由芯片上DAC模塊轉換為模擬信號，然后由UC3846產生兩路互補的可變脈寬，555定時器產生兩路互補的最大脈寬作為全橋軟開關逆變主電路的驅動信號，最后經過脈沖變壓器作用于主電路保證脈沖恒流外特性和弧長穩定的實現。基于UC3846驅動電路采用峰值電流控制模式，當驅動信號占空比超過50%時的外界干擾會造成系統不穩定，本文中引入UC3846內部振蕩器產生斜坡信號，與變壓器一次峰值電流采樣信號相疊加構成斜坡補償電路，獲得了較好的補償效果[2]。

1.3 主控制電路設計

控制系統主要包括ARM最小系統、IGBT隔離驅動放大電路，電流和電壓采樣電路、參數顯示電路、異常保護電路等部分。主控芯片STM32F407為意法半導體生產的32位高性能微控制芯片，其內部集成了DSP指令和FPU運算功能，時鐘周期最高可達168 MHz，接口資源豐富，片上模塊可以獨立工作以降低功耗。3個獨立的12位高精度ADC轉換器可滿足電壓和電流采樣通道配置，從而可靠地保證脈沖恒流和弧長控制需求。2個12位DAC轉換器為UC3846驅動芯片的給定信號提供足夠精度，確保對主電路通過PI調節可以獲得精確可靠的輸出電流。片上擁有12個16位定時器和2個32位定時器，焊接電流與電壓的定時更新顯示與占空比的切換由16位定時器中斷方式控制，送絲機的速度調節由定時器輸出的PWM信號控制[3]。程序存儲采用片上1 MB的Flash程序存儲器空間，焊接參數通過SPI接口存儲在片外Flash芯片W25Q128中，主控芯片擁有112個可獨立設置通用I/O接口，面板按鍵和二極管接口全部采用I/O方式。

1.4 面板設計

脈沖焊接參數——基值電流、峰值電流、頻率、占空比、送絲速度及2T/4T功能均可由面板按鍵調節方式預置，在焊接參數調節時除了面板上該參數對應的二極管點亮外，電壓顯示位置還有字母提示功能，如圖2所示。數碼管顯示采用MAX7219芯片，主控芯片與該芯片采用SPI單向通信，具有接口電氣連接簡單和編程容易的特點，焊接過程中通過定時器中斷方式實時顯示焊接電壓與焊接電流，焊接結束后恢復預置平均電流顯示。

1.5 供氣和送絲系統設計

本文設計的送絲系統為開環控制方式，送絲速度由主控芯片上定時器產生的PWM信號控制。該PWM信號經過快速光耦合器件隔離后驅動MOSFET開關電源為送絲電機供電，只要改變占空比即可調節送絲電機轉速，進而使送絲速度在0～10 m/min連續可調。供氣系統由主控芯片I/O端口輸出信號經過放大之后對電磁閥門進行控制。

2 系統軟件設計

控制系統軟件部分主要完成焊接時序、焊接電流與焊接電壓的雙閉環控制、故障檢測與保護等功能。

2.1 主程序設計

焊機主程序原理如圖3所示，其基本工作原理為：焊機供電之后，主控制電路首先檢測焊槍開關是否閉合，如果焊槍開關未閉合且參數設置鍵按下則進入參數預置子程序;如果焊槍開關閉合則進入焊接程序。

控制系統檢測到焊槍開關閉合后首先判斷2T/4T狀態，接著調用送氣和慢送絲引弧子程序并在引弧程序中調用采樣與顯示子程序，當采樣電路檢測到主電路輸出電壓和電流達到引弧成功閾值后停止建立空載電壓，然后按照預置焊接參數送入焊絲進行焊接，系統通過調用采樣與顯示子程序、恒流控制子程序和弧長控制子程序（占空比調節子程序）分別實現脈沖恒流和弧長穩定雙閉環控制，當檢測到焊接結束信號后，2T狀態下系統調用熄弧程序并返回到主程序起始位置處待機，而4T狀態下加入了填弧坑功能。

2.2 參數預置子程序

焊機供電初始化后首先顯示上次焊機關機前最后一次焊接過程使用的參數，在焊槍開關沒有按下時通過設置鍵可進入參數預置子程序。

參數預置子程序如圖4所示，其基本原理為：通過參數選擇按鍵選擇需要設置的下一個參數，若選擇調節精度則按粗調/微調按鍵切換，通過面板的遞增和遞減按鍵修改參數后程序自動進行參數極限值限制、更新顯示與存儲，當焊槍開關按下或者修改完最后一個參數時從參數預置子程序返回到主程序。

2.3 脈沖恒流過程控制的實現

STM32F407芯片的多個定時器可以保證各種定時功能的實現，脈沖電流的峰值和基值切換由16位定時器中斷方式產生，具體實現方法是：在程序中將基值峰值電流標志變量設置為全局變量，當定時器進入周期中斷時，將基值峰值電流標志變量設置為高電平使脈沖焊接程序進入峰值電流控制，當定時器進入比較中斷時，將基值峰值電流標志變量設置為低電平使脈沖焊接程序進入基值電流控制。

基值電流與峰值電流的恒流控制方法如圖5所示，焊機的輸出電流經霍爾電流傳感器采樣、ARM芯片A/D轉換折算成實際電流值與給定電流值進行比較得到偏差值，PI控制環節對偏差信號進行運算，運算結果由D/A轉換模塊對UC3846的給定電壓值進行調節[4-5]，從而使UC3846輸出脈寬發生變化完成恒流過程的控制。

2.4 弧長穩定性控制

弧長穩定是保證焊接過程熔滴平穩過渡和焊接質量穩定的前提，直接關系到焊縫成形和焊接缺陷的預防。為避免焊接時發生工件燒穿或者短路等現象，本文中脈沖MIG焊機是基于等速送絲和電弧電壓閉環控制調節占空比的方法來實現弧長穩定性控制。

給定電壓由預先設置的焊接平均電流經過約定負載特性計算獲得，弧長的閉環控制原理見圖5?；魻栯妷簜鞲衅鳒y得電壓經過A/D轉換后折算成實際電壓值，并且與給定電弧電壓值比較后得到電弧電壓偏差信號，PI控制環節對偏差信號進行運算，通過運算結果改變占空比并由D/A轉換模塊對UC3846的給定值進行調節并對主電路進行驅動，確保焊接過程的弧長穩定。

2.5 過流檢測與控制

焊接過程中過流檢測與控制采用硬件和軟件相結合的形式。在中頻變壓器一次線圈上通過電感線圈取樣并經過整流和采樣電阻分壓連接在UC3846保護功能引腳上，當流過IGBT的電流大于設計允許電流時，UC3846保護功能引腳上得到高電平信號，輸出PWM波形將被封鎖，從而對全橋逆變主電路起到過流保護作用。在控制程序中，每次電流采樣后與設計最大電流500 A進行比較，當電流超過500 A時迅速關閉主控芯片DA輸出并點亮面板過流指示燈。當焊機過熱時，安裝在全橋逆變電路散熱模塊上的溫度保護開關閉合，焊接程序進入中斷保護子程序并在面板提示。供電系統發生過欠壓時，過欠壓比較電路使焊機進入保護中斷并在焊機面板提示。

3 實驗結果及分析

為驗證基于占空比調節方式弧長穩定性控制效果，選用多種焊接參數隨機組合，在厚度為10 mm的碳鋼表面進行了手工堆焊實驗，焊縫參數如表1所示，焊縫外觀形貌如圖6所示，焊接過程中示波器隨機捕捉的電流波形如圖7所示。實際焊接過程中弧長穩定，沒有頂絲和回燒現象，并且飛濺現象極少發生，在沒有擺動電弧情況下，焊縫魚鱗紋較為均勻。

4 結論

（1）基于軟開關全橋逆變主電路結構，以ARM芯片STM32F407最小系統為核心，經過簡單外圍電路設計完成了脈沖MIG焊機的研制。

（2）焊接工藝試驗表明，采用電流和電壓雙閉環控制方式設計的脈沖MIG焊機具有較好的弧長調節能力，焊縫質量可滿足焊接要求。

（3）基于等速送絲和占空比調節方式控制弧長能夠以較低的成本實現脈沖MIG焊機的開發，為傳統MIG焊機升級提供了一種新的思路。

參考文獻：

[1] 陳克選，李述輝，張世勤，等. 基于80C196KC的脈沖MIG焊機的研究[J]. 電焊機，2012，42（3）：39-43.

[2] 高原，邱新蕓，汪晉寬. 峰值電流控制開關電源斜坡補償的研究[J]. 儀器儀表學報，2003，24（4）：118-120.

[3] STM32F4xx中文參考手冊[M]. STMicroelectronics group of companies，2013

[4] 潘永雄. 開關電源技術與設計[M]. 西安：西安電子科技大學出版社，2016.

[5] 張占松，蔡宣三. 開關電源的原理與設計（修訂版）[M]. 北京：電子工業出版社，2004.