点击加入“对话·焊接智能”专题栏目

《电焊机》杂志年第6期PDF完全版

领取方法见文末↓↓↓

本文参考文件引用格式：王振民，唐嘉健，罗犇德，等.大功率互换脉冲埋弧焊接电源波形遏制战术探索[J].电焊机，,51(7):1-5.

做家：王振民1,2，唐嘉健1，罗犇德1，饶杰1，林三宝2，徐孟嘉1（1.华南理工大学呆板与汽车工程学院；2.哈尔滨产业大学先进焊接与毗连国度中心实习室）

纲要：波形遏制有益于改良互换埋弧焊接品质，但其对埋弧焊接电源的极性切换速率、过零点稳弧以及动态呼应速率等均有着极高的请求，尤为在大电流互换脉冲埋弧焊接工况下的完竣难度极大。为此，提议两种大功率互换脉冲埋弧焊接电源的优化遏制战术，囊括：次级逆变的临界直通战术，可加快互换输出时的极性切换速率；PI分别式遏制算法，可提升焊接电源动态波形输出功能。经过模态解析和SMIULINK模子仿真办法，对所提议的优化遏制战术举办了有用性解析，并将所提议的优化战术在所研发的大功率互换脉冲埋弧焊接电源系统长举办了实习考证。成效讲明，提议的波形遏制战术可有用提升埋弧焊接电源的极性切换速率，同时可抑制繁杂波形的电流超调、稳态差错和波形震动。

关键词：埋弧焊；方波脉冲；极性切换；PI分别

/0序论

埋弧焊具备焊缝熔深大、熔敷速率快、主动化水平高的特征，在中厚板长焊缝的焊接畛域中有着较为普遍的运用。为获得更高的焊接效率，埋弧焊一般做事于大电流、高速率的形态之下，不单轻易致使焊缝晶粒粗化，还会增大焊缝中气孔、热裂纹等弊端浮现的几率，低落焊缝的力学功能[1]。GMAW（溶化极气体掩护焊）的阅历讲明，经过波形遏制能够影响电弧焊时的熔滴过渡，从而影响焊缝成形品质[2]。SenguptaV和MendezP经过实习发觉，互换方波有助于加快埋弧焊的焊丝溶化速率，并加大熔池纵向开垦的深度[3-4]；ReisgenU的实习成效讲明，脉冲电流可低落埋弧焊熔滴中的氢分散率，节减焊缝氢致裂纹的产生[5]；王占英等人的实习成效讲明，必要的脉冲频次可加大埋弧焊缝的熔深和熔宽，抑制焊缝咬边，同时细化焊缝晶粒[6]。因而，采取互换与脉冲相贯串的繁杂波形希望进一步提升埋弧焊的焊接效率，优化埋弧焊的焊接品质。

由于埋弧焊一般在大电流下焊接，而在大电流下完竣多种波形的优化输出对焊接电源的极性切换速率、过零点稳弧、动态呼应速率、波形调控本事等均有着极高的请求，完竣难度极大，当前国表里仍未见对大功率互换脉冲埋弧焊接电源的联系探索报道。针对该困难，文中提议了两种焊接电源输出遏制的优化战术，并将其运用于自行计划的埋弧焊接电源中，可完竣多种大电流互换脉冲波形的柔性输出和精密遏制。

/1　次级逆变临界直通战术

研发的埋弧焊接电源主电路次级拓扑如图1所示，双路全波整流配归并联的半桥逆变布局可完竣大电流变极性输出。由于耦合电感的双向续流影响，在极性切换期间若输出电流没有产生衰减，那末在次级逆变正负电通畅道切换完竣后，反向电流能够在极短光阴内敏捷抵达极性切换前的电流值，使电流极性在极短光阴内完竣切换[7]。

但是功率回路中的电气元件并非愿望器件。如正极性切换至负极性，当IGBT1、IGBT2关断IGBT3、IGBT4开明时，由于IGBT存在开关延时，纵使次级逆变启动记号不存在死区光阴，依旧会存在某个片刻的光阴区间IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4均处于高阻态，此时输出端可视为断开，输出电流极速衰减，这不单会影响极性切换速率，况且高额的di/dt与电感耦合还会形成极大的电压应力胁迫器件的平安。

为保证极性切换速率，并低落极性切换时的电压应力，提议了一种次级逆变临界直通战术：经过增大栅极关断电阻减速IGBT的关断速率，使得IGBT3、IGBT4开明完竣以前IGBT1、IGBT2仍处于导通电阻较小的形态，如图2所示，此时次级逆变处于一种临界直通形态，次级回路电流经IGBT1、IGBT2不单从负载流过，还可从IGBT3、IGBT4流过。因同时存在两条电流回路且回路电阻较小，因而电流衰减较少，可保证互换极性切换的速率[8]，同时还能抑制电流变动所引发的电压应力对IGBT等器件形成的影响。但次级逆变IGBT的关断速率不成太过减速，一旦关断速渡过慢或许会形成次级逆变加入真实的直通形态，使得负载被短路输出电流降为0，致使断弧。

/2PI分别式遏制算法

2.1PID算法优化

遏制系统设定好预期对象值后，闭环反应回路将管教好的采样值传入到PID遏制算法中举办祈望，经过调整低级逆变占空比使输出电流慢慢迫近对象值，完竣对输出电流的高速精确调控。

典范的增量式PID公式如式（1）所示，相较于地位式PID其祈望繁杂度大大低落，能够优异地运用于微管教器上，提升祈望速率[9]。但是电源主电路并非愿望的电气回路，输出繁杂波形时经常的波形变动与电路中杂散参数耦合极易形成超调、摇动、延时、稳态差错等波形畸变。典范的增量式PID在处分这些题目时呈现乏力，因而提议了改良后的PI分别式遏制算法。

由式（1）可知，积分份量（KI）经过不休积累输出差错增大遏制量以迫近预设对象值，消除系统静态差错。但焊接系统输出呼应具备滞后性，输出量没法准时反响遏制量的变动景况，在大差错阶段，输出差错会过多积累，使得遏制量Δuk极大增进，引发输出超调。在输出繁杂波形时，积分份量的差错过多积累景况会越发严峻，引发严峻的超调并形成后续的波形震动。为改良这一处境，在式（1）的根底上引入积分分别的办法，如式（2）所示，在大差错阶段大幅撙节积分份量，节减不需要的差错积累；在小差错区间复原寻常积分，抑制稳态差错的浮现[10]。

不过，积分份量节减将会致使系统输出的呼应速率较大幅度降落。由式（1）可知，今朝差错值大于上一次差错值时，可取得正向比例增量（KP），反之为负。遵循该性格，进一步引入了比例分别的办法，如式（3）所示。以对象值增大为例，在对象值切换刹时，增大KP可取得极大的系统初始增量；跟着输出值慢慢迫近对象值，比例份量动弹成负，经过减小KP来抑制遏制量的衰减；逼近稳态阶段时大幅减小KP，精密化调控输出波形的同时减小震动的产生。

2.2　系统模子搭建

为考证上述理论，在SIMULINK中搭建两个焊接电源闭环反应系统举办仿真测试相比，如图3所示。

图3a为典范PID遏制系统。为使仿真模子能够越发可靠地反响焊接电源理论输出景况，举办了以下计划：将输出电流差错值举办12位数字调动，使其与ADC精度一致；PI步骤经过维持器和以后模块完竣20?kHz的割裂化增量调控，PI参数经调整设定为（1.5,0.08）；将PI步骤祈望成效举办最大、最小值限幅，以摹拟焊接电源低级逆变的死区光阴和最小脉宽，并将所得值与20?kHz的锯齿波举办较量输出，可得低级逆变PWM仿真记号[11]；粗心电气回路中部份杂散要素，PWM记号与空载电压乘积即为次级整流输出端电压记号，后续的LR步骤中因寄生电容的影响可祈望取得二阶传送函数；反应步骤为ADC采样滤波模块，由二阶滤波系统和ADC采样调动滞后步骤构成[12]。

图3b为PI分别式遏制系统，以典范PID遏制系统为根底在PI步骤中别离列入了输出差错决断：①当差错值绝对值大于15%对象值时，KI=0.01；差错值小于15%对象值时，KI=0.08；②当差错值绝对值大于90%对象值时，KP=2；当差错值绝对值大于15%对象值并小于90%对象值时，KP=1.6；当差错值绝对值小于15%对象值时，KP=1.3。

2.3　仿真测试

采取所搭建的两个焊接系统模子举办相比仿可靠验。此中图4为?A阶跃电流仿真输出波形，参数丈量成效如表1所示。由丈量数据能够发觉，相较于典范PID遏制系统，PI分别式遏制系统纵使激昂光阴略慢，但电流超调量显著低落，且抵达稳态值所历光阴更短，无显然的波形震动和稳态差错，阶跃性格优异。为进一步测试两个系统的动态呼应差别，对两个系统举办脉冲输出仿真测试，设定脉冲峰值为?A，脉冲基值为?A，脉冲频次50?Hz，占空比50%。仿真输出波形如图5所示，输出脉冲安稳后的参数丈量成效如表2所示。

能够发觉典范PID遏制系统在输出脉冲峰值时超调量较大，调整速率较慢；在输出脉冲基值时超调量极大，调整速率极慢。而PI分别系统关于脉冲峰值和脉冲基值的电流超调均有着安稳而优越的抑制功效，且抵达稳态所需的调整光阴更短，输出的脉冲波形更为规整，动性格呈现更为优越。

/3　实习考证

3.1　输出波形测试

以仿真优化遏制参数为教导，运用自行研发的MZ-埋弧焊接电源举办繁杂波形输出实习考证，实测波形如图6所示。

图6a为?A阶跃记号测试波形，实测电流最大超调13.25%，激昂光阴.54?μs，调整光阴1.8?ms，未窥察到显然的稳态差错和波形震动。

图6b为互换方波形式下测得的输出电流波形，设定正向电流峰值1??A、反向电流峰值1??A、互换频次50?Hz、互换占空比50%、理论有用值1??A。实测电流最大正向超调3.8%，最大反向超调4.8%；电流有用值.6?A，差池值1.24%；正反向切换光阴.96?μs，切换速率高达5.81?A/μs。

图6c为变极性双脉冲形式下测得的输出电流波形，设定正向电流峰值?A、正向电流基值?A、反向电流值?A、互换频次60?Hz、互换占空比50%、脉冲频次10?Hz、理论有用值?A。实测电流最大正向超调6.2%，反向最大超调14%；电流有用值.6?A，差池值1.34%。

图6d为变极性中值脉冲形式下测得的输出波形，设定正向电流峰值?A、正向电流基值?A、反向电流值?A、互换频次50?Hz、互换占空比70%、脉冲占空比50%，理论有用值.5?A。实测最大正向超调4.3%、最大反向超调8.1%；电流有用值.22?A，差池值0.2%。

由上述实习数据和实习波形可知，优化后的埋弧焊接电源电流激昂速率和极性切换速率均特别快，并能在输出互换脉冲波形时有用抑制电流超调，电流波形中均未窥察到显然的稳态差错和波形震动。输出电流有用值差池较小，输出波形特别规整。

3.2　焊接工艺实习

将所研发的大功率互换脉冲埋弧焊接电源与埋弧小车集成，搭建了埋弧焊接工艺平台，举办变极性双脉冲焊接实习。实习采取直径3.2?mm的H08A焊丝、HJ焊剂，焊接试板为板厚8?mm的QF、小车行走速率54?cm/min；设定变极性双脉冲正向峰值?A、正向基值?A、反向峰值?A、互换频次45?Hz、互换占空比70%、脉冲频次5?Hz。实习成效如图7所示，焊缝成形平均，鱼鳞纹稠密且明晰，未发觉显然的咬边弊端，焊接功效优异。

/4　论断

（1）采取耦合电感合营次级逆变临界直通战术可有用加快焊接电源互换极性的切换速率，±1?A下切换光阴仅用.96?μs，可有用提升互换埋弧焊时电弧的安稳性及互换波形品质。

（2）PI分别式遏制算法联系于典范的增量PID算法具备更好的动态输出遏制功能，在保证电流激昂速率的同时，还可有用抑制电流超调、波形震动和稳态差错的产生，极地面提升了大功率埋弧焊接电源的互换脉冲电流波形的输出德行。

参考文件：

[1]华夏呆板工程学会焊接学会.焊接办册第1卷[M].北京：呆板产业出书社，:81-.

[2]孟疌.GMAW-P脉冲参数与熔滴过渡及焊缝成形相干建模及解析探索[D].上海：上海交通大学，.

[3]SenguptaV,MendezPF.EffectofCurrentonMetalTransferinSAW,Part2:AC[J].WeldingJournal,,96(7):-.

[4]MendezPF,GoettG,GuestS.High-speedvideoofmetaltransferinsubmergedarcwelding[J].WeldingJournal,,94(10):-.

[5]ReisgenU,SchaFerJ,WillmsK.Analysisofthesubmergedarcin

转载请注明:http://www.aideyishus.com/lkzp/1018.html