CO2焊接逆变电源及其智能模糊控制

上，实施适智能控制方案。

图3微机控制焊接逆变电源

3．1自由过渡的弧长控制

　　根据开环试验粗选的焊接送丝速度与电流，系统在焊接中因扰动导致弧长不稳定，通过焊接电压反馈和模糊控制调节，控制器采用单片机构成和实现。

设燃弧电压偏差为E，燃弧电压偏差变化率为EC，焊接电流调整量为△I，选取其论域、模糊语言变量,按照正态分布确定隶属函数。燃弧电压偏差考虑了熔滴尺寸造成的波动，有助于克服电弧暴躁。根据经验确定规则，然后按照FUZZY推理合成规则计算出模糊关系矩阵，选用加权平均法解模糊，构成控制系统查询表。它实时处理速度快，反映了模糊控制并行处理、适应性强的特点。

E={NB、NM、MS、NO、PO、PS、PM、PB}

EC={NB、NM、NS、0、PS、PM、PB}

△I={NB、NM、NS、0、PS、PM、PB}

基本模糊器设计有主观性，要根据试验来确定，且不是唯一的，以达到较满意的控制效果为目标。由于电压的偏差考虑了瞬时熔滴过渡，是符合实际特点的。同时，软件设定了电压门限，当偏差过大时电流下降到维弧电流，当接近短路时则进行短路控制。

图4 弧长模糊控制原理

3．2短路过渡的过程控制

短路过渡的控制可分为两个层次，一是仅对短路过程本身的控制，二是通过短路频率控制保证稳定性。这里首先讨论短路过程控制。

短路过渡是短路和燃弧的交替过程。短路期间实际上是控制电流上升，燃弧期间才是控制弧长，即电弧电压控制。与传统控制方法相比，这是分时控制。短路期间的电流控制原理可根据电弧物理状态而进行，但实际上由于逆变器短路时间常数（L/Rsc）大，因此尚难得到理想效果。为了简化设计，采用了短路后电流不变，延时（1ms）后控制电流上升率。在燃弧期间，通过电弧电压反馈和模糊控制，调整电流来控制弧长，方案与上相同。

但是，由于焊接过程的随机性，仅对短路过程本身控制还不够。在给定的弧压控制下，扰动将引起短路频率变化。因此，还需引入短路过渡的频率控制。

3．3短路过渡的频率控制

以短路频率给定为目标，实际短路频率偏差E，偏差变化率EC，用单片机实现模糊控制器，控制量为燃弧电压给定值△U。然后，在上述弧压控制过程中，实现逆变器的电流调整。这是一种间接控制。考虑这一控制的低频特点，约0.25s进行一次修正，计算量较少。为了便于灵活调整，未采用固定的模糊控制表，而是采用了具有修正因子的控制器。

△Ug=αEi＋(1－α)ECi

其中0α 1， i取 遍 所 有 量 化 等 级 。

这种方法不仅简单灵活，而且有明显的物理意义。它模仿了人工操作手动控制的思维特点，修正因子的大小表示对偏差和偏差变化率所加的权重。同时，反映了人工思维过程的连续性和瞬时单值性特点，而且可避免控制规则可能的不平滑性。修正因子的大小可通过多次试验和离线调整选择。

　　考虑到电弧过程的影响因素复杂和时变特点，上述完全根据试验建立的模糊控制系统应该引入一定的适应能力。当误差较大时，系统控制量应加大比例成分、减少微分分量以提高响应速度，即应取较大的α。否则相反。根据这一想法，在对修正因子有一定约束的条件下，采用线性插值的方法，调整控制因子。

α=[(αH－αL)Ei/m]＋αL

αH、αL分别为α的最大和最小取值，m为量化等级数。

可看出，该方法避免了复杂的计算过程，只需经过简单的比较及加减法即可，便于单片机实现。在上述公式中，通过实时修正控制因子，达到自学习目的。

3．4双旋钮自适应调节方式

在焊机面板上，设定两个电位器。一个为名义平均电流，设定送丝速度。另一个为名义平均电压，设置电弧状态，当自由过渡时是弧长（弧压），当短路过渡时是频率。其大小决定自由过渡或短路过渡焊接模式，从而选取不同的控制参数和策略方法。查表确定焊接电流初值，通过智能控制，调整焊接电流，实现对电弧和熔滴过渡的控制。

与普通CO2的一元化控制不同，该系统可由操作者选择，实现了电弧状态可控，而不是局限于某一状态，同时又实现了智能化的自适应控制。可称之为“双旋钮自适应调节”。

4试验结果

采用这种自行研制的IGBT逆变电源进行了CO2气体保护焊接，焊丝为直径0.8mm的H08Mn2Si覆铜焊丝，分别采用了200A拉丝焊枪和S86A推丝式送丝机进行焊接试验。

模糊控制的自由过渡，提高了弧长稳定性，同时电弧柔顺，焊接过程几乎无飞溅，成型良好。在平焊位置，具有最好效果。智能模糊控制的短路过渡，飞溅较自由过渡略有增加，但过程稳定。可控短路频率约80Hz。在较低频率，半自动焊能获得最佳效果，可以获得细密的焊缝而无粗大