1 引言

??? 脈沖MIG焊以其在較大電流調節范圍內均能夠實現射滴過渡、軸向性好，適用于全位置焊接、熱輸入量方便可調以及焊接質量好等優點，受到國內外廣大焊接工作者的關注。軟開關技術采用諧振變流技術，其特點是功率器件在零電壓和零電流條件下自然開通和關斷。它從本質上克服了硬開關型弧焊電源的缺點，在較大程度上解決了功率開關損耗過大的問題。根據脈沖MIG工藝要求，設計了基于80C196KC控制的軟開關型脈沖MIG焊機，峰值、基值電流調節范圍為20～500 A，輸出空載電壓70 V，熔滴過渡方式為射滴過渡，焊接參數獨立可調。

2 總體設計

??? 軟開關型脈沖MIG焊接電源系統整體結構如圖1所示，由主電路、控制電路、驅動電路3個主要部分組成。系統采用目前較為常用的AC／? DC／AC／DC的逆變模式，脈沖開關信號來自單片機給出的控制指令，經驅動和放大后，為功率開關管提供固定頻率為20 kHz的高頻脈沖開關信號。在峰值電流期間，采樣實際輸出的峰值電流，經A／D轉換后送入單片機與給定的峰值電流進行比較，單片機根據兩者間偏差進行離散PI運算，得到1個控制參量，利用該控制參量實時調整20 kHz高頻控制脈沖的寬度，使輸出峰值電流與給定峰值電流相等；在基值電流期間，采用同樣的方法，使輸出基值電流與給定基值電流相等。

3?電源主電路設計

3．1 主電路工作原理
??? 全橋軟開關型逆變電源主電路結構如圖2所示，主要分為：抗共模濾波、三相整流濾波、全橋逆變、功率變換和輸出整流濾波5部分。

3．2 全橋軟開關的工作原理
??? 逆變電路采用軟開關全橋逆變電路，由4個IGBT開關管(VT1～VT4)，4個反并聯二極管(VD1～VD4和外加IGBT吸收電容C3，C4組成，L4為諧振電感，C12為阻斷電容。其控制原理與常規移相PWM控制原理相同，在大范圍內也是PWM控制。IGBT驅動波形如圖3所示。

??? 在t0時刻前，VT1，VT4兩個IGBT導通，此時電流由A流向B，在t0時刻，VT1提前關斷，此時電容C3，C4開始充放電，此時VT2的管壓降迅速降低，由于C3，C4容量極小，故在很短的時間內(t2時刻到來前)，VT2的管壓降降為零，與其并聯的逆導二極管VD2導通，此時電流流向為C4→L4→C12→T1→VT4，由于初級電流衰減，流過VD2的電流也迅速降為零，飽和電感L4阻斷電流反向增加，同時阻斷電容C12上的電壓迅速升高，使初級電流保持為零。故在t1時刻，滯后臂上的VT4是在零電流狀態下關斷的；在t2時刻，VT2在零電壓、零電流狀態下導通。同理，在t3時刻，VT2提前關斷，C3，C4又一次開始充放電，此時電流流向是VT3→T1→C12→L4→C4，在極短的時間內C4充電完成，其電壓與前端的正電壓相等，此時L4再次反方向的產生阻斷電流，阻斷電容此時反方向充電，產生反方向高壓來阻止初級電流，故在t4時刻，滯后臂上的VT3在零電流狀態下關斷；在t5時刻，VT1在零電壓、零電流狀態下導通。
??? 綜上所述，超前臂實現零電流零電壓開關(ZVZCS)，滯后臂實現零電流開關，從而整個軟開關逆變電路實現了ZVZCS。

4?電源控制系統設計

4．1 控制系統工作原理
??? 在單片機閉環控制系統中，采用高性能的MCS-96系列單片機80C196KC作為電源控制系統核心，通過編程實現焊接過程控制、電流電壓采樣、A／D轉換、PI運算、參數預置等功能。整個系統采用閉環負反饋控制，逆變采用PWM方式控制輸出電流的大小，控制量經由MAX530組成的D／A轉換電路后送到脈寬調制芯片UC3846，輸出自帶死區的兩路PWM驅動信號，經過脈沖變壓器的隔離驅動IGBT，輸出恒流外特性。
4．2 IGBT驅動波形
??? 圖4為實測IGBT驅動波形，其中圖4a為同一橋臂VT1，VT2上的驅動波形ugVT1，ugVT2，由圖可知，兩路驅動波形相位相反，脈寬相等，與預期的目標相同。圖4b為同一導通回路VT1，VT4上的驅動波形ugVT1，ugVT4，即ugVT4一直保持最大脈寬，通過控制ugVT1脈寬來實現PWM調節。圖4c為VT2，VT3上的驅動波形ugVT2，ugVT3。圖4d為VT3，VT4上的驅動波形ugVT3，ugVT4。由圖可見，ugVT3，ugVT4一直保持最大脈寬，只有ugVT1，ugVT2的脈沖寬度是跟隨PI計算后的給定值而變化的，符合所設計的軟開關主電路要求。

5 控制系統軟件設計

??? 控制系統是在系統軟件的控制下工作的，控制程序作為整臺焊機的精髓所在，其結構的合理性、程序的實用性以及可靠性就成為數字化焊機的關鍵所在。合理的程序結構、正確的程序流程是保證焊機正常工作的基礎。
5．1 PI控制算法
??? PI運算是控制軟件部分主要完成的工作之一，數字PID控制算法的程序編寫較為簡單，根據所設計焊機的具體要求，并結合以往的研究結果，系統有比例、積分環節即可得到滿意的控制效果，加入微分項可以提高系統的動態品質，但其運算和參數調整較為復雜，會占用單片機過多的時間，降低了響應的快速性。故此處采用PID算法中的PI部分，其控制規律為：
????
??? 式中：α=K(1+T／Ti)，β=-K；ei，ei-1分別為第i次和第i-1次電流給定值與反饋值之差；I(i)，I(i-1)分別為第i次和第i-1次輸出給MAX530的控制參量；α，β的值是通過大量實驗整定后確定的。

5．2?焊接過程時序控制
??? 根據焊接工藝要求，焊接過程中各個工序要按順序執行。其時序控制如圖5所示。

5．3 軟件抗干擾措施
??? 雖然在主電路以及控制電路中都采取了抗干擾措施，但是干擾信號只是在一定程度上減弱，不可能完全消除的。因此，仍會有一些干擾能夠侵入到單片機系統中，我們在硬件抗干擾措施的基礎上又有意識的采取了幾種軟件抗干擾措施：監視時器、冗余指令、數字濾波等。

6 系統調試

??? 為檢驗前述設計的硬件電路以及軟件程序，需對硬件電路以及軟件程序進行整機調試，以檢驗其是否符合設計要求。針對整機試驗中的各個問題進行分析與改進，進一步完善系統的設計。
??? 空載測試通過后，對焊機進行靜負載試驗。將焊機輸出接到負載箱上，面板給定基值與峰值電流相同，即焊機處于恒流輸出狀態，通過改變負載箱的電阻值測試焊機外特性，根據測試數據繪制焊機外特性曲線。圖6a為給定65 A時測定的焊機輸出外特性曲線。

??? 圖6b為對5 mm厚Q235A碳鋼進行手工焊接過程的脈沖電壓波形。其焊接條件為：焊絲直徑1．2 mm，峰值電流180 A，基值電流50 A，占空比為30％，頻率為50?Hz，送絲速度為4．5 m·min-1。
??? 在上述參數下焊接，過程穩定，飛濺較少，實現了射滴過渡，達到了最初設計目的，焊縫成型較好，熔深較大，對5 mm厚的板材可一次性焊透。

7 結論

??? 焊機主電路采用軟開關IGBT式全橋逆變結構，經試驗表明，硬件電路結構設計合理，性能穩定，實現了零電流、零電壓開通與關斷；采用以80C196KC單片機為核心的控制系統，并配以集成度高的專用芯片進行控制，在各個環節采取了多種抗干擾和保護措施；采用匯編語言編程，軟件指令執行效率高、速度快，并設有軟件抗干擾措施。最后進行了焊接試驗，試驗結果驗證了控制系統的設計符合要求，實現了穩定的脈沖MIG焊，并能滿足脈沖MIG焊接工藝的要求。