全自動(dòng)對(duì)接焊控制系統(tǒng)是在國(guó)產(chǎn)電子式交流（50Hz）自動(dòng)對(duì)焊機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行研制的，主要由智能控制箱、小型焊接機(jī)頭和逆變弧焊電源三部分構(gòu)成。本系統(tǒng)將原分立元件電子式控制系統(tǒng)改為由C8051F021單片機(jī)和可編程邏輯器件（CPLD）進(jìn)行控制，在原電壓檢測(cè)的基礎(chǔ)上增加了電流檢測(cè)等環(huán)節(jié)，采用PWM控制的高頻逆變電源經(jīng)整流為直流焊接來(lái)代替50 Hz的工頻焊接電源，使得弧焊電源的體積、重量大大減小，直流焊代替了交流焊，系統(tǒng)的全過(guò)程包含引弧、熔化、擠壓和保溫四部分，整個(gè)工作過(guò)程實(shí)現(xiàn)了智能型全自動(dòng)。系統(tǒng)的總框圖如圖1所示。

1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理

美國(guó)Cygnal公司C8051F02X系列單片機(jī)是集成在一起芯片上的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)。該單片機(jī)具有32/64位數(shù)字I/O端口（引腳）、25MIPS高速流水線式8051微控制器內(nèi)核、64KB在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器、64KB地址的外部存儲(chǔ)器接口、4352（4096+256）B片內(nèi)RAM、各自獨(dú)立的SPI、SMBUS/I2C和兩個(gè)UART串行接口等特點(diǎn)。其最突出的優(yōu)點(diǎn)就是，通過(guò)設(shè)置交叉開(kāi)關(guān)寄存器控制片內(nèi)數(shù)字資源映射到外部I/O引腳，這就允許用戶(hù)根據(jù)自己的特定應(yīng)用，選擇通用I/O端口和所需要數(shù)字資源。

控制系統(tǒng)的CPU采用C8051F021單片機(jī)[4].C8051F021是使用Cygnal的專(zhuān)利CIP-51內(nèi)核，與MCS-51指令系統(tǒng)完全兼容；采用流水線結(jié)構(gòu)，大大提高了指令運(yùn)行的速度，最大速度可達(dá)25 MIPS;提供22個(gè)中斷源、片內(nèi)獨(dú)立工作以增加SoC芯片的功能。

C8051F021內(nèi)部集成了功能強(qiáng)大的ADC子系統(tǒng)，其中包括1個(gè)9通道的模擬多路開(kāi)關(guān)、1個(gè)可編程增益放大器和1個(gè)采樣率為100 KS/s、12位分辨率的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，C8051F021具有4個(gè)8位的I/O端口，每個(gè)端口引腳都可以由程序配置為推挽或漏極開(kāi)路輸出。

1.1 測(cè)量電路

直流焊接電流的測(cè)量。隨著逆變技術(shù)的廣泛應(yīng)用，弧焊電源的工作頻率也不斷提高，本文采用分流器，能將750 A的直流電流轉(zhuǎn)換成75 mV的電壓，但直接將此電壓送到單片機(jī)ADC的輸入端，效果及抗干擾能力都較差，因而在75 mV電壓與單片機(jī)ADC端之間加入一個(gè)由運(yùn)放構(gòu)成的同相比例電路，將75 mV變成5 V電壓，以適合A/D轉(zhuǎn)換的要求，同時(shí)提高抗干擾能力；（2）直流電壓的測(cè)量。本文采用雙光耦、雙運(yùn)放組成的光耦隔離傳輸電路，如圖2所示。雙運(yùn)放構(gòu)成2個(gè)電壓跟隨器，該電路利用T4、T5電流傳輸特性的對(duì)稱(chēng)性和反饋原理，可以很好地補(bǔ)償它們?cè)瓉?lái)的非線性，該電路的線性誤差不超過(guò)0.2%.T4和A1為輸入級(jí)，T5和A2為輸出級(jí)，電路的傳輸系數(shù)為K=R25/（R23+RW1），合理地選擇2個(gè)電阻值。

1.2 輸出驅(qū)動(dòng)電路

焊機(jī)機(jī)頭的上升、下降由驅(qū)動(dòng)電路控制焊機(jī)機(jī)頭夾具上的伺服電機(jī)來(lái)完成。其中共有3個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，結(jié)構(gòu)如圖3所示。采用低電平有效方式驅(qū)動(dòng)負(fù)載，由于單片機(jī)的P1口帶負(fù)載能力有限，故加入一個(gè)反相器緩沖后推動(dòng)光耦，作用是防止后向通道對(duì)單片機(jī)的干擾。R4為限流電阻。P1.0控制繼電器驅(qū)動(dòng)接觸器的線包，在其控制繼電器線包上并聯(lián)一個(gè)發(fā)光二極管用作指示，P1.1和P1.2控制繼電器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)焊頭夾具的上升、下降，KF和KZ能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖。

2 弧焊電源電路的組成及原理

根據(jù)正弦波分析變壓器的基本公式：

U=4.44fNSBm （1）

式中，S為鐵芯截面積，Bm為磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值。

顯然，變壓器的重量、體積與NS有關(guān)，而NS與f又有直接的關(guān)系。由式（1）可得：

NS=U/4.44 fBm （2）

當(dāng)取Bm為一定值時(shí)，若使頻率從工頻提高到20 kHz,則繞組匝數(shù)與鐵芯截面積的乘積將減小，而主變壓器在弧焊逆變器中所占的重量為1/3~2/3.因此，使得整機(jī)重量、體積顯著減小，同時(shí)，銅和鐵的電能損耗將隨著需用材料的明顯減少而大為降低。

2.1 高頻逆變電路的組成

高頻逆變電路采用半橋式逆變電路，如圖4所示。高頻逆變電路的輸入是經(jīng)整流濾波后的直流電壓U1,該電路由2只容量耐壓相同的電容器C1、C2和2只型號(hào)一致的IGBT管VT1、VT2組成一組電橋。輸入電源電壓U1加在電橋?qū)蔷€的兩端點(diǎn)a、b上，而高頻變壓器TR的原邊繞組則接在電橋另一對(duì)角線的兩端點(diǎn)c、d上，副邊繞組則是一個(gè)帶中心抽頭的全波整流電路。VT1、VT2交替導(dǎo)通，完成DC-AC的逆變過(guò)程，其逆變頻率為20 kHz.逆變器的輸出由二極管VD1、VD2組成的全波整流電路及直流輸出電感L濾波，再變?yōu)橹绷麟娪糜诤附印Ｆ渲蠽D1、VD2是快速恢復(fù)二極管。

圖4的電路是半橋式逆變電路，具有開(kāi)關(guān)器件少、開(kāi)關(guān)電壓不高、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單及成本低的特點(diǎn)。橋臂電壓的輸出頻率和開(kāi)關(guān)頻率相同，變壓器利用率比單端式輸出高，易輸出較大功率。

2.2 PWM脈沖形成原理[8-9]及實(shí)現(xiàn)

PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。

目前，逆變電源常常使用專(zhuān)用的芯片如TL494、SG3525等來(lái)產(chǎn)生PWM波形，并通過(guò)反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM波形的寬度調(diào)節(jié)，從而獲得穩(wěn)定輸出。當(dāng)控制電路設(shè)計(jì)完成后，就是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，調(diào)節(jié)、控制方式都不能更改，使得系統(tǒng)的總體協(xié)調(diào)功能差?；?a href="http://www.www27dydycom.cn/v/tag/10980/" target="_blank">微機(jī)控制的逆變系統(tǒng)主要采用單片機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）控制，采用單片機(jī)的系統(tǒng)若使用定時(shí)器產(chǎn)生PWM,由于中斷的特點(diǎn)，輸出的PWM的脈寬容易發(fā)生改變，單片機(jī)對(duì)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的實(shí)時(shí)性差，因此，單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)一般需要外接產(chǎn)生PWM的芯片，單片機(jī)主要用于協(xié)調(diào)系統(tǒng)的工作及輸出顯示。

通常利用IGBT構(gòu)成高頻逆變電源的主電路工作頻率為20 kHz,則其工作周期為50 000 ns,對(duì)于第四代IGBT,考慮其死區(qū)時(shí)間要求，雙路PWM脈沖的占空比最大值為80%,因此，單路PWM脈沖即每組橋臂IGBT最大的導(dǎo)通時(shí)間為：50 000×0.4=20 000 ns,每路PWM之間的死區(qū)時(shí)間為：50 000×0.1=5 000 ns.如果CPLD/FPGA外接20 MHz的晶振時(shí)鐘周期為50 ns、工作頻率為20 kHz的高頻逆電源的工作周期為50 000 ns,共有1 000個(gè)時(shí)鐘周期，因此，雙路PWM占空比的調(diào)節(jié)精度為0.2%,所以，采用CPLD/FPGA的逆變系統(tǒng)，可以方便地通過(guò)改變外接的晶振頻率來(lái)調(diào)整PWM占空比的調(diào)節(jié)精度。

數(shù)字化弧焊逆變電源的輸出電壓、電流采樣后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)控制算法計(jì)算PWM的脈沖寬度，并將其送至CPLD.CPLD根據(jù)單片機(jī)送入的值生成相位差180°、帶死區(qū)時(shí)間和最小脈寬限制的兩路IGBT驅(qū)動(dòng)脈沖，驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比隨單片機(jī)計(jì)算并輸出的脈沖寬度值做相應(yīng)的變化。為了便于對(duì)數(shù)字化焊機(jī)的過(guò)載情況進(jìn)行監(jiān)控并能夠在有效時(shí)間內(nèi)采取保護(hù)控制措施，在數(shù)字PWM芯片上設(shè)計(jì)了針對(duì)過(guò)流、欠壓等情況下，封鎖PWM脈沖輸出的功能。PWM仿真波形圖如圖5所示。en為PWM脈沖輸出總使能控制端，module為脈沖寬度數(shù)據(jù)輸入端，用以連接微控制器的數(shù)據(jù)總線；CLK信號(hào)為時(shí)鐘信號(hào)輸入端，它是整個(gè)數(shù)字PWM芯片控制的基準(zhǔn)或節(jié)拍，對(duì)輸出精度及穩(wěn)定性起著決定性的作用。pwm1和pwm2為PWM脈沖輸出端，輸出相位差180°的兩路輸出驅(qū)動(dòng)脈沖。

從仿真波形圖可以看出：輸出波形的周期為50 μs;當(dāng)單片機(jī)輸出的數(shù)據(jù)值不同時(shí)，PWM的寬度也不相同。圖中先后輸出的數(shù)據(jù)分別為12、120、50,對(duì)應(yīng)的脈沖寬度不相同，在前20 μs,使能端en為低電平，單片機(jī)的數(shù)據(jù)不能傳輸?shù)娇删幊踢壿嬈骷校瑒t無(wú)脈沖輸出；輸出協(xié)同信號(hào)syn,反饋給單片機(jī)作為同步信號(hào)用。

3 系統(tǒng)軟件的編制

采用C8051F021單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，外擴(kuò)鍵盤(pán)、顯示電路。鍵盤(pán)對(duì)不同的焊接鋼筋直徑（Φ8 mm~Φ40 mm）進(jìn)行設(shè)置，顯示電路可顯示焊接鋼筋直徑和當(dāng)前焊接電壓。這些外擴(kuò)電路與單片機(jī)的接口都較簡(jiǎn)單，不需要附加其他器件。

C8051F0201器件是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片， 具有64 個(gè)數(shù)字I/O 引腳 （C8051F020/2）或32 個(gè)數(shù)字I/O 引腳（C8051F021/3）。

為了調(diào)試方便，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序時(shí)，采用"模塊化"形式，其主程序流程圖如圖6所示，由鍵盤(pán)掃描、查表、數(shù)制轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換、延時(shí)、報(bào)警、工作程序等子程序組成，其中工作程序是核心，其他子程序是為其服務(wù)的。系統(tǒng)采用電壓、電流雙閉環(huán)，結(jié)合軟件處理作為引弧是否成功、熔化量是否適中的判斷依據(jù)，從而解決目前產(chǎn)品中存在的問(wèn)題。單片機(jī)根據(jù)測(cè)得的電壓、電流值首先對(duì)系統(tǒng)的引弧進(jìn)行判斷，當(dāng)電壓過(guò)大、電流過(guò)小時(shí)，控制夾具下降；當(dāng)電壓過(guò)小、電流過(guò)大時(shí)，控制夾具上升；當(dāng)電壓等于零或電流趨于無(wú)窮大時(shí)，即為短路現(xiàn)象；當(dāng)有電壓沒(méi)有電流時(shí)，即為斷弧現(xiàn)象；只有當(dāng)電壓和電流同時(shí)達(dá)到規(guī)定值時(shí)，系統(tǒng)才認(rèn)定引弧是成功的。

標(biāo)準(zhǔn)值的獲得通過(guò)電弧煉鋼技術(shù)[10]來(lái)確定，主要從三方面考慮：

（1）確定電弧焊的有效加熱功率。如焊接電流為I（A），

電弧電壓為U（V），則電弧傳給工件的有效加熱功率為：

q=ηIU（W） （3）

式中，η為焊接熱效率，反映了焊接過(guò)程中對(duì)于熱能的有效利用程度，對(duì)于埋弧自動(dòng)焊的熱量很難向外擴(kuò)散，因而η值較高為0.9~0.99.

（2）確定溫度場(chǎng)的類(lèi)型。焊接溫度場(chǎng)根據(jù)其傳熱方向可分為三維傳熱、二維傳熱和一維傳熱三種類(lèi)型。鋼筋對(duì)接焊則屬于在截面上均勻分布的面熱源、沿軸線方向一維傳熱的溫度場(chǎng)。由于金屬的導(dǎo)熱性能很強(qiáng)，因而熱源提供的熱能迅速向工件內(nèi)部傳播，使其溫度場(chǎng)變小。為了保證鋼筋焊接時(shí)有足夠的熔池尺寸和熔深，應(yīng)采用較大的規(guī)范參數(shù)。溫度在沿鋼筋軸按指數(shù)規(guī)律分布，但在近處溫度比較集中，因而熱能主要集中在這一區(qū)域，可近似作為線性關(guān)系處理，范圍為0~5 cm,溫度為鋼的熔點(diǎn)溫度T熔-50℃。

（3）確定熔化所需的熱量。這部分所需能量的大小決定于鋼筋的成份，因?yàn)榛瘜W(xué)成份不同，鋼的熔點(diǎn)也就不一樣，鋼液熔點(diǎn)的近似值為：

T熔=1 539-∑Δtx%℃ （4）

式中，1 539為純鐵熔點(diǎn)； Δt為鋼中某元素含量增加1%時(shí)，熔點(diǎn)的降低值；x%為該元素的百分含量，例如：鋼的含碳量為0.5%時(shí)，碳的熔點(diǎn)為1 480℃。

碳素鋼的平均比熱為0.7×103 J/kg·℃，熔解熱為2.73×105 J/kg,則熔化鋼所需熱量為：

Q1=m1cΔt1+m1 j （5）

式中，m1為熔化鋼的質(zhì)量，由鋼筋的直徑及長(zhǎng)度決定，長(zhǎng)度可選12 mm~16 mm之間的值，直徑大的可選適當(dāng)短一些；c為比熱；Δt1為變化的溫度，是T熔與周?chē)h(huán)境的溫度差，即Δt1=T熔-T環(huán)；j為熔解熱。

除了熔化所需的熱量外，還有一部分熱量需要考慮，即：焊接處5 cm的長(zhǎng)度中除熔化的鋼筋外，余下為鋼筋溫度變化所需的熱量：

Q2=m2 cΔt2 （6）

式中，m2為溫度變化而沒(méi)有熔化部分的鋼筋質(zhì)量，Δt2為變化的溫度，Δt2=（T熔+50）/2.

把這兩部分熱量相加，求出鋼筋吸收的總熱量，再除以焊接熱效率η，標(biāo)準(zhǔn)值Q被預(yù)置在程序中，系統(tǒng)工作時(shí)，對(duì)電弧的熱量進(jìn)行累計(jì)為Q吸=UIt,并隨時(shí)把Q吸和Q相比較，當(dāng)Q吸≥Q時(shí)轉(zhuǎn)到下一道工序中。

本系統(tǒng)利用單片機(jī)對(duì)建筑鋼筋對(duì)接焊的4個(gè)過(guò)程進(jìn)和控制，采用CPLD產(chǎn)生PWM脈沖波形，經(jīng)過(guò)對(duì)原系統(tǒng)的改進(jìn)，現(xiàn)系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接的功能，且系統(tǒng)修改方便，控制準(zhǔn)確、靈活，焊接質(zhì)量明顯提高，焊接性能大大改善。