毕业设计(论文)-基于模糊控制的弧焊电源的研究.doc
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1、 存档日期: 存档编号: 徐 州 师 范 大 学 科 文 学 院本科生毕业论文(设计)论 文 题 目: 基于模糊控制的弧焊电源的研究 姓 名: 学 号: 068320002 专 业: 电气工程及其自动化 班 级: 08Z电气 指 导 教 师: 科文学院教务部印制摘 要焊接是现代工业生产中不可或缺的加工方法,而弧焊电源是决定焊接质量的关键因素。逆变弧焊电源是近年来发展起来的一种小型、轻量、高效、节能的弧焊电源。模糊控制方以其适用范围广,控制精度高等特点已广泛应用于生产的各个领域,随着微机技术的发展,将其应用于弧焊电源已经成为可能。本课题以研究出性能优越、经济实用的逆变弧焊电源为目的,将最新的软开
2、关逆变技术和先进的模糊控制方式结合起来应用于弧焊电源的设计之中。本课题研究的主要内容是基于模糊控制的软开关式逆变弧焊电源的设计,在分析了全桥零电压逆变主电路的运行规律的基础上,详细介绍了主电路的设计方案,包括功率器件的选择、保护以及高频变压器的设计等;本课题采用集成化的微机控制,采用移相PWM控制方式实现逆变器的软开关,所采用的闭环反馈和模糊控制实现了电源的恒流输出,为提高控制系统的可靠性及抗干扰性能,本文采取了一系列有效的措施;按照弧焊电源所需实现的功能要求,本文开发了组成系统控制软件的主程序、中断服务程序及其它一些功能程序,并详细介绍了新型逆变弧焊电源的控制核心一一模糊控制器的设计过程。该
3、逆变弧焊电源的输出具有很高的稳定性和良好的动态性能。 关键词: 逆变弧焊电源 全桥移相零电压 模糊控制AbstractWeld is an important method in process, welding power is the key factor which determines the quality of weld. Inverter welding power has developed rapidly because of its advantages such as high efficiency, energy saving, small bulk, light we
4、ight and multifunction etc. Fuzzy control has been applied in many fields, with the development of microcomputer technology, it becomes realizable to use fuzzy control in welding power The purpose of this subject is to develop high performance, economical and practical welding power. the newest soft
5、-switch invert technology and advanced fuzzy control method combined to design welding power. The main content of this subject is to design a full- bridge shift-phase inverter welding power with fuzzy controller, in the base of analyzing the running principle of full-bridge zero-voltage-switch inver
6、ter. The design of main circuit is introduced in detail. This design includes the selection and protection of elements, the design method and calculation of high frequency transformer. In this subject, the low cost and integrated microcomputer are applied. The hardware circuit of this welding power
7、is designed based on philipss89C58 single chip computer. In order to realize the soft, switch of inverter, the shift-phase PWM control method is adopted. The welding current closed loop feedback control and fuzzy control systems are applied to gain the constant welding current external characteristi
8、cs. Many anti-jamming measures are used to protect the reliability of control system. According to the functions soft the welding power, the software is developed which includes main program, interrupt service routines and some function subprograms The design of tow input and single output fuzzy con
9、troller is introduced in detail. The whole system is debugged and tested after completing sotf ware and hard ware design of the welding power The results make clear that this welding Power can export prospective constant current characteristic,and the inverter has excellent dynamic capabilities with
10、 fuzzy controller.Key words: inverter welding power, phase shift full-bridge,ZVS, fuzzy control目 录摘 要IAbstractII1 绪论21.1 课题的背景和提出21.2 弧焊电源的发展状况和研究现状21.3 软开关21.4 本文的研究内容、目的和意义22 逆变弧焊电源原理及设计方案22.1 逆变弧焊电源原理22.2 设计方案确定23 模糊控制器设计23.1 模糊理论的提出及可行性23.2 模糊控制基本原理23.3 模糊控制器设计24 主电路设计与实现24.1 移相控制软开关全桥逆变器设计24.2
11、高频变压器设计24.3 输入整流器设计24.4 输出整流器设计25 控制系统软件设计25.1 软件结构设计25.2 控制系统主程序设计25.3 外中断服务程序设计25.4 数据采集控制25.5 标度变换26 逆变弧焊电源控制硬件系统设计26.1 控制系统设计要求26.2 控制系统的设计思路26. 3 单片机核心电路设计26.4 参数给定与操作键的控制26.5 检测电路26.6 A/D和D/A转换电路26.8 驱动电路26.9 显示电路26.10 保护电路27 结论2致 谢2参考文献2附录2IV徐州师范大学本科生毕业设计 基于模糊控制的弧焊电源设计1 绪论1.1 课题的背景和提出 在现代制造业生
12、产中,焊接是一种重要的加工手段,随着制造业的现代化进展,焊接在机械制造、核工业、能源交通、石油化工和电子等行业中的应用越来越广泛。电弧焊接是焊接的一种基本方法。弧焊电源就是为焊接电弧提供电能的一种装置。焊接电弧的物理本质是一种气体导电现象,电弧中的带电粒子依靠电弧中气体介质的电离和电极的电子发射两个物理过程产生。弧焊电源要提供稳定的焊接电弧进行焊接,就必须要求其自身的电气性能满足焊接电弧的电特性要求。弧焊电源的电气性能主要包括弧焊电源的静特性、动特性及控制特性等,因此弧焊电源是决定焊接质量的关键因素。随着科学技术的不断进步,焊接已经成为制造业中的一项基础工艺和精确的生产手段,对焊接质量的要求也
13、越来越高,为了提高现有的焊接工艺水平,同时节约能源和成本,以适应生产的需要,研制出小型、轻量、低成本、高效率、节能、可靠性好、输出精度高的新型弧焊电源已经成为当务之急。1.2 弧焊电源的发展状况和研究现状1.2.1 弧焊电源的发展状况传统的弧焊电源的外、动特性的控制方式有两种:机械控制和电磁控制。采用机械装置控制外、动特性的弧焊电源有动铁式、动圈式、抽头式弧焊变压器和弧焊整流器等,机械控制式弧焊电源的外、动特性主要取决于弧焊电源本身的结构。采用电磁控制外、动特性的弧焊电源有串联饱和电抗器式弧焊变压器、磁放大器式弧焊整流器和弧焊发电机等等。采用电磁控制的弧焊电源的外、动特性也主要取决于弧焊电源本
14、身的结构。其可控制参数少,调节精度低,稳定性差。在这两种弧焊电源之后出现的是电子控制式弧焊电源,电子控制式弧焊电源的外、动特性完全借助于电子线路控制,可以实现对输出电流、电压波形的控制,而且其控制性能与本身结构没有决定性的关系。电子控制式弧焊电源克服了传统弧焊电源的一些缺点,逐渐取代了传统的弧焊电源,逆变弧焊电源正是在这一基础上发展起来的。1.2.2 逆变弧焊电源的发展 上世纪七十年代开始有技术人员进行逆变弧焊电源的研究,到七十年代末开发出了快速晶闸管逆变弧焊机,至此以后,各公司陆续推出了逆变产品。八十年代,随着电力电子技术的发展,逆变弧焊电源的发展速度也十分迅速。随着各种新型的功率电力电子器
15、件的问世并应用于弧焊电源,逆变弧焊电源得到了迅速的发展,其控制性能越来越好,效率也越来越高。现在,国外各电源生产商都基本完成了全系列逆变弧焊电源的商品化。我国逆变弧焊电源的起步较晚,但中期的发展较快,晶闸管式逆变弧焊电源已经投入批量生产。场效应管式和IGBT管式逆变弧焊电源也逐步得到完善。不少科研院所正在积极进行这方面的研发工作。随着科技的发展,各种新型功率开关器件不断出现,集成电路和微电子技术在不断进步,新型铁磁材料也在不断涌现,它们都为逆变弧焊电源的不断发展和广泛应用创造了条件。1.2.2.1 器件创新推动逆变器的发展和更新功率开关管和整流管对逆变器的发展起着巨大的推动作用,电力电子器件的
16、发展推动着逆变弧焊电源的发展和更新。电力电子器件从七十年代的快速晶闸管到以后的功率晶体管(GTR)、门极可关断晶闸管(GTO)、功率MOS场效应管(Power MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)和栅极控制晶闸管(MCT)以及近年来正在研制的栅极控制晶闸管(MCT)等器件都有力推动着逆变弧焊器向着性能更佳,控制更精确的方向发展。1.2.2.2 新型材料的应用中频或高频变压器是逆变弧焊电源的关键部件之一,其磁性材料性能的好坏,直接影响逆变弧焊电源的工作性能,决定逆变弧焊电源的工作输出能力。同时,变压器的尺寸、结构和重量也决定了逆变弧焊电源的体积、结构和重量。因此磁芯材料的选用十分重要。逆
17、变弧焊电源的磁芯材料主要有薄矽钢片、软磁性铁氧体、非晶和微晶材料等。薄矽钢片具有饱和磁通密度高,使用薄带可降低涡流损耗等特点,在前期的逆变弧焊电源中得到了较多的应用,但由于其电阻率低,高频损耗大,已逐渐被其它材料所取代。目前应用最多的是软磁性铁氧体,其优点有:电阻率大,涡流损耗小,高频铁损小,价格便宜、装配方便等,但其缺点是饱和磁感应强度低,铁心结构较大。非晶合金材料是近年来出现的新材料,其磁感应强度高,电阻率大,对涡流阻力大,能耗低,更适合应用在逆变弧焊电源的高频变压器的生产中,是替代软磁性铁氧体的好材料。在非晶合金基础上经过处理的微晶合金,性能比非晶合金更高。磁性材料由矽钢片、坡莫合金向软
18、磁性铁氧体、非晶、微晶材料发展,大幅度提高了磁芯的磁通密度、减小了变压器的重量,提高了逆变弧焊电源的工作频率和效率。1.2.2.3 控制性能的优化和智能控制控制方法的选择和控制系统的性能是决定逆变弧焊电源性能的关键因素,其好坏直接决定着逆变弧焊电源性能的优劣。控制性能的优化方法主要有多特性控制,波形控制和功率因数校正等。控制电路的设计由最初的分立原件控制方式,逐渐转为主要采用专用的集成控制芯片实现的控制方。随着现代生产对逆变弧焊电源性能要求的不断提高,传统的控制方式已经无法很好的满足要求。计算机技术的发展,使得采用微机控制的弧焊电源开始逐渐问世,与传统的控制方法相比,微机控制的弧焊电源具有显著
19、的优点:对逆变弧焊电源的控制变得容易和灵活,既能对其外特性进行多种形状和变换的控制,还可以实现对电流波形、动特性和工作程序的灵活和精确的控制;此外,还能完成人机对话、参数预制、存储、故障分析、参数变换、专家系统等功能。从而协调整个焊接生产线的工作,调节焊接参数,实现焊接过程的自动化和智能化。在已有的采用微机控制的弧焊电源中,控制系统软件的控制策略普遍采用的是传统的PI(比例积分)控制,这种算法的优点是控制系统的稳态精度高,但其缺点是必须建立精确的数学模型并进行整定,而精确的数学模型在实际问题中往往难以得到;同时,由于逆变弧焊电源中的逆变器在工作过程中具有严重的非线性,因而其控制比较困难,特别是
20、当工作调节的范围比较大时,传统的基于线性系统的控制方法将会导致不良的动态过程或导致系统的不稳定。因此传统的控制方法无法很好的满足逆变弧焊电源作为一个多输入、多输出、非线性系统的控制性能要求。随着对焊缝质量和自动化程度要求的不断提高,实现逆变弧焊电源的智能化控制是逆变弧焊电源发展的必然趋势。智能控制的研究方向可分为:模糊控制技术、人工神经网络控制和专家系统。模糊控制技术、人工神经网络控制、专家系统控制等智能控制方法在逆变弧焊电源控制策略中的应用,将大大提高逆变弧焊电源的性能。现阶段模糊控制技术、人工神经网络控制是智能控制研究的热点,神经网络的突出优势是其并行大规模运算能力,而模糊控制的优势则在于
21、其附加成本不高,却可获得精确的控制效果,因此模糊控制的应用领域更加广泛,在逆变弧焊电源中的应用前景也十分广阔。1.2.3 模糊控制在焊接领域的应用状况模糊控制是智能控制的重要分支,其应用领域十分广泛。模糊控制算法的特点是不需要建立精确的数学模型,根据模糊控制规则,经过模糊推理得出决策。模糊控制规则是人的实践经验的总结,模糊控制以模糊集合论为基础,将过去只能用语言表达的概念转变为定量的过。模糊控制技术在焊接领域的应用主要途径有专用的模糊控制芯片及开发工具、基于通用单片机的汇编代码开发软件和基于PC机的高级语言开发平台三种,专用的模糊控制芯片及开发工具,其特点是速度、控制精度高,但价格较高,通用性
22、差。而基于通用单片机的汇编代码开发软件,其速度和控制精确度高,实现方便,对于采用单片机的场合,所需的附加成本很少。基于PC机的高级语言开发平台,则适用于对于相对复杂的焊接过程和设备。上世纪八十年代国外科学家将模糊控制应用于自适应焊接机器人的研究,拉开了模糊控制在焊接领域应用的序幕。经过多年的发展,在众多国内外专家的共同努力下,模糊控制已经在焊接过程的各个领域中得到应用。日本学者将模糊控制应用于脉冲MIG焊接的溶宽控制,建立了一套弧焊机器人专家系统,运用模糊控制实现了MAG焊接的溶池控制。德国科学家在PC微机平台上,采用模糊控制对弧焊机器人的焊接工艺参数进行了优化研究。国内清华大学的专家系统的研
23、究了弧焊过程的模糊控制,对单变量MIG焊进行溶透控制。对于多变量的CO:焊接的模糊控制也作了初步的研究。华中理工大学进行了TIG焊溶宽自调整与积分的混合控制的研究,随着模糊技术等智能控制方法在逆变弧焊电源中的应用,逆变弧焊电源的性能必将大大提高,从而推动我国的基础工业水平的发展。1.3 软开关1.3.1 软开关技术的提出逆变弧焊电源一般情况下采用恒频脉宽调制(PWM)的控制方式。在这种方式下,功率开关器件工作在硬开关状态,不可避免地具有容性开通、感性关断、开通和关断损耗大以及二极管反向恢复等四大问题。开关管工作时会产生很大的开关损耗,这是由于开关管不是理想器件。在开通时开关管的电压不是立即下降
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