基于单片机控制的TIG弧长跟踪系统研究

陶会发，陈凤林，吕其兵

（西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都610031）

基于单片机控制的TIG弧长跟踪系统研究

陶会发，陈凤林，吕其兵

（西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都610031）

针对TIG弧长跟踪过程中存在高频高压的干扰和动态响应速度慢的问题，以STC12C5A60S2单片机为控制核心，设计了弧压采样电路、单片机检测与控制系统和弧长调节电机驱动电路等弧长跟踪控制系统硬件，在此基础上采用PD控制算法设计并编制了弧长控制软件，组成了TIG焊弧长跟踪系统。该系统在现场TIG焊中的应用表明：系统能很好地实现TIG焊的弧长跟踪，能够克服TIG焊高频引弧的影响，动态响应度快、调节精度高，且工作性能稳定可靠。

TIG焊；弧长跟踪；高频高压；动态响应

0　前言

TIG焊因其电弧挺度好、焊缝易成形等优点，广泛应用于工业生产中。目前，K-TIG（锁孔TIG焊）更是以焊接生产效率高、质量好、成本低等优点大大扩展了TIG焊的应用范围。在TIG焊中，焊接电源一般采用陡降外特性，电源特性保障了焊接电流的恒定，但焊接接头的质量除与电流有关外，还与焊接弧长密切相关。在焊接过程中，工件的特殊外形、工件表面的不平整性或者运动机构的不稳定性都可能引起电弧长度的变化，从而使工件表面热输入及其分布发生显著变化，导致工件出现未熔合或焊穿现象，影响焊接质量。因此在一些对焊接接头质量要求较高的场合，如军工、航天等需要精确控制焊接弧长，而焊接弧长在焊接电流、保护气体流量、钨极直径和尖端锥度一定的条件下，与电弧电压之间有很好的线性关系，因此，弧长的控制往往转化为弧压的检测与控制[1-3]。目前，弧长跟踪系统弧压跟踪精度可以达到0.1～0.2V，动态响应速度200～300ms，其驱动电机为步进电机，但步进电机成本高、控制复杂。为此，基于单片机控制直流电机进行弧长跟踪研究。

1　硬件电路设计

弧长跟踪系统总体结构如图1所示。在焊接过程中，电弧电压和电流信号经过滤波、隔离等环节进入单片机的A/D端口，单片机经过运算判断当前电弧高度与设定的弧长是否相符，根据误差进行运算，并输出驱动直流电机，带动执行机构调整焊枪高度，实现弧长跟踪。系统在弧长跟踪过程中需要采集弧压、电流和弧压设定值三路模拟量信号。根据式（1）可以将弧压采样值和弧压设定值转换为对应的弧长值

式中U、I、L分别为焊接电弧的电压、电流和弧长；K1是与电流有关的常数；K2、K3、K4为特定常数。

图1　弧长跟踪系统总体结构

1.1弧压采样电路设计

为了消除高频高压对系统的影响，设计了如图2所示的弧压信号采集电路。电弧电压取自a、b两点，C1、C2均选用高压瓷片电容，当引弧频率f=250 kHz时，计算得R2、C1和C2的并联复阻抗的模Z=3.3 Ω，此时电阻R2的分压远远小于R1的分压，有效地保护了后级电路免受高频高压冲击；同时稳压管VS选用瞬变抑制二极管（TVS），它能以极高的速度（10～12 s）使阻抗降低，将其两端的电压钳位在一个预定数值上，从而确保后级免受瞬态高能量冲击。

图2　弧压信号采集电路

另外，经过上述方式处理后的信号Uab再进一步经过光电隔离电路输入至单片机A/D转换口P1.0，保证了单片机系统的安全与系统可靠工作。

1.2驱动单元设计

弧长调节采用齿轮/齿条拖板机构，焊枪装在拖板上，通过直流电机的正反转来调节弧长，选用24 V、10 W的直流电机。为提高弧长调节的精度和调节响应速度，采用H型桥调速机构，电机调速主电路及电枢电压波形如图3a、3b所示。

图3　直流电机调速主电路、电枢电压波形及隔离功放电路

电机电枢电压

当T1>T2，电机正转；T1=T2，电机不转；T1

单片机检测TIG焊的电弧电压，并根据式（1）计算对应的弧长，与根据弧压设定值计算的弧长值进行比较，得到偏差信号，采用适当的算法计算后输出固定周期的PWM信号，经过隔离和功率放大，驱动V2、V3、V1、V4，从而对直流电机进行控制。

选用两片美国IR公司生产的IR2110芯片，记为I1和I2，与高速数字光耦4N25及外围电路组成隔离和功率放大电路，如图3c所示。I1的LO、HO管脚控制V3、V4的栅极，I2的LO、HO管脚控制V1、V2的栅极。T1时刻，单片机P1.3口输出信号为高，则I1管脚HIN为高、LIN为低、HO为高、LO为低，I2管脚HIN为低、LIN为高、HO为低、LO为高，V1、V4开通，V2、V3关断；T2时刻，单片机P1.3口输出信号为低，则I1管脚HIN为低、LIN为高、HO为低、LO为高，I2管脚HIN为高、LIN为低、HO为高、LO为低，V2、V3开通，V1、V4关断。

2　软件设计

2.1弧压控制算法

处理器选用STC12C5A60S2单片机，具有8路10位AD，有两个定时器，带PWM输出功能。电弧电压经过隔离进入单片机AD端口，单片机将采集到的弧压值转变为弧长采样值L1，并与弧长给定值L0比较得弧长偏差信号ΔL=L1-L0，控制算法采用比例微分控制算法，弧长控制量P的计算公式为

比例系数Kp=2，微分系数Kd=1/50，单片机根据弧长控制量P产生脉宽可调的PWM信号，经过隔离和功率放大控制直流电机。

2.2控制程序

软件程序主要包括主程序和子程序两个部分。主程序控制各个硬件电路的执行过程顺序，子程序主要是一些功能程序，如AD转换子程序、定时器服务子程序。程序框图如图4所示，单片机上电后进入初始化状态，检测到启动信号后控制系统引弧，如果引弧失败则重新引弧，引弧成功则进入弧长跟踪状态，跟踪过程中出现熄弧或者检测到停止信号系统则直接进入初始化状态。

图4　弧长自动控制程序框图

3　试验和分析

采用直流TIG焊工艺，选用TIG-250逆变直流氩弧焊机，保护气体为纯Ar，流量10 L/min，焊接电流20A，钨极直径2.0mm，尖端锥度30°，弧长3mm。

在确定了PD控制相关参数的基础上，通过焊接试验过程确定单片机PWM控制信号的频率，对于不同的PWM控制信号频率，其响应速度不同，PWM控制信号频率过低，即电枢电压频率过低时，电机的动态响应速度较差，且较容易产生共振。对应200 Hz、300 Hz、400 Hz、500 Hz的弧长调节响应曲线如图5所示。

图5　不同频率的弧长调节响应曲线

由图5可知，频率高其响应速度快，但在试验中发现，随着频率的升高，电机带载能力下降，频率进一步升高，甚至电机带不动焊枪负载。经过反复试验调试，当PWM信号频率为300 Hz时，试验用电机的动态性能和带载能力可以同时满足要求。

为检验弧长跟踪的精度及动态性能，采用上述焊接工艺参数及弧长设定值进行焊接试验。在碳钢平板上开宽30mm、深1mm的凹槽，如图6所示。

图6　凹槽板

在凹槽板上连续进行弧长跟踪试验，电弧进入凹槽和离开凹槽的电压曲线示波器截图如图7a、图7c所示，电压为经过分压滤波和隔离的电弧电压信号，图7b、图7d为曲线经过低通和数字滤波处理。进入凹槽时电弧拉长1 mm，系统响应时间tab= 80 ms，控制系统的全程调整时间tbc=120 ms；离开凹槽时电弧缩短1mm，tab=90ms，tbc=100ms。试验结果表明弧长跟踪系统能实现深度为1 mm的凹槽的上下跟踪，而不会碰撞工件，电弧进入凹槽和离开凹槽弧长调节过程在200 ms内完成。

图7　弧长调整曲线

焊接过程中，设定弧长对应电压为2.1 V，在弧长跟踪过程中，曲线所示电压在0.05V范围内波动，对应弧压误差为±0.2 V，这样的弧压跟踪精度能够满足TIG焊弧长跟踪的要求。

上述TIG焊接试验确定了基于单片机控制的PD参数，采用设计的采样电路能有效保护后级电路，在焊机整个运行过程中，起弧、焊接、断弧都能够正常工作，避免了焊机起弧或焊接过程中因不稳定产生的瞬态高频高压对系统的影响，同时经过反复调试控制系统参数，得到了最佳焊接控制参数。

4　结论

（1）设计的弧压采样电路消除了引弧高频高压对系统的影响，通过51单片机提取弧长信息，并采用PD控制算法处理输入弧长信号，实现弧长跟踪功能。

（2）提出的基于单片机的PWM弧长控制系统，实现了对直流电机转速和转向的控制；经过试验确定了最佳的控制频率，系统工作稳定可靠、动态响应速度快、跟踪精度高。

[1]孙振国，陈念，陈强，等.精密脉冲TIG焊中的弧长跟踪技术[J].焊接学报.2001，22（1）：46-48.

[2]杨春利，林三宝.TIG焊弧光传感弧长控制的研究[J].材料科学与工艺，1998，6（1）：50-52.

[3]李德清，俞善松.交、直流钨极氩弧焊弧长自动调节的研究[J].电焊机，1986（6）：8-9.

Study on arc length tracking system of TIG welding based on SCM control

TAO Huifa，CHEN Fenglin，LV Qibing
（School ofMaterial Science and Engineering，SWJTU，Chengdu 610031，China）

In view of the slow dynamic response and disturbances of high frequency and high voltage during TIG arc length tracing process，the hardware and software of arc length tracking system are designed based on SCM of STC12C5A60S2.The hardware includes arc voltage sampling circuit，SCM detection and control system，and drive circuit of arc length control motor.The software includes the control algorithm of PD and the arc length control software.The application of the system in TIG welding shows that the system can be a very good implementation of TIG welding arc length tracking，and the control system can overcome the influence of high frequency during arcstrike，andthesystemhastheadvantagesoffastdynamicresponse，highregulationprecisionandstableandreliableworkingperformance.

TIG welding；arc length tracing；high frequency high voltage；dynamic response

TG444

A

1001-2303（2015）11-0050-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.10

2015-04-01；

2015-04-29

陶会发（1990—），男，河南人，在读硕士，主要从事焊接自动化的研究。