微機模糊控制在TIG逆變電源中設計

摘 要： 在TIG焊逆變電源的實時檢測電弧電流控制系統中建立電弧電流模糊控制算法。采用雙輸入單輸出的模糊控制器模型，即采用電弧電流的變化及其變化率作為模糊控制器的兩個輸入量，把調節移相式PWM脈寬的輸入電壓作為模糊控制器的輸出量。給出了單片機模糊控制的總體框圖，并詳細介紹了對應模糊控制器的設計過程。

采用TIG焊接方法焊接薄壁結構時，人們最關注的是焊接電源的引弧性能和電弧穩定性。然而，由于存在著各種因素的影響，如：電弧長度、工作平面不平、氣體介質的壓力、氣體流量的變化、焊槍相對焊縫表面距離的變化及供電網電壓波動等，都會使系統偏離平衡點。如果系統具有快速自動返回平衡點的能力，則電弧可維持穩定燃燒，這里，控制系統是弧焊逆變電源的核心，是影響其工作穩定性和可*性的重要方面。

針對焊接過程具有非線性、時變形和不確定性，電弧穩定控制存在一系列模糊特征。故使用應用前景十分廣泛的模糊控制理論，再配以單片微機控制系統對TIG焊接的電弧電流實行穩定控制，結果表明：具有控制精度高，電弧燃燒穩定，對焊接參數變化適應性強的特點。

１ 電弧電流的模糊控制系統組成

TIG焊機的模糊控制系統的設計思想是：實現逆變電源的恒流外特性，即用于檢測電弧電流的霍爾傳感器實時地把電流轉化為對應的電壓，該電壓經A/D轉換后送微機，與事先給定的電流值進行比較。CPU根據其偏差和偏差率，運行固化在EPROM中的模糊控制程序，由D/A輸出控制信號給移相式ＰＷＭ，移相控制電路不斷地調整逆變電源中兩橋臂功率開關器件IGBT移相角的大小，確定功率開關器件的導通脈沖寬度，改變輸出電壓的大小，從而實現對輸出電流的控制。

系統的總體結構框圖如圖１所示。以高速單片機80C51FA作為系統的核心，外配81C55作擴展接口，實現與鍵盤的通訊，通過鍵盤設定焊接方式、焊接功能及各種焊接參數指標，采用DS80C320作D/A片，其輸出經UA741放大器，放大器的功效是用來調整電壓以滿足PWM輸入（1.7～5.2V）的范圍，移相式PWM采用UC3875，用來調整IGBT的導通脈寬，PWM控制器內部設有電路保護措施，為保證PWM高頻（20kHz）開關控制信號可*地傳輸，采用高速光耦合器TLP559，其開關速度可達1MHz，這樣有利于將強電與弱電隔離，同時，為保證信號有足夠大的驅動能力，采用74CH4050作同相驅動器，由于霍爾元件本身已經實現強電和弱電的隔離，故在信號輸入時不必加隔離器，A/D片采用AD574A，具有高速轉換速度，AT24C01作 ，用以記憶鍵盤輸入的各種參數，內存由單片機和81C55的內存協調解決，LCD液晶顯示器采用菜單和圖形兩種方式，顯示系統工作狀態和焊接順序、指標參數等，用ACM-24064A芯片來完成，采用32K的EPROM27C256和IMP815L作μp電源監視及運行管理，動作開關服務于起弧和收弧。

２ 模糊控制器設計

本系統采用典型的兩輸入單輸出的模糊控制器，其結構如圖２所示，主要由三部分組成：精確量的模糊化；模糊推理規則的構成；輸出信息的模糊決策。

2.1 語言變量的確定

2.1.1 模糊控制器的輸入輸出定義

模糊控制器輸入定義為：；式中e為電弧電流的偏差；ec為其偏差的變化率；Ig為電弧電流給定值；If為電弧電流采樣值;e(n)為nT時刻誤差；e(n-1)為（n-1)T時刻誤差；T為采樣周期。

模糊控制器的輸出定義為：調節移相式PWM的脈沖寬度所對應的電壓校正量Δu。

有了上述的定義，則輸入語言變量定為E和EC，輸出語言變量為U。

2.1.2 量化因子Ke、Kec和比例因子Ku的選擇

根據本系統的特點和實際操作經驗，語言變量E、EC和U的基本論域選擇為：

三個語言變量E、EC和U的論域均設為[-6,6]，由此可得到對應的量化因子和比例因子：

量化因子和比例因子大小的確定，取決于基本論域的選擇，它決定了最終控制的效果，如：超調量、響應時間、穩定性等，故基本論域一般事先初步地選取，在實際調試過程中需不斷修正，最終確定一個較滿意的結果。