波形控制技术中若干问题分析开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

装备强则国强。古往今来，国与国之争，实质是装备制造业之争。当前阶段，高端装备之争已上升为大国之间博弈的核心和不可或缺的利器，号称“工业缝纫机”焊接技术在这场博弈中发挥着至关重要的作用。co焊接技术从上世纪50年代问世以来，以其生产效率高、焊接成本低、能耗低、适用范围广、钢材焊接保护效果好等优点在我国机车制造、造船业、石油化工、工程机械等制造工业中取得了日益广泛的应用，其在国民经济建设和国防科技建设中已经无处不在。但由于其焊接过程中金属飞溅严重、焊接氛围氧化性强、易产生气孔等缺点严重影响了其焊接效率；所以本课题从焊接电源波形控制理论的角度来改善熔化极气体焊接过程中存在的问题。

通过对熔化极气体保护焊熔滴过渡过程的分析，发现在短路过渡的短路初期和短路末期电流的快速长大，导致了飞溅的大量产生，所以就要依靠设计合理的控制电路和选择规范的参数进行抑制。传统的弧焊机是硅弧焊整流器，是以磁放大器为控制器，通过改变磁路磁阻的大小来获得电源外特性，其以易造好修、节省材料、噪声低等优点替代了原先的直流弧焊发电机；但由于其短路电流上升率和峰值较大，而衰减较慢，造成引弧冲击大和熔滴飞溅严重等问题，只能满足一般焊接工艺的要求。随着电子电力技术的发展，20世纪70年代出现了晶闸管（可控硅）整流弧焊机，其主要是采用滤波电感来控制的变化速度，但与逆变式相比较，其起弧及收弧不稳，且在低频工作条件下，振动大，输出的电流不稳，容易造成飞溅过大。到了80年代，逆变电源逆变技术的出现，逆变式整流焊机以其电源控制精度高（动态反应速度提高2～3个数量级），精确性好，电源动特性控制可塑性大，焊接飞溅少，高效节能（电源材料减少80%～90%,节能20%～30%）等优势而被广泛使用。20世纪90年代，美国、日本、欧洲等发达国家应用igbt逆变式技术制造焊机，得到了广泛的使用。igbt是上世纪80年代研制成功的一种高性能功率晶体管，是以gtr为主导元件，mosfet为驱动元件的达林顿电路结构器件。通过从传感电路获取输出反馈来控制集电极电流大小，或者关断、开通igbt，改变逆变器开关脉冲，从而调节弧焊电源的输出特性实现波形控制，改善焊接过程的稳定性、飞溅性，焊缝成型。在国外，igbt逆变焊机技术比较成熟,产品性能优越。但在我国,由于其在可靠性、焊接工艺和维护等方面还不够成熟，还在不断的深入研究和探索。1993年9月在德国埃森第十三届国际焊接与切割博览会上，美国林肯电气公司展出了一种利用表面张力控制熔滴短路过渡的电源，并称该技术为stt (the surfacetension transfer)技术, 其原理是：熔滴一旦与熔池接触，立即迫降电流，减小电磁排斥力，依靠熔池的表面张力将液体小桥拉断，以实现无飞溅过渡。stt技术的关键在于检测液体小桥是否产生了缩颈，在短路初期和液体小桥产生缩颈后适时提高回路阻抗，以降低电流，便于熔滴的液态金属在低量状态下在熔池的铺展，依靠熔池的表面张力促使液体小桥发生断裂，使熔滴脱离焊丝进入熔池的控制方案。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展，数字化焊机也经历了一个由简单到复杂，由单机到多机控制的过程。数字信号处理（digital signal processing）,简称dsp也广泛应用于数字化焊机。利用dsp其强大的指令系统及接口功能显示出功能强、速度快、编程和开发方便等优点来完成电压、电流信号的反馈运算，进而通过pwm驱动来控制电源主回路，从而对弧焊电源的波形控制。20世纪末，奥地利焊机生产商fronius公司推出了tps系列全数字化焊机，标志着逆变焊机进入了数字化时代。目前，国内对数字化焊机研究起步较晚，还处于刚刚起步的初级阶段，但也取得了一些成果。北京工业大学的殷树言、刘嘉等人提出了mcu和dsp的双机控制系统，充分利用mcu控制功能和dsp强大的数据处理能力。上海交通大学的吴毅熊、华学明等提出了把dsp应用在熔化极气体保护焊电源的控制系统上。现在焊机的数字化还处于刚刚起步阶段，但是由于数字系统本身具有的优势以及总结现有的数字化焊机的特点，数字化焊机的优势是十分明显。并联式电流波控法，其原理是在原有电源电流输出波形的任意一点叠加一电流负脉冲波形,实现电流波形的实时控制而得到需要的焊接波形，此法可以快速的抑制峰值电流的增长以减少飞溅。

随着电力电子技术、微电子技术、智能控制技术的飞速发展，新型器件、先进控制技术和新工艺的不断推出，焊接技术得到了突飞猛进的发展。在 21 世纪的今天，由于数字化技术的巨大优越性，数字化得到了充分发展，在焊接领域里，已经开始步入了数字化、智能化的阶段。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

co气体保护焊短路过渡中飞溅和焊缝成型问题是弧焊电源研究重点关注的对象。气体保护焊熔滴过渡控制有多种技术方案，波形控制技术是研究应用较多的一种。波形控制对控制焊接飞溅、改善焊缝成形有显著的作用，但波形控制技术的实现对弧焊电源有较高的要求。本课题以气体保护焊熔滴过渡中飞溅严重问题为研究对象，分析气体保护焊熔滴过渡中飞溅严重的原因，以实现熔滴短路过渡过程中飞溅少、焊缝成型美观、能耗低、适应性强等方面为目的，对波形控制理论、弧焊电源结构类型、电源控制技术，控制技术的硬件和数字控制软件编程等方面进行分析研究。

2.2研究目标

3. 研究计划与安排

第1～3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究资料，确定技术方案，并完成开题报告。

第4～5周：研究波形控制理论

第6～10周：分析模拟式和开关式弧焊电源动特性指标

4. 参考文献（12篇以上）

[1].杭争翔.波形控制co焊接逆变电源电弧系统的仿真研究.沈阳工业大学学报.2001（6）

[2].张涛.熔化极气体保护焊熔滴过渡控制策略研究与应用[d].湖南：中南大学.2010.12

[3].段彬.全数字脉冲逆变焊接电源控制策略与应用的研究[d].山东：山东大学.2010.04