基于模糊控制的逆变式丝管蒸发器焊接电源研究

摘要：文章介绍了模糊控制逆变电阻焊电源的基本工作原理、控制系统的构成以及硬件的实现方案。对二输入一输出的模糊控制器进行了设计，总结了怎样通过输入量的变化得出精确输出值的结论，研究出一台模糊控制逆变电阻焊丝管多点焊机，并在公司批量生产。

关键词：逆变电阻焊电源；模糊控制；丝管蒸发器；MCS51单片机；模糊控制器 文献标识码：A

中图分类号：TG409 文章编号：1009-2374（2015）11-0014-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.11.008

1 概述

节能高效的逆变电阻焊电源已经被广泛应用。传统电阻焊电源一般采用可控硅移相触发技术轮流导通三相主电路的大电流可控硅。这种电路的优点是电路相对简单，技术成熟、可靠性高，但其缺点也是非常明显的。第一，整个系统采用的是工频技术（50Hz），因而焊接变压器体积庞大，消耗大量的硅钢片和有色金属；第二，可控硅移相触发会产生很大的高次谐波，严重“污染”电网，且功率因数较低；第三，丝管蒸发器焊接是间隙工作制模式，焊接时间很短（一般只有5～10周波）工频状态下无法使用负反馈，因而焊接电流不稳定；第四，焊接过程是非线性系统，一般很难建立精确的数学模型，因而传统的PID（比例积分微分）控制很难满足要求。针对电阻焊电源的复杂工作环境，本文采取有效措施，从硬软件入手进行改进，并且使用有效手段保证系统的稳定与可靠。

2 基本工作原理

如图1所示，可以清晰看到模糊控制逆变电源的原理。若滤成直流电，需要三相交流电经三相桥式整流电路整流，逆变电路将直流电转换为1000Hz的交流电，焊接的电压和电流，需要经过中频变压器进行降压，且输出整流器整流。IGBT零电流软开关方式，频率高、开关损耗小、可靠性高、转换效率高，因此逆变主电路采用IGBT零电流软开关方式。4只IGBT开关交替控制电流，直流电会转成10000Hz的交流电，中频变压器和一体化全波整流器加工后，即可得到所需的焊接电压和电流。焊接电流的调节与控制，需要以8051单片机为中心，通过霍尔传感器获得电流反馈，模糊传感器根据偏差及偏差变化为输入量进行调节，获得合适的占空比。

图1 模糊控制逆变电源原理图

3 建立控制系统

控制系统的组成可分为主电路部分和控制部分。控制部分以单片机控制系统为核心。A/D转换电路为负反馈的关键参数，系统采用8位A/D转换器AD0809。控制系统的软件主要利用模糊算法完成焊接电流、电压的调节，恒流特性的输出及其他I/O功能。

4 如何设计模糊控制器

通过模糊化处理，模糊控制器的输入量也会经过语言规则来模糊推理，而这一推理得出的结论会经过明晰化，最终得出控制变量的精确输出值，这便是模糊控制器的工作原理。如何实现模糊算法的软件设计，要设计一个模糊控制器，这就需要对模糊控制器的输入变量与输出变量进行掌握加以设计，并且得出输入变量的参数和论域，建立赋值表，确定语言描述，将控制规则建立起来，将模糊化和明晰化区分开来，并且确定方法，最后将控制板建立起来。

4.1 模糊控制器中的语言变量

理论上，控制精度与模糊控制器出入的变量个数是成正比的，但是这个变量个数的增多会导致控制的复杂以至于更难实现控制。这时就应该采用二维模糊控制器，将被抽空对象的变差变化率取为输入语言变量。焊接电流的偏差与变化率为输入变量，输出变量是控制器的开关管占空比。

4.2 如何描述变量以及建立赋值表

电流偏差的基本论域为[-10，10]，偏差变化率的基本论域取为[-5，5]，输出占空比基本论域为[0.24，0.48]。

然后其离散论域的论域取为：{5，4，3，2，1，+0，-0，-1，-2，-3，-4，-5}。偏差变化率和输出占空比的离散论域EC和ZK取为：{5，4，3，2，10，-1，-2，-3，-4，-5}。

量化因子分别表示为，，。

焊接电流偏差离散论域，其语言变量模糊子集为：{正大（IR）正中（IM）正小（IL）零（I0），负小（NL），负中（NM），负大（NR）}。焊接电流偏差变化占空比，语言值基本论域上的模糊子集为：{正大（IR），正中（IM），正小（IL）零（0），负小（NL），负中（NM），负大（NR）}。

4.3 建立一定的模糊规则

如何模糊控制是通过人为因素转变的，若系统输出量出现偏差时，则可以选取一定偏差变化，从而确立控制量，焊接电流的偏差和变化率，会对开关管占空比产生影响。在偏差较大的时候，我们则选择能够消除偏差的控制量，在偏差较小的时候，则以选取系统稳定的控制量为主，防止偏差超调。模糊关系是由模糊控制规则表的每句话确立的，总的模糊关系为：

R=（）V（）V（）V…V（）

4.4 模糊控制表生成

当计算出模糊关系之后，由电流偏差和偏差变化率及其离散论域，再由其中的语言变量建立起赋值表，并计算出语言变量。控制量的集合，选择一个论语元素的空置变化值，利用到加权平均法，得出论域元素中表示空置量的变化值。当其输入在线微机工作的同时，对变化值进行查询，就能够持续实现模糊控制。每一个在线控制的周期中，都应该将实测值与给定值比较，将比较后的偏差变化率计算出来。查询控制表中的值便是这种变化率量化转换后的结果，实际控制量也便是查询控制表中的控制量与量化因子相乘而得出的。

这时会发现，模糊控制器中的控制量是一个能够反映控制语言的集合，在不同取值下的控制语言被其进行了组合。然而，控制对象只可以接收一个控制量，所以应该从这个集合中找到一个最合适的控制量。这个算法公式为，式中：为模糊量输出；为

模糊量的隶属度；U为输出的精确控制量。

5 结语

该焊接电源在多点丝管焊接机的电阻焊中，电弧稳定，飞溅很少，焊点成型良好。输出平均值测试变动量小于±1%。利用查表法的模糊控制器，不仅能够将复杂的数学模型简易化，又可以将繁杂的控制简洁化。当这种智能的模糊控制被应用时，电源特性就会得到改善，并不易受到干扰，电源外的控制也能够实现。

参考文献

[1] 诸静.模糊控制原理与应用[M].北京：机械工业出版社，1999.

[2] 周志敏.逆变电路实用技术设计与应用[M].北京：中国电力出版社，2005.

[3] 赵燕.传感器原理及应用[M].北京：北京大学出版社，2010.

作者简介：何云松（1973-），男，浙江杭州人，杭州华日电冰箱股份有限公司工程师，研究方向：自动化控制。

（责任编辑：周 琼）