基于模糊控制的弧焊電源的研究

1、 存檔日期： 存檔編號(hào)： 徐 州 師 范 大 學(xué) 科 文 學(xué) 院本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）論 文 題 目： 基于模糊控制的弧焊電源的研究 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 08Z電氣 指 導(dǎo) 教 師： 科文學(xué)院教務(wù)部印制摘 要焊接是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的加工方法，而弧焊電源是決定焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素。逆變弧焊電源是近年來發(fā)展起來的一種小型、輕量、高效、節(jié)能的弧焊電源。模糊控制方以其適用范圍廣，控制精度高等特點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將其應(yīng)用于弧焊電源已經(jīng)成為可能。本課題以研究出性能優(yōu)越、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的逆變弧焊電源為目的，將最新的軟開關(guān)逆變技術(shù)和先進(jìn)的模

2、糊控制方式結(jié)合起來應(yīng)用于弧焊電源的設(shè)計(jì)之中。本課題研究的主要內(nèi)容是基于模糊控制的軟開關(guān)式逆變弧焊電源的設(shè)計(jì)，在分析了全橋零電壓逆變主電路的運(yùn)行規(guī)律的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了主電路的設(shè)計(jì)方案，包括功率器件的選擇、保護(hù)以及高頻變壓器的設(shè)計(jì)等;本課題采用集成化的微機(jī)控制，采用移相PWM控制方式實(shí)現(xiàn)逆變器的軟開關(guān)，所采用的閉環(huán)反饋和模糊控制實(shí)現(xiàn)了電源的恒流輸出，為提高控制系統(tǒng)的可靠性及抗干擾性能，本文采取了一系列有效的措施;按照弧焊電源所需實(shí)現(xiàn)的功能要求，本文開發(fā)了組成系統(tǒng)控制軟件的主程序、中斷服務(wù)程序及其它一些功能程序，并詳細(xì)介紹了新型逆變弧焊電源的控制核心一一模糊控制器的設(shè)計(jì)過程。該逆變弧焊電源的輸出具

3、有很高的穩(wěn)定性和良好的動(dòng)態(tài)性能。 關(guān)鍵詞: 逆變弧焊電源 全橋移相零電壓 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 weight and m

4、ultifunction 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-switch in

5、vert 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 inverter. The d

6、esign 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 is designe

7、d 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 characteristics. Many a

8、nti-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 controller is

9、 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 fuzzy con

10、troller.Key words: inverter welding power, phase shift full-bridge，ZVS, fuzzy control目 錄摘 要IAbstractII1 緒論21.1 課題的背景和提出21.2 弧焊電源的發(fā)展?fàn)顩r和研究現(xiàn)狀21.3 軟開關(guān)21.4 本文的研究內(nèi)容、目的和意義22 逆變弧焊電源原理及設(shè)計(jì)方案22.1 逆變弧焊電源原理22.2 設(shè)計(jì)方案確定23 模糊控制器設(shè)計(jì)23.1 模糊理論的提出及可行性23.2 模糊控制基本原理23.3 模糊控制器設(shè)計(jì)24 主電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)24.1 移相控制軟開關(guān)全橋逆變器設(shè)計(jì)24.2 高頻變壓器設(shè)計(jì)24.

11、3 輸入整流器設(shè)計(jì)24.4 輸出整流器設(shè)計(jì)25 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)25.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)25.2 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)25.3 外中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)25.4 數(shù)據(jù)采集控制25.5 標(biāo)度變換26 逆變弧焊電源控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)26.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求26.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路26. 3 單片機(jī)核心電路設(shè)計(jì)26.4 參數(shù)給定與操作鍵的控制26.5 檢測電路26.6 A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路26.8 驅(qū)動(dòng)電路26.9 顯示電路26.10 保護(hù)電路27 結(jié)論2致 謝2參考文獻(xiàn)2附錄21 緒論1.1 課題的背景和提出 在現(xiàn)代制造業(yè)生產(chǎn)中，焊接是一種重要的加工手段，隨著制造業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)展，焊接在機(jī)械制造、核工業(yè)

12、、能源交通、石油化工和電子等行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。電弧焊接是焊接的一種基本方法?；『鸽娫淳褪菫楹附与娀√峁╇娔艿囊环N裝置。焊接電弧的物理本質(zhì)是一種氣體導(dǎo)電現(xiàn)象，電弧中的帶電粒子依靠電弧中氣體介質(zhì)的電離和電極的電子發(fā)射兩個(gè)物理過程產(chǎn)生?；『鸽娫匆峁┓€(wěn)定的焊接電弧進(jìn)行焊接，就必須要求其自身的電氣性能滿足焊接電弧的電特性要求。弧焊電源的電氣性能主要包括弧焊電源的靜特性、動(dòng)特性及控制特性等，因此弧焊電源是決定焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，焊接已經(jīng)成為制造業(yè)中的一項(xiàng)基礎(chǔ)工藝和精確的生產(chǎn)手段，對(duì)焊接質(zhì)量的要求也越來越高，為了提高現(xiàn)有的焊接工藝水平，同時(shí)節(jié)約能源和成本，以適應(yīng)生產(chǎn)的需要，研

13、制出小型、輕量、低成本、高效率、節(jié)能、可靠性好、輸出精度高的新型弧焊電源已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。1.2 弧焊電源的發(fā)展?fàn)顩r和研究現(xiàn)狀1.2.1 弧焊電源的發(fā)展?fàn)顩r傳統(tǒng)的弧焊電源的外、動(dòng)特性的控制方式有兩種:機(jī)械控制和電磁控制。采用機(jī)械裝置控制外、動(dòng)特性的弧焊電源有動(dòng)鐵式、動(dòng)圈式、抽頭式弧焊變壓器和弧焊整流器等，機(jī)械控制式弧焊電源的外、動(dòng)特性主要取決于弧焊電源本身的結(jié)構(gòu)。采用電磁控制外、動(dòng)特性的弧焊電源有串聯(lián)飽和電抗器式弧焊變壓器、磁放大器式弧焊整流器和弧焊發(fā)電機(jī)等等。采用電磁控制的弧焊電源的外、動(dòng)特性也主要取決于弧焊電源本身的結(jié)構(gòu)。其可控制參數(shù)少，調(diào)節(jié)精度低，穩(wěn)定性差。在這兩種弧焊電源之后出現(xiàn)的是電

14、子控制式弧焊電源，電子控制式弧焊電源的外、動(dòng)特性完全借助于電子線路控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流、電壓波形的控制，而且其控制性能與本身結(jié)構(gòu)沒有決定性的關(guān)系。電子控制式弧焊電源克服了傳統(tǒng)弧焊電源的一些缺點(diǎn)，逐漸取代了傳統(tǒng)的弧焊電源，逆變弧焊電源正是在這一基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。1.2.2 逆變弧焊電源的發(fā)展 上世紀(jì)七十年代開始有技術(shù)人員進(jìn)行逆變弧焊電源的研究，到七十年代末開發(fā)出了快速晶閘管逆變弧焊機(jī)，至此以后，各公司陸續(xù)推出了逆變產(chǎn)品。八十年代，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，逆變弧焊電源的發(fā)展速度也十分迅速。隨著各種新型的功率電力電子器件的問世并應(yīng)用于弧焊電源，逆變弧焊電源得到了迅速的發(fā)展，其控制性能越來越好，效

15、率也越來越高?，F(xiàn)在，國外各電源生產(chǎn)商都基本完成了全系列逆變弧焊電源的商品化。我國逆變弧焊電源的起步較晚，但中期的發(fā)展較快，晶閘管式逆變弧焊電源已經(jīng)投入批量生產(chǎn)。場效應(yīng)管式和IGBT管式逆變弧焊電源也逐步得到完善。不少科研院所正在積極進(jìn)行這方面的研發(fā)工作。隨著科技的發(fā)展，各種新型功率開關(guān)器件不斷出現(xiàn)，集成電路和微電子技術(shù)在不斷進(jìn)步，新型鐵磁材料也在不斷涌現(xiàn)，它們都為逆變弧焊電源的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了條件。1.2.2.1 器件創(chuàng)新推動(dòng)逆變器的發(fā)展和更新功率開關(guān)管和整流管對(duì)逆變器的發(fā)展起著巨大的推動(dòng)作用，電力電子器件的發(fā)展推動(dòng)著逆變弧焊電源的發(fā)展和更新。電力電子器件從七十年代的快速晶閘管到以后的

16、功率晶體管(GTR)、門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、功率MOS場效應(yīng)管(Power MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和柵極控制晶閘管(MCT)以及近年來正在研制的柵極控制晶閘管(MCT)等器件都有力推動(dòng)著逆變弧焊器向著性能更佳，控制更精確的方向發(fā)展。1.2.2.2 新型材料的應(yīng)用中頻或高頻變壓器是逆變弧焊電源的關(guān)鍵部件之一，其磁性材料性能的好壞，直接影響逆變弧焊電源的工作性能，決定逆變弧焊電源的工作輸出能力。同時(shí)，變壓器的尺寸、結(jié)構(gòu)和重量也決定了逆變弧焊電源的體積、結(jié)構(gòu)和重量。因此磁芯材料的選用十分重要。逆變弧焊電源的磁芯材料主要有薄矽鋼片、軟磁性鐵氧體、非晶和微晶材料等。薄矽鋼片具

17、有飽和磁通密度高，使用薄帶可降低渦流損耗等特點(diǎn)，在前期的逆變弧焊電源中得到了較多的應(yīng)用，但由于其電阻率低，高頻損耗大，已逐漸被其它材料所取代。目前應(yīng)用最多的是軟磁性鐵氧體，其優(yōu)點(diǎn)有:電阻率大，渦流損耗小，高頻鐵損小，價(jià)格便宜、裝配方便等，但其缺點(diǎn)是飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度低，鐵心結(jié)構(gòu)較大。非晶合金材料是近年來出現(xiàn)的新材料，其磁感應(yīng)強(qiáng)度高，電阻率大，對(duì)渦流阻力大，能耗低，更適合應(yīng)用在逆變弧焊電源的高頻變壓器的生產(chǎn)中，是替代軟磁性鐵氧體的好材料。在非晶合金基礎(chǔ)上經(jīng)過處理的微晶合金，性能比非晶合金更高。磁性材料由矽鋼片、坡莫合金向軟磁性鐵氧體、非晶、微晶材料發(fā)展，大幅度提高了磁芯的磁通密度、減小了變壓器的重量

18、，提高了逆變弧焊電源的工作頻率和效率。1.2.2.3 控制性能的優(yōu)化和智能控制控制方法的選擇和控制系統(tǒng)的性能是決定逆變弧焊電源性能的關(guān)鍵因素，其好壞直接決定著逆變弧焊電源性能的優(yōu)劣?？刂菩阅艿膬?yōu)化方法主要有多特性控制，波形控制和功率因數(shù)校正等?？刂齐娐返脑O(shè)計(jì)由最初的分立原件控制方式，逐漸轉(zhuǎn)為主要采用專用的集成控制芯片實(shí)現(xiàn)的控制方。隨著現(xiàn)代生產(chǎn)對(duì)逆變弧焊電源性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)的控制方式已經(jīng)無法很好的滿足要求。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得采用微機(jī)控制的弧焊電源開始逐漸問世，與傳統(tǒng)的控制方法相比，微機(jī)控制的弧焊電源具有顯著的優(yōu)點(diǎn):對(duì)逆變弧焊電源的控制變得容易和靈活，既能對(duì)其外特性進(jìn)行多種形狀和變換的

19、控制，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電流波形、動(dòng)特性和工作程序的靈活和精確的控制;此外，還能完成人機(jī)對(duì)話、參數(shù)預(yù)制、存儲(chǔ)、故障分析、參數(shù)變換、專家系統(tǒng)等功能。從而協(xié)調(diào)整個(gè)焊接生產(chǎn)線的工作，調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，實(shí)現(xiàn)焊接過程的自動(dòng)化和智能化。在已有的采用微機(jī)控制的弧焊電源中，控制系統(tǒng)軟件的控制策略普遍采用的是傳統(tǒng)的PI(比例積分)控制，這種算法的優(yōu)點(diǎn)是控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高，但其缺點(diǎn)是必須建立精確的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行整定，而精確的數(shù)學(xué)模型在實(shí)際問題中往往難以得到;同時(shí)，由于逆變弧焊電源中的逆變器在工作過程中具有嚴(yán)重的非線性，因而其控制比較困難，特別是當(dāng)工作調(diào)節(jié)的范圍比較大時(shí)，傳統(tǒng)的基于線性系統(tǒng)的控制方法將會(huì)導(dǎo)致不良的動(dòng)態(tài)過程或

20、導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此傳統(tǒng)的控制方法無法很好的滿足逆變弧焊電源作為一個(gè)多輸入、多輸出、非線性系統(tǒng)的控制性能要求。隨著對(duì)焊縫質(zhì)量和自動(dòng)化程度要求的不斷提高，實(shí)現(xiàn)逆變弧焊電源的智能化控制是逆變弧焊電源發(fā)展的必然趨勢。智能控制的研究方向可分為:模糊控制技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和專家系統(tǒng)。模糊控制技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家系統(tǒng)控制等智能控制方法在逆變弧焊電源控制策略中的應(yīng)用，將大大提高逆變弧焊電源的性能。現(xiàn)階段模糊控制技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是智能控制研究的熱點(diǎn)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的突出優(yōu)勢是其并行大規(guī)模運(yùn)算能力，而模糊控制的優(yōu)勢則在于其附加成本不高，卻可獲得精確的控制效果，因此模糊控制的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，在逆變

21、弧焊電源中的應(yīng)用前景也十分廣闊。1.2.3 模糊控制在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用狀況模糊控制是智能控制的重要分支，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。模糊控制算法的特點(diǎn)是不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)模糊控制規(guī)則，經(jīng)過模糊推理得出決策。模糊控制規(guī)則是人的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，模糊控制以模糊集合論為基礎(chǔ)，將過去只能用語言表達(dá)的概念轉(zhuǎn)變?yōu)槎康倪^。模糊控制技術(shù)在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用主要途徑有專用的模糊控制芯片及開發(fā)工具、基于通用單片機(jī)的匯編代碼開發(fā)軟件和基于PC機(jī)的高級(jí)語言開發(fā)平臺(tái)三種，專用的模糊控制芯片及開發(fā)工具，其特點(diǎn)是速度、控制精度高，但價(jià)格較高，通用性差。而基于通用單片機(jī)的匯編代碼開發(fā)軟件，其速度和控制精確度高，實(shí)現(xiàn)方便，對(duì)于采

22、用單片機(jī)的場合，所需的附加成本很少?；赑C機(jī)的高級(jí)語言開發(fā)平臺(tái)，則適用于對(duì)于相對(duì)復(fù)雜的焊接過程和設(shè)備。上世紀(jì)八十年代國外科學(xué)家將模糊控制應(yīng)用于自適應(yīng)焊接機(jī)器人的研究，拉開了模糊控制在焊接領(lǐng)域應(yīng)用的序幕。經(jīng)過多年的發(fā)展，在眾多國內(nèi)外專家的共同努力下，模糊控制已經(jīng)在焊接過程的各個(gè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。日本學(xué)者將模糊控制應(yīng)用于脈沖MIG焊接的溶寬控制，建立了一套弧焊機(jī)器人專家系統(tǒng)，運(yùn)用模糊控制實(shí)現(xiàn)了MAG焊接的溶池控制。德國科學(xué)家在PC微機(jī)平臺(tái)上，采用模糊控制對(duì)弧焊機(jī)器人的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究。國內(nèi)清華大學(xué)的專家系統(tǒng)的研究了弧焊過程的模糊控制，對(duì)單變量MIG焊進(jìn)行溶透控制。對(duì)于多變量的CO:焊接的

23、模糊控制也作了初步的研究。華中理工大學(xué)進(jìn)行了TIG焊溶寬自調(diào)整與積分的混合控制的研究，隨著模糊技術(shù)等智能控制方法在逆變弧焊電源中的應(yīng)用，逆變弧焊電源的性能必將大大提高，從而推動(dòng)我國的基礎(chǔ)工業(yè)水平的發(fā)展。1.3 軟開關(guān)1.3.1 軟開關(guān)技術(shù)的提出逆變弧焊電源一般情況下采用恒頻脈寬調(diào)制(PWM)的控制方式。在這種方式下，功率開關(guān)器件工作在硬開關(guān)狀態(tài)，不可避免地具有容性開通、感性關(guān)斷、開通和關(guān)斷損耗大以及二極管反向恢復(fù)等四大問題。開關(guān)管工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的開關(guān)損耗，這是由于開關(guān)管不是理想器件。在開通時(shí)開關(guān)管的電壓不是立即下降到零，而是有一個(gè)下降時(shí)間;同時(shí)電流也不是立即上升到負(fù)載電流，也有一個(gè)上升的時(shí)間

24、;這段時(shí)間里，電壓和電流有一個(gè)交疊區(qū)，由此而產(chǎn)生的損耗，稱為開通損耗。同理，也有關(guān)斷損耗的存在，二者統(tǒng)稱為開關(guān)損耗。因?yàn)槟孀兤鞯拈_關(guān)損耗與其開關(guān)頻率成正比，所以隨著開關(guān)頻率的提高，總的開關(guān)損耗會(huì)增大，逆變器的效率將會(huì)降低。開關(guān)損耗的存在限制了逆變器開關(guān)頻率的提高，從而限制了逆變器的小型化和輕量化。為了減小逆變器的體積和重量，其工作頻率必須提高而要提高開關(guān)頻率，同時(shí)提高變換器的效率，就必須減小開關(guān)損耗，減小開關(guān)損耗的途徑就是實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)，軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。1.3.2 軟開關(guān)技術(shù)的發(fā)展自20世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)外電力電子界和電源技術(shù)界不斷研制開發(fā)高頻軟開關(guān)技術(shù)，到目前為止，已提出了多種不

25、同的軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也取得了一系列成功的應(yīng)用。軟開關(guān)技術(shù)先后經(jīng)歷了串聯(lián)或并聯(lián)諧振技術(shù)(70年代)、準(zhǔn)諧振或多諧振技術(shù)(80年代中)、ZCS-PWM或ZVS-PWM技術(shù)(80年代末)、移相全橋ZVS-PWM技術(shù)(80年代末)、ZCT-PWM或ZVT-PWM技術(shù)(90年代初)、全橋移相ZVZCS-PWM技術(shù)(90年代中)幾個(gè)發(fā)展階段。目前，軟開關(guān)技術(shù)的進(jìn)展主要體現(xiàn)在小功率開關(guān)電源領(lǐng)域，對(duì)于中大功率電源，特別是弧焊電源，由于其負(fù)載大范圍變化頻繁，工作環(huán)境惡劣，器件容量及可靠性等方面的原因，軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用還比較少。但從長遠(yuǎn)觀點(diǎn)來看，軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用到逆變弧焊電源中是弧焊電源的發(fā)展方向。目前已有研制產(chǎn)品問

26、世，如雙IGBT管正激零電壓轉(zhuǎn)換一脈寬調(diào)制(ZVT-PWM)軟開關(guān)弧焊電源，電源功率20KW、輸出額定電流500A，開關(guān)頻率40Hkz，效率90%。該電源沖擊電流小，動(dòng)態(tài)特性好，無過沖，負(fù)載變化不影響軟開關(guān)特性。20世紀(jì)80年代末期出現(xiàn)的恒頻脈寬調(diào)制軟開關(guān)技術(shù)，結(jié)合了諧振技術(shù)和脈寬調(diào)制技術(shù)，能夠很好地解決硬開關(guān)脈寬調(diào)制方式中出現(xiàn)的各種問題，推動(dòng)了逆變焊機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展?？梢灶A(yù)言:軟開關(guān)技術(shù)將逐漸運(yùn)用到逆變焊機(jī)中，軟開關(guān)式逆變焊機(jī)將成為發(fā)展的主流。1.4 本文的研究內(nèi)容、目的和意義1.4.1 本文研究的內(nèi)容本文研究的主要內(nèi)容是基于模糊控制的軟開關(guān)式逆變弧焊電源，電源的主電路采用全橋逆變電路，雖然該

27、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電路和控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，但開關(guān)管承受同樣電壓和電流的前提下，逆變器有更大的功率輸出，同時(shí)功率開關(guān)器件的電流、電壓額定值小，結(jié)構(gòu)對(duì)稱，變壓器的利用率高，濾波電感小，結(jié)構(gòu)緊湊有利于采用模塊式功率器件。在功率器件的選擇上，采用目前技術(shù)較為成熟，應(yīng)用廣泛的IGBT;控制系統(tǒng)采用集成化的微機(jī)控制，采用移相PWM控制方式以實(shí)現(xiàn)逆變器的零電壓開關(guān)?？刂葡到y(tǒng)以軟件形式實(shí)現(xiàn)的模糊控制器實(shí)現(xiàn)主電路的移相PWM控制方式，使該逆變弧焊電源系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定性和良好的動(dòng)態(tài)性能。1.4.2 研究的目的和意義本文的研究目的是將最新的軟開關(guān)技術(shù)和先進(jìn)的模糊控制方式應(yīng)用于逆變弧焊電源的設(shè)計(jì)之中，使新技術(shù)和新方法在實(shí)際

28、中得到應(yīng)用?，F(xiàn)代化生產(chǎn)對(duì)弧焊電源的要求越來越高，不但要求弧焊電源具有較高的效率，較小的損耗，較高的控制精度以節(jié)約能源，提高電源的可靠性，提高輸出精度，確保質(zhì)量;而且要求其向小型、輕量、低成本發(fā)展。因此，研究出滿足上述要求的經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的逆變弧焊電源產(chǎn)品，具有很高的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，應(yīng)該看到要從根本上解決這些問題需要眾多同仁的共同努力。這里，我們研制的基于模糊控制的逆變弧焊電源具有一定的理論和實(shí)踐探索作用，希望能為今后的研究工作提供參考。2 逆變弧焊電源原理及設(shè)計(jì)方案2.1 逆變弧焊電源原理2.1.1 逆變弧焊電源的基本原理 逆變是指由直流到交流的變換，實(shí)現(xiàn)這種變換的裝置稱為逆變器，為焊接電弧提供電

29、能，具有弧焊工藝所要求的電氣性能的逆變器，稱為逆變弧焊電源。其基本組成框圖如圖2-1所示，其基本工作原理簡述如下:單相或三相交流電經(jīng)輸入整流器VD1整流，濾波器LC1濾波之后，通過功率開關(guān)器件構(gòu)成的逆變器Q的交替開關(guān)作用，變成幾十至上百千赫的高頻交流電，再經(jīng)高頻變壓器T降至適合于焊接的幾十伏電壓，并借助于控制驅(qū)動(dòng)電路和反饋電路，以及焊接回路的阻抗，獲得焊接所需的外特性和動(dòng)特性。如果需要采用直流焊接，還須經(jīng)輸出整流器VD2整流，電抗器、電容濾波，變?yōu)橹绷麟娸敵觥D示為“AC-DC-AC-DC”的逆變系統(tǒng)原理圖。圖2-1 逆變弧焊電源基本原理圖在逆變弧焊電源中，逆變主電路和控制系統(tǒng)(包括控制、驅(qū)動(dòng)

30、電路和反饋、給定電路)的質(zhì)量是決定逆變弧焊電源質(zhì)量的關(guān)鍵因素，控制系統(tǒng)應(yīng)該能設(shè)置和檢測工作參數(shù)，并對(duì)功率主電路進(jìn)行正確的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過程的控制。2.1.2 逆變弧焊電源的組成 由弧焊電源的基本原理圖可見，其主要由主電路和控制電路兩部分組成，電路的功能是將電網(wǎng)電能傳遞給負(fù)載，控制電路的功能是向主電路提供足夠大的脈沖觸發(fā)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)主電路按照要求工作，反饋電路是控制電路的一部分，以現(xiàn)逆變弧焊電源的閉環(huán)控制。2.1.2.1 主電路的基本形式逆變弧焊電源的主電路的基本形式有很多，如單端正激逆變主電路，雙重正激單端主電路，單端反激式逆變主電路，半橋式逆變主電路，全橋式逆變主電等。比較常用的是單端正

31、激式，半橋式和全橋式三種。(1)單端正激式逆變主電路單端正激式逆變主電路的結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，當(dāng)功率開關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)，整流二極管VD1導(dǎo)通，電能通過整流二極管傳遞給負(fù)載，同時(shí)，有部分能量儲(chǔ)存在輸出回路的儲(chǔ)能電感L中，當(dāng)開關(guān)管VT截止時(shí)，高頻變壓器原副邊產(chǎn)生反向感應(yīng)電勢，整流二極管反偏截止，電感儲(chǔ)能經(jīng)過續(xù)流二極管向負(fù)載供電，高頻變壓器的作用是實(shí)現(xiàn)電能變換和輸入、輸出之間的隔離。圖2-2單端正激你編制電路圖2-2 單端正激式逆變主電路(2)半橋式逆變主電路半橋式逆變主電路的結(jié)構(gòu)如圖2-3所示，當(dāng)功率開關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí)，電容C1放電，C2充電，變壓器副邊輸出交流方波的正半波；當(dāng)功率開關(guān)管VT2導(dǎo)通時(shí)

32、，電容C2放電，C1充電，變壓器副邊輸出交流方波的負(fù)半波。通過控制系統(tǒng)對(duì)當(dāng)功率開關(guān)管VT1、VT2的控制，在換流電容C1，C2的配合作用下，功率開關(guān)管VT1、VT2交替通斷，從而實(shí)現(xiàn)從直流到可控交流方波的逆變。圖2-3半橋式逆變主電路(3)全橋式逆變主電路全橋式逆變主電路結(jié)構(gòu)如圖2-4所示，四個(gè)功率開關(guān)管分為兩組導(dǎo)通，VT1、VT4 一組，VT2、VT3為另一組。當(dāng)VTI、VT4導(dǎo)通時(shí)，VT2、VT3截止，變壓器副邊輸出交流方波的正半波;當(dāng)VT2、VT3導(dǎo)通時(shí)，VTI、VT4截止，變壓器副邊輸出交流方波的負(fù)半波。由控制系統(tǒng)對(duì)四個(gè)功率開關(guān)管進(jìn)行控制，使VT1、VT4和VT2、VT3交替導(dǎo)通，從而

33、實(shí)現(xiàn)直流電到高頻交流電的逆變。圖2-4 全橋式逆變主電路單端正激式逆變電路在開關(guān)電源中應(yīng)用很多，技術(shù)上較為成熟，其結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試容易，沒有開關(guān)管直通和高頻變壓器的單向偏磁問題，其缺點(diǎn)是變壓器磁芯工作在磁滯回線的半邊，磁芯的利用率低，輸出功率不高，適用于中小功率的逆變弧焊電源。半橋式逆變電路與單端正激式相比，同樣的頻率在同一周期可進(jìn)行兩次控制，因此，其動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能好，而且相對(duì)來說可以輸出較大的功率，而與全橋相比電路結(jié)構(gòu)簡單抗不平衡能力較強(qiáng)，適用于中等容量的逆變弧焊電源。全橋逆變電路的電路和控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，且存在單相偏磁問題，采用全橋的目的在于開關(guān)管承受同樣電壓和電流的前提下，逆變器有更大的功率

34、輸出，同時(shí)，其結(jié)構(gòu)緊湊，有利于采用模塊式功率器件。全橋逆變電路的主要缺點(diǎn)就是可能發(fā)生直通現(xiàn)象，直通是指同一橋臂上的兩個(gè)功率開關(guān)在工作周期內(nèi)不是正常的交替導(dǎo)通，而是在某一時(shí)刻同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象。電路發(fā)生直通時(shí)，變換器的上下兩個(gè)功率開關(guān)管短路，將導(dǎo)致功率開關(guān)損壞，逆變失敗，因此必須采取有效措施，防止直通現(xiàn)象的發(fā)生。2.1.2.2 控制策略與控制電路的基本形式逆變弧焊電源是通過控制電路來實(shí)現(xiàn)不同外特性的輸出，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)調(diào)整，從而適用于不同的焊接對(duì)象對(duì)焊接工藝的要求。逆變弧焊電源一般通過三種調(diào)節(jié)機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)外特性的控制及工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)。(1) 定脈寬調(diào)頻率 逆變器輸出高頻脈沖電流寬度不變，通過改變逆變器的

35、開關(guān)頻率來調(diào)節(jié)工藝參數(shù)。頻率越高，工作電流越大。(2) 定頻率調(diào)脈寬 逆變器的開關(guān)頻率不變，通過改變逆變器輸出高頻脈沖電流的脈寬比(占空比)來調(diào)節(jié)工藝參數(shù)。脈寬比越大，工作電流越大。(3) 混合調(diào)節(jié) 調(diào)頻率和調(diào)脈寬相結(jié)合。例如在某些電路頻率調(diào)節(jié)范圍不夠大的場合，可通過調(diào)節(jié)脈寬加大調(diào)節(jié)范圍。逆變弧焊電源的控制電路發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)主要采用專用集成控制芯片來實(shí)現(xiàn)，將在一定的時(shí)期內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著對(duì)電源性能要求的不斷提高，越來越多的應(yīng)用場合需要弧焊電源滿足輸出穩(wěn)定，調(diào)節(jié)靈活的要求，這種控制方式可以方便的在一臺(tái)焊接電源上實(shí)現(xiàn)多種功能、多特性輸出。微機(jī)控制的弧焊電源應(yīng)運(yùn)而生，與傳統(tǒng)的控制方法相比，微機(jī)控制

36、弧焊電源具有顯著的優(yōu)點(diǎn):減少漂移和電磁干擾；改善系統(tǒng)的可靠性;軟件設(shè)計(jì)方便靈活，可以根據(jù)系統(tǒng)要求進(jìn)行修改；實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的監(jiān)控和診斷，這一方式將是未來發(fā)展的主流。2.1.3 逆變弧焊電源的特點(diǎn)逆變弧焊電源對(duì)弧焊工藝性能的影響很大，傳統(tǒng)的弧焊電源均采用工頻傳遞電能和變換電參數(shù)，而逆變弧焊電源則把工頻交流電變換為幾十至上百千赫的交流電來進(jìn)行電能變換，因而其結(jié)構(gòu)上的突出特點(diǎn)是效率高、體積小、重量輕、節(jié)能省材。逆變弧焊電源控制性能上的特點(diǎn)是其控制性能好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、易于實(shí)現(xiàn)焊接過程的實(shí)時(shí)控制，因而被廣泛應(yīng)用。逆變弧焊電源與傳統(tǒng)弧焊電源的主要技術(shù)指標(biāo)見表2-1。表2-1逆變弧焊電源與傳統(tǒng)弧焊電源的主要指標(biāo)電源

37、類型輸出電流A負(fù)載持續(xù)率%效率%功率因數(shù)質(zhì)量Kg弧焊發(fā)電機(jī)3005045550.860.88530硅弧焊整流器3006060750.650.7200晶閘管整流器3006070800.670.75150逆變弧焊電源3006080900.9以上2540 逆變弧焊電源的主要優(yōu)點(diǎn)有:(1) 高效節(jié)能，其效率可達(dá)80%90%；(2) 空載損耗小，引弧可靠，可實(shí)現(xiàn)多種功能；(3) 調(diào)節(jié)速度快，所有參數(shù)均可無級(jí)調(diào)節(jié)；(4) 具有良好的動(dòng)特性和焊接工藝性能；(5) 重量輕，體積小，變壓器質(zhì)量為傳統(tǒng)變壓器的幾十分之一，設(shè)備費(fèi)用低。2.2 設(shè)計(jì)方案確定本文設(shè)計(jì)的逆變弧焊電源組成原理框圖如圖2-5所示。電源主要由主

38、電路和控制電路兩部分組成。單相或三相工頻交流電經(jīng)輸入整流濾波之后，通過全橋逆變器的功率開關(guān)管的交替開關(guān)，逆變成幾十至上百千赫的高頻交流電，再經(jīng)高頻變壓器降至適合于焊接的幾十伏電壓，最后經(jīng)輸出整流器整流，獲得所需的直流電?？刂齐娐方柚隍?qū)動(dòng)電路和反饋電路控制大功率開關(guān)管交替開關(guān)，以獲得弧焊所需的外特性和動(dòng)特性。AC50Hz輸入整流器逆變器高頻變壓器輸出整流器檢測電路電流反饋A/D驅(qū)動(dòng)電 路移相控制PWM單片機(jī)系統(tǒng)鍵盤輸入顯示圖2-5 逆變弧焊電源原理圖2.2.2 主電路方案確定 主電路的功能是負(fù)責(zé)將電網(wǎng)電能傳遞給負(fù)載部分，主要由輸入整流器、IGBT全橋逆變器，高頻變壓器和輸出整流器組成，逆變主電

39、路采用零電壓軟開關(guān)工作方式，這一方式具有開關(guān)頻率高，關(guān)斷損耗小，可靠性好和工作效率高等特點(diǎn)。高頻變壓器不但起著功率傳遞和降壓的作用，還實(shí)現(xiàn)了負(fù)載端與控制端的電氣隔離，高頻變壓器的鐵芯采用了性能優(yōu)越的鐵基非晶態(tài)合金，這兩項(xiàng)是逆變弧焊電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。因此，主電路的設(shè)計(jì)主要集中在全橋移相逆變主電路和高頻變壓器的設(shè)計(jì)上。同時(shí)，本文采用移相PWM控制方式，這一控制方式結(jié)合了諧振技術(shù)和脈寬調(diào)制技術(shù)，能夠很好地解決硬開關(guān)脈寬調(diào)制方式中出現(xiàn)的一些問題，使逆變器在軟開關(guān)狀態(tài)下工作，減小了逆變器的開關(guān)損耗，推動(dòng)了逆變焊機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展。2.2.3 控制電路方案確定控制電路以單片機(jī)系統(tǒng)為核心，單片機(jī)系統(tǒng)通過電流反饋電

40、路從主電路獲得焊接電流反饋，然后將其與焊接電流的設(shè)定值比較，由此得到焊接電流偏差e及焊接電流偏差的變化ec;用軟件實(shí)現(xiàn)的模糊控制器以焊接電流偏差e和焊接電流偏差變化率ec為兩個(gè)輸入量，進(jìn)行模糊控制調(diào)節(jié)，輸出的控制量經(jīng)過移相控制芯片3875得到需要的脈寬控制波形輸出，控制逆變主電路進(jìn)行工作，從而實(shí)現(xiàn)焊接規(guī)范的調(diào)節(jié)。焊接過程中逆變弧焊電源的控制電路部分的工作過程如下:首先操作者由鍵盤輸入焊接過程的預(yù)設(shè)工藝參數(shù)，這一參數(shù)指令直接輸入單片機(jī)，并由單片機(jī)控制逆變主電路按設(shè)定工作，由開關(guān)通過控制電路發(fā)出焊接指令，焊接電流通過電流反饋及模糊控制器的控制實(shí)現(xiàn)恒流特性控制。當(dāng)接收到焊接停止信號(hào)時(shí)，微機(jī)發(fā)出收弧指

41、令，進(jìn)行收弧處理，收弧完畢微機(jī)關(guān)閉所有通道，進(jìn)入焊接結(jié)束狀態(tài)。若在焊接進(jìn)行的過程中出現(xiàn)故障信號(hào)，則故障信號(hào)以中斷方式供微機(jī)處理。單片機(jī)控制系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計(jì)主要包括三方面，系統(tǒng)輸入的模擬量和開關(guān)量及其通道數(shù)的確定，單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)和單片機(jī)系統(tǒng)外圍接口電路。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則是盡量簡化外圍電路、減少分立元件，提高其抗干擾能力和工作的可靠性、穩(wěn)定性。該電源控制系統(tǒng)采用了以單片機(jī)為核心控制芯片的應(yīng)用系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)軟件完成算術(shù)和邏輯運(yùn)算。發(fā)出指令，調(diào)節(jié)輸出等關(guān)鍵性工作均由單片機(jī)完成，其它電路均為之服務(wù)。外圍接口電路是控制電路與主電路連接的橋梁，包括焊接電流、電壓反饋電路和信號(hào)采集電路，為提高轉(zhuǎn)換精度

42、，系統(tǒng)采用12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574；故障信號(hào)鎖定電路，當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，故障信號(hào)以中斷方式供微機(jī)處理;移相PWM驅(qū)動(dòng)電路，用以實(shí)現(xiàn)全橋移相PWM控制。人機(jī)界面包括系統(tǒng)鍵盤和顯示電路，是人機(jī)之間交流的工具，操作者可以通過鍵盤方便的設(shè)定和修改合適的焊接參數(shù)。采用8位LED數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示焊接電流和電壓，使操作者可以直觀的了解電源的工作狀態(tài)。2.2.4 軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案確定控制系統(tǒng)的軟件是逆變弧焊電源系統(tǒng)的靈魂，硬件系統(tǒng)只有在軟件的指揮下才能工作。控制系統(tǒng)的軟件主要完成焊接電流、電壓的調(diào)節(jié)，恒流特性的輸出及其他功能。微機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括:(1)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(2)主程序設(shè)計(jì)(3)中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)

43、(4)子程序設(shè)計(jì) 根據(jù)前述，軟件主要完成焊接電流電壓的調(diào)節(jié)，恒流輸出，參數(shù)顯示等功能。主要由主程序和兩個(gè)中斷服務(wù)程序和其他一些功能子程序組成。主程序用于控制焊接工作的流程，中斷服務(wù)程序包括故障信號(hào)中斷和鍵盤參數(shù)設(shè)定輸入中斷，屬于外部中斷方式。功能子程序用于完成模糊控制、程序初始化、鍵盤處理、軟件數(shù)字濾波、參數(shù)顯示等功能。模糊控制子程序是本文研究的核心，逆變弧焊電源利用模糊控制實(shí)現(xiàn)恒流外特性的控制，是軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，后面有單獨(dú)的章節(jié)介紹。3 模糊控制器設(shè)計(jì)3.1 模糊理論的提出及可行性隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論在許多領(lǐng)域都得到了成功應(yīng)用。但應(yīng)用這些控制方法都有一個(gè)基本要求：必須建立被控對(duì)象的精

44、確數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行整定。隨著各個(gè)領(lǐng)域?qū)ψ钥叵到y(tǒng)精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應(yīng)能力等要求的不斷提高，一些非線性、時(shí)變、過程機(jī)理復(fù)雜由于很難建立精確的數(shù)學(xué)模型而無法找到合適的控制方法。模糊控制因此應(yīng)運(yùn)而生，模糊控制是在總結(jié)人類自然語言概念、操作經(jīng)驗(yàn)的基本上，模仿人類智能的一種控制方法。開關(guān)變換器在工作過程中具有嚴(yán)重的非線性，所以逆變弧焊電源的精確的數(shù)學(xué)模型在實(shí)際問題中往往難以得到，因而要實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)變換器的精確控制是比較困難的。同時(shí)，當(dāng)逆變弧焊電源的工作調(diào)節(jié)范圍比較大時(shí)，傳統(tǒng)的基于線性系統(tǒng)的控制方法將會(huì)導(dǎo)致不良的動(dòng)態(tài)過程或者系統(tǒng)部穩(wěn)定。因此傳統(tǒng)的方法無法滿足弧焊電源作為一個(gè)多輸入，多輸出，非線性系統(tǒng)

45、的控制性能要求。本設(shè)計(jì)采用模糊控制方法解決這一問題，將模糊控制應(yīng)用于控制系統(tǒng)。很好的提高了弧焊電源的控制性能和可靠性，從而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和良好的動(dòng)態(tài)性能。3.2 模糊控制基本原理圖3-1 模糊控制原理模糊控制由模糊化處理、模糊推理和解模糊化三部分組成。模糊化的目的是將過程狀態(tài)信息的精確值轉(zhuǎn)換為語言變量模糊子集的隸屬函數(shù)。模糊推理是利用模糊知識(shí)庫中的模糊關(guān)系，推導(dǎo)出模糊控制動(dòng)作的過程。解模糊化是將模糊控制子集轉(zhuǎn)變?yōu)榇_切的控制量輸出。模糊控制的基本原理是：模糊控制器的輸入量通過模糊化處理。經(jīng)過一定的語言規(guī)則進(jìn)行模糊推理，推理得出的輸出結(jié)果明晰化，最后得到控制變量的精確輸出值。模糊控制的基本原理

46、如圖3-1所示。3.3 模糊控制器設(shè)計(jì)模糊控制器的實(shí)現(xiàn)可以通過多種方法進(jìn)行。一是采用專用的模糊邏輯芯片及開發(fā)工具，其速度快、控制精度高，并有多種型號(hào)可供選用。但目前成本較高，不太適合做成通用產(chǎn)品，而且對(duì)輸入、輸出規(guī)則有所限制，缺乏靈活性。二是采用基于通用單片機(jī)的匯編代碼開發(fā)軟件，速度和精度較高，實(shí)現(xiàn)方便，對(duì)于應(yīng)用單片機(jī)的場合其所附加成本較少。在采用單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)模糊控制時(shí)，又可分為兩種運(yùn)算方法:一是計(jì)算機(jī)離線計(jì)算出查詢表，既事先將輸入量模糊化、模糊推理和輸出控制量解模糊化都用表格的形式表現(xiàn)出來，再通過運(yùn)算將這些表格整合成一張模糊控制表;然后，將模糊控制表存儲(chǔ)在單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中;在進(jìn)行控

47、制時(shí)，通過查詢模糊控制表來實(shí)現(xiàn)模糊控制。這一方法的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快，實(shí)時(shí)計(jì)算量少，程序編制較為簡單，開發(fā)周期短。另一個(gè)方法是在模糊控制過程中在線計(jì)算輸入變量，并將其模糊化處理，模糊推理和解模糊化輸出。這一方法的隸屬函數(shù)和控制規(guī)則比較靈活，通用性好;但實(shí)時(shí)計(jì)算量大，控制效果較差;并且開發(fā)周期長，對(duì)編程人員的要求較高?；谏厦娴姆治觯疚牟捎貌楸矸☉?yīng)用單片機(jī)軟件編程來實(shí)現(xiàn)模糊控制。模糊控制器的設(shè)計(jì)是指實(shí)現(xiàn)模糊控制的軟件設(shè)計(jì)，主要包括以下幾個(gè)主要方面:確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量，選擇輸入、輸出變量的論域及參數(shù);變量的語言描述與賦值表的建立;設(shè)計(jì)模糊控制器的控制規(guī)則;確立模糊化和明晰化方法，模

48、糊控制表的生成。3.3.1 模糊控制器的輸入、輸出語言變量 按照模糊控制器的輸入與輸出變量的數(shù)量，模糊控制器?？煞譃橐惠斎胍惠敵瞿：刂破鳎斎胍惠敵瞿：刂破骱投噍斎胍惠敵瞿：刂破?。在理論上，模糊控制器的輸入變量的個(gè)數(shù)(維數(shù))與控制精度成正比，但維數(shù)越多，控制越復(fù)雜，越難以實(shí)現(xiàn)。因此，本文采用二輸入一輸出的二維模糊控制器。模糊控制器的輸入語言變量多取被控對(duì)象的偏差及其變化率，輸出語言變量取控制量的變化。在這里輸入變量取為焊接電流的偏差e及其變化率ec。在移相控制電路中，OUT1、OUT2、OUT3、OUT4分別是逆變器功率器件S1、S2、S3、S4的觸發(fā)脈沖，如圖5-2所示。OUT1、O

49、UT3分別是超前橋臂上、下功率器件S1、S3的觸發(fā)脈沖，相位相反；OUT2、OUT4分別是滯后橋臂上、下功率器件S2、S4的觸發(fā)脈沖，相位相反。OUT1、OUT4和OUT2、OUT3分別有共同導(dǎo)通部分，這個(gè)共同導(dǎo)通部分是電源向負(fù)載傳送功率部分。通過調(diào)節(jié)共同導(dǎo)通部分即可調(diào)節(jié)輸出參數(shù)。因此，模糊控制器的輸出變量為逆變器中S1、S4和S2、S3的共同導(dǎo)通時(shí)間的變化tc。圖3-2 移相控制電路觸發(fā)脈沖波形3.3.2變量的語言描述與復(fù)制表在模糊控制器的設(shè)計(jì)中，首先要確定輸入變量的基本論域和離散。在二輸入一輸出的模糊控制系統(tǒng)中，輸入變量電流偏差變化率ec的實(shí)際變化范圍為語言變量的基本論域。被控制量實(shí)際的控

50、制變化范圍為模糊控制器輸出變量的基本論域。本文取輸入變量電流偏差e的基本論域取為-20，20。輸入變量偏差變化率ec的基本論域取為-6，6。輸出變量共同導(dǎo)通時(shí)間的變化tc的基本論域?yàn)?24，24。輸入變量焊接電流偏差E的離散論域?yàn)椋?，5，4，3，2，1，0，-1，-2，-3，-4，-5，-6。輸入變量焊接電流偏差變化率EC的離散論域取為：6，5，4，3，2，1，0，-1，-2，-3，-4，-5，-6。輸出變量TC的離散論域取為：6，5，4，3，2，1，0，-1，-2，-3，-4，-5，-6?；菊撚蛑械牧渴蔷_量，而模糊子集的量為離散量，其離散值代表一個(gè)模糊子集，因此要將輸入變量的基本論域中

51、的量向其模糊子集的離散子集的離散化論域模糊化。要將輸入精確量轉(zhuǎn)換為模糊量，首先要確定量化因子。量化因子的定義為： (3-1)其中，xL，xH為控制量變化的基本論域，n為基本論域的量化檔數(shù)。由公式3-1得到電流偏差及其變化率的量化因子分別為: 一旦量化因子確定，系統(tǒng)的任何偏差ei和偏差的變化率eci總可以變化為離散論域中的元素。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)量化因子ke取值大時(shí)，基本論域會(huì)有所縮小，可以增加偏差控制的靈敏度，但容易出現(xiàn)超調(diào)，系統(tǒng)過渡時(shí)間長;當(dāng)量化因子ke取值小時(shí)，基本論域會(huì)放大，降低偏差控制的靈敏度，控制不夠精確。當(dāng)量化因子kec大時(shí)，不易超調(diào)，但系統(tǒng)響應(yīng)慢?；诹炕蜃拥母拍睿瑢?duì)于模糊控

52、制器的輸出量，定義從其模糊量到精確量的變換的比例因子為: (3-2)其中，為輸出量變化的基本論域，n為基本論域的量化檔數(shù)。由公式5-2得到輸出量變換的比例因子為： 比例因子的大小對(duì)系統(tǒng)性能的影響表現(xiàn)為:比例因子大，則被控過程阻尼下降;相反，比例因子小，則過程的響應(yīng)遲緩。焊接電流偏差E所對(duì)應(yīng)的語言變量在基本論域上模糊子集為:正大(PB)，正中(PM)，正小(PS)，正零(P0)，負(fù)零(N0)，負(fù)小(NS)，負(fù)中(NM)，負(fù)大(NB)。焊接電流偏差變化EC語言變量在基本論域上的模糊子集為:正大(PB)，正中(PM)，正小(PS)，正零(P0)，負(fù)小(NS)，負(fù)中(NM)，負(fù)大(NB)。輸出變量TC

53、的語言變量在基本論域上的模糊子集為:正大(PB)，正中(PM)，正小(PS)，正零(P0)，負(fù)小(NS)，負(fù)中(NM)，負(fù)大(NB)。語言變量論域上的模糊子集由隸屬函數(shù)(x)來描述。隸屬函數(shù)(x)可以通過總結(jié)操作者的操作經(jīng)驗(yàn)或統(tǒng)計(jì)方法獲得。輸入、輸出變量的隸屬函數(shù)采用常用的三角形隸屬函數(shù)，在偏差較大的區(qū)域，隸屬函數(shù)形狀為平緩型，而在偏差較小時(shí)，為提高控制的靈敏度，隸屬函數(shù)形狀陡一些。其隸屬函數(shù)分別如圖5-3、5-4、5-5所示。圖3-3 E的隸屬函數(shù)曲線圖3-4 EC的隸屬函數(shù)曲線圖3-5 TC的隸屬函數(shù)曲線在選定模糊控制器的語言變量及其所取的語言值，并確定了語言變量在各自論語上子集之后，要為語言變量分別建立用以說明各語言值從屬于各個(gè)自論域程度的表格，稱為語言變量賦值表。表3-1,3-2,3-3分別為電流變差e，電流偏差表格化ec和輸出tc的賦值表。表3-1 電流偏差e賦值表 u eE-6 -5 -4 -3 -2 -1 -0 +0 +1 +2 +3 +4 +5 +6PBPMPSP0N0NSNMNB 0.3 0.5 0.8 1.0 0.3 0.7 1.0 0.7 0.3 0.3 0.7 1.0 0.7 0.3 1.0 0.7 0.3 0.3 0.7 1.0 0.3 0.7 1.0 0.7 0.30.3 0.7 1.0 0.7 0.31.0 0.8 0.5 0.3表3-2 電流偏