电阻点焊广泛应用于薄板连接。点焊过程时间很短，焊接接头易受多种因素影响。为了提高焊接质量 和对不同材料的适应能力，要增加预热和后热处理环节；同时，精确控制焊接过程的电流有效值， 是进行质量控制主要的方法。目前，电阻点焊机需要分级调节焊接变压器的抽头，凭经验设定焊接 时间和热量大小（晶闸管导通角和焊接周波数），焊接电流是开环控制，大都没有预热和后热处理 环节，控制精度和焊接质量难以保证。随着微机控制技术的发展，已经能够进行可调节的多阶段加 热处理，并使智能控制算法得以发展和实现。为此，对电阻点焊的智能控制技术进行研究，电阻点 焊控制装置采用高性能ADuC８１２
微处理器，对焊接电流进行模糊控制，提高了电流有效值检 测精度和控制精度，并实现了多阶段加热控制，提高了特殊材料焊接的适应性。１硬件结构该系统 由单片机控制电路、双向晶闸管交流调压电路、焊接变压器及其他附属设备组成，如图１所示。焊 接变压器将高电压小电流转换成低电压大电流，向工件提供焊接电流，晶闸管为主控电流开关元件 。单片机控制电路由微处理器、键盘／显示接口电路、同步移相触发电路、有效值检测电路和电源 电路组成。采用AnalogDe－vice公司的ADuC８１２微处理器，其内核兼容８０５ １微处理单元；内置８个１２位２００KSPS模／数转换器，２个１２位数／模转换器；存储器 系统包括８K字节片内FlashRAM程序存储器，６４０字节E２PROM，可外扩展１６M B数据存储器。同时，它还集成SPI，I２C，UART接口；可以接收从上位机的RS２３２ 接口下载的程序，非常适于系统调试犤１犦。键盘／显示接口电路完成控制参数和工艺参数的设置 、修改，配合电流有效值标定程序完成电流值的标定。该接口电路以Intel８２７９为核心， 外接４×４矩阵键盘和６位LED显示器。该电路工作时，８２７９不断扫描矩阵键盘和显示器， 将存于８２７９内部RAM中的数据依次送到段驱动总线上，配合多路复用信号，完成显示控制。 当按下键盘任一键，８２７９经自动消抖动处理后，形成该按键的编码，存入内部先进先出存储器 （FIFO）供CPU读取，同时向CPU发出中断请求犤２犦。有效值检测电路是系统的重要部 分，它的精度决定了系统的计量和控制精度。该电路由电流霍尔传感器和以AD５３６为核心的真 有效值电路组成。焊接电路采用移相触发方式调压，因此，电流波形是非正弦波且不连续。对于非 正弦波的有效值检测，一般可采用软件和硬件两种方法。软件方法要滞后一个周期，且计算量大， 不适于实时采集控制。硬件方法则采用硬件电路把任意波形的有效值转换为等幅直流电压信号，速 度快，精度高犤３犦。真有效值集成电路AD５３６具有高精度、低漂移的特点，采用激光校准， 误差小于０．２％，２MHz带宽，最大输入电压峰值±２５V。由于焊接电流较大（可达１００ ００A），不易直接检测，本系统通过检测焊接变压器的初级电流，用分段拟合的方法间接检测焊 接电流。电流霍尔传感器将０～５０A的交流电流转换为０～２V幅值的交流电压信号，真有效值 电路将该电压信号的有效值转换为对应的直流电压，微处理器通过AD５３６得到该电压信号后， 经过转换得到焊接电流的有效值。同步移相触发电路的功能是在CPU控制下完成对双向晶闸管准 确触发，以达到调节焊接电流的目的。该电路由过零监测电路、CPU的中断０、CPU的定时计 数器０、CPU的数／模转换器０、光电隔离触发电路组成。过零检测电路在主回路电压过零时产 生＋５V脉冲，向CPU中断０发出中断请求信号，中断服务程序根据模糊控制器计算出的移相时 间常数完成对定时计数器０的初始化，并启动定时计数器０，定时时间到，定时计数器中断，在定 时计数器０的中断服务程序中通过CPU的DA接口，由外接运算放大器放大后向光电隔离触发电 路发出＋５V脉冲列，触发晶闸管导通，产生焊接电流。图１电阻点焊机组成框图２控制算法２． １变比例因子的变结构模糊控制器电阻点焊过程是一个非线性、时变、模型难以建立的系统，焊接 过程中压力及工件接头区的电阻变化都会影响焊接质量，采用简单开环控制是不够的犤４犦。考虑 到被控对象的复杂性和不确定性及要求控制系统具有较快的控制速度、较强的适应性和较小的静差 ，有必要采用可靠有效的质量监控方法犤５犦。本文采用恒流控制技术，并设计了变比例因子的变 结构模糊控制器，如图２所示。常规模糊控制器在整个控制过程中各变量的论域等级和控制规律是 固定的，无法把整个被控系统的稳态偏差降到最小，而且系统的动态品质较差。变结构模糊控制器 能够根据系统所处的不同条件选择不同的控制规律或控制参数，从而提高系统动态品质，减小静态 偏差。但简单的变结构控制器并没有改变变量的论域等级，当误差较大时，论域等级相对较小，影 响系统的快速性；当误差较小时，论域等级相对较大，增大系统的静态偏差。为了更有效地实施控 制，必须在变结构的同时改变各变量的论域等级。２．２模糊控制器的设计实现基于该控制算法编 制了控制程序，包括主程序和中断处理程序。主程序完成参数设定、模糊控制计算和通信功能；中 断程序完成同步移相触发功能等，程序框图如图３所示。图３控制程序框图在设计中采取了如下方 法：（１）选用实际电流与给定电流值的误差E及其变化率EC作为输入语言变量，把控制焊接电 流的晶闸管导通角变化量U选作输出语言变量。（２）设电流误差E的基本论域为犤－６A，６A 犦，语言变量E的论域为：X＝狖－６，－５，－４，－３，－２，－１，０，１，２，３，４， ５，６狚，则偏差E的量化因子为：K１＝６／６＝１。设误差变化率EC的基本论域为犤－３A ，３A犦，语言变量EC的论域为：Y＝狖－６，－５，－４，－３，－２，－１，０，１，２， ３，４，５，６狚，则误差变化率EC的量化因子为：K２＝６／３＝２。设晶闸管导通角变化量 U的基本论域为犤－３０°，３０°犦，语言变量U的论域为：Y＝狖－６，－５，－４，－３， －２，－１，０，１，２，３，４，５，６狚，则晶闸管导通角变化量U的比例因子为：K３＝３ ０／６＝５。（３）为了克服实时计算量大、耗时多的缺点，采用公式法实现模糊控制。公式一般 采用U＝〈αX＋（１－α）Y〉，其中，X，Y分别是误差和系统误差变化率的论域值，α是０ 到１之间的数，改变α就相当于改变了模糊控制规则。公式法的优越性是比较方便在线调整控制规 则。（４）采用调整权值α改变控制器结构的变结构算法。当误差的绝对值较大时，控制系统的主 要矛盾是消除误差，因此应增大α，使误差在控制规则中占比较大的权值，以改善系统的动态特性 ；当误差的绝对值较小时，控制系统的主要矛盾是抑制系统超调，使系统尽快稳定，因此应减小α ，使误差变化率在控制规则中占比较大的权值。采用如下规则算式：U＝〈αiX＋（１－αi） Y〉，i＝｜X｜，其中i从０到６，且０＜αi＜１，α＜αi＋１。首先凭经验设定一组α值 ，然后通过试验最终确定。试验证明，α０＝０．２５，α１＝０．３，α２＝０．３６，α３＝ ０．４５，α４＝０．５７，α５＝０．６８，α６＝０．７时即可满足设计指标。（５）加入变 比例因子算法。通过改变基本控制器误差，误差变化率的论域的量化等级和输出量变化量U的比例 因子K３来提高控制效果。K１，K２，K３的基本变化趋势是：当偏差或偏差变化率较大时，缩 小K１，K２，降低大偏差范围的分辨率，以获得较平坦的控制特性，保证系统的稳定性；同时增 大K３来提高快速性，改善系统的动态性能。当偏差或偏差变化率较小时，系统已接近稳态，增大 K１，K２，提高小偏差范围的分辨率，提高控制的灵敏度，同时缩小K３来避免超调和振荡，使 系统尽快进入稳态精度范围犤６犦。３性能指标和试验效果预期达到的性能指标：①实现电阻点焊 过程的三阶段加热，使三个阶段（预热、焊接、保温）的时间和各阶段的时间间隔在０～９９周波 内可调，调节步距为１周波。②焊接电流在１５０００A范围内，达到较高的控制精度，稳态误差 ＜３％。利用ADuC８１２出色的存储和通信功能，焊接时系统会把每一步控制的实际电流值、 导通角、误差、误差变化率存入存储器，焊接完成后，通过串口将这些值传给上位机，以便评估控 制效果。使用VisualBasic６．０编写了焊接效果评估程序，采用图形显示，非常直观 。图形可以任意放大缩小、拉伸，各参数曲线的颜色可任意设定，各种曲线可以任意组合显示。移 动标度线还可以读出标度线所指时刻的相关数值。焊接普通碳钢的试验效果见图４。图中预热、焊 接和保温三个阶段的给定加热时间分别为５０周波、６０周波和５０周波，给定电流值分别是３０ ００A，１００００A，４０００A。试验数据显示图２模糊控制器结构图三个阶段的调节时间分 别为：０．２１s，０．２７s，０．１８s，电流稳态误差小于３％，焊接阶段的超调为９％， 达到了设计要求。４结语电阻点焊控制装置采用以高性能微处理器ADuC８１２为核心进行焊接 电流的智能控制，提高了电流有效值检测精度和控制精度，并实现了多阶段加热控制。焊接试验证明该设计完全达到了预期性能指标。在电阻点焊的计算机控制系统中，采用变比例因子结合变结构的模糊控制算法是完全可行的。图４试验效果图ADuC812微处理器模糊控制的电阻点焊装置@朱锦洪$洛阳工学院材料工程系!河南洛阳471039
@朱宏栋$洛阳工学院材料工程系!河南洛阳471039
@梁文林$洛阳工学院材料工程系!河南洛阳471039
@张明柱$洛阳工学院材料工程系!河南洛阳471039
电阻点焊;;微处理器;;模糊控制设计 了一种以ADuC812微处理器为核心的新型电阻点焊装置。根据电阻点焊焊接过程特点和工艺 要求,该装置实现了三段加热的焊接过程和恒流控制,通过真有效值电路检测非正弦焊接电流值,采用变比例因子的变结构模糊控制算法。试验结果证实了该装置的性能指标完全
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