CN100553109C

CN100553109C - 送丝调速方法和送丝调速系统

Info

Publication number: CN100553109C
Application number: CNB2006100733173A
Authority: CN
Inventors: 翟玉喜; 郭怀书
Original assignee: Tangshan Matsushita Industrial Equipment Co Ltd
Current assignee: Panasonic Welding Systems Tangshan Co Ltd
Priority date: 2006-04-07
Filing date: 2006-04-07
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2026-04-07
Also published as: CN101051808A

Abstract

一种用于控制送丝电机的转速的调速方法和调速系统，包括：采样保持装置，用于在采样控制装置输出控制脉冲时，对送丝电机的感应电动势进行采样并保持所采集的信号；调节装置，用于指令信号与所述采样保持信号进行误差放大；调制装置，用于输出脉宽调制信号，这些信号用于依据调节装置的输出信号控制所述驱动装置的输出；驱动装置，用于依据调制装置输出的脉冲信号对送丝电机进行旋转驱动；采样控制装置，用于在驱动装置向送丝电机提供能量的前一时刻，输出采样控制脉冲信号；启动装置，用于控制调制装置及驱动装置的工作状态。

Description

送丝调速方法和送丝调速系统

技术领域

本发明涉及送丝调速方法和送丝调速系统。

背景技术

在熔化极气体保护焊中，通常采用等速送丝配合恒压外特性电源，只有保证焊丝能均匀送进，才能产生有规律的熔滴过渡。因此，送丝系统是熔化极气体保护焊中非常重要的一个环节，送丝速度的变化会影响到焊接电流的变化，所以，送丝速度的稳定程度会直接影响到焊接过程的稳定性和焊缝的成形。

焊接设备在实际的使用中，往往电网电压波动很大，送丝阻力受焊丝质量、送丝导管等诸多因素的影响，变化也很大。

直流电机运行时，其电枢绕组会产生感应电动势，所述感应电动势表达式为

其中，E为感应电动势，Ce为电磁特性参数，为磁通量，n为直流电机旋转速度。对于组装完成的直流电机，其电磁特性参数Ce和磁通量

就为常量，即直流电机的旋转速度与其感应电动势成正比关系。采集直流电机的感应电动势，作为直流电机旋转速度的反馈量，依据此反馈量就可对直流电机旋转速度进行调整。

图2图示了直流斩波控制送丝电机电压波形。在图2中，t_d为送丝电机电枢绕组储存能量释放时间，在此时间段，送丝电机两端的电压接近于零，理论上，在采样时，应避免采样值包括此时间段的电压。t_e时间段为送丝电机的感应电动势段，理论上，反馈采样在此时间段内进行。在一种现有技术中，对送丝电机电压进行全周期采样来作为送丝电机转速的反馈量，因送丝电机的转速与送丝电机电压并不是在所有情况下都是正比关系。所以，在该方式中，电网电压、送丝阻力扰动以及送丝电机控制线加长对送丝电机转速的影响还很大，进而影响焊接过程的稳定性，影响焊接质量。

另外，在李中友等的“送丝电机电动势取样反馈转速控制技术的研究”(山东大学学报(工学版)，2002年4月，第32卷第2期)中提到了采样应该在t_e时间段进行，并给出了如图1所示的电路结构图。但该文献没有考虑t_d的变化，即只是将t_d时间段作为不变的常量，以t_d时间作为对感应电动势采样的延时时间，即在t₁时刻开始，延时t_d时间后对感应电动势进行采样。实际上，对于同一电机，在电机负载力不变的情况下，t_d时间段是不变的常量，但当电机负载力变化时，t_d时间段是变化的，因此，将t_d时间段作为不变的常量来作为采样控制的延时时间，并不能在电机负载力变化时准确对感应电动势进行采样，而送丝电机在实际工作中，由于各种因素的影响，其负载力是不断变化的，所以，在该方式中，不能实现对电动势的准确采样，送丝电机转速受送丝阻力扰动以及送丝电机控制线加长的影响还很大。

发明内容

本发明的目的提供一种用于送丝电机转速控制的送丝调速系统和方法，使得即使在存在电网电压波动，或者送丝阻力变化的情况下，也能准确的调整送丝电机的旋转速度，达到送丝电机的旋转速度的稳定。

为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种用于控制送丝电机的转速的调速系统，包括：调制装置、移相装置、采样控制装置、采样保持装置、反馈调整装置、调节装置、启动装置、驱动装置；其中，所述调制装置，其输入端与调节装置输出端连接，第一输出端与移相装置的输入端连接，第二输出端与采样控制装置的第一控制端连接，控制端与启动装置的第三输出端连接，用于输出调制信号；所述移相装置，其输入端与调制装置的第一输出端连接，输出端与启动装置的输入端、采样控制装置的第二控制端和采样保持装置的第二输入端连接，用于将调制装置的输出脉冲移相固定相位并反相；所述的采样控制装置，其第一控制端与调制装置的第二输出端连接，第二控制端与移相装置的输出端连接，输出端与采样保持装置的控制端连接，用于输出采样控制脉冲；所述采样保持装置，其控制端与采样控制装置的输出端连接，第一输入端与送丝电机连接，第二输入端与移相装置的输出端连接，输出端与反馈调整装置的输入端连接，用于在采样控制装置输出控制脉冲时，对送丝电机的感应电动势进行采样并保持所采集的信号；所述反馈调整装置，其输入端与采样保持装置输出端连接，输出端与调节装置的第二输入端连接，用于反馈信号的运算；所述调节装置，其第一输入端与指令信号连接，第二输入端与反馈调整装置输出端连接，输出端与调制装置输入端连接，用于指令信号与所述采样保持信号的误差放大及调节；所述驱动装置，其第一及第二控制端与启动装置的第一及第二输出端连接，输出端与送丝电机连接，用于依据移相装置输出的脉冲信号对送丝电机进行旋转驱动；所述启动装置，其输入端与移相装置的输出端连接，第一及第二输出端与驱动装置的第一及第二控制端连接，第三输出端与调制装置的控制端相连，用于控制调制装置及驱动装置的工作状态。

根据本发明的另一个方法，提供了一种用于送丝调速系统的送丝调速方法，所述送丝调速系统包括调制装置、移相装置、采样控制装置、采样保持装置、反馈调整装置、调节装置，启动装置，所述方法包括以下步骤：启动装置启动，调制装置输出调制信号；由移相装置将调制装置输出的调制信号移相固定相位并反相；在由调制装置输出的调制信号的下降沿对采样控制装置进行触发，使其输出触发脉冲；在移相装置输出信号的上升沿，触发脉冲结束，控制送丝电机导通；在移相装置输出信号的下降沿，控制送丝电机关断；在所述触发脉冲的上升沿输出采样控制脉冲，所述采样控制脉冲对送丝电机感应电动势进行采样，所述采样被保持并被反馈到反馈调整装置；所述反馈调整装置将采样保持信号处理后输入到调节装置，所述调节装置根据该采样保持信号和指令信号控制调制装置输出的调制信号，从而形成闭环负反馈。

因此，本发明的用于送丝电机转速控制的送丝调速系统，即使存在电网电压波动或者送丝阻力变化，采集的反馈量也能准确反映送丝电机的旋转速度，从而可以准确的调整送丝电机的电机电压，进而调整送丝电机的旋转速度，达到送丝电机的旋转速度的稳定。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明：

图1是现有技术的送丝调速系统的结构图；

图2是送丝电机电压信号图。

图3是本发明的送丝电机转速控制的感应电动势反馈采样时序图。

图4是本发明的送丝调速系统的结构图。

图5是本发明的送丝调速系统控制时序图。

图6A本发明的送丝调速系统原理图的一部分。

图6B本发明的送丝调速系统原理图的另一部分

图7是本发明的送丝电机感应电动势采样及保持波形图。

具体实施方式

首先参照图3的送丝电机转速控制的感应电动势反馈采样控制时序，说明本发明的送丝采样方法。

送丝电机工作时，在其供电电源切断期间，会产生感应电动势，送丝电机的感应电动势与其转速成线性关系。因此，准确的采样电机的感应电动势，就可准确的反映电机的转速。送丝电机两端的电压波形如图2所示。该送丝电机电压波形中存在t_d和t_e时间段。t_d时间段为送丝电机电枢绕组储存能量释放时间，在此时间段，送丝电机两端的电压接近于零，在反馈采样时，应避免采样值包括此时间段的电压。t_e时间段为送丝电机的感应电动势段，反馈采样在此时间段内进行。

送丝电机工作时，t_d时间段随送丝阻力的变化而不断变化，感应电动势t_e时间段相应发生变化，不论t_e时间段变为多短，但一定存该时间段，所以在t_e时间段结束前，即t_p时间段对送丝电机的感应电动势进行脉冲采样，采样时间t_p应控制的尽量小，与电机电压信号的周期相比非常小。脉冲采样完成时，即t₁时刻开始延时t_f后向送丝电机输出能量，理论上t_f可以为零，考虑电路工作时响应延时，在采样脉冲不会误采送丝电机驱动电压的条件下，t_f时间越小越好。减小t_p和t_f时间，就提高了抗感应电动势段t_e变动的影响，即不受送丝电机负载变化时感应电动势段，即t_e时间段变化的影响，进而准确的反映送丝电机的转速，然后对所采样的感应电动势保持后作为送丝电机转速调整的反馈量。

所述的在t_p时间段对送丝电机的感应电动势进行脉冲采样，包括，直接在t_p时间段对感应电动势进行采样，即采样一次完成；或者，在t_d+t_e时间段对送丝电机两端电压进行第一次采样，经过隔离电路后，在t_p时间段对感应电动势再进行脉冲采样。

另外，对送丝电机感应电动势进行采样的信号在一个送丝电机信号周期内可以有多个脉冲。

下面参照图4、5以及图6A和6B说明本发明的送丝调速系统的构成及控制思想。

如图4和图6A和6B所示，本发明的送丝调速系统包括调制装置、移相装置、采样控制装置、采样保持装置、反馈调整装置、调节装置、启动装置、驱动装置；其中，所述调制装置，其输入端与调节装置输出端连接，第一输出端与移相装置的输入端连接，第二输出端与采样控制装置的第一控制端连接，用于输出脉宽调制信号；所述的移相装置，其输入端与调制装置的第一输出端连接，输出端与启动装置的输入端、采样控制装置的第二控制端和采样保持装置的第二输入端连接，用于将调制装置的输出脉冲移相并反相；所述的采样控制装置，其第一控制端与调制装置的第二输出端连接，第二控制端与移相装置的输出端连接，输出端与采样保持装置的控制端连接，用于控制采样保持装置的采样时间；所述采样保持装置，其控制端与采样控制装置的输出端连接，第一输入端与送丝电机连接，第二输入端与移相装置的输出端连接，输出端与反馈调整装置的输入端连接，用于在采样控制装置输出控制脉冲时，对送丝电机的感应电动势进行采样并保持所采集的信号；所述反馈调整装置，其输入端与采样保持装置输出端连接，输出端与调节装置的输入端连接，用于反馈信号的运算；

所述的调节装置，其正输入端与指令信号连接，负输入端与反馈调整装置输出端连接，输出端与调制装置输入端连接，用于指令信号与所述采样保持信号的误差放大及调节；所述驱动装置，其第一及第二控制端与启动装置的第一及第二输出端连接，输出端与送丝电机连接，用于依据移相装置输出的脉冲信号对送丝电机进行旋转驱动；所述启动装置，其输入端与移相装置的输出端连接，第一及第二输出端与驱动装置的第一及第二控制端连接，第三输出端与调制装置的控制端连接，用于控制调制装置及驱动装置的工作状态。

启动装置工作时，移相装置的输出与调制装置的控制端连通，同时，调制装置依据调节装置的输出信号输出相应的脉冲信号。所述脉冲信号输入到移相装置，移相装置对此脉冲信号移相和反相后输出，控制驱动装置的工作。移相装置输入脉冲为高电平时，驱动装置工作，向送丝电机提供能量，移相装置输出低电平时，驱动装置停止工作，停止向送丝电机输出能量。在调制装置输出脉冲由高电平变为低电平时，控制触发装置，使触发装置输出的触发信号由低电平变高电平，所述触发装置输出脉冲的上升沿对脉冲形成装置进行触发，使脉冲形成装置输出采样控制脉冲信号，此脉冲信号的脉冲宽度固定，在触发信号下降沿到来前，即驱动电路导通前，已完成脉冲输出，即由高电平变为低电平；如触发信号下降沿发生在脉冲形成装置输出高电平期间，说明驱动电路开始导通，则强制脉冲形成装置复位，即输出低电平，防止误采样。移相装置输出脉冲作为触发装置的另一控制信号，在移相装置输出脉冲上升沿时，使触发信号输出由高电平变为低电平。脉冲形成装置依据触发装置输出信号控制，输出高电平脉冲时(t_p时间)，控制采样保持装置在此时间段(t_p)对送丝电机的感应电动势进行采样，采样结束后，延时t_f时间后，驱动装置依据移相装置输出的控制向送丝电机提供能量。所述的t_f时间是防止采样时发生对送丝电机能量输出段误采样，此时间段依据电路响应时间设定，如电路响应时间理论上为零时，t_f时间就可设定为零。

当指令信号固定时，理论上，送丝电机转速就应为一不变值。当送丝电机转速变化时，送丝电机的感应电动势就相应发生变化，采样保持的感应电动势反馈量相应变化，调节装置依据反馈量的变化调整输出电平的高低，控制调制装置输出脉冲的变化，进而调整驱动装置的开通时间，调整向送丝电机的能量提供，稳定送丝电机的旋转速度。

下面参照附图5、附图6和附图7具体说明送丝调速系统的工作。

所述的送丝调速系统包括：调制装置，包括IC2、电容C6、电阻R18，用于依据调节装置的输出信号输出脉宽调制信号；移相装置，用于调制装置输出脉冲的移相及反相，其输出信号控制驱动装置的动作及采样控制装置中触发装置的动作；采样控制装置，包括触发装置和脉冲形成装置，用于采样保持装置的采样时间控制；采样保持装置，包括光耦PC3、开关管Q8、运放IC4B和IC5A、隔离电路、第一电子开关IC6C、电容C7、第一门电路IC7A，用于依据采样控制装置输出采样控制脉冲时，对送丝电机感应电动势进行脉冲采样；驱动装置，包括驱动电路和制动电路。所述的驱动电路，包括隔离光耦PC1、第一开关管Q4，用于向送丝电机输出能量，调整送丝电机的旋转速度；所述的制动电路，包括隔离光耦PC2、第二开关管Q5，用于送丝电机制动；当第一开关管Q4导通且第二开关管Q5截止时送丝电机运转；第一开关管Q4截止且第二开关管Q5导通时送丝电机制动；启动装置，包括电子开关、开关管、门电路，用于控制调制装置及驱动装置的工作状态；

另外，所述送丝调速系统还包括：反馈信号调整装置、调节装置、驱动电源。其中，所述驱动电源与驱动电路连接，驱动第一开关管Q4。

指令信号，即送丝电机旋转速度大小的控制信号，为可变的直流电压信号；所述指令信号和反馈调整装置的输出端连接到调节装置的输入端，控制调节装置输出信号的大小；调节装置的输出端连接到调制装置的控制端，即IC2的3脚，控制调制装置的输出脉冲宽度。

当启动装置的控制端SW为高电平时，制动电路中的开关管Q7的控制极为低电平，开关管Q7截止，光耦PC2导通，用于送丝电机的制动的第二开关管Q5截止，同时，启动调制装置，IC2的11脚输出脉冲信号(参照附图5的调制装置输出波形)，此脉冲信号经移相装置输入到启动装置的输入端，通过启动装置控制开关管Q6的导通与截止，进而控制光耦PC1导通与截止，当光耦PC1导通时，驱动电源输出电压经光耦PC1和电阻R61、电阻R62回到驱动电源，第一开关管Q4的栅极(Q4-G)与源极(Q4-S)间产生驱动电压，使第一开关管Q4导通，送丝电机电源电压加到送丝电机上，为送丝电机提供能量；反之，当光耦PC1截止时，第一开关管Q4的栅极(Q4-G)与源极(Q4-S)间电压为零，第一开关管Q4截止，送丝电机的电源电压被切断，停止向送丝电机提供能量。通过控制第一开关管Q4的导通与截止时间，就可以控制送丝电机的驱动能量供给时间，进而控制送丝电机的旋转速度。

在移相装置输出低电平期间，驱动装置停止工作，不向送丝电机提供能量。移相装置输出与第一门电路IC7A的2脚连接，所述移相装置输出脉冲为低电平时，第一门电路IC7A的3脚输出高平，使采样保持装置中的光耦PC3导通，进而使开关管Q8导通，对送丝电机两端电压进行第一次采样(参照附图7第一采样波形)。

在IC2的11脚输出脉冲的同时，IC2的8脚也输出相同的脉冲信号(参照附图5的调制装置输出波形)，在输出脉冲的下降沿，对采样控制装置中的触发装置进行触发，使触发装置输出触发脉冲(参照附图5的触发装置输出波形)，在所述触发脉冲的上升沿，触发采样控制装置中的脉冲形成装置，使脉冲形成装置输出采样控制脉冲信号(参照附图5的脉冲形成装置输出波形)，所述采样控制脉冲控制第一电子开关IC6C工作，对经过隔离电路后的第一次采样波形进行第二次采样(在t_p时间段)，即对送丝电机感应电动势进行采样(参照附图7的第二采样波形)。采样的感应电动势经过包括电容C7、运放IC5A的保持电路后，将采样保持的反馈量(参照附图7的采样保持波形)输入到反馈调整装置。反馈调整装置对采样保持的反馈值平滑、放大等处理后，输入到调节装置的负输入端，使调节装置依据其正负输入信号，输出相应的控制信号，控制调制装置的输出脉冲。这样就构成一个闭环转速负反馈系统。

另外，用于驱动送丝电机的第一开关管Q4的驱动电源可以采用独立的电源，保障第一开关管Q4快速、稳定、可靠的工作。

下面进一步介绍送丝调速的过程。当指令信号一定时，理论上，送丝电机就应该以一固定的旋转速度稳定不变。如果因电网电压波动或者送丝阻力变化导致送丝速度降低时，送丝电机的感应电动势相应降低，采样保持装置采集的反馈量相应减小，输入到调节装置输入端的信号减小，使调节装置的输出减小，输入到调制装置的控制端IC2的3脚的信号减小，使调制装置的输出，即IC2的8脚、11脚输出的脉冲宽度减小，移相装置输出脉冲宽度增加，驱动装置开通时间加长，进而使第一开关管Q4的导通时间增加，使送丝电机的转速增加；反之，如果因电网电压波动或者送丝阻力变化导致送丝速度增加时，送丝电机的感应电动势相应增加，采样保持装置采集的反馈量相应增加，输入到调节装置的信号增加，经调节装置后输入到调制装置的控制端IC2的3脚，使调制装置的输出，即IC2的8脚、11脚输出的脉冲宽度增加，移相装置输出脉冲宽度减小，使驱动装置开通时间减小，进而使第一开关管Q4的导通时间减小，使送丝电机的转速减小；这样就可以稳定送丝电机转速。

本发明的调制装置、采样保持装置和驱动装置不限于图6中所示的具体电路。

本发明的送丝电机转速控制调速系统中的调制装置可以是PWM(脉宽调制)装置或者PFM(脉冲频率调制)装置。

送丝电机在工作过程中，不论是电网电压波动、送丝阻力变化，还是送丝电机控制线加长，都可以对反映送丝电机转速的感应电动势进行准确采样，进而及时准确的调整调制装置的输出脉冲输出，快速改变送丝电机的电机电压，稳定送丝电机的旋转速度。

Claims

1.一种用于控制送丝电机的转速的调速系统，包括：

调制装置、移相装置、采样控制装置、采样保持装置、反馈调整装置、调节装置、启动装置、驱动装置；

其中，所述调制装置，其输入端与调节装置输出端连接，第一输出端与移相装置的输入端连接，第二输出端与采样控制装置的第一控制端连接，控制端与启动装置的第三输出端连接，用于输出调制信号；

所述移相装置，其输出端与启动装置的输入端、采样控制装置的第二控制端和采样保持装置的第二输入端连接，用于将调制装置的输出脉冲移相固定相位并反相；

所述的采样控制装置，其输出端与采样保持装置的控制端连接，用于输出采样控制脉冲；

所述采样保持装置，其第一输入端与送丝电机连接，输出端与反馈调整装置的输入端连接，用于在采样控制装置输出控制脉冲时，对送丝电机的感应电动势进行采样并保持所采集的信号；

所述反馈调整装置，其输出端与调节装置的第二输入端连接，用于反馈信号的运算；

所述调节装置，其第一输入端与指令信号连接，用于指令信号与所述采样保持信号的误差放大及调节；

所述驱动装置，其第一及第二控制端与启动装置的第一及第二输出端连接，输出端与送丝电机连接，用于依据移相装置输出的脉冲信号对送丝电机进行旋转驱动；

所述启动装置，用于控制调制装置及驱动装置的工作状态。

2.如权利要求1所述的送丝调速系统，其中所述调制装置是脉宽调制装置或者脉冲频率调制装置。

3.根据权利要求1或2所述的送丝调速系统，其中，所述采样控制装置的特征在于：采样控制脉冲在调制信号的下降沿被触发，并保持固定时间段(t_p)。

4.根据权利要求1或2所述的送丝调速系统，其中，所述采样控制装置包括：

触发装置，其两个控制端作为采样控制装置的两个控制端，在调制信号的下降沿时刻对脉冲发生装置输出触发脉冲，触发脉冲在移相装置的输出信号的上升沿结束；

脉冲形成装置，在触发装置输出触发脉冲的上升沿进行触发，输出定脉宽(t_p)采样控制脉冲。

5.根据权利要求1或2所述的送丝调速系统，其特征还在于：采样保持装置依据采样控制装置输出先进行采样保持，然后，驱动装置中驱动电路工作，向送丝电机提供能量。

6.根据权利要求1或2所述的送丝调速系统，其中所述采样保持装置包括：

第一采样电路，包括第三光耦(PC3)、第三开关管(Q8)、第一运放(IC4B)；

隔离电路；

第二采样及保持电路，包括第一电子开关(IC6C)、第二运放(IC5A)、电容(C7)；

第一门电路(IC7A)。

7.根据权利要求1或2所述的送丝调速系统，其中，所述驱动装置包括：

驱动电路，包括第一隔离光耦(PC1)、第一开关管(Q4)；

制动电路，包括第二隔离光耦(PC2)、第二开关管(Q5)；

8.根据权利要求7所述的送丝调速系统，其中，所述第一开关管(Q4)的驱动电源为独立电源。

9.如权利要求1或2所述的送丝调速系统，其中，所述采样控制装置在一个送丝电机信号周期输出多个采样控制脉冲。

10.如权利要求1或2所述的送丝调速系统，所述采样控制脉冲的宽度小于电机电压信号的周期。

11.一种用于送丝调速系统的送丝调速方法，所述送丝调速系统包括调制装置、移相装置、采样控制装置、采样保持装置、反馈调整装置、调节装置，启动装置，所述方法包括以下步骤：

启动装置启动，调制装置输出调制信号；

由移相装置将调制装置输出的调制信号移相固定相位并反相；

在由调制装置输出的调制信号的下降沿对采样控制装置进行触发，使其输出触发脉冲；

在移相装置输出信号的上升沿，触发脉冲结束，控制送丝电机导通；

在移相装置输出信号的下降沿，控制送丝电机关断；

在所述触发脉冲的上升沿输出采样控制脉冲，所述采样控制脉冲对送丝电机感应电动势进行采样，所述采样被保持并被反馈到反馈调整装置；

所述反馈调整装置将采样保持信号处理后输入到调节装置，所述调节装置根据该采样保持信号和指令信号控制调制装置输出的调制信号，从而形成闭环负反馈。

12.如权利要求11所述的方法，其中由所述调制装置输出的调制信号是脉宽调制信号或者脉冲频率调制信号。

13.如权利要求11或12所述的方法，其中采样控制脉冲是固定脉宽的。

14.如权利要求11或12所述的方法，其中在一个电机电压信号周期内输出多个采样控制脉冲。

15.如权利要求11或12所述的方法，其中如果触发脉冲下降沿发生在采样控制脉冲的高电平期间，则将采样控制脉冲强制为低电平。

16.如权利要求11或12所述的方法，所述采样控制脉冲的宽度小于电机电压信号的周期。