CN101352777B - 一种埋弧焊弧压反馈送丝的控制方法及电路 - Google Patents
一种埋弧焊弧压反馈送丝的控制方法及电路 Download PDFInfo
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Abstract
一种埋弧焊弧压反馈送丝的控制方法及电路，属于焊接设备领域，适用于埋弧焊电弧电压反馈送丝技术。控制系统由外环调节器1.1、内环控制器1.2组成的控制环节1，送丝电机环节2及电弧区3构成。该方法的特征是采用双闭环负反馈控制，外环有一个外环调节器1.1，其输入端接参考信号Verf及电弧区3输出的电弧电压反馈信号Vf。内反馈环有一个内环控制器1.2，内环控制器1.2是具有电流型PWM控制功能的控制器。外环调节器1.1接内环控制器1.2的一个输入端，送丝电机环节2输出的电流反馈信号If接内环控制器1.2的另一个输入端。送丝电机环节2将控制器1.2的输出信号进行功率放大后驱动送丝环节2中送丝电机，送丝电机将焊丝送入电弧区3。本方法的优点是相对简单，控制精度高。
Description
技术领域
本技术属于焊接设备领域，适用于埋弧焊电弧电压反馈送丝技术。
背景技术
在埋弧焊系统中，焊丝前端与工件之间有燃烧的电弧，焊丝端头在电弧的热作用下熔化，熔化的铁水过渡到焊缝中，随着焊丝熔化，送丝机要不断送进焊丝，以维持焊丝端头至工件的距离基本不变，否则会损坏焊缝质量，严重时电弧将熄灭，破坏稳定的焊接过程。由于焊丝端头至工件的距离与电弧电压成正比，因此用电弧电压做测量电弧长度的传感器，由伺服电机驱动的送丝机做执行机构。调节过程为：在确定的参考电压下，当测量的电弧值大于参考电压，反应出焊丝端头至工件的距离变长，此时控制系统加快电机转速，从而加快送丝速度，使焊丝端头至工件的距离变短，恢复到预期的参考值；反之亦然。这种调节电机送丝速度控制电弧长度的方式被称之为弧压反馈送丝。这种技术目前存在的问题是：在这种控制系统中，对控制系统的主要扰动为焊丝端头不断熔化的铁水液滴向焊缝的过渡，此过程称熔滴过渡。熔滴过渡会改变电弧电压的数值，频繁地对焊丝端头至工件的距离测量形成干扰，此外，整个控制系统由于电弧的存在无法用数学模型描述。由于这些特点，现有埋弧焊控制有的过于复杂，比如采用3个闭环控制的方法，如ZL200510023284.7；有的简单但控制精度低，调节器的闭环放大倍数在10倍以下。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单、控制精度高的埋弧焊弧压反馈送丝方法及电路。
为达到目的，本控制方法包括：控制环节1，送丝电机环节2及电弧区3。控制环节1通过运算参考信号Vref及电弧电压反馈信号Vf确定其输出信号，送丝电机环节2将控制环节1的输出信号功率放大后驱动送丝电机，送丝电机将埋弧焊丝送入电弧区3，电弧区3输出电弧电压反馈信号Vf，所说控制环节1由一个外环调节器1.1及一个内环控制器1.2构成，外环调节器1.1的输入端接参考电压信号Vref及电弧电压反馈信号Vf，调节器1.1通过运算Vref与Vf的差值确定输出信号；所说送丝电机环节2还输出与电机电枢电流成比例的电流反馈信号If，内环控制器1.2具有电流型PWM控制功能，内环控制器(1.2)含有一个比较器，其通过运算外环调节器的输出信号及电流反馈信号If确定其输出的PWM信号，此输出信号接送丝电机环节2。
考虑到送丝电机在低速旋转时容易出现失稳，可以在外环调节器1.1的输入端与内环控制器1.2的输出端之间加入具有阻尼功能的校正环节4。校正环节4可滤除控制器1.2的输出信号中的低频分量，其输入端与控制器1.2的输出端连接，其输出信号Vm与外环调节器1.1连接，外环调节器1.1通过运算参考信号Vref，弧压反馈信号Vf及校正环节4的输出信号Vm确定输出信号。
上述的外环调节器1.1可以是比例调节器或比例积分调节器。
所述的校正环节4可以是一阶高通滤波器。
依照上述方法可实现下面的埋弧焊弧压反馈送丝的控制电路，电路包括：控制环节1，由半导体开关驱动送丝电机构成的送丝电机环节2，及焊接电弧区3，控制环节1的输入端接参考信号Vref及电弧电压反馈信号Vf，控制环节1的输出端接送丝电机环节2，送丝电机环节2将焊丝送入电弧区3，电弧区3输出电压反馈信号Vf；所说控制环节1由一个外环调节器1.1和一个内环控制器1.2构成，内环控制器(1.2)含有比较器及RS触发器；外环调节器1.1的输入端接参考信号Vref及电弧电压反馈信号Vf，外环调节器1.1的输出端接内环控制器的1.2一个输入端，此端接比较器的一个输入端，所说送丝电机环节2还有一个电流传感器，其输出与送丝电机的电枢电流成比例的反馈电流信号If，反馈电流信号If接控制器1.2的另一个输入端，If经过斜波补偿后接比较器的另一输入端，比较器的输出端接RS触发器的R端，RS触发器的S端接同步时钟信号，RS触发器的输出端即控制器(1.2)的输出端，控制器1.2的输出端接送丝电机环节2中半导体开关器件的控制极，半导体开关驱动送丝电机，送丝电机将焊丝送入电弧区3。
在外环调节器1.1的输入端与内环控制器1.2的输出端之间加入具有阻尼功能的校正环节4。校正环节4可滤除内环控制器1.2的输出信号中的低频分量，其输入端与内环控制器1.2的输出端连接，其输出信号Vm与外环调节器1.1连接，外环调节器1.1通过运算参考信号Vref、弧压反馈信号Vf、校正环节4的输出信号Vm确定输出信号。
所述的校正环节4可以是一阶高通滤波器。一阶高通滤波器由电阻和电容串联的电路组成。
上述的外环调节器1.1可以是比例调节器或比例积分调节器。
上述的内环控制器1.2为电流型PWM控制电路，由比较器电路、接比较器中一个输入端的斜波补偿电路及输入端接比较器输出的RS触发器电路构成。采用电流型PWM控制芯片UC3846及外围电路可构成具有斜波补偿的电流型PWM控制电路。
本发明的有益效果是：由于是双环反馈，控制系统的稳定性好，因此在外环可以使用比例积分调节器或高精度比例调节器。此方案不仅控制相对简单，同时也可达到提高控制精度的目的。另外，由于加入具有阻尼功能的校正环节，可避免送丝电机在低速旋转时容易出现失稳的问题。
附图说明
图1是本发明的原理框图。
图2是实施例原理图
图3是电流型PWM集成芯片UC33846的外部接线图。
图中，1、控制环节，1.1、外环调节器，1.2、内环控制器，2、送丝电机环节，3、电弧区，3.1、电弧，3.2、焊丝，4、校正环节。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明的实施方案。
在图1中，埋弧焊弧压反馈送丝的控制方案由外反馈环和内反馈环构成，外反馈环有一个外环调节器1.1，采用电弧电压Vf作为反馈信号；内反馈环有一个内环控制器1.2，以送丝电机的工作电流(电枢电流)If为反馈信号，内环控制器1.2具有电流型PWM功能，输出PWM开关信号；外环调节器1.1和内环调节器1.2构成控制环节1。内环控制器1.2输出的PWM开关信号连接送丝电机环节2中的半导体开关Q2。半导体开关驱动送丝电机旋转，电机的工作电流是内反馈环的反馈电流If。送丝电机使焊丝不断进入电弧区3，电弧区3输出外环的反馈信号Vf。校正环节4将内环控制器1.2的输出信号中的低频分量滤除，并将其反馈到外环调节器1.1，起阻尼作用，避免送丝电机在低速旋转时容易出现失稳的问题。
图2是本方案的实施例。图中，R1.1、R1.2、R1.3、R1.4、R2.1、R3.1、R3.2、R4.1是电阻。C1.1、C1.2、C3.1、C4.1是电容。Op1.1是运算放大器；Cp1.2是比较器；Q1.2是RS触发器，其S端接同步时钟信号；Q2是半导体开关器件，D2是蓄流二极管，M2是送丝电动机，T2是电流传感器。外环调节器1.1采用由运算放大器Op1及电阻、电容构成的比例积分调节器，其输入端接参考信号Vref及电压反馈信号Vf。内环控制器1.2有一个比较器及一个RS触发器。内环控制器是具有电流型PWM控制功能的控制器，当PWM信号的开关工作比大于50％时，再加入图中斜波补偿电路可以抑制谐波失稳。电流型PWM控制技术及对电流反馈信号If的斜波补偿技术都是公知的技术。外环调节器1.1的输出信号接内环调节器1.2中比较器Cp1.2的一个输入端，反馈电流信号If经过斜波补偿后接比较器Cp1.2的另一输入端。斜波补偿电路参见图3。内环调节器1.2的输出信号与开关器件Q2连接，Q2采用NMOS器件。Q2控制送丝电动机M2旋转。电流传感器T2输出与电机的工作电流成比例的反馈信号If。电动机M2使焊丝3.2不断进入燃烧的电弧3.1。电弧区3经电阻R3.1、R3.2，电容C3.1输出与电弧电压成比例的反馈电压信号Vf。
由于埋弧焊工艺要求送丝速度能在一个很宽的范围内调节，在慢速送丝的情况下，使用上述方案组成的电路有时会出现送丝控制系统失稳。为克服此缺点，在以上电路基础上增加了具有阻尼功能的校正环节4，使送丝控制系统在所有速度条件下均能工作在稳定状态。校正环节4由电阻R4.1与电容C4.1串联而成，其功能是滤除开关信号转换环节2的输出信号中的低频分量，其输入端与内环控制器1.2的输出端连接，其输出信号Vm与外环调节器1.1的输入端连接，外环调节器1.1通过运算参考信号Vref，弧压反馈信号Vf及校正环节4的输出信号Vm确定输出信号。Vm信号的阻尼作用是指当误差信号使控制环节1的输出变化时，Vm信号阻碍控制环节1的输出变化。
具体的实施例1：R1.1＝20kΩ、R1.2＝20kΩ、R1.3＝200kΩ、R1.4＝200kΩ、R2.1＝100Ω、R3.1＝1.8kΩ、R3.2＝0.2kΩ、R4.1＝40kΩ；
C1.1＝0.47uF、C1.2＝0.01uF、C3.1＝47uF、C4.1＝2.2uF；
Q2，IRFP360；D2，FR307；T2，CHB-25NP/SP8。
实施例2：在图2中将积分电容C1.1短路，调节器1.1就成了比例调节器，其特点是响应速度快。R1.3＝1000kΩ、R1.4＝1000kΩ，R4.1＝100kΩ，C4.1＝1.5uF。其余参数与上例相同。比例调节器的优点是相应速度较快。
图3是UC3846外部接线图。UC3846是电流型PWM控制芯片，该芯片将内环控制器1.2的功能集成在一起，方便使用。芯片原理图、符号说明及使用方法可参看生产厂家提供的使用说明。通过在芯片外部连接R1.5、R1.6及R1.7构成的电阻网络可实现对反馈电流If的斜波补偿。使用该芯片时，将图2中控制器1.2取消，图2中Op1.1的输出端接UC3846芯片的EA+端，图3中的输出端OUT接图2中开关器件Q2及校正环节4的输入端，图3中的If接电流传感器T2的输出端。
图3中RT、CT是振荡电阻、电容，设计方法见芯片使用说明。图中R1.5、R1.6、R1.7是用于斜波补偿的电阻。R1.8是输出端下拉电阻。
一个具体实施例是：R1.5＝3k、R1.6＝0.51k、R1.7＝4.7k、R1.8＝2k、RT＝4.2k、CT＝0.1uF。
Claims (10)
1.一种埋弧焊弧压反馈送丝的控制方法，本控制方法包括：控制环节(1)，送丝电机环节(2)及电弧区(3)；控制环节(1)通过运算参考信号Vref及电弧电压反馈信号Vf确定其输出信号，送丝电机环节(2)将控制环节(1)的输出信号功率放大后驱动送丝电机，送丝电机将埋弧焊丝送入电弧区(3)，电弧区(3)输出电弧电压反馈信号Vf，其特征在于：所说控制环节(1)由一个外环调节器(1.1)及一个内环控制器(1.2)构成，外环调节器(1.1)的输入端接参考电压信号Vref及电弧电压反馈信号Vf，调节器(1.1)通过运算Vref与Vf的差值确定输出信号；所说送丝电机环节(2)还输出与电机电枢电流成比例的电流反馈信号If，内环控制器(1.2)具有电流型PWM控制功能，内环控制器(1.2)含有一个比较器，其通过运算外环调节器的输出信号及电流反馈信号If确定其输出的PWM信号，此输出信号接送丝电机环节(2)。
2.根据权利要求1所述的一种埋弧焊弧压反馈送丝的控制方法，其特征在于：本控制方法还有一个校正环节(4)，功能是滤除控制器(1.2)的输出信号中的低频分量，其输入端与控制器(1.2)的输出端连接，其输出信号Vm与外环调节器(1.1)连接，外环调节器(1.1)通过运算参考信号Vref，弧压反馈信号Vf及校正环节(4)的输出信号Vm确定输出信号。
3.根据权利要求1或2所述的一种埋弧焊弧压反馈送丝的控制方法，其特征在于：所述的外环调节器(1.1)为比例调节器或比例积分调节器。
4.一种埋弧焊弧压反馈送丝的控制电路，该反馈控制电路包括：控制环节(1)，由半导体开关驱动送丝电机构成的送丝电机环节(2)，及焊接电弧区(3)，控制环节(1)的输入端接参考信号Vref及电弧电压反馈信号Vf，控制环节(1)的输出端接送丝电机环节(2)，送丝电机环节(2)将焊丝送入电弧区(3)，电弧区(3)输出电压反馈信号Vf；其特征在于：所说控制环节(1)由一个外环调节器(1.1)和一个内环控制器(1.2)构成，内环控制器(1.2)含有比较器及RS触发器；外环调节器(1.1)的输入端接参考信号Vref及电弧电压反馈信号Vf，外环调节器(1.1)的输出端接内环控制器的(1.2)一个输入端，此端接比较器的一个输入端，所说送丝电机环节(2)还有一个电流传感器，其输出与送丝电机的电枢电流成比例的反馈电流 信号If，反馈电流信号If接控制器(1.2)的另一个输入端，If经过斜波补偿后接比较器的另一输入端，比较器的输出端接RS触发器的R端，RS触发器的S端接同步时钟信号，RS触发器的输出端即控制器(1.2)的输出端，控制器(1.2)的输出端接送丝电机环节(2)中半导体开关器件的控制极，半导体开关驱动送丝电机，送丝电机将焊丝送入电弧区(3)。
5.根据权利要求4所述的一种埋弧焊弧压反馈送丝的控制电路，其特征在于：在外环调节器(1.1)的输入端与内环控制器(1.2)的输出端之间还有一个可滤除内环控制器(1.2)的输出信号中的低频分量的校正环节(4)，其输入端与内环控制器(1.2)的输出端连接，其输出信号Vm与外环调节器(1.1)连接，外环调节器(1.1)通过运算参考信号Vref、弧压反馈信号Vf及校正环节(4)的输出信号Vm确定输出信号。
6.根据权利要求5所述的一种埋弧焊弧压反馈送丝的控制电路，其特征在于：所述的校正环节(4)为一阶高通滤波器。
7.根据权利要求6所述的一种埋弧焊弧压反馈送丝的控制电路，其特征在于：所述的一阶高通滤波器由电阻和电容串联的电路组成。
8.根据权利要求4-7中任一项所述的一种埋弧焊弧压反馈送丝的控制电路，其特征在于：所述的外环调节器(1.1)是一个比例调节器或比例积分调节器。
9.根据权利要求4-7中任一项所述的一种埋弧焊弧压反馈送丝的控制电路，其特征在于：所述的内环控制器(1.2)由比较器电路、接比较器中一个输入端的斜波补偿电路及输入端接比较器输出的RS触发器电路构成。
10.根据权利要求9所述的一种埋弧焊弧压反馈送丝的控制电路，其特征在于：所述的内环控制器(1.2)采用电流型PWM控制芯片UC3846及外围电路构成。
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