CN101814885A - 送丝调速系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种送丝调速系统，包括送丝电机，还包括：送丝调速电路，与所述送丝电机相连，用于调节所述送丝电机的送丝速度；单片机，与所述送丝调速电路相连，用于向所述送丝调速电路发出调节所述送丝电机的送丝速度的第一脉宽调制信号；电压反馈电路，与所述送丝电机和单片机相连，用于将所述送丝电机的反馈电压的采样信号输入到所述单片机，以调节所述第一脉宽调制信号的占空比。本发明采用单片机的脉宽调制口输出脉宽调制信号对送丝电机进行送丝速度的控制，采集送丝电机的反馈电压，根据反馈电压调整输出的脉宽调制信号的占空比来实现送丝电机的闭环控制，实现简便，且能够灵活地控制送丝速度。

Description

送丝调速系统

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种基于单片机控制的送丝调速系统。

背景技术

在溶化极气体保护焊中，等速送丝方式配合恒压外特性的电源是一种常用的控制方式，在这种控制方式中，送丝速度的变化会导致焊接电流的变化，进而会直接影响焊接过程的稳定性以及焊缝成型的好坏。而焊接设备在使用过程中，送丝系统由于受到外电波动、使用环境、焊丝质量以及送丝导管等因素的影响而稳定性变差。

在现有技术中例如中国专利申请CN2007101051808A所公开的送丝调速方法和送丝调速系统，以及CN2007200947584Y所公开的丝调速系统中，提出了控制送丝电机转速的调速方案是利用送丝电机在其供电电源切断期间产生的感应电动势与其转速成线性关系，通过准确的采集送丝电机的感应电动势来反映电机的转速，进而保证送丝系统的稳定性。

但现有技术中的送丝调速系统全部采用模拟电路实现，元器件多，实现起来复杂，而模拟电路易受环境温度、元器件参数的离散性等影响。

发明内容

本发明的目的是提出一种送丝调速系统，能够灵活地控制送丝速度，且实现简便。

为实现上述目的，本发明提供了一种送丝调速系统，包括送丝电机，还包括：

送丝调速电路，与所述送丝电机相连，用于调节所述送丝电机的送丝速度；

单片机，与所述送丝调速电路相连，用于向所述送丝调速电路发出调节所述送丝电机的送丝速度的第一脉宽调制(Pulse-WidthModulation，简称PWM)信号；

电压反馈电路，与所述送丝电机和单片机相连，用于将所述送丝电机的反馈电压的采样信号输入到所述单片机，以调节所述第一脉宽调制信号的占空比；

所述单片机包括第一脉宽调制信号输出口和第二脉宽调制信号输出口，所述第一脉宽调制信号输出口与所述送丝调速电路相连，用于输出所述第一脉宽调制信号；所述第二脉宽调制信号输出口与所述电压反馈电路相连，用于发出用于控制所述电压反馈电路的开闭的第二脉宽调制信号；

所述第一脉宽调制信号的信号周期为T0，在每个信号周期中高电平持续时间为T1，且满足T1＜T0，所述第二脉宽调制信号的信号周期为T0，在每个信号周期中高电平持续时间为T3，且满足T1+T2＜T3＜T0，T2为所述送丝电机的电枢绕组储存能量的释放时间；

在所述第二脉宽调制信号的高电位期间，所述单片机采样的反馈电压是由电压反馈电路保持的上一周期T0的反馈电压，而在所述第二脉宽调制信号的低电位期间，所述单片机采样的反馈电压是电压反馈电路接收到的本周期的新的反馈电压，采样新的反馈电压的时间为T4。

进一步的，所述送丝调速电路进一步包括：电机电源、电机驱动电路和第一MOS管，所述电机电源的正极和负极分别与所述第一MOS管的D端和送丝电机的第一端相连，所述电机驱动电路分别与所述单片机的第一脉宽调制信号输出口、所述第一MOS管的G端和S端相连，所述第一MOS管的S端还与所述送丝电机的第二端连接。

进一步的，所述送丝调速电路还包括电机制动电路和第二MOS管，所述电机制动电路分别与所述单片机的送丝制动口和第二MOS管的G端和S端相连，所述第二MOS管的D端和S端分别与所述送丝电机的第一端和第二端相连。

进一步的，在所述单片机的第一脉宽调制信号输出口和送丝制动口之间设有控制开关管。

进一步的，在所述第一MOS管的S端和送丝电机的第一端之间还串接有水泥电阻和熔断器(Fuse，简称FU)。

进一步的，所述电压反馈电路包括顺序相连的采样滤波电路、线性隔离电路和降压补偿电路，所述采样滤波电路的另一端与所述单片机的电压反馈采样口相连，所述降压补偿电路的另一端与所述送丝电机的第一端相连。

进一步的，所述单片机还包括焊枪开关模块，用于在被置为ON的状态时，开启所述第一脉宽调制信号输出口和第二脉宽调制信号输出口，并在所述送丝制动口输出低电位信号；在被置为OFF的状态时，关闭所述第一脉宽调制信号输出口和第二脉宽调制信号输出口，并在所述送丝制动口输出高电位信号。

进一步的，所述单片机采用数字增量型PID算法调节所述第一脉宽调制信号的占空比。

基于上述技术方案，本发明采用单片机的脉宽调制口输出脉宽调制信号对送丝电机进行送丝速度的控制，采集送丝电机的反馈电压，根据反馈电压调整输出的脉宽调制信号的占空比来实现送丝电机的闭环控制，实现简便，且能够灵活地控制送丝速度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明送丝调速系统的第一实施例的结构示意图。

图2为本发明送丝调速系统实施例中的控制时序示意图。

图3为本发明送丝调速系统的第二实施例的结构示意图。

图4为本发明送丝调速系统的第三实施例的结构示意图。

图5为本发明送丝调速系统的第四实施例的结构示意图。

图6为本发明送丝调速系统的第五实施例的结构示意图。

图7为本发明送丝调速系统的第六实施例的结构示意图。

图8为本发明送丝调速系统实施例应用的程序控制流程图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，为本发明送丝调速系统的第一实施例的结构示意图。在本实施例中，送丝调速系统包括送丝电机3、送丝调速电路2、单片机1和电压反馈电路4。其中送丝调速电路2与送丝电机3相连，负责调节送丝电机3的送丝速度。单片机1与送丝调速电路2相连，在单片机内运行向送丝调速电路2发出调节送丝电机3的送丝速度的第一脉宽调制信号PWM-1的预设程序。电压反馈电路4与送丝电机3和单片机1相连，负责将送丝电机3的反馈电压的采样信号输入到单片机1，由单片机1根据采样到的反馈电压来调节第一脉宽调制信号PWM-1的占空比，进而实现对送丝电机的闭环控制。

在本实施例中，送丝电机在送丝过程中的速度可以由单片机发出的PWM-1进行控制，单片机还根据采样到的送丝电机的反馈电压对PWM-1的占空比进行调节，进而实现对送丝电机的闭环控制，确保送丝调速系统较好的稳定性，从而获得较好的焊缝成型。在送丝调速系统的系统实现上，通过单片机内预设的程序进行计算和输出控制信号，实现比较简单，且能达到良好的控制送丝速度的效果。

在单片机1还可以增加第二脉宽调制信号输出口PWM-2输出口，PWM-2输出口与电压反馈电路4相连，可以发出用于控制电压反馈电路4的开闭的第二脉宽调制信号PWM-2。考虑到送丝电机的电枢绕组的储存能量释放的期间，反馈电压接近于零，因此为了避免单片机采样不到该段时间的反馈电压，可以通过单片机输出PWM-2来控制电压反馈电路4的电压保持时机，从而实现在每个采样周期都能采样到送丝电机3的反馈电压。

如图2所示，为本发明送丝调速系统实施例中的控制时序示意图。在PWM-1信号和PWM-2信号的控制时序中，高电位时间T1规定小于T0，即T1＜T0，其中T2时间段为送丝电机电枢绕组储存能量释放时间，期间反馈电压接近为零，如果在此时间对反馈电压进行采样将无法得到实际的反馈电压。因此PWM-2信号的高电位时间为T3，T3要满足T1+T2＜T3＜T0的条件，在PWM-2信号的高电位期间，单片机采样的反馈电压是由电压反馈电路保持的上一周期T0的反馈电压，而在PWM-2信号的低电位期间，单片机采样的反馈电压是电压反馈电路接收到的本周期的新的反馈电压，采样新的反馈电压的时间为T4。

在送丝调速电路2的实现上，需要根据单片机1输出的PWM-1对送丝电机的速度进行控制，图3实施例中给出了一种具体的送丝调速电路2的实现。在图3实施例中，送丝调速电路2进一步包括：电机电源6、电机驱动电路5和第一MOS管Q1，其中电机电源6的正极和负极分别与第一MOS管Q1的D端和送丝电机3的第一端相连，电机驱动电路5分别与单片机的第一脉宽调制信号输出口(即PMW-1输出口)，以及第一MOS管Q1的G端和S端相连，第一MOS管Q1的S端还与送丝电机3的第二端连接。

在单片机1的PWM-1输出口向电机驱动电路5输出PWM-1信号时，PWM-1信号处于高电位期间，第一MOS管Q1导通，电机电源6经第一MOS管Q1向送丝电机3供电，此时送丝电机位送丝状态。当PWM-1信号处于低电位期间，第一MOS管Q1截止，此时送丝电机3处于发电状态，送丝电机3的反馈电压经电压反馈电路4由单片机1的电压反馈采样口进行采样。

在本实施例中，通过发出具有不同高电位期间和低电位期间的PWM-1信号，使得送丝电机根据PWM-1信号稳定的执行送丝和电压反馈，既保证了送丝过程的稳定性，也提供了消除影响送丝过程稳定性的处理方式。

考虑到在实际使用中送丝电路可能需要制动过程，因此本发明还提供了一种具有电机制动电路的送丝调速系统的实施例，如图4所示，为本发明送丝调速系统的第三实施例的结构示意图。与上一实施例相比，本实施例中的送丝调速电路2还包括电机制动电路7和第二MOS管Q2，电机制动电路7分别与单片机1的送丝制动口和第二MOS管Q2的G端和S端相连，第二MOS管Q2的D端和S端分别与送丝电机3的第一端和第二端相连。

在本实施例中，单片机1可以通过设定送丝制动口的电位来控制送丝电机3的启动和制动，当送丝制动口设置为低电位时，第二MOS管Q2截止，电机制动电路7不影响送丝电机的送丝过程；当送丝制动口设置为高电位时，第二MOS管Q2导通，送丝电路短路，进入制动状态，从而实现停止送丝。

在上述的几个实施例中，为了防止开关器件发生直通损坏，可以在上述几个实施例中增加保护装置，以上一实施例为例，通过在第一MOS管Q1和送丝电机3之间串接水泥电阻R1和熔断器FU，具体如图5所示，为本发明送丝调速系统的第四实施例的结构示意图。水泥电阻R1和熔断器FU同样也适用于在前述的几个实施例进行增设，从而起到限制短路电路的作用，对第一MOS管Q1和第二MOS管Q2进行保护，避免因第一MOS管Q1和第二MOS管Q2直通导致损坏。

在电压反馈电路4的实现上，需要将所述送丝电机的反馈电压的采样信号输入到所述单片机，而能被单片机采样的信号需要进行适当的处理，例如采样保持、线性隔离和降压补偿等。处理方式可以根据采样的需要进行设置，下面将通过图6提供一种本发明送丝调速系统实施例的电压反馈的具体实现。在图6实施例中，在前几个实施例的基础上对电压反馈电路4进行了细化，包括顺序相连的采样保持电路41、线性隔离电路42和降压补偿电路43，采样保持电路41的另一端与单片机1的电压反馈采样口相连，降压补偿电路43的另一端与送丝电机3的第一端相连。

在其他实施例中，采样保持电路41、线性隔离电路42和降压补偿电路43的设置顺序可以根据需要进行调整，并不限于本实施例中的顺序，且在电压反馈电路4中设置的处理模块可以根据需要增加新的处理模块，也可以根据需要对采样保持电路41、线性隔离电路42和降压补偿电路43进行裁减。

为了避免PWM-1导致第一MOS管Q1和第二MOS管Q2的直通损坏，还可以在前述的几个实施例中增加控制开关管Q3来短路PWM-1信号，通过双重关闭PWM-1信号输出的方式来有效的防止第一MOS管Q1和第二MOS管Q2发生直通损坏。如图7所示，给出了一种增加控制开关管Q3的送丝调速系统的实施例。在本实施例中，当送丝电机需要制动时，送丝制动口被设为高电平，使得控制开关管Q3导通，PWM-1接地，同时送丝电机短接，这样实现了双重关闭PWM-1信号输出，从而既实现了送丝电机的迅速停止送丝，也有效的防止第一MOS管Q1和第二MOS管Q2发生直通损坏。

送丝电机的启动和制动可能需要程序或人为进行控制，为了便于控制，系统可以在单片机中增加焊枪开关模块，在焊枪开关模块被置为ON的状态时，开启PWM-1输出口和PWM-1输出口，并在送丝制动口输出低电位信号；在被置为OFF的状态时，关闭PWM-1输出口和PWM-1输出口，并在送丝制动口输出高电位信号。

在焊枪开关模块被设为ON的状态时：单片机的送丝制动口输出低电位，其PWM-1输出口输出周期为T0的PWM-1信号，同时PWM-2输出口输出周期为T0的PWM-2信号，同时在PWM-2信号的下降沿时刻对送丝电机的反馈电压进行采样，采样时间为T4，单片机通过数字增量型PID算法对采样值继续运算后，改变PWM-1信号的占空比，从而实现对送丝电机的闭环控制。

下面结合前述本发明送丝调速系统的第六实施例来说明一下程序控制流程，如图8所示，为本发明送丝调速系统实施例应用的程序控制流程图。当焊枪开关模块被设为ON时，单片机进入送丝调速系统控制程序，进行参数初始化。单片机的PWM-1输出口输出PWM-1信号经电阻R2、电机驱动电路接至第一MOS管Q1的G端和S端，同时单片机设置送丝制动口的电位为低电平，使得第一MOS管Q1导通，控制开关管Q3截止，单片机通过送丝制动口将低电平信号经由电机制动电路输入到输出第二MOS管Q2的G端和S端，使得DS之间处于截止。与此同时，单片机的PWM-2输出口也向电压反馈电路输出PWM-2信号，以此来控制电压反馈电路内的反馈电压的保持。

此时电机驱动电路在PWM-1的T1时间里，对送丝电机进行驱动，单片机通过电压反馈采样口对电压反馈电路内的反馈电压进行采样，在PWM-2信号在高电平期间，电压反馈电路保持上一周期T0的反馈电压，此时单片机采样到的反馈电压是上一周期T0的反馈电压，当PWM-2的下降沿到来，电压反馈电路停止保持反馈电压，重新接收本周期的送丝电机的反馈电压，此时单片机采样到的反馈电压是本周期内的送丝电机的反馈电压。

单片机通过现有的工业控制算法，例如PID算法对采样的电压反馈信号进行计算，在本实施例中采用了数字增量型PID算法来计算和调节PWM-1信号的占空比。在本发明的其他实施例中，还可以根据需要选择其他适合的控制算法，例如专家整定PID算法、遗传PID算法等。在对PWM信号的调节方面，不仅可以对PWM-1信号的占空比进行调节，也可以根据需要调节PWM-2信号的占空比。

当焊枪开关模块被设为OFF时，单片机关闭PWM-1输出口和PWM-2输出口的信号输出，并且在送丝制动口输出高电位信号，此时送丝制动口的高电位可以使得控制开关管Q3导通，短路PWM-1信号，使PWM-1经由电阻R2接地，同时使得第二MOS管Q2的D端和S端之间导通，从而短路送丝电机，使送丝电机进入制动状态，通过双重关闭PWM-1的信号输出的方式有效的防止第一MOS管Q1和第二MOS管Q2发生直通损坏。最后单片机根据需要推出送丝调速系统的控制程序。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (8)

1.一种送丝调速系统，包括送丝电机，还包括：

送丝调速电路，与所述送丝电机相连，用于调节所述送丝电机的送丝速度；

单片机，与所述送丝调速电路相连，用于向所述送丝调速电路发出调节所述送丝电机的送丝速度的第一脉宽调制信号；

电压反馈电路，与所述送丝电机和单片机相连，用于将所述送丝电机的反馈电压的采样信号输入到所述单片机，以调节所述第一脉宽调制信号的占空比；

所述单片机包括第一脉宽调制信号输出口和第二脉宽调制信号输出口，所述第一脉宽调制信号输出口与所述送丝调速电路相连，用于输出所述第一脉宽调制信号；所述第二脉宽调制信号输出口与所述电压反馈电路相连，用于发出用于控制所述电压反馈电路的开闭的第二脉宽调制信号；

所述第一脉宽调制信号的信号周期为T0，在每个信号周期中高电平持续时间为T1，且满足T1＜T0，所述第二脉宽调制信号的信号周期为T0，在每个信号周期中高电平持续时间为T3，且满足T1+T2＜T3＜T0，T2为所述送丝电机的电枢绕组储存能量的释放时间；

在所述第二脉宽调制信号的高电位期间，所述单片机采样的反馈电压是由电压反馈电路保持的上一周期T0的反馈电压，而在所述第二脉宽调制信号的低电位期间，所述单片机采样的反馈电压是电压反馈电路接收到的本周期的新的反馈电压，采样新的反馈电压的时间为T4。

2.根据权利要求1所述的送丝调速系统，其中所述送丝调速电路进一步包括：电机电源、电机驱动电路和第一MOS管，所述电机电源的正极和负极分别与所述第一MOS管的D端和送丝电机的第一端相连，所述电机驱动电路分别与所述单片机的第一脉宽调制信号输出口、所述第一MOS管的G端和S端相连，所述第一MOS管的S端还与所述送丝电机的第二端连接。

3.根据权利要求2所述的送丝调速系统，其中所述送丝调速电路还包括电机制动电路和第二MOS管，所述电机制动电路分别与所述单片机的送丝制动口和第二MOS管的G端和S端相连，所述第二MOS管的D端和S端分别与所述送丝电机的第一端和第二端相连。

4.根据权利要求3所述的送丝调速系统，其中在所述单片机的第一脉宽调制信号输出口和送丝制动口之间设有控制开关管。

5.根据权利要求1～4任一所述的送丝调速系统，其中在所述第一MOS管的S端和送丝电机的第一端之间还串接有水泥电阻和熔断器。

6.根据权利要求3所述的送丝调速系统，其中所述电压反馈电路包括顺序相连的采样滤波电路、线性隔离电路和降压补偿电路，所述采样滤波电路的另一端与所述单片机的电压反馈采样口相连，所述降压补偿电路的另一端与所述送丝电机的第一端相连。

7.根据权利要求3所述的送丝调速系统，其中所述单片机还包括焊枪开关模块，用于在被置为ON的状态时，开启所述第一脉宽调制信号输出口和第二脉宽调制信号输出口，并在所述送丝制动口输出低电位信号；在被置为OFF的状态时，关闭所述第一脉宽调制信号输出口和第二脉宽调制信号输出口，并在所述送丝制动口输出高电位信号。

8.根据权利要求1所述的送丝调速系统，其中所述单片机采用数字增量型PID算法调节所述第一脉宽调制信号的占空比。

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