CN102310257A

CN102310257A - 缝焊机电极轮同步控制系统及方法

Info

Publication number: CN102310257A
Application number: CN201110188254A
Authority: CN
Inventors: 蒋磊; 张军; 张大森; 白立来; 宋永伦
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2011-07-06
Filing date: 2011-07-06
Publication date: 2012-01-11

Abstract

缝焊机电极轮同步控制系统及方法用于解决缝焊机电机头由于磨损造成其直径不一致所导致的转动线速度不一致的问题，涉及缝焊机电极轮转动控制领域，用于控制两个电极轮的同步转动。编码器实时采集工作电极轮的速度信号并反馈至MCU控制器，经MCU的分析计算，产生具有一定频率与占空比的PWM信号。该信号经过隔离与放大滤波用以控制下层工作电极轮的转动速度，并保持与上层工作电极轮具有相同的线速度。

Description

缝焊机电极轮同步控制系统及方法

技术领域

缝焊机电极轮同步控制系统及方法涉及缝焊机电极轮转动控制领域。

背景技术

缝焊是电阻焊接的一种基本方式，通常有许多焊点形成连续缝焊。通常两焊件以搭接装配方式压紧在两电极-焊轮之间，当焊件压紧后接通电流，转动电极轮来带动焊件转动进行焊接。在缝焊中，电极轮在工作中温度较高，磨损较为严重，并且通常两个电极轮的磨损程度不一，直接导致两个电极轮的直径不一致。此时，当变频器驱动电机以相同的转速带动电极轮运转时，会导致两个电极轮的线速度不一致，最终导致焊接质量下降。

发明内容

为了解决电极轮工作线速度不一致的问题，本发明采用如下的技术方案：

缝焊机电极轮同步控制方法：上层工作电极轮和下层工作电极轮以设定的速度对工件进行焊接；编码器实时检测上层工作电极轮和下层工作电极轮的线速度，并将两者的速度差反馈至MCU控制器；MCU控制器根据反馈误差输出PWM控制信号；通过PID控制算法修正，将PWM控制信号转化为控制下层工作电极轮旋转的模拟电压，调节下层工作电极轮的线速度与上层工作电极轮的线速度保持相同。

上述方法中，以上层工作电极轮的线速度作为速度基准，把上层工作电极轮和下层工作电极轮的速度差作为系统误差反馈至MCU控制器；MCU控制器按照速度与PWM信号占空比之间的线性关系，输出相应占空比的PWM信号，并依次通过隔离电路、信号放大与滤波电路转换为相应的模拟控制信号，该模拟控制信号驱动变频器改变下层工作电极轮转动的角速度，从而使下层工作电极轮与上层工作电极轮的线速度保持相同。

本发明中采用PID算法实现对下层工作电极轮的速度调节，由MCU控制器确定采集编码器信号的更新频率，即时间参数T；由信号放大与滤波电路中的放大倍数确定系统的比例系数P；积分系数I与微分系数D，在软中先暂定为0.1在系统测试过程中，根据电极轮的具体情况，由操作者再进行更新。系统以上层工作电极轮的线速度作为速度基准，每隔时间T更新编码器采集的速度信息并输入到一个动态序列，进过PID算法计算得到下层工作电极的控制信号大小，实现下层工作电极轮对上层工作电极轮线速度的跟踪，采用PID算法使得下层工作电极轮的控制信号波动小，稳定性高。

缝焊机电极轮同步控制系统：包括控制面板、串口通讯电路、MCU控制器，隔离电路、信号放大与滤波电路，电源电路，变频器、编码器、上层工作电极轮和下层工作电极轮；控制面板通过串口通讯电路与MCU控制器连接；MCU控制器输出至控制隔离电路，再经过信号放大与滤波电路输出至变频器；变频器驱动上层工作电极轮和下层工作电极轮运转；编码器通过隔离电路与MCU控制器连接。

控制面板设定接收工作电极轮的运转速度；串口通讯电路将速度信息发送到MCU控制器；MCU接收到控制面板设定的速度参数后，MCU按照速度与PWM信号占空比的线性关系计算输出相应占空比的PWM信号至控制隔离电路，再由信号放大与滤波电路输出至变频器控制工作电极轮转动；同时，编码器实时采集上层工作电极轮和下层工作电极轮的线速度，并通过隔离电路将信号发送到MCU控制器；MCU控制器根据反馈误差输出PWM控制信号，并通过隔离电路输出至信号放大与滤波电路；然后通过变频器改变下层工作电极轮的角速度，从而实现下层工作电极轮对上层工作电极轮线速度的跟踪。

本发明的系统框图如图1所示。

本发明中，通过实时测量上、下层工作电极轮的线速度，并以此为依据实时调节下层工作电极轮的角速度，使得上下工作电极轮的线速度保持一致，有效的避免了在相同角速度情况下，由于工作电极轮的半径不一致所带来的线速度的误差，使得焊接过程更加精确，稳定，可靠。

附图说明

图1.本发明的示意框图；

图2.本发明的MCU控制电路；

图3.本发明的串口通讯电路；

图4.信号采集与隔离电路；

图5.控制信号输出与隔离电路；

图6.信号放大与滤波电路；

图7.系统供电电路；

图8.隔离部分供电电路；

图9.本发明的方法流程图；

具体实施方式

本发明的具体实施方式将结合附图对本发明进行详细说明。

本系统包括控制面板，MCU控制器，工作电极轮，编码器，变频器，串口通讯电路，隔离电路，信号放大与滤波电路，电源电路这些部分组成。

如图1所示电源电路为整个系统提供电源，MCU的控制信号与信号放大与滤波电路之间，编码器输出信号与MCU之间都通过隔离电路实现，实现内部电路与外部电路的隔离。系统工作时，操作者在控制面板上设定工作电极轮的转动速度，控制面板与MCU控制器通过串口通讯电路连接，MCU接收到串口通讯电路发送来的速度值，按照速度与PWM信号占空比之间的线性关系，MCU输出相应占空比的PWM信号，并经过隔离电路、信号放大与滤波电路输出到变频器，变频器分别带动上、下工作电极轮按照设定速度的转动。为了实时测量上、下工作电极轮的线速度，在工件上下表面分别设置检测电极轮，检测电极轮随工件转动，编码器固定在检测电极轮上。编码器产生的脉冲信号通过隔离电路输入到MCU控制器中，编码器在检测上下工作电极轮转动的过程中产生的脉冲的频率用来描述电极轮的线速度。以10ms为单位，MCU计数接收的脉冲信号的个数与该时间段内电极轮的转动速度的平均值呈线性关系，此为依据将上下电极轮的速度做比较，实时的调整控制从动轮的PWM控制信号的占空比，从而调节变频器输出模拟信号的大小，实现精确控制，使上下工作电极轮的速度相一致。由此实现速度的反馈调节。

PID算法控制中的比例系数P、即为运算放大及滤波电路中的放大倍数，积分系数I和微分系数D先由软件暂设为，在系统运行时经过反复调试由操作者修改，本实施例将其分别设为3，0.1，0.1。

图2为本发明的MCU部分，BMQ1-1、BMQ1-2，BMQ2-1、BMQ2-2，BMQ3-1、BMQ3-2，BMQ4-1、BMQ4-2，为4路编码器信号的输入通道，分别连接各自光耦的输出端。USART_TX、USART_RX为串口通讯引脚，分别于U4(MAX3232)的10号脚和9号引脚相连接。PWM1-4为PWM信号输出引脚，分别与U6(ULN2803)的1-4号引脚相连接，PWM信号经U6分别输入到各PWM输出通道光耦的输入端。DOUT1-4为四路开关量信号控制引脚，连接到U5(ULN2803A)的1-4号引脚用以驱动四路继电器，控制外部的开关量。DIN1-4为四路开关量输入通道，由各自通道光耦的输出端接入，光耦的输入端连接外部开关信号。DA_Channel1-DA_Channel2，为两路模拟信号的输出引脚，分别连接到U7(LM324)的10脚与12脚，通过运算放大输出到外部电路。MCU的14脚为芯片的复位引脚，连接一个上拉电阻R9后接3.3V电压，R9的另一端接一个复位按钮，按钮一端接地，在地与R9一端加一100nF的滤波电容。MCU的12、13脚位控制器的外部晶振引脚，分别连接晶振Y2的两端，晶振两端同时接一20pF的起振电容，电容的另一端接地。

图3为本系统的串口通讯电路，由控制面板输入电极轮1的转速，通过串口通讯发送到MCU，完成速度的设定。U4(MAX3232)的T2IN、R20UT引脚用以连接MCU，T20UT、R2IN引脚用以连接控制面板。

图4为信号采集与隔离部分的电路图，如图中所示，本发明预留了4组编码器输入信号。下面取第一路编码器信号采集做详细的分析说明，03(TLP521-4)的1号脚与3号脚分别输入编码器的A，B两相信号，2号脚与4号脚分别接编码器信号的地端，在信号输入引脚上分别接一个400Ω的电阻R24，R26，在光耦的输出端光敏三极管的集电极接系统3.3V电压，光敏三极管的输出端连接MCU的编码器信号输入管脚，外部接电阻R25并下拉到地。编码器输入信号为高时产生的电流用以驱动发光二极管，光敏三级管受光照，发射结导通。光耦输入与输出端的电源分别来自编码器和系统内部电路，实现了内外电路的隔离，保证了系统的安全。

图5为控制信号的输出与隔离电路。控制信号的输出部分系统采用高速光耦，用于提高控制信号的频率，使得滤波后的电压更加平稳。本发明中预留了四路PWM控制信号输出，从MCU部分输出的PWM1-4进入达林顿管U6(ULN2803)输出用以驱动高速光耦(6N137)，光耦部分工作原理与信号采集与隔离部分相同。

图6为运算放大与滤波电路，如图所示，U7(LM324)的A，B两路运放正相输入端分别连接控制信号PWM1-2的输出，C，D两路运放的正相输入端接MCU的DA_Channel1-2，PWM信号输入在正向输入端采用RC滤波，在DA_Channel信号输入在正向输入端采用电容滤波，4路信号经运放放大3倍后输出到各自端子引脚。U7(LM324)采用15V供电，电源来自DC-DC，(在电源部分做说明)。

图7为系统供电部分电路图，在端子P1由外部输入12V电源，经整流桥B1(RS308)整流后，经电容滤波，到限流电阻R1输入到电源转换芯片U1(LT1085-5)，输出5V电源，同样由电源转换芯片U2(LT1085-3.3)输出3.3V电源，为系统各部分供电。

图8，为隔离部分电源示意图，DC-DC输入端电源取自U1，输出15V电源，为U7(LM324)供电，U3(LT1085-5)电源转换芯片输入端取自DC-DC输出端15V电源，U3输出5V电源，为高速光耦的的集电极供电。这样外部设备与系统内部运用光耦实现了充分的隔离。光耦与系统连接部分采用系统电源供电，光耦与外部设备连接部分采用DC-DC输出端电源供电，充分保护了系统的安全。

在本发明中，MCU控制器扩展232总线接口，该接口可以和控制面板通信。微控制器将采集到的数据信息传输到人机界面。在人机界面上，可以进行主动轮速度设定并实时显示接收到的数据。

Claims

1.缝焊机电极轮同步控制方法，其特征在于：上层工作电极轮和下层工作电极轮以设定的速度对工件进行焊接；编码器实时检测上层工作电极轮和下层工作电极轮的线速度，并将两者的速度差反馈至MCU控制器；MCU控制器根据反馈误差输出PWM控制信号；通过PID控制算法修正，将PWM控制信号转化为控制下层工作电极轮旋转的模拟电压，调节下层工作电极轮的线速度与上层工作电极轮的线速度保持相同。

2.缝焊机电极轮同步控制系统，其特征在于：包括控制面板、串口通讯电路、MCU控制器，隔离电路、信号放大与滤波电路，电源电路，变频器、编码器、上层工作电极轮和下层工作电极轮；控制面板通过串口通讯电路与MCU控制器连接；MCU控制器输出至控制隔离电路，再经过信号放大与滤波电路输出至变频器；变频器驱动上层工作电极轮和下层工作电极轮运转；编码器通过隔离电路与MCU控制器连接。