CN103071892A

CN103071892A - 一种数字控制逆变式自动电焊机的电路控制方法

Info

Publication number: CN103071892A
Application number: CN2011103467430A
Authority: CN
Inventors: 尤剑鸣; 章宏; 康选林
Original assignee: Huaqing Equipment Science & Technology Co Ltd Xianyang
Current assignee: Huaqing Equipment Science & Technology Co Ltd Xianyang
Priority date: 2011-10-26
Filing date: 2011-10-26
Publication date: 2013-05-01

Abstract

本发明涉及电焊机的控制系统，尤其涉及一种数字控制逆变式自动电焊机的电路控制方法。本发明将焊接工艺要求的电流基本波形预存储在控制电路的有关芯片内置存储器中；在焊接过程中，实时调用相关的电流基本波形，并进行相应的扩展运算，实时得出实际要求的波形参数，来控制电流波形的实现。本发明的优点在焊接是实时调用波形的相关参数，实现的波形比当前通用的控制电路更为精细，焊接质量更高，飞溅更少。

Description

一种数字控制逆变式自动电焊机的电路控制方法

(一)技术领域

本发明涉及电焊机的控制系统，尤其涉及一种数字控制逆变式自动电焊机的电路控制方法。

(二)背景技术

逆变式电焊机的基本结构如图1所示，其控制部分可以是模拟系统，也可以是数字系统。传统的电焊机一般都采用模拟控制系统，其控制部件主要是模拟分立元件和集成运放。这种电焊机成本较低，但由于分立元件较多，且其性能易受环境温度影响而发生变化，这样的闭环控制稳定性不好。模拟控制系统不易实现复杂程度较高的精细控制，对于电焊机来说，对焊接质量的可控性就较小。

随着数字电子技术的发展，特别是高性能单片机、DSP和FPGA的出现，电焊机的控制系统开始向数字化方向发展。由于数字器件的成本在不断下降，电焊机数字控制系统的成本也在不断下降。采用数字控制系统的电焊机也叫数字电焊机。数字电焊机控制系统的核心器件是单片机、DSP或FPGA。数字电焊机控制系统的基本硬件结构如图2所示。与模拟电焊机相比，数字电焊机不仅硬件结构简单，可靠性强，还可以对焊接过程进行实时的精确控制，提高焊接质量，减少飞溅。

常用的数字电焊机控制系统虽然性能高于模拟电焊机，但由于预输入的只是波形的关键参数，如最大值、持续时间等，而不是所要求的各时间点的实时参数值，则参与控制波形实现的能够反映焊接波形实际要求的信息量不够充分，这样实现的波形与要求的相比只能是大体相符，在细节上仍然有出入。因此，常用的数字电焊机控制系统还有改善的余地，以实现更为精确的控制，进一步提高焊接质量，减少飞溅。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种逆变自动电焊机的电路精细控制方法，通过预存储工艺要求焊接电流基本波形，并实时对存储的波形进行扩展运算，运算结果实时控制焊丝的送线量，从而精细地控制焊接电流。本发明与电焊机的经典数字控制方法相比，能够进一步提高焊接质量、减小飞溅的一种数字控制逆变式自动电焊机的电路控制方法。

本发明是对经典数字电焊机控制系统实现电流波形方法的一种改进，可以更为精确地实现焊接工艺要求的电流波形。焊接过程的电流大小是由焊丝的送线量决定的，因此，对电流波形的控制实际上是对焊丝送料伺服电机运转的控制。本发明的内容包括：

1)自动电焊机的控制电路，采用预存储的方法，将焊接工艺过程所要求的电流的基本波形作预存储，供焊接过程中实时调用并进行扩展运算，以实时得出要求的电流波形的实际参数，去实时控制电流波形的实现。

2)对焊接要求的电流波形进行预存储的基本格式和方法。

3)为了实时得到所要求的电流波形参数的实际值，对所存储的电流的基本波形进行扩展运算的方法。

4)自动电焊机控制电路实现上述方法的软件架构。

图3是本发明要实现的焊接电流的基本波形。电焊的过程分为引弧和焊接两个阶段。开始为引弧阶段，引弧成功后，空气才易于电离，就进入焊接阶段。引弧阶段的电流波形为一个脉冲，分为峰值电流段(Tipp时间段)和电弧段(Tipd时间段)；焊接阶段的电流波形为一个个连续的锯齿形脉冲，锯齿脉冲的上升沿为短路段(Tir时间段)，下降沿为电弧段(Tid时间段)。本发明能够由用户调整的焊接工艺参数有：1、引弧阶段的峰值电流Ipp；2、引弧阶段的峰值电流持续时间Tipp；3、引弧阶段出现电弧时电流下降时间Tipd；4、焊接阶段的峰值电流Iwd；5、焊接阶段脉冲短路段电流上升时间Tir；6、焊接阶段脉冲电弧段电流下降时间Tid。

要实现图3的焊接电流波形，必须先将该基本波形存储在控制电路器件的嵌入式存储器内。因此。必须先对基本波形进行时间采样，只要采样点足够多，就能够满足控制的精确度。各采样值就是存储的内容。存储结构为：每一个存储单元对应一个采样时间点，存的是该时间点对应的电流脉冲幅值。存储单元的地址随时间的后移加1增长。由于在焊接阶段，是周期性脉冲，只需存储一个脉冲的波形，实现波形时重复调用就可以了。这样，实际存储的是引弧阶段的脉冲和焊接阶段的单个脉冲，共两个脉冲。存储的脉冲对应的持续时间长度为实际焊接工艺中可能用到的最长时间长度，或更长。实际用到的脉冲的持续时间往往小于该时间，软件可以通过以一定时间间隔在存储样本中再抽样来获得波形。例如：存储器相邻地址对应的采样时间间隔为50ns，存储的一个脉冲共占用了100个存储单元，则存储的脉冲宽度为5us。如果实际要求实现的波形脉冲宽度为1us，要得到该波形，则要对存储的基本波形在时间轴上压缩5倍，这样只要在每5个存储单元中取第一个的值，就实现了这样的压缩。存储的电流幅度则对应的是最低值，实际工作的电流幅度要大于它，这样实际工作时软件要根据实际参数对同一脉冲波形的每一个采样电流值按照同一比例来扩大。例如：存储波形对应的Ipp是100A，而实际设定的是150A，则软件在实现引弧阶段脉冲波形时要对每一个存储电流值乘1.5。

上述方法可以归纳为：令存储波形对应的极端值Ipp、Iwd、Tipp、Tipd、Tir、Tid分别为Impp、Imwd、Tmipp、Tmipd、Tmir、Tmid。实际实现波形时，对于引弧阶段，在峰值电流段，将时间由Tmipp压缩为Tipp，即对存储波形每隔Tmipp/Tipp个地址采样一次，将存储的每个采样点的电流幅度乘Ipp/Impp作为实际输出，输送给焊丝送料伺服电机控制系统作为输入参数；在电弧段，将时间由Tmipd压缩为Tipd，即对存储波形每隔Tmipd/Tipd个地址采样一次，将存储的每个采样点的电流幅度乘Ipp/Impp作为实际输出，输送给焊丝送料伺服电机控制系统作为输入参数。对于焊接阶段，在短路段，将时间由Tmir压缩为Tir，即对存储波形每隔Tmir/Tir个地址采样一次，将存储的每个采样点的电流幅度乘Iwd/Imwd作为实际输出，输送给焊丝送料伺服电机控制系统作为输入参数；在电弧段，将时间由Tmid压缩为Tid，即对存储波形每隔Tmid/Tid个地址采样一次，将存储的每个采样点的电流幅度乘Iwd/Imwd作为实际输出，输送给焊丝送料伺服电机控制系统作为输入参数。

本发明的优点在于预存储了焊接工艺要求的电流波形的完整信息，而不仅仅是关键值，这样的信息来实时控制焊接电流，控制过程更为精细，实现的实际电流波形更接近于理想值，从而能够进一步提高焊接质量，减小飞溅。

(四)附图说明

图1是逆变式自动电焊机的基本电路结构；

图2是数字电焊机控制系统的基本硬件结构；

图3是本发明要实现的焊接电流的基本波形；

图4是本发明实现引弧阶段波形的软件架构；

图5是本发明实现焊接阶段波形的软件架构。

(五)具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明：

本发明基于目前逆变式自动电焊机均采用的图1所示的基本电路结构。电源为采用IGBT模块的PWM控制方式。电源的主回路可以为单相或三相交流输入，经过整流桥模块整流后，采用移相全桥电路，实现PWM，并经变压器变压实现逆变。变压器采用非晶合金变压器，可以有效减小电焊机的体积。变压器的次级经过整流，输出直流电压。在焊机输出端，通过弧压传感器对输出电压、电流进行采样。采样的电压和电流值进入反馈控制及保护电路。焊丝送料采用伺服电机系统。

本发明的内容在控制及保护电路上，包括硬件和软件架构。控制方式为全数字方式。逆变式电焊机的全数字控制电路硬件结构的几种组合如图2所示，本发明可以采用其中的任意一种。为了实现对采样电压和电流的A/D转换，一般必须使用具有A/D转换功能的单片机或DSP，而FPGA目前不具备A/D转换功能。闭环控制的比例积分算法及对焊丝送料伺服电机的控制(以实现电流波形)一般用DSP或FPGA来实现。根据数字控制系统的实际功能，其核心器件一般为单片机与DSP的组合，或单片机与FPGA的组合，也可以是三者的组合。

本发明的内容包括：

2)对焊接要求的电流波形进行预存储的基本格式和方法。

4)自动电焊机控制电路实现上述方法的软件架构。

数字电焊机的控制核心是软件，单片机、DSP和FPGA是软件的载体，软件通过这些器件来完成功能。因此，数字电焊机实际上是一种程序控制电焊机。波形存储的载体本发明采用DSP或FPGA的内置存储器。本发明的控制电路实现电流波形的软件架构如图4和图5所示。

Claims

1.一种数字控制逆变式自动电焊机的电路控制方法，其特征在于：采用预存储的方法，将焊接工艺过程所要求的电流的基本波形作预存储；在焊接过程中，实时调用相关的电流基本波形，并进行相应的扩展运算，实时得出实际要求的波形参数，来控制电流波形的实现。

2.根据权利要求1所述的一种数字控制逆变式自动电焊机的电路控制方法，其特征在于对波形进行预存储的基本格式和方法，包括：

(1)存储结构为：每一个存储单元对应一个采样时间点，存的是该时间点对应的电流脉冲幅值。存储单元的地址随时间的后移加1增长。

(2)焊接阶段只需存储一个脉冲的波形，实现波形时重复调用。实际存储的是引弧阶段的脉冲和焊接阶段的单个脉冲，共两个脉冲。

(3)存储的脉冲对应的持续时间长度为实际焊接工艺中可能用到的最长时间长度，或更长。实际用到的脉冲的持续时间若小于该时间，软件可以通过以一定时间间隔在存储样本中再抽样来获得波形。

(4)存储的电流幅度对应的是最低值，实际工作时软件根据实际参数对同一脉冲波形的每一个采样电流值按照同一比例来扩大。

3.根据权利要求1和2所述的一种数字控制逆变式自动电焊机的电路控制方法，其特征在于为了实时得到所要求的波形参数的实际值，对所存储的基本波形进行扩展运算的方法，包括：

(1)对于引弧阶段，在峰值电流段，对存储波形每隔Tmipp/Tipp个地址采样一次，将存储的每个采样点的电流幅度乘Ipp/Impp作为实际输出，输送给焊丝送料伺服电机控制系统作为输入参数；在电弧段，对存储波形每隔Tmipd/Tipd个地址采样一次，将存储的每个采样点的电流幅度乘Ipp/Impp作为实际输出，输送给焊丝送料伺服电机控制系统作为输入参数。

(2)对于焊接阶段，在短路段，对存储波形每隔Tmir/Tir个地址采样一次，将存储的每个采样点的电流幅度乘Iwd/Imwd作为实际输出，输送给焊丝送料伺服电机控制系统作为输入参数；在电弧段，对存储波形每隔Tmid/Tid个地址采样一次，将存储的每个采样点的电流幅度乘Iwd/Imwd作为实际输出，输送给焊丝送料伺服电机控制系统作为输入参数。