CN103920970B - 一种焊丝调速控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于焊接设备及自动化技术领域，具体涉及一种焊丝调速控制系统。该控制系统的技术方案不使用额外的测速装置，利用印刷电机电枢绕组电流工作在不连续状态下，通过电流型脉宽调制控制器的同步脉冲触发采样保持器，采集电机电枢绕组电流为零时刻的电枢感应电动势，实现电机转速的精确反馈，再配合一套闭环调速控制系统，从而保证焊丝速度的稳定。同时，通过电流型脉宽调制控制器的过电流关断功能，为系统提供过电流故障保护。该系统实现方便，效果好，值得推广。

Description

一种焊丝调速控制系统
技术领域
本发明属于焊接设备及自动化技术领域，具体涉及一种焊丝调速控制系统。
背景技术
在熔化极气体保护焊中，通常采用等速送丝配合平外特性焊接电源。焊丝调速控制系统的性能，直接影响到焊接过程的稳定性以及焊缝成形的质量。常见的采用印刷电机或永磁直流电机的送丝装置，其静态精度高，抗挠性好，焊接稳定性显著优于一般的送丝系统。
根据《现代弧焊控制》(机械工业出版社出版)记载，现有的焊丝调速控制系统，一般通过改变直流电机的电枢电压进行速度调节，采用转速负反馈闭环或者电枢电压负反馈和电流正反馈补偿的复合反馈方式使转速稳定。其中，速度负反馈是控制电机转速最直接和有效的方法，一般需要额外添加测速电机、测速光栅或其它机电测速装置，增加了系统成本和机械结构安装维护的复杂性；而电压负反馈只能近似反映转速，不能消除电枢绕组内阻引起的压降误差，为了提高精度，还需要增加电流正反馈的补偿控制方式，电压负反馈和电流正反馈复合反馈方式能够对电机电枢绕组压降引起的转速变化予以补偿，克服了单纯电压负反馈调速系统的弊端，从而具有速度负反馈的性质，但这种补偿控制完全依赖于参数的配合，受温度等因素的影响大。
为了提高焊丝调速控制系统的静态精度和动态性能，目前人们主要在从测速反馈以及采用中频脉宽调制直流斩波电源方面进行研究。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何提供一种不使用额外的测速装置，即可实现焊丝速度稳定的焊丝调速控制系统。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种焊丝调速控制系统，所述焊丝调速控制系统包括：印刷电机、单片机、脉宽调制控制器、采样保持器、电源驱动电路、电机刹车电路、比例积分电路以及信号采集电路；
外部通过变压器所提供的AC26V交流电压,经整流后作为印刷电机的直流供电电源；
所述单片机为所述焊丝调速控制系统的控制核心，其用于当接收到焊枪开的信号后，生成取消刹车信号至所述电机刹车电路，电机刹车电路根据该取消刹车信号使印刷电机正常工作；同时，所述单片机生成启动脉宽调制控制器信号至所述脉宽调制控制器，使脉宽调制控制器启动并正常输出PWM脉冲信号；同时，所述单片机通过检测焊机操作面板上的参数以及送丝装置上的电压、电流的预设值，经过运算及数据库表格查表后，输出与印刷电机转速相对应的电压给定信号至所述比例积分电路；并且，当所述单片机接收到焊枪关闭的信号后，生成关闭脉宽调制控制器信号，以关断PWM脉冲信号的输出，同时，生成电机制动信号至电机刹车电路，使电机制动；
所述信号采样电路用于采集印刷电机的实际转速信号，并将该实际转速信号对应的转速负反馈信号发送至所述比例积分电路；
所述比例积分电路根据所述与印刷电机转速相对应的电压给定信号以及印刷电机实际的转速负反馈信号，生成用于发送给所述脉宽调制控制器的误差给定信号；
所述脉宽调制控制器用于提供同步脉冲信号触发所述采样保持器工作，确保电机电枢电流为零期间，即一个PWM脉冲结束下一个PWM脉冲开始之前的时刻，所述采样保持器对信号采集电路中电枢感应电动势信号进行采样保持，只有该时刻由所述信号采样电路采集的电枢感应电动势才对应印刷电机的实际转速大小，该电枢感应电动势对应的转速负反馈信号与来自单片机的电压给定信号经比例积分电路处理，作为脉宽调制控制器的误差给定信号，脉宽调制控制器根据所述误差给定信号决定其输出的PWM占空比，由此调节脉宽调制控制器的PWM脉宽输出，控制加在电机电枢上的电压大小，进而控制电机实际转速，实现转速的闭环控制；
其中，所述脉宽调制控制器的PWM脉冲信号输出端与所述电源驱动电路相连，通过控制电源驱动电路中MOS开关管的通断时间，改变直流供电电源加在印刷电机电枢绕组上的脉动时间，从而改变电枢电压，实现电机转速调节。
其中，所述信号采集电路还采集电机电枢电流监测信号并反馈至脉宽调制控制器，当电枢电流超过给定阈值时，脉宽调制控制器自动关断PWM脉冲信号的输出，对系统过电流故障提供保护。
(三)有益效果
本发明技术方案不使用额外的测速装置，利用印刷电机电枢绕组电流工作在不连续状态下，通过电流型脉宽调制控制器的同步脉冲触发采样保持器，采集电机电枢绕组电流为零时刻的电枢感应电动势，实现电机转速的精确反馈，再配合一套闭环调速控制系统，从而保证焊丝速度的稳定。同时，通过电流型脉宽调制控制器的过电流关断功能，为系统提供过电流故障保护。本系统实现方便，效果好，值得推广。
附图说明
图1为本发明焊丝调速控制系统的总体结构示意图。
图2为本发明焊丝调速控制系统的电路连接示意图。
图3(a)至图3(f)为本发明焊丝调速控制系统的采样控制时序示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为解决现有技术的问题，本发明提供一种焊丝调速控制系统，如图1所示，所述焊丝调速控制系统包括：印刷电机、单片机、脉宽调制控制器、采样保持器、电源驱动电路、电机刹车电路、比例积分电路(即PI电路)以及信号采集电路；
外部通过变压器所提供的AC26V交流电压,经整流后作为印刷电机的直流供电电源；
所述单片机为所述焊丝调速控制系统的控制核心，其用于当接收到焊枪开的信号后，生成取消刹车信号至所述电机刹车电路，电机刹车电路根据该取消刹车信号使印刷电机正常工作；同时，所述单片机生成启动脉宽调制控制器信号至所述脉宽调制控制器，使脉宽调制控制器启动并正常输出PWM脉冲信号；同时，所述单片机通过检测焊机操作面板上的参数以及送丝装置上的电压、电流的预设值，经过运算及数据库表格查表后，输出与印刷电机转速相对应的电压给定信号至所述比例积分电路；并且，当所述单片机接收到焊枪关闭的信号后，生成关闭脉宽调制控制器信号，以关断PWM脉冲信号的输出，同时，生成电机制动信号至电机刹车电路，使电机制动；
所述信号采样电路用于采集印刷电机的实际转速信号，并将该实际转速信号对应的转速负反馈信号发送至所述比例积分电路；
所述比例积分电路根据所述与印刷电机转速相对应的电压给定信号以及印刷电机实际的转速负反馈信号，生成用于发送给所述脉宽调制控制器的误差给定信号；
所述脉宽调制控制器用于提供同步脉冲信号触发所述采样保持器工作，确保电机电枢电流为零期间，即一个PWM脉冲结束下一个PWM脉冲开始之前的时刻，所述采样保持器对信号采集电路中电枢感应电动势信号进行采样保持，只有该时刻由所述信号采样电路采集的电枢感应电动势才对应印刷电机的实际转速大小，该电枢感应电动势对应的转速负反馈信号与来自单片机的电压给定信号经比例积分电路处理，作为脉宽调制控制器的误差给定信号，脉宽调制控制器根据所述误差给定信号决定其输出的PWM占空比，由此调节脉宽调制控制器的PWM脉宽输出，控制加在电机电枢上的电压大小，进而控制电机实际转速，实现转速的闭环控制；
其中，所述脉宽调制控制器的PWM脉冲信号输出端与所述电源驱动电路相连，通过控制电源驱动电路中MOS开关管的通断时间，改变直流供电电源加在印刷电机电枢绕组上的脉动时间，从而改变电枢电压，实现电机转速调节。
其中，所述脉宽调制控制器为电流型脉宽调制控制器，具有过电流关断功能，所述信号采集电路还采集电机电枢电流监测信号并反馈至脉宽调制控制器，当电枢电流超过给定阈值时，脉宽调制控制器自动关断PWM脉冲信号的输出，对系统过电流故障提供保护。
下面就具体实施例来详细描述。
实施例
本实施例中，如图1所示，单片机得到焊枪开的信号后，将转速预设值送给PI电路，同时发出取消电机刹车信号以及启动脉宽调制控制器信号，此时刹车电路关闭，脉宽调制控制器开始工作。控制器启动瞬间，电机速度负反馈为零，控制器以最大脉宽输出PWM信号，控制电源驱动电路中的开关管打开，直流供电电源约40V加在电机电枢绕组上，电枢电流上升，转速增大。与此同时，在同步脉冲的驱动下，采样保持器在特定时间点采集电机感应电动势的大小，作为电机速度的负反馈信号送给PI电路，与单片机给定的速度信号进行PI计算后连到脉宽调制控制器，误差信号与控制器内部振荡三角波进行比较，从而调整PWM脉宽，进而改变驱动电路中开关管的通断时间，即改变加在电枢绕组上的脉动电压时间，最终将电机的转速稳定在给定转速。
焊枪关闭时，单片机发出关闭脉宽调制控制器信号将PWM输出关闭，同时启动电机刹车电路，让电机迅速制动。除了单片机信号可以关闭控制器，在信号采集电路中，将电机电枢电流反馈至控制器的电流输入端，当电枢电流超过设定的过电流阈值时，内部电路将关断控制器的输出，对系统提供保护。
如图2所示，为本发明焊丝调速控制系统的电路连接示意图。
脉宽调制控制器启动时，单片机通过一个驱动及光耦隔离模块将1VQ2截止，刹车电路关闭。直流电源通过开关管1VQ1加在电机电枢绕组上，控制器输出PWM脉冲通过控制1VQ3和1VQ4的通断，进而控制1VQ1的通断。一个PWM脉冲过来，1VQ1导通，电机电枢电压为电源电压。下一个PWM脉冲到来前，1VQ1截止，电机电枢电流通过1VQ2内部的二极管续流，同时产生一个短暂的反相电压，当电枢电流为零时，电机与转速成比例关系的感应电动势反映出来，同步脉冲信号即在下一个PWM脉冲到来之前触发采样保持器，进行转速电压的采样。图中，1R1为0.1欧的电枢电流反馈电阻，1R4为电机转速对应的电压采样电阻。
如图3(a)至图3(f)所示，为本发明焊丝调速控制系统的采样控制时序示意图。
由于印刷电机电感小、转动惯量小，电枢电流容易工作在不连续状态下，系统工作频率可提高到5K以上。为描述方便，图3(a)给出了脉宽调制控制器内部振荡三角波波形，虚拟了误差信号Ve。与图3(a)对应，控制器提供的同步脉冲信号即为振荡三角波的下降边，也即控制器死区时间，如图3(b)所示。在图3(a)误差信号下，图3(c)为控制器输出的PWM波形，对应的电机电枢电压波形和电流波形如图3(d)、图3(e)所示。在图3(b)同步脉冲对应的时刻下，采样保持器采集的电机速度信号如图3(d)中的阴影部分所示，这时的电压信号恰好是真正反映转速的电枢感应电动势电压。图3(f)为采样保持器采样输出的电机转速电压反馈信号波形图。
本焊丝调速控制系统不需额外增加测速装置，即能实现焊丝电机的速度闭环反馈，精度较高，确保了焊丝速度的稳定，同时简化了系统硬件结构，节约了成本；利用电流型脉宽调制控制器检测电机的电枢电流，具有过电流故障保护功能，保证了系统的安全性。本系统实现方便，效果好，值得推广。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种焊丝调速控制系统，其特征在于，所述焊丝调速控制系统包括：印刷电机、单片机、脉宽调制控制器、采样保持器、电源驱动电路、电机刹车电路、比例积分电路以及信号采集电路；
外部通过变压器所提供的AC26V交流电压,经整流后作为印刷电机的直流供电电源；
所述单片机为所述焊丝调速控制系统的控制核心，其用于当接收到焊枪开的信号后，生成取消刹车信号至所述电机刹车电路，电机刹车电路根据该取消刹车信号使印刷电机正常工作；同时，所述单片机生成启动脉宽调制控制器信号至所述脉宽调制控制器，使脉宽调制控制器启动并正常输出PWM脉冲信号；同时，所述单片机通过检测焊机操作面板上的参数以及送丝装置上的电压、电流的预设值，经过运算及数据库表格查表后，输出与印刷电机转速相对应的电压给定信号至所述比例积分电路；并且，当所述单片机接收到焊枪关闭的信号后，生成关闭脉宽调制控制器信号，以关断PWM脉冲信号的输出，同时，生成电机制动信号至电机刹车电路，使电机制动；
所述信号采集电路用于采集印刷电机的实际转速信号，并将该实际转速信号对应的转速负反馈信号发送至所述比例积分电路；
所述比例积分电路根据所述与印刷电机转速相对应的电压给定信号以及印刷电机实际的转速负反馈信号，生成用于发送给所述脉宽调制控制器的误差给定信号；
所述脉宽调制控制器用于提供同步脉冲信号触发所述采样保持器工作，确保电机电枢电流为零期间，即一个PWM脉冲结束下一个PWM脉冲开始之前的时刻，所述采样保持器对信号采集电路中电枢感应电动势信号进行采样保持，只有该时刻由所述信号采集电路采集的电枢感应电动势才对应印刷电机的实际转速大小，该电枢感应电动势对应的转速负反馈信号与来自单片机的电压给定信号经比例积分电路处理，作为脉宽调制控制器的误差给定信号，脉宽调制控制器根据所述误差给定信号决定其输出的PWM占空比，由此调节脉宽调制控制器的PWM脉宽输出，控制加在电机电枢上的电压大小，进而控制电机实际转速，实现转速的闭环控制；
其中，所述脉宽调制控制器的PWM脉冲信号输出端与所述电源驱动电路相连，通过控制电源驱动电路中MOS开关管的通断时间，改变直流供电电源加在印刷电机电枢绕组上的脉动时间，从而改变电枢电压，实现电机转速调节。
2.如权利要求1所述的焊丝调速控制系统，其特征在于，所述信号采集电路还采集电机电枢电流监测信号并反馈至脉宽调制控制器，当电枢电流超过给定阈值时，脉宽调制控制器自动关断PWM脉冲信号的输出，对系统过电流故障提供保护。
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