CN1634676A - 全数字埋弧焊变速送丝控制的方法 - Google Patents

Abstract

一种全数字埋弧焊变速送丝控制的方法，采用串级联接的三闭环控制结构，最内环为电流环，第二环为转速环，最外环为电弧电压环，每一环节设置一个调节器，分别调节电弧电压、转速和电流；采用高速数字信号处理器为核心控制器件构建全数字化直流伺服电动机控制系统，系统的所有控制策略均通过软件实现，硬件部分完成数字触发功能和信号处理功能，其中，电弧电压调节器的输出作为转速的目标值，速度调节器的输出作为电流的目标值，电流调节器的输出作为功率模块的控制信号去控制电力电路的输出电压。本发明既能够使系统保持较高的调节精度和调节灵敏度，又能够保证系统工作稳定，焊接过程中电弧长度稳定性大大提高，实现了对电弧长度的精确控制。

Description

全数字埋弧焊变速送丝控制的方法

技术领域

本发明涉及的是一种埋弧焊变速送丝控制方法，具体是一种基于高速数字信号处理器全数字埋弧焊变速送丝控制的方法。属于焊接技术领域。

背景技术

埋弧自动焊具有高效、高质量的特点，在压力容器、石油机械、造船、钢时变性和不确定性，采用埋弧自动焊焊接方法，使用粗焊丝焊接，当遇到外界对弧长的干扰时，依靠电弧自身的调节作用不能保证足够的电弧长度的稳定，从而破坏了焊接过程的稳定，造成焊接缺陷，影响焊接质量。因此，通常采用强迫改变焊丝送进速度来恢复弧长，即采用电弧电压反馈变速送丝调节系统，电弧电压的调节是通过电弧电压闭环负反馈自动调节送丝速度来实现。通过送丝速度随弧压(弧长)的增长(减小)而增大(减小)来自动补偿弧长的波动，强迫电弧长度恢复到原来的长度，以保证焊接质量，从而获得优良的焊缝。传统埋弧焊变速送丝调节控制系统中，多采用单环电弧电压负反馈的方式通过模拟控制器来实现送丝速度调节。目前，已经有将单片机引入埋弧自动焊送丝电机控制，采用模拟控制与数字控制相结合构成电弧电压负反馈变速送丝调节闭环控制系统，但仍然存在采用模拟控制系统的一些缺点。随着数字信号处理器的出现，使得伺服系统模块化和全数字化容易实现，长期以来建立在现代控制理论以及其它一些复杂控制算法基础上的控制原理得以快速在线计算及进行对系统的优化处理，为采用更先进的控制技术实现埋弧焊变速送丝调节提供了强有力的保证。

经对现有技术的文献检索发现，齐铂金在《电焊机》第33卷第11期2003年11月上发表的“埋弧焊过程的单片机控制技术及其应用”，该文采用送丝速度前馈及电弧电压负反馈闭环控制送丝速度，焊接过程中送丝速度的调整采用Fuzzy-PID控制，使得控制系统既具有较快的响应速度，又有较高的稳定性，该控制方法及控制策略较之通常直接采用电弧电压作闭环负反馈来控制送丝速度有很大的进步。但是由于该控制系统仍是采用模拟与数字相结合的控制系统，同时由于受单片机运算速度及数据处理能力的限制，无法做到大量实时信息采集、实时信息处理，进而影响了实时控制精度。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提出一种全数字埋弧焊变速送丝控制的方法，使其利用数字信号处理器强大的数据处理能力和高运行速度的优点，系统的所有控制策略均通过软件的方式加以实现，硬件部分完成数字触发功能和信号处理功能，从而提高了控制系统的控制精度、实时性和可靠性。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用串级联接的三闭环控制结构，最内环为电流环，第二环为转速环，最外环为电弧电压环。每一环节设置一个调节器，分别调节电弧电压、转速和电流；采用高速数字信号处理器为核心控制器件构建全数字化直流伺服电动机控制系统，系统的所有控制策略即三个调节器的数据处理均通过软件的方式加以实现，硬件部分完成数字触发功能和信号处理功能，其中，电弧电压调节器的输出作为转速的目标值，速度调节器的输出作为电流的目标值，电流调节器的输出作为功率模块的控制信号去控制电力电路的输出电压。

所述的电流环，由主电路、霍耳电流传感器、滤波电路、A/D转换器、电流目标值以及电流调节器组成，霍耳电流传感器将检测到的电枢电流信号转化为成比例的电压信号，此电压信号经滤波电路滤波后由A/D转换器转换为数字量送入数字信号处理器内部，此数字量即为电枢电流的反馈值Uif。电枢电流的目标值Uir与电枢电流的反馈值Uif的差值经过电流调节器(电流调节器采用PI算法)的调节，直接输出电力电路的控制信号Uct，Uct去控制电力电路功率模块的开通，然后经串级调速主回路和电动机控制送丝速度，进而实现了对电弧电压(长度)的精确控制。

所述的速度环，由光栅编码器、信号处理电路、脉冲捕获单元、速度目标值以及速度调节器组成，电机的转速由光栅编码器进行检测。光栅编码器将转速转化为对应脉冲信号，经过信号处理电路(零比较器和光耦)的整形处理，由脉冲捕获单元捕获到数字信号处理器内部，由数字信号处理器计算出当前的转速反馈值Unf。转速的目标值Unr与转速反馈值Unf的差值经过速度调节器(速度调节器采用自适应PID算法)的调节，得到相应的控制信号输出，此控制信号作为电流的目标值Uir。

所述的电弧电压环，由电弧电压信号、霍耳电压传感器、滤波电路、电弧电压目标值Uur、A/D转换器以及电弧电压调节器组成，电弧电压的反馈值Uuf是由焊接电源主回路中取出的电弧电压经霍耳电压传感器转换成一定范围的电压信号后经滤波电路滤波后由A/D转换器转换为数字量送入数字信号处理器内部，电弧电压的目标值Uur直接由电位器给定经A/D转换器转换为数字量送入数字信号处理器内部，电弧电压的目标值Uur与电弧电压的反馈值Uuf的差值Uue经电弧电压调节器(电弧电压调节器采用模糊PID算法)的调节，得到相应的控制信号输出，此控制信号作为转速的目标值Unr。

通常，埋弧焊的电弧电压的目标值Uur(根据具体的焊接工艺，以模拟量的形式由电位器给定)是恒定的，即调节以后在焊接过程中电弧电压的目标值是恒定的，电弧电压目标值Uur与由霍耳电压传感器传送的电弧电压的反馈值Uuf的偏差经过电弧电压调节器调节输出转速目标值Unr，由转速测量装置传送的转速信号送入数字信号处理器后，由数字信号处理器计算出当前的转速反馈值Unf，Unr与Unf的偏差被送入转速调节器。由转速调节器调节输出的电枢电流的目标值Uir与由霍耳电流传感器检测的电枢电流反馈值Uif形成偏差量，该偏差被送入电枢电流调节器。电枢电流调节器直接输出电力电路的控制信号Uct，Uct去控制电力电路的输出电压Udo，然后经串级调速主回路和电动机控制送丝速度，进而实现了对电弧电压(长度)的精确控制。

在整个控制系统中，采用三闭环(电流环、速度环、相位环)控制结构，转速环、电流环是为系统的快速性能和抗扰动性能服务，而电弧电压环则是完成对给定目标值的跟随控制。串级三闭环的综合作用能够实现更高的控制精度和可靠性，其中电流环对负载扰动和过电流的抵抗能力较强，速度环对于摩擦、间隙等非线性因素的影响具有较好的抑制作用。在控制策略上，综合利用各种智能算法：采用电流环Pl控制、转速环自适应PID算法控制、电压环模糊PID算法控制，提高了系统的控制精度和鲁棒性，实现了变速送丝智能控制，进而实现了焊接过程对电弧长度的精确控制。

本发明具有实质性特点和显著进步，采用一个串级联接的三闭环(电流环、速度环、电弧电压环)控制结构结合数字信号处理器的强大数据处理能力和高运行速度的优点，实现了真正意义上的埋弧焊变速送丝全数字化控制，控制系统易于实现复杂的控制算法且所有控制策略通过软件的方式加以实现，与传统的控制器件与控制策略相比，控制策略调整灵活、控制精度高、控制参数稳定性好、抗负载扰动强、以及优良的动态响应特性和调速范围宽等特点。本发明的控制方法既能够使系统保持较高的调节精度和调节灵敏度，又能够保证系统工作稳定，焊接过程中电弧长度稳定性大大提高，实现了对电弧长度的精确控制。

附图说明

图1本发明原理框图

具体实施方式

结合附图以及本发明的技术方案提供以下实施例：

以φ4.0的HO8MnA焊丝低碳钢平板(板厚12mm)堆焊为例，焊接电源特性为恒流特性，焊接电流的目标值为500A，电弧电压的目标值为32V。其中，电弧电压的偏差值Uue、转速的目标值Unr、电枢电流的目标值Uir和电力电路的控制信号Uct在焊接过程中由软件计算得到，电弧电压反馈Uuf，转速反馈值Unf，电枢电流反馈值Uif经硬件电路送入DSP内部，由DSP计算得到或由DSP转换得到对应的数字量。实施过程如下：

1、焊接开始前，电弧电压的目标值(32V)的预置是由电位器以模拟量的形式给定，此模拟量经A/D转换器转换成对应的数字量Uur(32V的电弧电压目标值对应的数字量为51h)。正常焊接时，电弧电压实时反馈值是由焊接电源主电路中取出的电弧电压经霍耳电压传感器转换成一定范围内的电压信号后经滤波电路滤波后由A/ID转换器转换为对应的数字量Uuf送入数字信号处理器内部，电弧电压的目标值Uur与电弧电压的反馈值Uuf的差值Uue经电弧电压调节器(电弧电压调节器采用模糊PID算法)的调节，得到相应的控制信号输出，此控制信号作为转速的目标值Unr。

2、固定在电动机转轴上的光电编码器随着被测转轴的转动产生一系列的脉冲信号，此脉冲信号经过信号处理电路(零比较器和光耦)整形处理，由捕获单元捕获到数字信号处理器内部，由数字信号处理器计算出当前的转速反馈值Unf。转速的目标值Unr与转速反馈值Unf的差值经过速度调节器(速度调节器采用自适应PID算法)的调节，得到相应的控制信号输出，此控制信号作为电流的目标值Uir。

3、霍耳电流传感器将检测到的电枢电流信号转化为成比例的电压信号，此电压信号经滤波电路滤波后由A/D转换器转换为对应的数字量送入数字信号处理器内部，此数字量即为电枢电流的反馈值Uif。电枢电流的目标值Uir与电枢电流的反馈值Uif的差值经过电流调节器(电流调节器采用PI算法)的调节，直接输出电力电路的控制信号Uct，此信号用来控制功率模块SCR的导通，然后经串级调速主回路来控制电动机电枢两端的电压，进而控制电动机的转速，完成了送丝速度自适应电弧电压(电弧长度)的控制，即送丝速度随弧压(弧长)的增长(减小)而增大(减小)来自动补偿弧长的波动，强迫电弧长度恢复到原来的长度，从而实现了对电弧长度的精确控制。

正常焊接时，焊接过程稳定，送丝调节精度高，焊接电流稳定在500A左右，波动不大于±10A，电弧电压稳定在32左右，波动不大于±1V，有很好的焊缝成型。

Claims (5)

1、一种全数字埋弧焊变速送丝控制的方法，其特征在于，采用串级联接的三闭环控制结构，最内环为电流环，第二环为转速环，最外环为电弧电压环，每一环节设置一个调节器，分别调节电弧电压、转速和电流；采用高速数字信号处理器为核心控制器件构建全数字化直流伺服电动机控制系统，系统的所有控制策略即三个调节器的数据处理均通过软件的方式加以实现，硬件部分完成数字触发功能和信号处理功能，其中，电弧电压调节器的输出作为转速的目标值，速度调节器的输出作为电流的目标值，电流调节器的输出作为功率模块的控制信号去控制电力电路的输出电压。

2、根据权利要求1所述的全数字埋弧焊变速送丝控制的方法，其特征是，在所述的电流环中的霍耳电流传感器将检测到的电枢电流信号转化为成比例的电压信号，此电压信号经滤波电路滤波后由A/D转换器转换为数字量送入数字信号处理器内部，此数字量即为电枢电流的反馈值Uif，电枢电流的目标值Uir与电枢电流的反馈值Uif的差值经过电流调节器的调节，直接输出电力电路的控制信号Uct，Uct去控制电力电路功率模块的开通，然后经串级调速主回路和电动机控制送丝速度，进而实现了对电弧电压的精确控制。

3、根据权利要求1所述的全数字埋弧焊变速送丝控制的方法，其特征是，电机的转速由所述的速度环的光栅编码器进行检测，光栅编码器将转速转化为对应脉冲信号，经过信号处理电路的整形处理，由脉冲捕获单元捕获到数字信号处理器内部，由数字信号处理器计算出当前的转速反馈值Unf，转速的目标值Unr与转速反馈值Unf的差值经过速度调节器的调节，得到相应的控制信号输出，此控制信号作为电流的目标值Uir。

4、根据权利要求1所述的全数字埋弧焊变速送丝控制的方法，其特征是，电弧电压的反馈值Uuf是由焊接电源主回路中取出的电弧电压经所述的电弧电压环的霍耳电压传感器转换成电压信号后经滤波电路滤波后由A/D转换器转换为数字量送入数字信号处理器内部，电弧电压的目标值Uur直接由电位器给定经A/D转换器转换为数字量送入数字信号处理器内部，电弧电压的目标值Uur与电弧电压的反馈值Uuf的差值Uue经电弧电压调节器的调节，得到相应的控制信号输出，此控制信号作为转速的目标值Unr。

5、根据权利要求1所述的全数字埋弧焊变速送丝控制的方法，其特征是，在控制策略上，综合利用各种智能算法：采用电流环PI算法控制、转速环自适应PID算法控制、电压环模糊PID算法控制。

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