CN200991800Y - 一种全数字控制的双丝mag焊接控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种全数字控制的双丝MAG焊接控制系统，属于焊接设备及自动化领域。本实用新型沿袭了专利200510077233.2的U－I调节的方式以及主、从机相位可随意调节的优点，同时对其有一定的改进。其中最主要的改进就是抛弃了原有的切换开关信号、PI调节环节和比较环节中的模拟调节，用由单片机和CPLD器件的组合来实现这些功能。同时，改进了它由一片单片机实现太多功能的设计，而是用一片单片机来实现核心控制，负责给定信号和切换信号的输出，用另外两片单片机来分别实现面板显示及设定和远程遥控显示及设定的功能。本实用新型不仅使控制电路本身元器件使用量的减少，还增强了控制电路的抗干扰性。

Description

一种全数字控制的双丝MAG焊接控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种全数字控制的双丝MAG焊接控制系统，属于焊接设备及自动化领域。

背景技术

双丝焊作为一种高效焊接方法，越来越得到人们的关注，而双丝焊中的Tandem(独立双弧)焊接方法则更得到了业界的推崇。Tandem方式采用两台完全相同的脉冲焊接电源，两套送丝机构，两个互相绝缘的导电嘴，两电源间通过通信进行协调控制，使两台电源的焊接过程更加迅速和完善。这两台电源，脉冲能量恒定，保证在任何电流时，一个脉冲过渡一个熔滴。Tandem系统可以使两台电源分别设置不同的焊接参数，相互间可以通过协调控制，这样就可以减小双丝焊接大电流时电弧之间的相互干扰程度。那么，通过怎样的方式可以达到这样的控制效果呢？在专利200510077233.2中所提到的一种双丝MAG焊接控制方法，可以实现两台焊机之间波形相位差的任意调节，并且通过一个切换开关可以实现电压-电流控制方法。即在焊接过程中分别保证峰值电压(Up)和基值电流(Ib)恒定。在脉冲峰值阶段，反馈信号采取电压，保证电压为一个定值，而在脉冲基值阶段，反馈信号采取电流，保证了电流的恒定。反馈来的电流或电压，送入比较器，与单片机控制系统输入的给定值相比较，比较结果送入PI调节环节，调节后的结果送入PWM调节电路，产生脉宽调制信号。但是这种控制方式采用的是模拟的脉宽调制电路、积分比例环节、以及模拟的开关电路，这样，它的控制精度、反应速度、以及抗干扰性能均不是很理想。而且在专利200510077233.2中，负责主从焊机之间通讯、焊接参数显示、给定及切换信号的输出等功能都是由80C196KC一个单片机承担的，这样也会对焊机的实时反应能力有一定的影响。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服了现有检测装置控制精度低、反映速度慢以及抗干扰性差的缺点，提出了一种全数字控制的双丝MAG焊接控制系统，本系统采用了全数字的控制方式，使整个系统更加精确、灵活。

本设计沿袭了专利200510077233.2的U-I调节的方式以及主、从机相位可随意调节的优点，同时对其有一定的改进。其中最主要的改进就是抛弃了原有的切换开关信号、PI调节环节和比较环节中的模拟调节，取而代之的是由单片机和CPLD器件的组合来实现这些功能。同时，改进了它由一片单片机实现太多功能的设计，而是用一片单片机来实现核心控制，负责给定信号和切换信号的输出，以及焊接过程中的电流和电压采样等功能，用另外两片单片机来分别实现面板显示及设定和远程遥控显示及设定的功能。

同专利200510077233.2一样，本实用新型所提出的双丝焊接系统控制方法，是一种将焊接电流反馈和电压反馈按照预定的要求分时与相应给定信号比较，并通过控制电路控制主电路进行焊接，在焊接过程中保证焊接频率不变，两台焊机保持一定的相位关系从而保证焊接稳定性的方法。该种方法是在两台具有相互通信的焊接电源中分别实现的。

为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案。主要包括有主电路部分8、控制电路部分9，控制电路9又包括核心控制部分A、控制执行部分B、前面板的输入及键盘显示部分D、外围设备控制及执行部分E，核心控制部分包括有第一单片机A1、A/D转换A3、短路判断A2，A/D转换A3将控制执行部分B中的电流采样B1、电压采样B2转换后第一单片机A1，短路判断A2通过输入的电压采样B2判断焊接是否处于短路状态，并将判断结果输入到第一单片机A1；控制执行部分B包括有电流采样B1、电压采样B2、IGBT驱动电路B8、保护电路B7，前面板的输入及键盘显示部分D包括有第四单片机D1、键盘显示驱动电路D2、编码旋钮给定D3、焊接参数显示D4、焊接参数预置D5，第四单片机D1第一单片机A1连接；外围设备控制及执行部分E包括有串行通讯电路E1、光电隔离E2、焊枪开关E3、送丝给定E4、气阀E5、送丝机调速电路E6，串行通讯电路E1与第四单片机D4相连；其特征在于：控制执行部分B还包括有CPLD、第二单片机B3，第二单片机B3与第一单片机A1连接并接收来自第一单片机A1的焊接参数给定和切换信号，第二单片机在给定信号的控制下分时接收来自电流采样B1及电压采样B2的信号；还包括有远程遥控显示及设定部分C，该部分包括有第三单片机C1、键盘显示驱动电路C2、编码旋钮给定C3、焊接参数显示C4、焊接参数预置C5，焊接参数预置C5结合编码旋钮给定C3将焊接参数输入第三单片机，并通过焊接参数显示C4显示，第三单片机C1与第一单片机A1连接；部分C和部分D能够单独设定参数，在第一单片机A1的控制下，他们同步工作，在一个模块中设定的参数，被送入到另外一个模块中去，同步显示，同步控制。下面分别介绍一下此焊接控制系统的各个主要部分。

在核心控制部分A中，A1为第一单片机，它的作用是为第二单片机提供给定信号和U/I切换信号，通过A/D转换A3接受反馈的电流或电压信号，从而在焊接过程中，可以通过串行通信接口控制显示系统显示实时的电流和电压值，同时接收来自短路判断A2单元反馈的电压信号，从而可以保证在焊接过程中发生短路时，单片机可以获得信息。同时输入到A1单元的还有C与D模块输出的焊接参数，从而可以控制焊机在设定的参数下工作，同时控制C与D模块协调工作。

控制执行部分B的输入为电流采样B1和电压采样B2，他们在U/I切换信号的控制下，分时输入到第二单片机B3中。第二单片机B3的作用是在第一单片机A1输入的U/I切换信号的控制下，接受反馈的电流或电压信号，并与来自第一单片机A1的给定信号进行比较，通过其内部PI调节等处理，输出到CPLD B5中，通过CPLD的处理输出PWM信号给IGBT驱动电路B4，B6为保护电路。

E模块为外围设备控制及执行部分，其中串行通信E1执行着本台焊机与另一台焊机的双向串行通信，包括两台焊机的协调控制和信号反馈，使其能在预定的参数下进行工作，保持两台焊机按要求同步工作或相差一定的相位角。光电隔离部分E2则执行着来源于焊枪开关E3对部分D的输入，以及部分D对送丝给定E4和气阀E5的输出控制。其中E4又通过送丝机调速电路E6达到控制外部送丝机的目的，使其与焊机协调工作。

本设计的工作过程为：在焊接过程开始以前，首先通过C或D模块来设定焊接参数，其中C是用来对焊接参数进行远程遥控设定的，而D则是通过焊机的前面板进行设定。通过键盘来选择不同的功能项：送丝速度SPD、频率F、峰值时间TP、基值电流IB或相位关系DLY。然后通过旋钮来调节各个功能项的参数值大小，并将这些设定好的参数值通过串行总线输入到核心控制部分的第一单片机A1中去，以此产生焊接过程的给定信号。C和D可以单独设定参数，在第一单片机A1的控制下，他们同步工作，在某一个模块中设定的参数，被送入到另外一个模块中去，同步显示，同步控制。焊接开始信号由E3焊枪开关给定，当给定一个焊接开始信号时，开始信号通过E2光电隔离模块输入到D1中去，D1启动内部程序，将设定好的参数值输入到送丝给定及送丝机调速电路中去，使送丝机在预定的参数下工作，同时开启气阀，开始焊接过程。焊接开始后，第一单片机A1不仅输出给定信号给第一单片机A1，还同时输出U/I切换信号，使其在脉冲基值阶段，第一单片机A1输出的给定信号和采取的反馈信号为电流给定信号和电流反馈信号，即保证电流的恒定；在脉冲峰值阶段，第一单片机A1输出的给定信号和采样的反馈信号为电压给定信号和电压反馈信号，使焊机在不同的焊接阶段输出不同的控制信号和给定信号，由此构成不同的闭环控制，从而保证在每台焊机频率恒定的条件下实现稳定的焊接。这样，输入的给定信号以及电流或电压信号在第二单片机(B3)内部程序的处理下，经过比较和PI调节过程，输出信号传给B5的CPLD模块，以产生稳定的PWM驱动信号。同时在焊接过程中，通过A3模块A/D转换，将采样到的焊接电流电压信号输入到第一单片机A1中，以此来控制C和D模块来实时显示焊接的电流和电压值，通过这个人机交互界面，使操作者可以很直观地了解焊接过程。在焊接过程中，如果由于某种原因发生了短路，那么就要将短路信号发送到第一单片机A1中，从而可以启动短路中断程序，使焊接过程更加安全。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1.改进了专利200510077233.2由模拟开关来给出U/I切换信号的电路模式，而采用了由单片机给出切换信号，这样就使得切换动作更加准确和快捷，控制更加灵活。

2.放弃了专利200510077233.2中切换开关、比较环节、PI调节以及脉宽调制部分的模拟电路，而采用单片机和CPLD的全数字芯片来实现，这样，不仅使控制电路本身元器件使用量的减少，而且全数字的控制方式更加精确，更加灵活，通过对软件的修改即可实现不同的控制效果，同时，还增强了控制电路的抗干扰性。

3.增加了远程遥控控制的功能，从而使操作者可以更加灵活和方便地对其进行操作。

附图说明

图1为Tandem焊接系统简图

图2为焊机结构组成图

图3为dsPIC30F6010中主程序软件方框图

图4为C中ATMEL89S8252中主程序框图

图5为D中ATMEL89S8252中主程序框图

图6为dsPIC30F2010中主程序框图

图7为dsPIC30F2010中A/D中断程序框图

图8为dsPIC30F6010A/D中断框图

图9为软件定时器中断框图

图10为两台焊机串行通信中断程序框图。

图中：1、焊接电源，2、焊嘴，3、送丝机，4、工件，5、电弧，6、焊丝，

7、两台焊机的连接通道。

具体实施方式

下面结合图1～8详细说明本实施例。

 主要包括有主电路部分8、控制电路部分9，控制电路9又包括核心控制部分A、控制执行部分B、前面板的输入及键盘显示部分D、外围设备控制及执行部分E，核心控制部分包括有第一单片机A1、A/D转换A3、短路判断A2，A/D转换A3将控制执行部分B中的电流采样B1、电压采样B2转换后第一单片机A1，短路判断A2通过输入的电压采样B2判断焊接是否处于短路状态，并将判断结果输入到第一单片机A1；控制执行部分B包括有电流采样B1、电压采样B2、IGBT驱动电路B8、保护电路B7，前面板的输入及键盘显示部分D包括有第四单片机D1、键盘显示驱动电路D2、编码旋钮给定D3、焊接参数显示D4、焊接参数预置D5，第四单片机D1第一单片机A1连接；  外围设备控制及执行部分E包括有串行通讯电路E1、光电隔离E2、焊枪开关E3、送丝给定E4、气阀E5、送丝机调速电路E6，串行通讯电路E1与第四单片机D4相连；其特征在于：控制执行部分B还包括有CPLD、第二单片机B3，第二单片机B3与第一单片机A1连接并接收来自第一单片机A1的焊接参数给定和切换信号，第二单片机在给定信号的控制下分时接收来自电流采样B1及电压采样B2的信号；还包括有远程遥控显示及设定部分C，该部分包括有第三单片机C1、键盘显示驱动电路C2、编码旋钮给定C3、焊接参数显示C4、焊接参数预置C5，焊接参数预置C5结合编码旋钮给定C3将焊接参数输入第三单片机，并通过焊接参数显示C4显示，第三单片机C1与第一单片机A1连接。部分C和部分D能够单独设定参数，在第一单片机A1的控制下，他们同步工作，在一个模块中设定的参数，被送入到另外一个模块中去，同步显示，同步控制。本实施例中，我们选用dsPIC30F6010作为第一单片机，dsPIC30F2010作为第二单片机，第三和第四单片机选用的是ATMEL89S8252，CPLD选用的型号为Altera公司的MAX3000A系列，以输出质量更高的PWM驱动信号。

焊接电源主电路输入电压为三相380V；输入整流8.1采用富士整流桥整流，型号为FUJ 6RI100G-160；逆变电路8.3采用全桥逆变结构，由四只型号为BSM150GB120DN2的IGBT组成；中频变压器8.4采用超微晶磁芯，变压比为15∶2；滤波8.6采用磁芯饱和电感，电感量约40Mh.其工作顺序为：三相输入380V交流电首先经过8.1输入整流部分进行整流和8.2滤波后，变为540V的交流。此后此直流电经过8.3逆变电路(此由控制电路部分控制)逆变和8.4中频变压器隔离后变成20KHZ的交流电，然后经过8.5输出整流器和8.6的滤波后变成焊接所用的大电流低电压直流电，供给8.7焊接功率输出。由于以上电路的工作频率为20KHZ，同时输出电感也很小(40μH左右)，调整逆变开关频率或脉宽可以达到微妙级的控制，所以该类型电源反应速度快，动态性能好。

远程遥控显示及设定部分C，其中C1为主控芯片，我们称它为第三单片机，C2为显示驱动芯片，这里选用SD7218A，C4为焊接参数显示模块，这里选用的是八段数码管显示，C5为焊接参数预置模块，这里采用的是键盘输入，通过键盘的控制可以在各个不同的焊接功能选项中进行选择，C3为编码旋钮给定模块，它的作用是对各个焊接功能参数项的具体参数值进行大小调节。D模块中的D2，D3，D4，D5功能分别与C中的C2，C3，C4，C5相同，所不同的是D中的主控芯片-我们称它为第四单片机，还承担了其他的一些功能，它还用来与E模块进行双向的串行通信，与E1模块的通信使主，从机在一定的相位关系下协调工作，与E2的通信则是为了控制焊枪以及送丝机等外围设备。

由于本实用新型采用的是全数字控制方式，基本上所有的控制动作都是在软件的控制下实现的，因此，软件的设计就显得十分重要。本设计的软件主要由四部分：C模块中ATMEL89S8252中的显示程序、D模块中ATMEL89S8252的显示及控制程序、dsPIC30F6010z中的程序和dsPIC30F2010中的程序。它们各自的功能前面已经叙述，它们具体的程序流程图见附图。其主要的软件工作过程为：上电复位后，程序从初始地址开始运行，系统先执行初始化子程序，完成各参数的初始值设定。然后关断中断请求，执行键盘扫描程序，检测是否有控制键按下，并进行相应处理。结合随后执行的高速输入检查子程序中编码旋钮给定，获取送丝速度V、峰值电压Up、峰值时间Tp、频率F、基值电流Ib、相位关系DLY等焊接参数用于焊接过程控制，然后经显示子程序把相关的参数设定显示。计算程序根据单片机所采用的系统时钟确定出基值时间Tb＝1/F-Tp，并根据每个计数周期的时间确定基值时间和峰值时间对应的计数器周期数Nb和Np，供控制转换用。对于其它给定参数，则根据具体焊机参数，转化为对应的机器程序值。对于高速输入子程序中若经判断有焊接开关信号，则检查焊枪开关寄存器有否开启命令，有则转入引弧、焊接程序，直到检测到焊接结束信号，退出焊接状态。如没有焊接开始信号则延时一定时间(如20ms)后再次循环执行前面程序。

图3为dsPIC30F6010中主程序软件方框图，主要是协调C和D模块中的两片单片机协调工作。在没有焊接开始信号时，当使用C模块来设定参数的时候，它负责把C中设定的参数送往D中显示，同理，当使用D模块来设定参数的时候，它负责把D中设定的参数送往C中显示；当有焊接开始信号时，它用来将接收到的焊接电压和电流送往C和D中进行显示，其中的定时器中断是用来产生给定信号的。

图4为C中ATMEL89S8252中主程序框图，首先要进行初始化设置，然后判断有无焊接开始信号，如有信号，则接受焊接电压和电流值并显示，如没有，则判断有无按键按下信号，如有，则调用按键处理程序，如没有，则反复判断有无开始信号。

图5为D中ATMEL89S8252中主程序框图，其工作过程基本和C中的主程序相同，所不同的是，当接受到焊接开始信号后，它还要通知从机开始工作。

图6为dsPIC30F2010中主程序框图，同样首先是进行初始化设置，然后判断是否有焊接开始信号，如果有焊接开始信号，则运行比较程序，根据采样的是电流还是电压信号，来与给定的电流或是电压信号比较，存储比较结果，并送入内部PI比较环节，进行PI调节。PI调节程序放在A/D中断程序中，以使采样一次数据，就产生一次A/D中断，通过中断程序来完成对采样得到的数据的PI调节。

图7为dsPIC30F2010中的中断程序框图，延时程序是为了在中断产生后，留出时间来进行电流或电压的比较，然后才读取比较的结果，进行软件的PI调节，最后输出PWM波形。

本实用新型的控制方法主要体现在焊接程序过程中，在此过程中将通过相应中断进行控制：附图8为A/D中断框图。主要功能是焊接时实现焊接电压和电流的显示功能。其执行过程为：首先执行预处理操作，完成一些必要设置，然后判断是电流还是电压，并根据结果分别执行电流或电压的采样及显示，然后重新设置下次采样时间和采样变量(通过定时器和相应寄存器控制位的设置实现此操作)。

图9为软件定时器中断框图。本子程序主要为实现焊接脉冲的基值和峰值的大小及转换控制，决定图3中给定信号和切换信号，实时控制电压/电流的转化实施。程序首先进行“预处理”，包括保护现场及定时器值和基值、峰值标志位设置。然后判断“有焊枪输入吗”，没有时则执行判断“到时否”，有焊枪输入则执行“设定标志位”，然后执行判断“到时否”，若到时则跳出程序，否则对其执行“是基值电流吗”判断，是则“处理给定和切换信号为电流”，否则“处理给定和切换信号为电压”，然后“还原现场”，跳出此程序。

图10为两台焊机串行通信中断程序框图。其功能为根据实际要求，控制两台焊机的相位关系，以保证两台焊机协调工作。在焊接时，主焊机在每个焊接周期的特定时刻均发出协调信号中断请求，而从焊机接到此串行中断请求后响应中断，按照预设的相位要求控制从焊机的工作状态。采用外部中断的好处为，不但软件控制简单，而且当由于传输过程中的干扰或其它原因造成主焊机发出的协调信号未能被从焊机接收的情况发生时，从焊机能够按照自己预定的焊接程序执行相应的焊接控制，避免了从焊机由于接收错误而导致的丢失焊接周期的现象。具体串行中断的中断过程为：当发生中断相应后，将焊接过程设定为基值阶段，然后设定基值阶段的时间并等待到时，到时后则执行焊接操作直到返回跳出。

以上所述为本设备及其控制方法的一个实例，我们还可对其进行一些变换。比如主电路部分可以采用半桥逆变电路代替全桥形式，控制部分用DSP或其他单片机代替本设计中使用的单片机实现其功能等，只要其控制思想与本实用新型所叙述的一致，均应视为本实用新型所包括的范围。

Claims (2)

1、一种全数字控制的双丝MAG焊接控制系统，主要包括有主电路部分(8)、控制电路部分(9)，控制电路(9)又包括核心控制部分(A)、控制执行部分(B)、前面板的输入及键盘显示部分(D)、外围设备控制及执行部分(E)，核心控制部分包括有第一单片机(A1)、A/D转换(A3)、短路判断(A2)，A/D转换(A3)将控制执行部分(B)中的电流采样(B1)或电压采样(B2)转换后输入到第一单片机(A1)，短路判断(A2)通过输入的电压采样(B2)判断焊接是否处于短路状态，并将判断结果输入到第一单片机(A1)，如处于短路状态，则启动短路处理中断程序；控制执行部分(B)包括有电流采样(B1)、电压采样(B2)、IGBT驱动电路(B8)、保护电路(B7)，前面板的输入及键盘显示部分(D)包括有第四单片机(D1)、键盘显示驱动电路(D2)、编码旋钮给定(D3)、焊接参数显示(D4)、焊接参数预置(D5)，第四单片机(D1)与第一单片机(A1)连接；外围设备控制及执行部分(E)包括有串行通讯电路(E1)、光电隔离(E2)、焊枪开关(E3)、送丝给定(E4)、气阀(E5)、送丝机调速电路(E6)，串行通讯电路(E1)与第四单片机(D4)相连；其特征在于：控制执行部分(B)还包括有CPLD、第二单片机(B3)，第二单片机(B3)与第一单片机(A1)连接并接收来自第一单片机(A1)的焊接参数给定和U/I切换信号，第二单片机(B3)在给定信号的控制下分时接收来自电流采样(B1)及电压采样(B2)的信号，第二单片机(B3)又与CPLD的输入端相连，CPLD的输出端与IGBT驱动电路(B8)连接，CPLD还连接有保护电路(B7)；还包括有远程遥控显示及设定部分(C)，该部分包括有第三单片机(C1)、键盘显示驱动电路(C2)、编码旋钮给定(C3)、焊接参数显示(C4)、焊接参数预置(C5)，焊接参数预置(C5)结合编码旋钮给定(C3)将焊接参数输入第三单片机，并通过焊接参数显示(C4)显示，第三单片机(C1)与第一单片机(A1)连接；部分(C)和部分(D)能够单独设定参数，在第一单片机(A1)的控制下，他们同步工作，在一个模块中设定的参数，被送入到另外一个模块中去，同步显示。

2、根据权利要求1所述的一种全数字控制的双丝MAG焊接控制系统，其特征在于：所述的第一单片机(A1)选为dsPIC30F6010，第二单片机(B3)选为dsPIC30F2010，第三和第四单片机选用的是ATMEL89S8252。

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