CN202741891U

CN202741891U - 一种采样全数字化电流型pid控制电路

Info

Publication number: CN202741891U
Application number: CN2012203682742U
Authority: CN
Inventors: 邱光; 王巍; 杨少军; 王科海
Original assignee: SHENZHEN RILAND INDUSTRY Co Ltd
Current assignee: SHENZHEN RILAND INDUSTRY Co Ltd
Priority date: 2012-07-28
Filing date: 2012-07-28
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2022-07-28

Abstract

本实用新型提供了一种采样全数字化电流型PID控制电路，通过编码器和电流采样单元获取一固定给定信号和开关变压器原边电流采样反馈信号给电流型PWM控制芯片进行PID控制运算，得到占空比脉宽信号，并根据该占空比脉宽信号对焊接电流、电压、功率的数据进行变换处理，实现对焊机实际输出的控制。这样，本控制方法通过对检测回来的数据处理，不同的误差范围采用不同的PD控制，并通过分离积分，让电源快速更随和响应，让焊接过程可控，仰止短路时的冲击电流，工作性能稳定、可靠；而且有效简化了PWM的硬件电路，降低成本，动态响应极快，提高了焊机的控制响应速度和焊接性能，工作更可靠，解决IGBT开通时电流尖峰较高的问题。

Description

一种采样全数字化电流型PID控制电路

技术领域

本实用新型属于维弧控制技术领域，尤其涉及一种采样全数字化电流型PID控制电路。

背景技术

目前，我国少数焊接设备厂商也有数字化焊接电源推出，但大多数都只是将单片机技术用于人机界面，根本谈不上数字化控制，能将MUC 和DSP 数字处理技术用于弧焊过程控制的可谓凤毛麟角，而且缺少真正的焊接工艺专家系统、焊接过程数据采集分析、焊接模型建立和算法理论支撑，技术水平尚处于低级状态。未来我国焊接行业将逐步与国际接轨，朝着逆变化、自动化、专业化、数字化方向发展，进一步适应焊接应用需求。

电流型控制的逆变焊机最早传入我国，其后发展较慢，主要是技术上的难点不少。目前例如：奥太、易特流、无夕小焊机都是电流型控制的，但是全是采用模拟电路来实现的。早些年，无夕有一品牌叫“火力神”是“单端电流型单环控制的弧焊机”，其原理是：SG3525的8脚软起动后,脉冲开启,单端双管电路工作，输出电感产生斜坡电流，一次侧电流互感器比例斜坡电流，形成Ui，Ue是直流调正电压，Ui>Ue时比较器反转，拉低SG3525的9脚，脉冲关闭，形成脉宽调正；另外还有一种电流型控制是使用UC3846、UC3842电流型PWM控制芯片。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种使电源快速响应，焊接过程可控性强，可仰止短路时的冲击电流，工作性能稳定、可靠的采样全数字化电流型PID控制方法，以及PWM的硬件电路简化，成本降低，可提高焊机的控制响应速度和焊接性能，工作更可靠，同时解决IGBT开通时电流尖峰较高的问题的控制电路。

本实用新型解决现有技术问题所采用的技术方案为：提供了一种采样全数字化电流型PID控制电路，包括有一用于获取固定给定信号的编码器和一用于获取电流采样反馈信号的电流采样单元，以及一用于将固定给定信号和电流采样反馈信号进行PID控制运算，得到占空比脉宽信号，并根据该占空比脉宽信号对焊接电流、电压、功率的数据进行变换处理，实现对焊机实际输出的控制的PID控制单元。

进一步地，所述电流采样单元包括有一用于对采样得到的尖峰电压进行吸收的TVS管，一用于对开关变压器原边电流信号进行采样的电流互感器，一用于对采样的电流信号进行全桥整流的全桥整流器，以及一用于对全桥整流后的电流信号进行取样并得到方波信号的取样电阻，且所述TVS管、电流互感器、全桥整流器和取样电阻依次导通连接。

进一步地，所述PID控制单元为一单片机，包括有依次导通连接的PID控制算法器、PWM控制寄存器和PWM输出端口。

进一步地，所述PID控制单元为型号为STM32F100C8T6单片机。

进一步地，本控制电路还包括有放大电路，所述放大电路的输入端和输出端分别与所述PWM输出端口和电焊机的驱动变压器导通连接。

本实用新型通过上述技术方案，控制电路有效简化了PWM的硬件电路，降低了硬件的成本，而且动态响应极快，从而提高焊机的控制响应速度和焊接性能，工作更可靠，同时避免了电流检测锁存和PWM电路误动作的出现，解决IGBT开通时电流尖峰较高的问题；也避免了“单端电流型单环控制的弧焊机”因单端电路半周期性工作，电流冲击过大，漏感及分布电感都激发出难以克制的自感电压；短路时最小脉宽无法控制、失控,变成开环，冲击电流无法抑止的问题。

附图说明

图1是本实用新型实施例中所述采样全数字化电流型PID控制方法的流程示意图；

图2是本实用新型实施例所述采样全数字化电流型PID控制电路的原理示意框图；

图3是本实用新型实施例所述采样全数字化电流型PID控制电路示意图。

【具体实施方式】

以下结合附图对本实用新型技术方案进行详细说明。

如图1中所示：

本实用新型实施例所述的一种采样全数字化电流型PID控制方法，包括以下步骤：

步骤A.获取固定给定信号；

步骤B.获取电流采样反馈信号；

步骤C.将固定给定信号和电流采样反馈信号进行PID控制运算，得到占空比脉宽信号，并根据该占空比脉宽信号对焊接电流、电压、功率的数据进行变换处理，实现对焊机实际输出的控制。

其中，所述获取电流采样反馈信号，具体可以为：使用TVS管对采样得到的电压进行吸收，使用电流互感器采样开关变压器的电流信号，通过全桥整流后经电阻取样后得到方波信号，作为反馈信号。所述PID控制运算是采集方波信号的平均值进行运算处理，而且在得到占空比脉宽信号后，先对该占空比脉宽信号进行放大处理，再根据该放大后的占空比脉宽信号对焊接电流、电压、功率的数据进行变换处理。

所述根据占空比脉宽信号对焊接电流、电压、功率的数据进行变换处理，实现对焊机实际输出的控制，具体为：当电流突然增大时，反馈信号同时增大，若此时电压较低，焊机输出功率值还没达到设定的最大功率值，占空比脉宽信号对应的脉宽不会收窄，焊机输出功率最大；若此时电压升高，焊机输出功率值超过设定的最大功率值时，占空比脉宽信号对应的脉宽收窄，电流回到原来状态，此时焊机输出功率减少。

这样，即可实现对焊接电流，电压，功率的数据变换处理，让焊接过程可控，且通过对检测回来的数据处理，不同的误差范围采用不同的PD控制，通过分离积分，让电源快速更随和响应，焊接过程可控性强，同时仰止短路时的冲击电流，工作性能稳定、可靠。

如图2和图3中所示：

本实用新型实施例所述的一种采样全数字化电流型PID控制电路，包括有编码器1、电流采样单元2和PID控制单元3，且所述编码器1和电流采样单元2与PID控制单元3导通连接。其中，

所述编码器1（如型号为20R20，K1A15F6）主要用于获取固定给定信号，并输送给PID控制单元3；

所述电流采样单元2主要用于获取电流采样反馈信号，并输送给PID控制单元3，包括有一用于对采样得到的尖峰电压进行吸收的TVS管（如型号为ESD5Z3.3T1,G*）21，一用于对开关变压器原边电流信号进行采样的电流互感器（如型号为T22*14*8-C,HGQ 200:1）22，一用于对采样的电流信号进行全桥整流的全桥整流器23，以及一用于对全桥整流后的电流信号进行取样并得到方波信号的取样电阻24，且所述TVS管21、电流互感器22、全桥整流器23和取样电阻24依次导通连接；所述全桥整流器23由四个贴片二极管（如型号为1N4148二极管）构成，所述取样电阻24由四个22Ω封装的贴片电阻（如1206的贴片电阻）并联构成；

所述PID控制单元3为一单片机（如型号为STM32F100C8T6），主要用于将固定给定信号和电流采样反馈信号进行PID控制运算，得到占空比脉宽信号（即数字驱动序号），并根据该占空比脉宽信号对焊接电流、电压、功率的数据进行变换处理，实现对焊机实际输出的控制，其包括有依次导通连接的PID控制算法器31、PWM控制寄存器32和PWM输出端口33。

本控制电路还包括有放大电路（如型号为MOSFET AO4612）4，所述放大电路4的输入端和输出端分别与所述PWM输出端口33和电焊机的驱动变压器导通连接。

如图3，本实用新型所述的PID控制电路的电流互感器22的采样得到的原边电流信号经过二极管D16～D19及电阻R31～R34处理后直接输入MCU的引脚PA0-WKU P，同时前面板的编码器1也给MCU一个给定信号，MCU内部将这两个信号进行运算处理，MCU的引脚PA8和引脚PA9输出两个脉宽大小一致且相位相反的PWM波形，经过放大电路4的处理后来驱动驱动变压器，最终驱动单管IGBT的导通与关断，来实现焊机的一个逆变过程。

当MCU的引脚PA9输出高电位时，引脚PA8输出低电位，引脚PA9输出的高电位使三极管Q5导通，将三极管Q6和Q7的基极电位拉低，使三极管Q6截止和三极管Q7导通。从而使贴片场管U6的P管导通；贴片场管的 N管截止。

此时，MCU的引脚PA8输出低电位使三极管Q8截止，三极管Q9和Q10的基极为高电位，使三极管Q9导通、三极管Q10截止，从而使贴片场管U7的P管截止；贴片场管的N N管导通。正15V的直流电源依次经过由贴片场管U6的P管和、驱动变压器T3、贴片电阻R44、贴片场管U7的N管构成的半个周期驱动回路。

另外半个周期的驱动原理同上，只是MCU的PA9引脚输出低电位，PA8引脚输出高电位，从而使正15V的直流电源依次经过由贴片场管U7的P管、贴片电阻R44、驱动变压器T3、再到贴片场管U6的N管构成的另外半个周期驱动回路到地。

本实用新型所述采样全数字化电流型PID控制电路的工作原理为：首先，前端编码器1输出一固定给定信号至PID控制单元3，与此同时，电流采样单元2的TVS管21对采样得到的尖峰电压进行吸收，且电流互感器22采样开关变压器的电流信号，并将该通过全桥整流器23进行整流后经取样电阻24进行取样得到方波信号，且输送至PID控制单元3；然后，PID控制单元3单片机通过其PID控制算法器31进行运算处理后，根据计算得到的数值调整其PWM控制寄存器32中的数据，并转换为实际的焊接输出值，经其PWM输出端口33输出相应占空比脉宽信号；最后根据该占空比脉宽信号控制焊机的实际输出。这样，有效简化了PWM的硬件电路，降低了硬件的成本，而且本PID控制电路动态响应极快，从而提高焊机的控制响应速度，从而提高焊接性能，工作更可靠，同时避免了电流检测锁存和PWM电路误动作的出现，解决IGBT开通时电流尖峰较高的问题；也避免了“单端电流型单环控制的弧焊机”因单端电路半周期性工作，电流冲击过大，漏感及分布电感都激发出难以克制的自感电压；短路时最小脉宽无法控制、失控,变成开环，冲击电流无法抑止的问题。

以上内容是结合具体的优选技术方案对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种采样全数字化电流型PID控制电路，其特征在于，包括有一用于获取固定给定信号的编码器（1）和一用于获取电流采样反馈信号的电流采样单元（2），以及一用于将固定给定信号和电流采样反馈信号进行PID控制运算，得到占空比脉宽信号，并根据该占空比脉宽信号对焊接电流、电压、功率的数据进行变换处理，实现对焊机实际输出的控制的PID控制单元（3）。

2.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于：所述电流采样单元（2）包括有一用于对采样得到的尖峰电压进行吸收的TVS管（21），一用于对开关变压器原边电流信号进行采样的电流互感器（22），一用于对采样的电流信号进行全桥整流的全桥整流器（23），以及一用于对全桥整流后的电流信号进行取样并得到方波信号的取样电阻（24），且所述TVS管（21）、电流互感器（22）、全桥整流器（23）和取样电阻（24）依次导通连接。

3.根据权利要求2或3所述的控制电路，其特征在于：所述PID控制单元（3）为一单片机，包括有依次导通连接的PID控制算法器（31）、PWM控制寄存器（32）和PWM输出端口（33）。

4.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于：所述PID控制单元（3）为型号为STM32F100C8T6单片机。

5.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于：本控制电路还包括有放大电路（4），所述放大电路（4）的输入端和输出端分别与所述PWM输出端口（33）和电焊机的驱动变压器导通连接。