CN101249582A - 一种全数字pwm控制的交流脉冲mig焊接*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全数字PWM控制的交流脉冲MIG焊接***，属于焊接设备及自动化领域。包括主电路和控制电路。控制电路包括有核心控制部分、控制执行部分等。核心控制部分包括DSP***、电流采样及滤波电路、电压及采样滤波电路、CPLD***和保护电路。DSP***分别与CPLD***、前面板输入及显示部分中的焊接参数给定、焊接参数显示、送丝***中的焊枪开关信号、气阀开关量信号和送丝给定信号相连，CPLD***还与保护电路和控制执行部分中的一次逆变驱动电路相连。由于本发明将DSP***和CPLD***结合起来，达到完全的数字化控制，与D/A+SG3526的模拟控制方式相比，控制灵活，能达到精确控制。

Description

一种全数字PWM控制的交流脉冲MIG焊接***

技术领域

本发明涉及一种全数字PWM控制的交流脉冲MIG焊接***，属于焊接设备及自动化领域。

背景技术

交流MIG焊是20世纪90年代出现的一种新的焊接方法，技术关键是采用什么样的电流输出模式，如何实现对焊接电流的控制，从而有效地控制熔滴过渡、焊缝的熔深、焊缝的成形。清华大学在国内较早研究交流MIG焊，其采用一种被称为“双凹形”的电流波形，在电弧极性变换时具有自稳弧功能。

该交流脉冲MIG焊的特点是，采用了自稳弧措施，不用另外增加稳弧装置，但是在脉冲电流期间变换极性，增加了开关管的负担；在EN、EP极性里都有两个脉冲，易造成多个熔滴过渡，很难实现对熔滴过渡的精确控制。

北京工业大学前期采用单片机80C196KC为控制核心，研制成功AC PMIG焊机，它是用单片机控制，数据处理能力有限，可用的IO接口不充裕，PWM用模拟的DA+SG3526方式实现，这种模拟控制的方式实现的，有着固有的缺点：①电路复杂，可靠性差，成本高；②PWM频率由RC值决定，市场上的电容和电阻精度不高，导致PWM信号频率很难实现精确控制；③SG3526产生三角波易于振荡，进一步导致PWM信号的不稳定。④DAC7625的数模转换时间最大为10us，为此产生PWM信号频率受限制。该设备的稳定性还存在一定问题，EN极性、EP极性基值电流的幅值相同，不能进行单独调节，焊接参数的调节很不方便，***的功能还不完善，有待于进一步研究和提高。

发明内容

本发明的目的在于克服了现有的交流脉冲MIG焊接控制***的上述不足，提出了一种全数字PWM控制的交流脉冲MIG焊接***，该***具有如下优点：

1)主控制器采用DSP来实现控制功能，他运算速度快，数据处理能力强，IO口充裕，可以完成实时精确控制。

2)采用CPLD实现数字化PWM，代替原来的DA+SG3526的PWM方式，控制灵活，抗干扰能力强。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。包括有主电路1和控制电路2；主电路1包括有整流滤波电路1.1、一次逆变电路1.2、二次整流电路1.3、二次逆变电路1.4、电弧能量输出1.5和高压稳弧电路1.6；控制电路2包括有核心控制部分A、控制执行部分B、前面板输入及显示部分C和送丝***D；其中，送丝***包括有焊枪开关信号D1、气阀开关量信号D3、送丝给定信号D2和送丝机调速电路D4；前面板输入及显示部分C包括有焊接参数给定C1和焊接参数显示C2，控制执行部分B包括有一次逆变驱动电路B1、二次逆变驱动电路B2和稳弧驱动电路B3，一次逆变驱动电路B1与主电路1中的一次逆变1.2相连，二次逆变驱动电路B2与主电路1中的二次逆变1.4相连，稳弧驱动电路B3与主电路1中的高压稳弧电路1.6相连；其特征在于：所述的核心控制部分A包括有DSP***A3、电流采样及滤波电路A1、电压及采样滤波电路A2、CPLD***A5和保护电路A4；电流采样及滤波电路A1和电压及采样滤波电路A2的一端与DSP***A3相连，另一端与主电路1中的LEM块相连；DSP***A3分别与CPLD***A4、前面板输入及显示部分C中的焊接参数给定C1、焊接参数显示C2、送丝***D中的焊枪开关信号D1、气阀开关量信号D3和送丝给定信号D2相连，CPLD***还与保护电路A4和控制执行部分B中的一次逆变驱动电路B1相连，一次逆变驱动电路B1接收来自CPLD***A5的数字化PWM信号。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)焊接过程实时可控、过程稳定可靠，几乎无飞溅，电弧稳定性强。由于本发明方法将DSP***和CPLD***配合起来，达到完全的数字化控制，相比与以往D/A+SG3526模拟控制的方式，控制灵活，能达到精确控制，实时性好，所以能够提高电弧稳定性和使焊接过程几乎无飞溅。

2)整体控制简单，无需考虑中间的数模转换及模拟PWM过程，保护电路也可大大简化且控制灵活，大大降低了设备及控制方法的复杂性和难度。根据实际要求将焊接参数预先设定好，在焊接过程中可达到精确实时控制，抗干扰性能好。

3)应用范围广；可以应用于薄板铝合金焊接，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1焊接***结构组成图

图2交流脉冲MIG焊电流波形控制图

图3DSP***主程序软件方案图

图4CPLD***主程序软件方案图

图5数字时钟分频程序流程图

图6同步整形滤波程序流程图

具体实施方式

现在将结合附图对本实施例进行说明。(实施例针对1mm厚的3A21铝合金板进行对接焊缝的焊接)

本实施例的设计思想为：将DSP***和CPLD***配合起来，按照实际焊接要求预先设计好焊接电压、电流波形，也就是设定好电压、电流给定，采用分段的pi运算，使焊接过程的电流、电压参数跟随预先设定的参数，结合专门的控制方法，实现稳定的焊接过程。其中将两个***配合起来为本实施例的核心部分，即数字化控制。

如图1所示，本实施例包括两部分：主电路1和控制电路2。本实施例包括有主电路部分1和控制电路部分2。主电路1又包括整流滤波电路1.1、一次逆变电路1.2、二次整流1.3、二次逆变电路1.4、电弧能量输出1.5和高压稳弧1.6。控制电路2主要包括核心控制部分A、控制执行部分B、前面板输入及显示部分C、送丝***部分D。其中，核心控制部分A包括有DSP控制***A3及与其相连的电流采样及滤波电路A1、电压及采样滤波电路A2，电流采样及滤波电路A1、电压及采样滤波电路A2的另一端接在主电路的LEM块上。控制执行部分包括一次逆变驱动电路B1、二次逆变驱动电路B2、稳弧驱动电路B3；一次逆变驱动电路B1接收来自CPLD的数字化PWM信号，输出控制主电路一次逆变电路1.2，二次逆变驱动电路B2接收来自DSP控制***A3的IO信号，输出控制二次逆变1.4，稳弧驱动电路B3接收来自A3的IO信号，输出控制稳弧电路。在焊接开始前，DSP控制***A3接收来自面板C1的焊接参数，并在焊接过程中显示焊接参数C2；送丝***包括焊枪开关信号D1，气阀开关量信号D3及送丝给定信号D2和送丝机调速电路D4。

焊接***包括主电路1和以TMS320F2812DSP+EPM7128CPLD为核心的控制电路部分2。主电路输入电压为三相380V；输入整流1.1采用富士整流桥整流，型号为FUJ 6RI100G-160；逆变电路1.2采用半桥逆变结构，由两只型号为BSM150GB120DN2的IGBT组成。控制电路部分2采用基于TMS320F2812DSP的控制***A3，主要完成参数计算、比例积分调节(PI)调节、时序控制，并能够与面板显示实现通信，采用EPM7128(A5)实现两路互差180度相位的数字PWM信号，实现过流、过压保护和过热保护关闭PWM信号，同时实现对CPLD的输入信号进行数字滤波。下面将结合附图对其进行详细说明。

其工作顺序为：三相输入380V交流电首先经过1.1输入整流部分进行整流滤波后，变为540V的直流。此后此直流电经过1.2逆变电路(此由控制电路部分2控制)逆变和中频变压器的降压隔离后变为20KHZ的交流电，然后经过1.3输出整流滤波后变为焊接所用的大电流低电压直流，通过1.4的二次逆变，供给1.5焊接功率输出，由于是交流脉冲MIG焊应用与薄板铝焊接，存在冷阴极电流过零问题，所以要加高压稳弧电路1.6，这里采用全桥电路。由于以上电路的工作频率为20KHZ，同时输出电感也很小(30μH左右)，调整逆变开关频率或脉宽可以达到微秒级的控制，所以该类型电源反应速度快，动态性能好。

焊接***控制电路部分2的组成及功能分别为：

核心控制部分A主要由TMS320F2812DSP组成，包括三个输入部分。第一个输入部分是从一次逆变恒流控制之后经整流1.3输出的采样电流和来自与电弧两端采样电压，输入的电流采样及滤波A1和电压采样及滤波A2的信号以获得焊接实时焊接电压电流值，其中电流采样及滤波A1采回焊接过程中的实际电流值由于PI控制(比例积分控制)，实时调整电流偏差，实现达到闭环控制；电压采样及滤波A2采回焊接过程中的实际电压值用于弧长调节，还可以达到监控焊接状态的目的。第二个输入部分是从部分D获得的焊枪开关信号D1。第三个输入部分来源于前面板的输入及显示部分C的焊接参数预置C1，获得焊接初始参数。部分A作为核心控制部分，主要完成对焊接参数输入和外部信号的响应，并经过软件处理、计算和转换后对B、C、D三部分进行控制，使整个焊接***协调工作，完成预定的焊接目的。

控制执行部分B，其输入为核心控制部分A的数字化PWM部分A5，经CPLD软件PWM脉宽调制后输入到IGBT驱动电路B1，经处理后输入到逆变电路1.2，完成此控制功能。

前面板输入及显示部分C为***设备控制及执行部分。焊接参数预置C1对核心控制部分A输入，实现焊接参数的设定，并通过焊接参数显示C2进行显示。当焊接时，核心控制部分A输出焊接电流和电压给焊接参数显示C2，使其能实时观测焊接参数。

送丝***D执行着来源于焊枪开关D1对部分A的输入，以及部分A对气阀D3的输出控制，焊接参数C1的送丝速度给定给DSP***A3，改变DSP自带PWM输出，而达到控制送丝给定D2目的。

本实施例采用了时钟频率较高的DSP芯片TMS320F2812，作为VP PMIG焊接控制***核心，完成在电弧极性变换时，保持一次逆变后恒流源电流幅值、二次逆变切换时刻、稳弧脉冲施加时间的同步；焊接过程中实时检测电弧电压，对电弧的弧长进行调节，保持弧长稳定；控制过程中大量的数据处理和计算。

本发明的程序控制分两部分：焊接过程DSP***程序控制和数字化PWM控制，下面分别进行详细说明。

焊接过程DSP***程序控制，参照程序流程图对本实例进行详细说明：

VP PMIG焊控制***采用软件编程实现控制，既可以减少硬件控制***的复杂性，又可以增强***的柔性控制。因而，焊接过程控制的软件编程，是实现薄板铝合金VP PMIG焊的核心。

软件部分由以下几个部分组成：主程序、***初始化程序、键盘扫描程序、采样程序、PI调节计算程序、引弧程序、焊接程序、短路解除程序、断弧再引燃程序、收弧程序等，焊接过程控制主程序流程见附图3。其主程序具体执行顺序为：上电复位后，程序从初始地址开始运行，***先执行初始化子程序，完成各焊接参数的初始值设定。然后执行键盘扫描程序，预置送丝速度V、EP极性脉冲电流I_p、EP极性脉冲电流时间T_p、EP极性基值电流I_b1、EP极性基值电流时间T_b1、EP极性基值电流I_b2、EP极性基值电流时间T_b2、EN极性基值电流I_en、EN比率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。然后判断焊接开关是否打开，是则打开气阀D3，一段时间后在DSP***A3中给定一个小的送丝速度控制送丝给定D2。然后启动定时采样程序和数字滤波程序，进入焊接各个阶段，先进入大电流加直流引弧阶段，实行相应的PI算法，判断引弧是否成功，如果引弧成功则进入焊接程序，焊接程序在焊接的不同阶段，分基值时间和峰值时间和EN极性时间，实行不同的PI控制，直到检测到焊接结束信号，则实行收弧程序后关闭脉宽调制、关闭电机，退出焊接状态。

在整个焊接过程中，采用数字化的PWM控制，在焊接的不同阶段，DSP***A3把经过PI运算的数据传输给CPLD***A5，在CPLD***里产生数字化的PWM，并根据保护电路A4的状态相应的输出PWM信号给一次逆变驱动电路B1，达到一次逆变的恒流控制。

上面所述的VP PMIG焊接电源主要参数及参数调节范围如下：

输入电压：380V；

输出额定焊接电流：400A；

EP极性脉冲电流I_p调节范围：100-400A；

EP极性脉冲电流时间T_p调节范围：0-5ms；

EP极性基值电流I_b1调节范围：20-100A；

EP极性基值电流时间T_b1调节范围：0-100ms；

EP极性基值电流I_b2调节范围：20-100A；

EP极性基值电流时间T_b2调节范围：0-10ms；

EN极性基值电流I_en调节范围：20-100A；

EN比率调节范围：0-50％；

送丝速度调节范围：1-10m/min；

脉冲电流频率调节范围：10-100Hz；

高压稳弧电源输出电压范围：300-400V。

数字化PWM程序控制，参照程序流程图对本实例进行详细说明：

软件***主要包括数字PWM程序、时钟分频程序、数字滤波程序和PWM保护程序。

在***上电后，CPLD完成***初始化，在焊接不同过程中，CPLD调用DSP经过PI后的数据，调用时钟分频程序，将高频输入时钟信号转变成低频率时钟信号，为数字PWM保护程序提供时钟信号；调用PWM保护程序，检测保护电路A4状态，调用数字PWM程序，实现输入数据信号线性地转换成两路占空比实时调节的PWM信号。PWM信号的频率可以通过改变输入时钟信号的频率进行调节；调用数字滤波程序，一方面，可以消除输入数据信号中的高频扰动信号；另一方面，可以消除PWM输出信号中因电路竞争而产生的毛刺信号；由此产生两路互补的带死区的可靠的PWM信号，去控制一次逆变驱动电路B1。然后输出返回循环上述过程。

EPM7128控制电路的***输入时钟12MHz，数字保护电路程序中需要的时钟频率是比较小，需要对***时钟进行分频设计。分频电路程序流程图见图5，该程序是一个5分频的例子，过程为检测CPLD***A5的时钟信号上升沿，计数时钟个数。当计数小于3时输出置1，当计数在3到5之间时，输出置0，当计数过5之后，计数器清0，如此循环。

在组合逻辑中，由于门的输入信号通路中经过了不同的延时，导致到达该门的时间不一致，达到电路中某一会合点的时间有先后之分，这叫竞争。竞争是不可避免的。因为竞争，数字电路的设计中产生了毛刺。由于竞争使电路输出发生瞬时错误，这就产生了冒险。

PWM信号中的毛刺如果没有消除，就会造成很严重的后果，可能造成一次逆变1.2开关管直通而损坏。本实施例采用同步整形电路有效地去除了毛刺。图6所示，是同步整形滤波程序流程图。

该程序是在时钟上升沿对要输出给一次逆变驱动电路B1的控制信号状态连续检测几次，然后存储它的状态，计数出现的高电平数目，如果超过预期，则判为高电平，否则判为低电平。

本交流脉冲MIG电弧焊接***针可用于1mm以下薄板焊接，包括铝及铝合金板焊接。通过分析实现一脉一滴的产生条件，确定脉冲电流、电压和基值电流、电压的范围，获得一脉一滴的稳定过渡控制。通过研究电弧能量在EN、EP极性之间的分配规律，铝合金VP PMIG焊EN比率变化对焊缝熔深、焊丝熔化速度的影响规律。在EN比率调节的基础上，通过改变EP、EN极性的基值电流，进一步调整电弧能量在焊丝和工件上的分配，实现对电弧热输入量的更精确控制。而这些精确控制的实现，需要一个完善的数字化的平台，本发明采用了DSP+CPLD数字化的平台代替了原有的模拟控制的方式，在硬件***上大大改善了控制效果，实现了精确实时控制的目的。

以上所述为本***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全桥逆变电路代替半桥形式，控制部分用其他DSP或单片机代替TMS320F2812实现其功能或用别的型号的CPLD代替EPM7128等等。只要其***及控制思想与本发明所叙述的一致，均应视为本发明所包括的范围。

Claims (1)

1. 一种全数字PWM控制的交流脉冲MIG焊接***，包括有主电路(1)和控制电路(2)；主电路(1)包括有整流滤波电路(1.1)、一次逆变电路(1.2)、二次整流电路(1.3)、二次逆变电路(1.4)、电弧能量输出(1.5)和高压稳弧电路(1.6)；控制电路(2)包括有核心控制部分(A)、控制执行部分(B)、前面板输入及显示部分(C)和送丝***(D)；其中，送丝***包括有焊枪开关信号(D1)、气阀开关量信号(D3)、送丝给定信号(D2)和送丝机调速电路(D4)；前面板输入及显示部分(C)包括有焊接参数给定(C1)和焊接参数显示(C2)，控制执行部分(B)包括有一次逆变驱动电路(B1)、二次逆变驱动电路(B2)和稳弧驱动电路(B3)，一次逆变驱动电路(B1)与主电路(1)中的一次逆变(1.2)相连，二次逆变驱动电路(B2)与主电路(1)中的二次逆变(1.4)相连，稳弧驱动电路(B3)与主电路(1)中的高压稳弧电路(1.6)相连；其特征在于：所述的核心控制部分(A)包括有DSP***(A3)、电流采样及滤波电路(A1)、电压及采样滤波电路(A2)、CPLD***(A5)和保护电路(A4)；电流采样及滤波电路(A1)和电压及采样滤波电路(A2)的一端与DSP***(A3)相连，另一端与主电路(1)中的LEM块相连；DSP***(A3)分别与CPLD***(A4)、前面板输入及显示部分(C)中的焊接参数给定(C1)、焊接参数显示(C2)、送丝***(D)中的焊枪开关信号(D1)、气阀开关量信号(D3)和送丝给定信号(D2)相连，CPLD***还与保护电路(A4)和控制执行部分(B)中的一次逆变驱动电路(B1)相连，一次逆变驱动电路(B1)接收来自CPLD***(A5)的数字化PWM信号。

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