一種埋弧焊弧壓反饋送絲的控制方法及電路的製作方法

2023-05-20 18:49:46 2

專利名稱：一種埋弧焊弧壓反饋送絲的控制方法及電路的製作方法
技術領域：
本技術屬於焊接設備領域，適用於埋弧焊電弧電壓反饋送絲技術。
背景技術：
在埋弧焊系統中，焊絲前端與工件之間有燃燒的電弧，焊絲端頭在電弧 的熱作用下熔化，熔化的鐵水過渡到焊縫中，隨著焊絲熔化，送絲機要不斷 送進焊絲，以維持焊絲端頭至工件的距離基本不變，否則會損壞焊縫質量， 嚴重時電弧將熄滅，破壞穩定的焊接過程。由於焊絲端頭至工件的距離與電 弧電壓成正比，因此用電弧電壓做測量電弧長度的傳感器，由伺服電機驅動 的送絲機做執行機構。調節過程為在確定的參考電壓下，當測量的電弧值 大於參考電壓，反應出焊絲端頭至工件的距離變長，此時控制系統加快電機 轉速，從而加快送絲速度，使焊絲端頭至工件的距離變短，恢復到預期的參 考值；反之亦然。這種調節電機送絲速度控制電弧長度的方式被稱之為弧壓 反饋送絲。這種技術目前存在的問題是在這種控制系統中，對控制系統的 主要擾動為焊絲端頭不斷熔化的鐵水液滴向焊縫的過渡，此過程稱熔滴過渡。 熔滴過渡會改變電弧電壓的數值，頻繁地對焊絲端頭至工件的距離測量形成 幹擾，此外，整個控制系統由於電弧的存在無法用數學模型描述。由於這些 特點，現有埋弧焊控制有的過於複雜，比如採用3個閉環控制的方法，如
ZL200510023284.7;有的簡單但控制精度低，調節器的閉環放大倍數在10
倍以下。

發明內容
本發明的目的是提供一種簡單、控制精度高的埋弧焊弧壓反饋送絲方法 及電路。
為達到目的，本控制方法包括控制環節l，送絲電機環節2及電弧區 3。控制環節1通過運算參考信號Vref及電弧電壓反饋信號Vf確定其輸出
信號，送絲電機環節2將控制環節1的輸出信號功率放大後驅動送絲電機，送 絲電機將埋弧焊絲送入電弧區3，電弧區3輸出電弧電壓反饋信號Vf，其特徵 在於所說控制環節1由一個外環調節器1. 1及一個內環控制器1. 2構成， 外環調節器1. 1的輸入端接參考電壓信號Vref及電弧電壓反饋信號Vf ，調 節器1. 1通過運算Vref與Vf的差值確定輸出信號；所說送絲電機環節2還 輸出與電機電樞電流成比例的電流反饋信號If，內環控制器1.2具有電流型 P麗控制功能，其通過運算外環調節器的輸出信號及電流反饋信號If確定其 輸出的P麗信號，此輸出信號接送絲電機環節2。
考慮到送絲電機在低速旋轉時容易出現失穩，可以在外環調節器1. 1的 輸入端與內環控制器1. 2的輸出端之間加入具有阻尼功能的校正環節4。 校正環節4可濾除控制器1.2的輸出信號中的低頻分量，其輸入端與控制器 1. 2的輸出端連接，其輸出信號Vm與外環調節器1. 1連接，外環調節器1. 1 通過運算參考信號Vref，弧壓反饋信號Vf及校正環節4的輸出信號Vm確定輸 出信號。
上述的外環調節器1. 1可以是比例調節器或比例積分調節器。 所述的校正環節4可以是一階高通濾波器。
依照上述方法可實現下面的埋弧焊弧壓反饋送絲的控制電路，電路包括 控制環節1，由半導體開關驅動送絲電機構成的送絲電機環節2，及焊接電弧 區3，控制環節1的輸入端接參考信號Vref及電弧電壓反饋信號Vf ，控制環 節1的輸出端接送絲電機環節2,送絲電機環節2將焊絲送入電弧區3，電 弧區3輸出電壓反饋信號Vf;其特徵在於所說控制環節l由一個外環調節 器1. 1和一個內環控制器1. 2構成，所說控制器1. 2具有電流型P麗控制功 能；外環調節器l.l的輸入端接參考信號Vref及電弧電壓反饋信號Vf，外 環調節器1. 1的輸出端接內環控制器的1. 2 —個輸入端，所說送絲電機環節2 還有一個電流傳感器，其輸出與送絲電機的電樞電流成比例的反饋電流信號 If，反饋電流信號If接控制器1. 2的另一個輸入端.控制器1. 2的輸出端接 送絲電機環節2中半導體開關器件的控制極，半導體開關驅動送絲電機，送
絲電機將焊絲送入電弧區3。
在外環調節器1. 1的輸入端與內環控制器1. 2的輸出端之間加入具有阻 尼功能的校正環節4。校正環節4可濾除內環控制器1. 2的輸出信號中的低 頻分量，其輸入端與內環控制器1.2的輸出端連接，其輸出信號Vm與外環調 節器1. 1連接，外環調節器1. 1通過運算參考信號Vref 、弧壓反饋信號Vf 、 校正環節4的輸出信號Vm確定輸出信號。
所述的校正環節4可以是一階高通濾波器。 一階高通濾波器由電阻和電 容串聯的電路組成。
上述的外環調節器1. 1可以是比例調節器或比例積分調節器。
上述的內環控制器1.2為電流型P麗控制電路，由比較器電路、接比較
器中一個輸入端的斜波補償電路及輸入端接比較器輸出的RS觸發器電路構 成。採用電流型P麗控制晶片UC3846及外圍電路可構成具有斜波補償的電流 型P麗控制電路。
本發明的有益效果是由於是雙環反饋，控制系統的穩定性好，因此在 外環可以使用比例積分調節器或高精度比例調節器。此方案不僅控制相對簡 單，同時也可達到提高控制精度的目的。另外，由於加入具有阻尼功能的校 正環節，可避免送絲電機在低速旋轉時容易出現失穩的問題。


圖l是本發明的原理框圖。 圖2是實施例原理圖
圖3是電流型P麗集成晶片UC33846的外部接線圖。
圖中，1、控制環節，1.1、外環調節器，1.2、內環控制器，2、送絲電 機環節，3、電弧區，3.1、電弧，3.2、焊絲，4、校正環節。
具體實施例方式
以下結合附圖進一步說明本發明的實施方案。
在圖1中，埋弧焊弧壓反饋送絲的控制方案由外反饋環和內反饋環構成， 外反饋環有一個外環調節器l.l，採用電弧電壓Vf作為反饋信號；內反饋環 有一個內環控制器1.2，以送絲電機的工作電流(電樞電流)If為反饋信號，內
環控制器1.2具有電流型P麗功能，輸出P麗開關信號；外環調節器l.l和 內環調節器1. 2構成控制環節1。內環控制器1. 2輸出的P麗開關信號連接 送絲電機環節2中的半導體開關Q2。半導體開關驅動送絲電機旋轉，電機的 工作電流是內反饋環的反饋電流If。送絲電機使焊絲不斷進入電弧區3，電 弧區3輸出外環的反饋信號Vf 。校正環節4將內環控制器1. 2的輸出信號中 的低頻分量濾除，並將其反饋到外環調節器l.l，起阻尼作用，避免送絲電 機在低速旋轉時容易出現失穩的問題。
圖2是本方案的實施例。圖中，Rl.l、 R1.2、 Rl. 3、 R1.4、 R2. 1、 R3. 1、 R3, 2、 R4. 1是電阻。Cl. 1、 Cl. 2、 C3. 1、 C4. 1是電容。Opl. 1是運算放大器； Cpl. 2是比較器；Ql. 2是RS觸發器，其S端接同步時鐘信號；Q2是半導體 開關器件，D2是蓄流二極體，M2是送絲電動機，T2是電流傳感器。外環調 節器1. 1採用由運算放大器0pl及電阻、電容構成的比例積分調節器，其輸入 端接參考信號Vref及電壓反饋信號Vf 。內環控制器1. 2有一個比較器及一 個RS觸發器。內環控制器是具有電流型P麗控制功能的控制器，當P麗信號 的開關工作比大於50%時，再加入圖中斜波補償電路可以抑制諧波失穩。電 流型P麗控制技術及對電流反饋信號If的斜波補償技術都是公知的技術。外 環調節器1. 1的輸出信號接內環調節器1. 2中比較器Cpl. 2的一個輸入端， 反饋電流信號If經過斜波補償後接比較器Cpl. 2的另一輸入端。斜波補償電 路參見圖3。內環調節器1.2的輸出信號與開關器件Q2連接，Q2採用麗0S 器件。Q2控制送絲電動機M2旋轉。電流傳感器T2輸出與電機的工作電流成 比例的反饋信號If。電動機M2使焊絲3.2不斷進入燃燒的電弧3.1。電弧區 3經電阻R3. 1、 R3.2，電容C3. l輸出與電弧電壓成比例的反饋電壓信號Vf。
由於埋弧焊工藝要求送絲速度能在一個很寬的範圍內調節，在慢速送絲 的情況下，使用上述方案組成的電路有時會出現送絲控制系統失穩。為克服
此缺點，在以上電路基礎上增加了具有阻尼功能的校正環節4，使送絲控制系 統在所有速度條件下均能工作在穩定狀態。校正環節4由電阻R4. 1與電容 C4. 1串聯而成，其功能是濾除開關信號轉換環節2的輸出信號中的低頻分量， 其輸入端與內環控制器1. 2的輸出端連接，其輸出信號Vm與外環調節器1. 1 的輸入端連接，外環調節器1. 1通過運算參考信號Vref，弧壓反饋信號Vf及 校正環節4的輸出信號Vm確定輸出信號。Vm信號的阻尼作用是指當誤差信號 使控制環節1的輸出變化時，Vm信號阻礙控制環節1的輸出變化。
具體的實施例l: Rl.l=20kQ、 R1.2二20kQ、 R1.3二200kQ、 R1.4二200k Q、 R2. 1=100 Q、 R3. l=1.8kQ、 R3.2=0.2kQ、 R4. l=40kQ;
CI. 1=0. 47uF、 C1.2=0. OluF、 C3. l=47uF、 C4. 1=2. 2uF;
Q2， IRFP360; D2， FR307; T2，CHB-25NP/SP8。
實施例2:在圖2中將積分電容CI. 1短路，調節器1. 1就成了比例調節 器，其特點是響應速度快。R1.3=1000kQ、 R1.4二1000kQ， R4. l=100kQ， C4.1=1.5uF。其餘參數與上例相同。比例調節器的優點是相應速度較快。
圖3是UC3846外部接線圖。UC3846是電流型P麗控制晶片，該晶片將內 環控制器1. 2的功能集成在一起，方便使用。晶片原理圖、符號說明及使用 方法可參看生產廠家提供的使用說明。通過在晶片外部連接R1. 5、R1. 6及R1. 7 構成的電阻網絡可實現對反饋電流If的斜波補償。使用該晶片時，將圖2中 控制器1. 2取消，圖2中Opl. 1的輸出端接UC3846晶片的EA+端，圖3中的輸 出端OUT接圖2中開關器件Q2及校正環節4的輸入端，圖3中的If接電流 傳感器T2的輸出端。
圖3中RT、CT是振蕩電阻、電容，設計方法見晶片使用說明。圖中R1.5、 R1.6、 R1.7是用於斜波補償的電阻。R1.8是輸出端下拉電阻。
一個具體實施例是Ri. 5=3k、 Rl. 6=0. 51k、 Rl. 7=4. 7k、 Rl. 8二2k、 RT=4. 2k、 CT=0. luFo
權利要求
1.一種埋弧焊弧壓反饋送絲的控制方法，本控制方法包括控制環節(1)，送絲電機環節(2)及電弧區(3)；控制環節(1)通過運算參考信號Vref及電弧電壓反饋信號Vf確定其輸出信號，送絲電機環節(2)將控制環節(1)的輸出信號功率放大後驅動送絲電機，送絲電機將埋弧焊絲送入電弧區(3)，電弧區(3)輸出電弧電壓反饋信號Vf，其特徵在於所說控制環節(1)由一個外環調節器(1.1)及一個內環控制器(1.2)構成，外環調節器(1.1)的輸入端接參考電壓信號Vref及電弧電壓反饋信號Vf，調節器(1.1)通過運算Vref與Vf的差值確定輸出信號；所說送絲電機環節(2)還輸出與電機電樞電流成比例的電流反饋信號If，內環控制器(1.2)具有電流型PWM控制功能，其通過運算外環調節器的輸出信號及電流反饋信號If確定其輸出的PWM信號，此輸出信號接送絲電機環節(2)。
2. 根據權利要求1所述的一種埋弧焊弧壓反饋送絲的控制方法，其特徵在 於本控制方法還有一個校正環節(4)，功能是濾除控制器(1.2)的輸出 信號中的低頻分量，其輸入端與控制器(1.2)的輸出端連接，其輸出信號 Vm與外環調節器(l. l)連接，外環調節器(l.l)通過運算參考信號Vref， 弧壓反饋信號Vf及校正環節(4)的輸出信號Vm確定輸出信號。
3. 根據權利要求1或2所述的一種埋弧焊弧壓反饋送絲的控制方法，其特 徵在於所述的外環調節器(l. l)為比例調節器或比例積分調節器。
4. 一種實現方法1的埋弧焊弧壓反饋送絲的控制電路，該反饋控制電路包 括.-控制環節(l)，由半導體開關驅動送絲電機構成的送絲電機環節(2)， 及焊接電弧區(3)，控制環節(1)的輸入端接參考信號Vref及電弧電壓反 饋信號Vf ，控制環節(l)的輸出端接送絲電機環節(2)，送絲電機環節(2) 將焊絲送入電弧區(3)，電弧區(3)輸出電壓反饋信號Vf;其特徵在於 所說控制環節(l)由一個外環調節器(1.1)和一個內環控制器(1.2)構 成，所說控制器(1.2)具有電流型P麗控制功能；外環調節器(l. l)的輸 入端接參考信號Vref及電弧電壓反饋信號Vf ，外環調節器(l. 1)的輸出 端接內環控制器的(l. 2)—個輸入端，所說送絲電機環節(2)還有一個電 流傳感器，其輸出與送絲電機的電樞電流成比例的反饋電流信號If，反 饋電流信號If接控制器(1.2)的另一個輸入端，控制器(1.2)的輸出端 接送絲電機環節(2)中半導體開關器件的控制極，半導體開關驅動送絲 電機，送絲電機將焊絲送入電弧區(3)。
5. 根據權利要求4所述的一種埋弧焊弧壓反饋送絲的控制電路，其特徵在 於在外環調節器(l. 1)的輸入端與內環控制器(1.2)的輸出端之間還有 一個可濾除內環控制器(l. 2)的輸出信號中的低頻分量的校正環節(4)， 其輸入端與內環控制器(l. 2)的輸出端連接，其輸出信號Vm與外環調節 器(l.l)連接，外環調節器(l.l)通過運算參考信號Vref、弧壓反饋信號 Vf及校正環節(4)的輸出信號Vm確定輸出信號。
6. 根據權利要求5所述的一種埋弧焊弧壓反饋送絲的控制電路，其特徵在 於所述的校正環節(4)為一階高通濾波器。
7. 根據權利要求6所述的一種埋弧焊弧壓反饋送絲的控制電路，其特徵在 於所述的一階高通濾波器由電阻和電容串聯的電路組成。
8.根據權利要求4-7中任一項所述的一種埋弧焊弧壓反饋送絲的控制電路， 其特徵在於所述的外環調節器(l. l)是一個比例調節器或比例積分調節 器
9.根據權利要求4-7中任一項所述的一種埋弧焊弧壓反饋送絲的控制電 路，其特徵在於所述的內環控制器(1.2)由比較器電路、接比較器中一 個輸入端的斜波補償電路及輸入端接比較器輸出的RS觸發器電路構成。
10.根據權利要求9中任一項所述的一種埋弧焊弧壓反饋送絲的控制電路， 其特徵在於所述的內環控制器(l. 2)可採用電流型PWM控制晶片UC3846 及外圍電路構成。
全文摘要
一種埋弧焊弧壓反饋送絲的控制方法及電路，屬於焊接設備領域，適用於埋弧焊電弧電壓反饋送絲技術。控制系統由外環調節器1.1、內環控制器1.2組成的控制環節1，送絲電機環節2及電弧區3構成。該方法的特徵是採用雙閉環負反饋控制，外環有一個外環調節器1.1，其輸入端接參考信號Verf及電弧區3輸出的電弧電壓反饋信號Vf。內反饋環有一個內環控制器1.2，內環控制器1.2是具有電流型PWM控制功能的控制器。外環調節器1.1接內環控制器1.2的一個輸入端，送絲電機環節2輸出的電流反饋信號If接內環控制器1.2的另一個輸入端。送絲電機環節2將控制器1.2的輸出信號進行功率放大後驅動送絲環節2中送絲電機，送絲電機將焊絲送入電弧區3。本方法的優點是相對簡單，控制精度高。
文檔編號B23K9/095GK101352777SQ200810119679
公開日2009年1月28日 申請日期2008年9月5日 優先權日2008年9月5日
發明者李西恭, 趙智江, 祁 邱, 黃鵬飛 申請人:北京工業大學