數(shù)字化埋弧焊機(jī)設(shè)計(jì)

周登榮 ，郭鳳德 ，陳大興，曾 技

（1.攀枝花學(xué)院電信學(xué)院，四川 攀枝花 617000；2.樂(lè)山師范學(xué)院 物理與電子工程系，四川樂(lè)山 614004）

0 前言

埋弧焊在壓力容器、造船、橋梁、鐵路車(chē)輛、工程機(jī)械等行業(yè)發(fā)揮著重要作用。早期模擬控制的埋弧焊機(jī)容易造成焊機(jī)性能分散，調(diào)試?yán)щy。隨著電力電子和數(shù)字控制的迅速發(fā)展，智能數(shù)字化埋弧焊接已經(jīng)成為發(fā)展的方向。針對(duì)三相不控整流和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的送絲機(jī)構(gòu)，以中央處理器以及鎖相技術(shù)設(shè)計(jì)了一套埋弧自動(dòng)焊數(shù)字控制系統(tǒng)。埋弧自動(dòng)焊機(jī)是一套焊接系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)的主要功能可以提供焊接所需能量，連續(xù)不斷向工件輸送焊絲，使電弧自動(dòng)沿焊縫方向移動(dòng)，向焊接區(qū)鋪施焊劑，控制焊接參數(shù)和操作時(shí)序等。送絲直流電機(jī)的速度決定焊接電流的大小，從而影響焊接質(zhì)量。目前，送絲系統(tǒng)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制是利用直流電機(jī)電樞電壓負(fù)反饋閉環(huán)控制或者電樞電壓與電流組成的雙閉環(huán)反饋控制，這種控制方式存在直流電機(jī)端電壓和直流電機(jī)的電流波動(dòng)大，導(dǎo)致測(cè)量值誤差大，即使是雙閉環(huán)控制，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制精度差。在此采用測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的編碼器測(cè)出，同時(shí)采用軟件鎖相環(huán)技術(shù)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，為了防止直流電機(jī)過(guò)電壓和過(guò)電流，還采用電壓和電流雙閉環(huán)控制，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速也是采用閉環(huán)控制，因此，本研究采用三閉環(huán)控制送絲電機(jī)轉(zhuǎn)速，對(duì)提高焊接系統(tǒng)的焊接質(zhì)量具有一定的指導(dǎo)意義[1-2]。

1 埋弧焊數(shù)字控制概述

埋弧焊數(shù)字系統(tǒng)除了具備模擬式埋弧焊接系統(tǒng)的所有焊接功能外，還應(yīng)該具有比模擬式埋弧焊機(jī)更有完善的輸出特性，可以適應(yīng)手工焊推力電流及引弧電流的調(diào)整，帶極堆焊等焊接方法；具有參數(shù)預(yù)置、調(diào)用和儲(chǔ)存功能；以及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)功能。特別在送絲電機(jī)測(cè)速及控制上精度越來(lái)越高，傳統(tǒng)的模擬式電機(jī)速度控制系統(tǒng)一般采用測(cè)速發(fā)電機(jī)作為速度傳感器，其輸出斜率受環(huán)境條件的影響很大。為了精確控制送絲電機(jī)的速度，現(xiàn)在大多采用光電編碼器檢測(cè)出直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角速度并與設(shè)定角速度比較得其相位差，用中央處理器或者專用的瑣相芯片閉環(huán)控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速。其工作原理是通過(guò)編碼器產(chǎn)生的周期脈沖信號(hào)精確計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速角速度，該角速度與給定的角速度進(jìn)行相位比較得到相位差，該相位差經(jīng)過(guò)鑒相器、濾波器得到誤差信號(hào)，將此信號(hào)與直流電電機(jī)的電壓和電流進(jìn)行PI計(jì)算得到PWM脈沖信號(hào)，這樣脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)放大后去驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，如圖1所示[3-5]。

為了進(jìn)一步分析直流電機(jī)鎖相技術(shù)的原理，對(duì)圖1中的編碼器進(jìn)行分析。直流電機(jī)和編碼器相當(dāng)于鎖相環(huán)的VCO，激勵(lì)電壓uc驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此，在激勵(lì)電壓uc的作用下，光電編碼器輸出的數(shù)字脈沖序列與電機(jī)的角速度成正比

圖1 送絲直流電機(jī)調(diào)速控制框圖

式中 Km為比例增益；Tm為電機(jī)機(jī)械常數(shù)。Ω將在一定時(shí)間后才能與uc成正比。則將式（1）進(jìn)行Laplace變換，可得

電機(jī)轉(zhuǎn)軸的相位θ2（s）是角速度的時(shí)間積分，若在圖1中光電編碼器的碼盤(pán)有K2個(gè)齒，則光電耦合器產(chǎn)生信號(hào)的相位為Ω的K2倍，即：

因此，由上式可得

由式（4）可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速的角位移是電機(jī)激勵(lì)電壓的函數(shù)，電機(jī)和光電編碼器組合后成為一個(gè)二階系統(tǒng)，如果考慮鎖相環(huán)的DLF（數(shù)字環(huán)路濾波器），則整個(gè)控制成為一個(gè)三階系統(tǒng)。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，DLF必須具有零點(diǎn)（即相位超前校正功能），否則在較高頻率時(shí)，閉環(huán)傳遞函數(shù)的相位可能超過(guò)180°，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定[2]。數(shù)字軟件鎖相環(huán)是能夠?qū)崿F(xiàn)輸出信號(hào)實(shí)時(shí)跟蹤輸入信號(hào)相位的閉環(huán)控制系統(tǒng)，在此將數(shù)字軟件鎖相環(huán)控制思想引入到電機(jī)的速度控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)電機(jī)瞬態(tài)的快速響應(yīng)，穩(wěn)態(tài)的高精度轉(zhuǎn)速控制。為了更好的理解數(shù)字鎖相環(huán)的原理，先分析模擬鎖相環(huán)的原理。模擬鎖相環(huán)（PLL）是一個(gè)相位誤差反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，用鑒相器（PD）檢測(cè)并運(yùn)算和處理輸入信號(hào)θ1（t）和壓控振蕩器（VCO）的反饋信號(hào)θ2（t）之間的相位差，得到誤差信號(hào)Ud（t），而數(shù)字鎖相環(huán)除具有數(shù)字電路的優(yōu)點(diǎn)外，還解決了模擬鎖相環(huán)存在直流零點(diǎn)漂移、部件飽和、進(jìn)行初始校準(zhǔn)等問(wèn)題。數(shù)字鎖相環(huán)的誤差控制信號(hào)是離散的數(shù)字信號(hào)而不是模擬信號(hào)，因而數(shù)字鎖相環(huán)中受控信號(hào)輸出相位的改變是離散的而不是連續(xù)的[3-4]。

數(shù)字鑒相器的種類(lèi)很多，在此采用超前滯后取樣檢相器。通過(guò)輸入信號(hào)與參考信號(hào)之間相比，形成超前滯后脈沖輸出，當(dāng)θ＞0時(shí)，超前脈沖作用將使本地參考信號(hào)相位提前；當(dāng)θ＜0時(shí)，超前脈沖作用將使本地參考信號(hào)相位滯后。LF是對(duì)噪聲及高頻分量起抑制作用，并且控制著環(huán)路相位校正的速度和精度，適當(dāng)選擇濾波器參數(shù)，可以改善環(huán)路的性能。鑒相器、濾波器和PI計(jì)算都可以通過(guò)中央處理器實(shí)現(xiàn)。

2 電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制

前面介紹了電機(jī)的速度控制，接下來(lái)分析電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制，送絲電機(jī)主電路采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)的H橋，在正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)的過(guò)程中加入了一個(gè)0.7 s的剎車(chē)過(guò)程，從而在反轉(zhuǎn)之前電機(jī)內(nèi)的反電動(dòng)勢(shì)得到釋放，在反轉(zhuǎn)到正轉(zhuǎn)時(shí)沒(méi)有設(shè)置剎車(chē)過(guò)程。當(dāng)送絲允許輸入一個(gè)上升沿信號(hào)時(shí)，該上升沿信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間常數(shù)為22μs的延時(shí)時(shí)間，再根據(jù)送絲/退絲邏輯信號(hào)“送絲方向”確定向開(kāi)關(guān)管發(fā)出送絲或退絲的觸發(fā)脈沖，在圖2中，啟動(dòng)IGBT1、IGBT4或IGBT2、IGBT3都是在22μs以后，而停止IGBT2、IGBT3或者IGBT1、IGBT4是在送絲方向跳變的瞬間，及死區(qū)時(shí)間，這樣就不會(huì)讓上下橋背直通短路，直流電機(jī)控制的時(shí)序如圖3所示。

圖2 電機(jī)送絲控制原理

行走電機(jī)的控制是根據(jù)不同用戶的要求，啟動(dòng)按鈕，小車(chē)開(kāi)始行走；滅弧成功后，小車(chē)開(kāi)始行走；當(dāng)啟動(dòng)程序結(jié)束后小車(chē)開(kāi)始行走。小車(chē)的停止是當(dāng)停止按鈕按下時(shí)停止或者在收弧以后停止。小車(chē)電機(jī)一般用110 V的直流電機(jī)，同樣采用PWM控制，采用開(kāi)關(guān)的切換方式切換小車(chē)行走方向，小車(chē)的電源要與送絲電機(jī)的電源進(jìn)行隔離。

圖3 直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)序控制

送絲的控制是：按啟動(dòng)按鈕，在引弧階段，送絲速度為0.2 m/min，在電源輸出大電流的情況下引弧成功，在有初始規(guī)范設(shè)置的條件下，以初始送絲速度工作，初始階段結(jié)束后，進(jìn)入正常焊接過(guò)程進(jìn)行焊接，此時(shí)送絲速度切換為正常焊接規(guī)范，而在無(wú)初始規(guī)范設(shè)置的條件下，引弧成功后送絲速度立即轉(zhuǎn)為正常規(guī)范。

在焊接休止期間，對(duì)小車(chē)的電器調(diào)試主要有以下幾個(gè)方面：送絲/退絲、小車(chē)的移動(dòng)、焊接參數(shù)的設(shè)置等。

當(dāng)手動(dòng)送絲按鈕動(dòng)作時(shí)，電壓檢測(cè)電路在未進(jìn)行焊接條件下輸出一組檢測(cè)電壓，程序在檢測(cè)到電壓“有弧電壓”指令向送絲/退絲邏輯發(fā)出送絲指令，當(dāng)焊絲接觸到工件時(shí)，弧壓為零，電壓檢測(cè)電路立刻發(fā)出“短路”信號(hào)，程序即發(fā)出“剎車(chē)”命令，焊絲與工件接觸，此時(shí)，無(wú)法再次啟動(dòng)手動(dòng)送絲。

小車(chē)移動(dòng)有兩種方式，當(dāng)離合器松開(kāi)進(jìn)行手動(dòng)退拉移動(dòng)時(shí)，不需要進(jìn)行任何操作，如果要進(jìn)行其它操作，必須掛上離合器，將手動(dòng)開(kāi)關(guān)移動(dòng)到“手動(dòng)”位置，此時(shí)小車(chē)將移動(dòng)，其移動(dòng)速度與焊接速度一致。

3 焊接特性

圖4和圖5分別是焊接的外特性曲線和電源的特性。電源外特性與電弧靜特性相交于穩(wěn)定的工作點(diǎn)，當(dāng)弧長(zhǎng)變短時(shí)，電弧靜特性曲線向下移，穩(wěn)定工作點(diǎn)也移到新的交點(diǎn)，電流增大，焊絲加快融化，弧長(zhǎng)加長(zhǎng)，穩(wěn)定工作點(diǎn)恢復(fù)到原來(lái)的點(diǎn)；反之，若弧長(zhǎng)增加則電流減小，焊絲融化變慢，弧長(zhǎng)變短，也可以恢復(fù)到原來(lái)的穩(wěn)定工作點(diǎn)[6-7]。

圖4 外特性曲線

圖5 電源靜特性

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

本系統(tǒng)中采用DSP控制器，電流的PI調(diào)節(jié)是用霍爾電流傳感器檢測(cè)電流變化，并通過(guò)ADCIN00引腳輸入給DSP，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電流反饋信號(hào)，在電流PI調(diào)節(jié)編程序時(shí)一定要注意由于是雙極性可逆PWM系統(tǒng)，PWM的占空比除了決定電機(jī)轉(zhuǎn)速外，還決定電機(jī)的轉(zhuǎn)向，因此必須根據(jù)轉(zhuǎn)向標(biāo)志DIRECTION來(lái)決定輸出極限：正轉(zhuǎn)時(shí)輸出的范圍是0～250；反轉(zhuǎn)時(shí)，輸出的范圍是250～500。而弧壓信號(hào)經(jīng)過(guò)一定的處理，隨著弧壓的升高，弧壓達(dá)到一定值時(shí)形成弧壓有效信號(hào)，用以管理送絲/退絲邏輯電路，即當(dāng)弧壓有效時(shí)送絲，弧壓無(wú)效時(shí)退絲，再與電流有效信號(hào)配合，在有弧壓，無(wú)電流時(shí)，能確保初始過(guò)程在一個(gè)較低的送絲速度下進(jìn)行，當(dāng)即有弧壓又有電流時(shí)，提供正常的送絲速度調(diào)整。

圖6 直流電機(jī)電流和電壓的測(cè)試波形

在設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)頻率10 kHz，圖6為直流電機(jī)輸出電流和輸出電壓的測(cè)試波形，此時(shí)的占空比為75%，通過(guò)測(cè)試轉(zhuǎn)速值與給定值誤差很小，因此，軟件鎖相環(huán)能很好地控制焊接系統(tǒng)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

5 結(jié)論

采用軟件鎖相環(huán)技術(shù)的原理對(duì)電機(jī)精確控制的方法，分析了鑒相器、壓控振蕩器和濾波器的工作原理，并介紹了電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制模式，介紹了焊接特性曲線。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了送絲電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法的可行性。

[1]翟玉喜，曹玉璽.一種數(shù)字化送絲調(diào)速系統(tǒng)[J].電焊機(jī)，2006，36（11）：56-57.

[2]王福昌，魯昆生.鎖相技術(shù)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，1996.

[3]潘年明，吳文秀.高壓管匯自動(dòng)焊接系統(tǒng)—送絲機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)（一）[J].電焊機(jī)，2009，39（2）：90-96.

[4]何建萍，張春波，吳毅雄，等.數(shù)字化TIG焊機(jī)菜單式人機(jī)界面的研究[J]，電焊機(jī)，2004，32（4）：56-60.

[5]曹太強(qiáng)，許建平，徐順剛.光伏發(fā)電在電動(dòng)閥門(mén)中的應(yīng)用[J].電子科大學(xué)報(bào)，2009，38（1）：92-96.

[6]黎振龍，潘厚宏.埋弧焊H橋送絲電路研究[J].電焊機(jī)，2007，37（11）：53-55.

[7]王振民，董 飛，薛家祥，等.GMAW焊送絲機(jī)PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)[J].電焊機(jī)，2007，37（2）：34-36.