专利名称：电焊机软开关模糊pid控制焊接电源的单片机控制方法
技术领域：
本发明涉及一种模糊PID控制焊接电源控制方法技术领域，特别是软开关模糊 PID控制焊接电源控制方法技术领域，具体是指一种电焊机软开关模糊PID控制焊接电源 的单片机控制方法。
背景技术：
软开关技术使得功率开关管在开关过程瞬间电流轨迹和管压降轨迹错开，在较大 程度上解决了功率开关管损耗和开关应力过大的问题，减少了功率器件的du/dt和di/dt 造成的电磁干扰，提高了效率。因此，软开关式焊接电源是一种具有广阔前景的新型焊接电 源。随着单片机技术在焊接电源中的应用，焊接电源的柔性化设计成为可能，焊接电 源设计时间大大缩短，正朝着模块化方向发展。因此，集合软开关技术和单片机技术搭建一 个焊接电源平台来研制开发焊条焊、TIG焊、0)2焊、埋弧焊等焊接电源显得十分有意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电焊机软开关模糊PID控制焊接电源的单片机控制 方法，该单片机控制方法可设定焊接参数和监控电源工作、操作简单、效率高、由其控制的 电源用途范围广。为了达到上述的目的，本发明提供一种电焊机软开关模糊PID控制焊接电源的单 片机控制方法，其特点是，通过单片机控制单元设定焊接参数，输出给定电流，经过A/D转 换器转换成模拟量和反馈电流进行PI调节，PI调节后的值送入电流模式的PWM芯片，然 后输出PWM驱动脉冲，经驱动变压器隔离放大后用于驱动软开关模糊PID控制焊接电源的 Fuzzy-PID。较佳地，还包括当过热、欠电压或空载时，单片机控制装置输出封锁信号封锁 PWM芯片，从而封锁输出。较佳地，还包括步骤单片机控制单元利用通用同步和异步串行接收器和转发器 与表头单片机实现通信，实时把焊接数据发送给表头单片机。较佳地，还包括步骤单片机控制单元利用串行外设接口通过总线实现与遥控器 的远距离通信。采用了本发明的电焊机软开关模糊PID控制焊接电源的单片机控制方法，由于本 发明用于控制的电源采用软开关技术，因此性能稳定，效率高，功耗小，具有良好的电气性 能；本发明采用3片单片机，省去了大量的模拟电路，结构简洁、可设定焊接参数和监控电 源工作、操作简单、效率高，另外整个单片机系统采用先进的Atmega单片机，系统占用空 间富余多，可以在线编程随时对焊机进行在线升级；本发明控制的电源可用于焊条焊、TIG 焊、0)2焊、埋弧焊等。
图1是受本发明控制的焊接电源的主电路示意图。图2是本发明的控制信号和主电路波形示意图。图3是本发明的一具体实施例的结构示意图。图4是本发明的一具体实施例的主程序流程图。图5是本发明的一具体实施例的PWM芯片的外围电路图。
具体实施例方式以下将对本发明的焊机性能实时记录方法作进一步的详细描述。请参阅图1 图5所示，本发明的电焊机软开关模糊PID控制焊接电源的单片机 控制方法，通过单片机控制单元设定焊接参数，输出给定电流，经过A/D转换器转换成模拟 量和反馈电流进行PI调节，PI调节后的值送入电流模式的PWM芯片，然后输出PWM驱动脉 冲，经驱动变压器隔离放大后用于驱动软开关模糊PID控制焊接电源的Fuzzy-PID。较佳地，还包括当过热、欠电压或空载时，单片机控制装置输出封锁信号封锁 PWM芯片，从而封锁输出。较佳地，还包括步骤单片机控制单元利用通用同步和异步串行接收器和转发器 与表头单片机实现通信，实时把焊接数据发送给表头单片机。较佳地，还包括步骤单片机控制单元利用串行外设接口通过总线实现与遥控器 的远距离通信。用于本发明的电焊机软开关模糊PID控制焊接电源的单片机控制系统，包括单片 机控制装置、A/D转化器、PI调节单元、PWM芯片、及用于驱动开关模糊PID控制焊接电源的 Fuzzy-PID的驱动变压器，所述单片机控制装置包括单片机控制单元、分别与所述单片机控 制单元连接的上电复位单元和时针单元，所述单片机控制单元通过所述A/D转化器连接所 述PI调节单元，所述PI调节单元通过所述PWM芯片连接所述驱动变压器。较佳地，所述单片机控制装置还包括表头单片机，所述表头单片机连接所述单片 机控制单元。较佳地，所述单片机控制装置还包括遥控器单片机，所述遥控器单片机连接所述 单片机控制单元。较佳地，所述单片机控制单元连接所述PWM芯片。上述的单片机控制系统的软开关模糊PID控制焊接电源的功率电路原理如图 1所示。功率电路采用饱和电感式FB-ZVZCS-PWM变换器拓扑，超前桥臂(Fuzzy-PIDi和 Fuzzy-PID2组成的桥臂)实现零电压开关，滞后桥臂(Fuzzy-PID3和Fuzzy-PID4组成的桥 臂)实现零电流开关，从而实现了软开关Fuzzy-PID焊机的零电压零电流开关(ZVZCS)。阻 断电容Cb衰减环流电流，饱和电感k阻断电流反向增加。Uin为输入直流电压源，VDi VD4 分别是与Fuzzy-PID: Fuzzy-PID4(型号为BSM75GB120DN2)反向并联的二极管，Q, C2分 别是Fuzzy-PID:，Fuzzy-PID2的输出电容和外接电容之和，Lk为变压器I；的漏感，VDE1和 VDK2 (型号MUR200)为输出整流二极管，Lf为输出滤波电感，R为电弧等效电阻。现以图1所 示电路拓扑并采用有限双极性控制为例，说明超前臂零电压、滞后臂零电流的实现原理。Fuzzy-PID: Fuzzy-PID4的控制信号、两桥臂中点电压UAB、变压器一次电流ip和
4电容Cb两端电压U。b的波形如图2所示。t0时刻关断Fuzzy-PIDp由于Fuzzy-PIDi并联电容Q两端电压不能突变，所以 Fuzzy-PIDi零电压关断。此后CpQ开始充放电，时刻充放电结束，VD2导通为Fuzzy-PID2 开通创造了零电压开通的条件，一次电流环流开始。此时，电容Cb的电压U。b全加在变压器 的漏感上，一次电流很快衰减，t2时刻一次电流衰减到零，饱和电感阻断电流反向增加，使 一次电流保持为零，从而实现FuZZy-PID4零电流关断。另半个周期的软开关过程与此类似。单片机控制系统构成原理如图3所示。以Atmegal6为核心，与上电复位电路、时 钟电路一起构成单片机最小系统，PD(0 7)输出的给定电流经过D/A转换器7537转换成 模拟量和反馈电流if进行PI调节，PI调节后的值送入电流模式的PWM芯片UC3846，然后 输出PWM驱动脉冲，经驱动变压器隔离放大驱动Fuzzy-PID。当过热、欠电压或空载时，单片 机输出封锁信号封锁UC3846，从而封锁输出。另外，单机利用通用同步和异步串行接收器和 转发器(USART)与表头的单片机实现通信，实时把焊接数据发送给表头单片机，利用串行 外设接口 SPI通过485总线实现与遥控器的远距离通信。单片机控制系统共采用了 3片Atmega单片机，主控板、表头和遥控器分别用一片 单片机，主控单片机与表头单片机和遥控单片机实现通信。下面以SMAW焊机为例，介绍3 片单片机的功能。(1)主控单片机负责整个焊机的管理功能，并实时与表头单片机和遥控器单片机 实现通信。它具有参数设定和开关量输入功能，设定参数包括焊接电流、推力电流、引弧电 流、引弧时间、电缆长度，开关量输入包括过热保护信号、弧压状态Virm、引弧成功信号等， PD(0 7) 口输出不同焊接状态时刻的给定电流(即叠加引弧电流、推力电流)，并根据需 要及时输出保护信号封锁输出。(2)表头单片机负责采样三相电输入、弧压和反馈电流，并和主控单片机发送过来 的焊接参数一并显示。因有专门的单片机负责显示，所以显示参数大大增加(显示参数5 个焊接电流、推力电流、引弧电流、引弧时间、电缆长度；焊接参数6个焊接时电流、A，B, C三相输入电压、弧压、累计焊接时间)。(3)遥控器单片机可以在遥控方式时设定焊接电流和推力电流，实时显示主控单 片机发送过来的焊接电流和弧压参数，而且能及时根据故障情况点亮故障灯。ATmegalB单片机是基于增强AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其 先进的指令集和单时钟周期指令执行时间，ATmegalB的数据吞吐率高达lMIPS/MHz，从而 可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。它具有16kB的系统内可编程Flash(具有同 时读写能力，即RWW)，512B的EEPROM，lkB的SRAM，32个通用I/O 口线，32个通用工作寄存 器，支持片内调试与编程，3个具有比较模式的灵活的定时器/计数器、片内/外中断，可编 程串行USART，8路10位具有可选差分输入级可编程增益的ADC，振荡器的可编程看门狗定 时器，1个SPI串行端口，而且价格适中，因此具有极高的性价比。以SMAW焊机为例，主控单片机的软件主要由以下几个部分组成主程序、初始化 程序、A/D转换程序、引弧程序、电缆补偿程序、加减推力中断程序、通信程序。主程序流程 图如图4所示。上电后复位后，程序从002AH开始运行。系统先执行初始化子程序，并封锁焊机输 出，然后完成各参数的初始值设定。当选用遥控方式时，接受遥控器上的设定参数，否则接受本机参数。单片机根据输入的电缆长度和焊接电流值计算出输出电缆压降，自动计算出 叠加推力电流弧压拐点值。随后焊机检测弧压状态Vim是否为1 (即焊条是否与工件接触)， 为1时，焊机解除封锁，开中断，并开始执行引弧程序，即输出叠加了引弧电流后的焊接电 流给定值，当引弧时间到了以后取消引弧电流，输出正常的焊接电流值。焊机检测弧压，当 弧压低于单片机计算后的拐点值时利用外部中断进入中断子程序叠加推力，输出叠加推力 值后的焊接电流给定值。由于系统采用Atmega单片机，占用空间富余多，可以在线编程对焊接电源进行升 级。ZVZCS-PWM软开关控制电路以电流模式的UC3846芯片为核心，UC3846芯片采用峰 值电流模式控制方法，即开关器件在固定时间开通，电流瞬时值达到电流给定值时，开关器 件关断。UC3846外围电路见图5。给定值和反馈值经PI调节后的值输入UC3846的5脚(误差放大器同向输入端)、 6脚(误差放大器反向输入端)和7脚(补偿端)相连，接成跟随器形式，形成电压外环输 入反馈。一次电流检测值输入4脚(电流检测放大器正输入端)，进行瞬时电流反馈，形成 电流内环反馈.因为电流模式变换器工作在占空比大于50%和连续电感电流条件下会产生分谐 波振荡，它是由固定频率和峰值电流取样同时工作状况所引起的。为此，利用8脚(振荡输 出端)输出的锯齿波对4脚进行斜率补偿。11，14脚输出2路P丽信号，分别送U5为核心的脉宽展宽电路，形成滞后桥臂的2 路固定脉宽触发信号；10脚(同步信号输出端)输出的脉冲送固定脉宽展宽电路形成2路 固定脉宽的死区；16脚接保护信号，只要有高电平的保护信号输入，11，14脚停止PWM信号 的输出，从而封锁超前桥臂。针对所设计的控制电路，利用四通道记忆示波器进行检测，图6、图7分别为采集 到的2种不同负载情况下的4个Fuzzy-PID驱动控制信号。由图可知在焊接电流和弧压 较高(焊接电流400A，弧压36V)时，超前桥臂Fuzzy-PIDpFuzzy-PIA脉宽较大，滞后桥臂 Fuzzy-PID3,Fuzzy-PID4固定脉宽，Fuzzy-PID: Fuzzy_PID44组驱动控制信号实现有限双 极性控制方式；当焊接电流58A，弧压6V时，超前桥臂Fuzzy-PIDyy—pn^压缩脉宽，滞后桥 臂FuZZy-PID3，FuZZy-PID4固定脉宽。经过试验和联机调试，结果表明控制电路各部分工作 正常。综上所述，本发明的电焊机软开关模糊PID控制焊接电源的单片机控制方法可设 定焊接参数和监控电源工作、操作简单、效率高、由其控制的电源用途范围广。在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出 各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的 而非限制性的。
权利要求
一种电焊机软开关模糊PID控制焊接电源的单片机控制方法，其特征在于，通过单片机控制单元设定焊接参数，输出给定电流，经过A/D转换器转换成模拟量和反馈电流进行PI调节，PI调节后的值送入电流模式的PWM芯片，然后输出PWM驱动脉冲，经驱动变压器隔离放大后用于驱动软开关模糊PID控制焊接电源的Fuzzy-PID。
2.如权利要求1所述的电焊机软开关模糊PID控制焊接电源的单片机控制方法，其特 征在于，还包括当过热、欠电压或空载时，单片机控制装置输出封锁信号封锁PWM芯片，从 而封锁输出。
3.如权利要求1所述的电焊机的软开关模糊PID控制焊接电源数控方法，其特征在于， 还包括步骤单片机控制单元利用通用同步和异步串行接收器和转发器与表头单片机实现 通信，实时把焊接数据发送给表头单片机。
4.如权利要求1所述的电焊机的软开关模糊PID控制焊接电源数控方法，其特征在于， 还包括步骤单片机控制单元利用串行外设接口通过总线实现与遥控器的远距离通信。
全文摘要
本发明涉及一种电焊机软开关模糊PID控制焊接电源的单片机控制方法，通过单片机控制单元设定焊接参数，输出给定电流，经过A/D转换器转换成模拟量和反馈电流进行PI调节，PI调节后的值送入电流模式的PWM芯片，然后输出PWM驱动脉冲，经驱动变压器隔离放大后用于驱动软开关模糊PID控制焊接电源的Fuzzy-PID，当过热、欠电压或空载时，单片机控制装置输出封锁信号封锁PWM芯片，从而封锁输出，单片机控制单元利用通用同步和异步串行接收器和转发器与表头单片机实现通信，实时把焊接数据发送给表头单片机，利用串行外设接口通过总线实现与遥控器的远距离通信，本发明可设定焊接参数和监控电源工作、操作简单、效率高、由其控制的电源用途范围广。
文档编号G05B11/42GK101856764SQ20091004894
公开日2010年10月13日 申请日期2009年4月7日 优先权日2009年4月7日
发明者舒俊 申请人:上海沪工电焊机制造有限公司