一种送丝机调速系统的控制方法与流程

本发明涉及焊机送丝机控制，尤其涉及一种送丝机调速系统的控制方法。

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背景技术：
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在溶化极气体保护焊中，等速送丝是传统的一种送丝方式，而现有对送丝机的控制方案主要有两种。

1、通过采集电机的速度信号(可以是电机反电动势电压，也可以是通过码盘进行采样电机的真实速度)，再通过软件进行环路控制，控制电机的开关管(BUCK电路模式)进行电机调速系统的闭环控制，再通过一个MOS管进行电机的制动控制(耗能型)。这种控制方法的优点是电路简单，缺点是对送丝速度控制的灵活性不够，同时不能实现电机正反转。

2、同样通过采集电机的速度信号，通过控制芯片进行环路控制，同时也对电机进行电流环(转矩环)进行内环控制，也通过H桥实现电机的正反转控制。但是没有专门的电机制动方法，只是简单对电机的H桥进行能量反馈式的制动，同时内部的控制方式是在正转的情况下只是开通H桥的对角开关管Q1，Q3，其另外对角开关管Q2，Q4处于关断状态，需要反转的时候是开通对角开关管Q2，Q4，而对角开关管Q1，Q3是关断状态。而制动控制就是通过反向控制其对角开关减速到零。

这种控制方式存在缺点有：在软件中实现其控制比较复杂。需要对不同情况分别对对角开关管进行控制，由于是单独控制，其软件进行突变控制时候(如在正转的时候突然需要其反转)对于软件来确定其初始状态和突变方式选择也相对困难，如果选择不合适，就会出现不可控状态，超调比较大，环路不稳定。

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技术实现要素：
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本发明要解决的技术问题是提供一种控制简单，动态响应快，速度变化的一致性好的送丝机调速系统的控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种送丝机调速系统的控制方法，送丝机调速系统包括送丝电机、电机电源和调速电路，调速电路包括微处理器、H桥电机驱动电路和电机电流采样电路，送丝电机串接在H桥电机驱动电路的横臂中，H桥电机驱动电路4个开关管的控制端分别接微处理器对应的PWM控制信号输出端，电机电流采样电路的输出端接微处理器对应的采样信号输入端；电机电流采样电路采样到的电流大于设定值时，H桥电机驱动电路切换到单对桥驱动模式，电机电流采样电路采样到的电流小于设定值时，H桥电机驱动电路切换到双对桥驱动模式。

以上所述的控制方法，单对桥驱动模式下，H桥电机驱动电路第一对角线上的一对开关管同时工作，第二对角线上的一对开关管始终关闭；双对桥驱动模式下，H桥电机驱动电路第一对角线上的一对开关管同时工作，第二对角线上的一对开关管同时工作，第一对角线上的一对开关管与第二对角线上的一对开关管的开闭状态互补。

以上所述的控制方法，双对桥驱动模式下，H桥电机驱动电路第一对角线上的一对开关管的占空比为D，第一对角线上的一对开关管的占空比为(1-D-T)，其中T为死区时间。

以上所述的控制方法，调速电路包括和电机转速采样电路，电机转速采样电路的输出端接微处理器对应的采样信号输入端，电机电源包括母线电容；在送丝电机的制动过程中，速度下降到设定值时，将H桥电机驱动电路4个开关管中的两个上管关断，两个下管打开。

以上所述的控制方法，两个上管关断，两个下管打开的具体做法是，先关断H桥电机驱动电路4个开关管一个周期，在下一个周期开通两个下管，保持两个上管的关断状态不变。

本发明送丝机调速系统的控制方法控制过程简单，动态响应快，速度变化的一致性好。

[附图说明]

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例送丝机调速系统的原理框图。

图2是本发明实施例送丝机调速系统的控制方法的流程图。

图3是本发明实施例双对桥驱动模式下H桥电机驱动电路MOS管的驱动波形图。

图4是本发明实施例单对桥驱动模式下H桥电机驱动电路MOS管的驱动波形图。

图5是本发明实施例送丝电机的速度控制图。

[具体实施方式]

如图1所示，本发明实施例送丝机调速系统包括送丝电机、电机电源和调速电路。

调速电路包括微处理器(DSP数字信号处理器)、H桥电机驱动电路、电机电流采样电路和电机转速采样电路。

送丝电机串接在H桥电机驱动电路的横臂中，由H桥电机驱动电路4个开关管控制转速和旋转方向。H桥电机驱动电路4个开关管，MOS管Q1，MOS管Q2，MOS管Q3和MOS管Q4的控制端分别接微处理器对应的PWM控制信号输出端，接口PWM1，PWM2，PWM3，PWM4，接口PWM1，PWM2，PWM3，PWM4负责提供电机MOS管Q1至Q4的驱动信号。

电机电源为系统提供能量，其能量通过MOS管Q1，MOS管Q2，MOS管Q3和MOS管Q4，实现对送丝电机的控制。

电机电流采样电路的输出端和电机转速采样电路的输出端分别接微处理器对应的采样信号输入端。

电机电流采样电路包括霍尔电流传感器，采样送丝电机电流，霍尔电流传感器接微处理器的COMP/TZ接口，霍尔电流传感器采样电机电流，为控制系统提供一个转矩环和电流环的参考。COMP/TZ接口负责对采样过来的电流进行比较，判断。从而能快速关闭PWM接口，为电机过流等异常情况进行快速保护。

电机转速采样电路从送丝电机光栅码盘的脉冲信号，为系统提供电机的真实转速和正反转方向。电机转速采样电路的输出端接微处理器的EQEPA接口和EQEPB接口。

码盘信号为电机速度提供一个采样值。系统通过采样到的速度信号和电流信号通过环路计算控制PWM发波情况，完成对电机的控制。

如图2所示，微处理器先给定一个带方向的速度指令，与送丝电机的实际速度通过码盘采样和微处理器的EQEP模块处理得到一个带方向的实际转速信号比较，再通过数字的PI调节系统进行速度环控制，其结果作为电流环的给定，同时与采样到的实际电流进行比较，再进行电流环的PI调节，得到的PWM波形。经过驱动隔离放大驱动H桥的MOS管。对送丝电机进行控制。

图3所示为双对桥驱动模式，双对桥驱动模式在一个开关周期中，4个MOS管都有开关动作，其中MOS管Q1和MOS管Q4(第一对角线上的一对开关管)开通一致，而且与MOS管Q3成互补，MOS管Q3和MOS管Q2(第二对角线上的一对开关管)同时驱动，DSP微控制器中对这4个驱动采用两组PWM模块，相当于4个PWM驱动口，这样就可以实现分别对4个MOS管单独操作，为送丝电机制动方案提供硬件可能。采用这种驱动方式，其环路参数只需要设定一个MOS管的占空比D，如MOS管Q1的占空比为D1，则其他开关管开通时间就完全确定了，可以得到MOS管Q3的占空比为(1-D1-T)，其中，T为死区时间。MOS管Q4的占空比为D1，MOS管Q2的占空比为(1-D1-T)，双对桥驱动模式的优点是，可以保证速度变化的一致性，动态调节更快，不需要选择环路变化时候的初始值，控制简单，适合对电机有快速变速响应的要求。

在电机变速或者正反转要求时候，设置好MOS管Q3，MOS管Q4，MOS管Q2对应MOS管Q1的要求，只要控制MOS管Q1的占空比D1就可以完全控制整个系统。双对桥驱动模式的缺点是：会带来MOS管额外的损耗。纹波电流电压会比单对桥驱动模式高一倍左右。

图4所示为单对桥驱动模式，单对桥驱动模式下，H桥电机驱动电路第一对角线上的一对开关管MOS管Q1和MOS管Q4同时工作，第二对角线上的一对开关管MOS管Q2和MOS管Q3始终关闭。单对桥驱动模式的缺点是，在电机由高速调到低速的过程中其时间不可控，受负载(如电机的所带的焊丝重量，电机供电线缆长短等)影响很大。对于双脉冲焊接是一个致命的缺点。

为了满足损耗的要求，本发明需要采用兼容上述两种模式优点的技术方案，既满足系统的动态要求同时也满足系统的损耗要求。

本发明的控制方法是，当电机电流大于设定的电流值时(当负载很大，或者不同型号的电机，其最大损耗接近MOS的最大损耗)，切入到单对桥驱动模式，当电机电流小于设定的电流值时，切入到双对桥驱动模式。

送丝机的制动过程容易损坏MOS管是送丝机制动电路一个重要问题，现有技术通过MOS管和电阻耗能模式实现送丝机的制动，这种控制方式除了制动时间不可控外，在负载(包括电机本身)能量很大的时候，靠MOS管和电阻耗能很容易损坏MOS管。

如图5所示，T1～T2区间是电机启动过程，T2～T3区间为电机正常运行过程，T3～T4区间为电机的制动过程1，此三过程处于运行过程，采用上述的控制方式。在T3～T4区间，当送丝速度下降到V1时候(本实施例中设定V1为每分钟1米)为双对桥驱动模式，在T3～T4区间，其能量是通过控制，回馈到母线电容。在T3～T4时间段中，原来用来作为电机功能的两个对角MOS管占空比会变小，而另外的一组对角MOS管会变大，总的能量是通过电机把自身存储的能量通过占空比变大的一组对角MOS管灌入母线电容中，从而达到了电机制动的目的。T4～T5区间的制动过程2是通过关断两个上管，开通两个下管实现的。具体的做法是，先关掉全部4个MOS管一个周期的时间，在下一个周期，也就是20us后，开通MOS管Q3和MOS管Q4，保持MOS管Q1和MOS管Q2关断状态不变。此时电流只是在送丝电机、MOS管Q3和MOS管之间Q4形成通路，电机的能量通过MOS管Q3、MOS管Q4、电机线缆和电机内阻消耗掉。其优点是通过回馈方式已经把大部分的能量都冲入了母线电容。由于母线电容电压高，所以T3～T4段的下降斜率大，但是由于电机速度已经下降到很小值，可以在很短的时间内实现耗能制动，这个时候对MOS管的冲击几乎可以忽略。实现了快速制动和减少对MOS冲击。

本发明上述实施例关断电机是通过能量损耗来实现的，所以在T3～T4区间电机速度下降斜率大，而T4～T5区间电机速度下降斜率较小，本发明采用先回馈减速，再通过分别控制4个MOS开通实现耗能式制动，减少对MOS管的冲击，同时保证制动时间可控。