专利名称：一种全数字pwm控制的交流脉冲mig焊接系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种全数字P丽控制的交流脉冲MIG焊接系统，属于焊接设 备及自动化领域。
技术背景交流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ACPMIG 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，系统的功能还不完善，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焊接控制系统的上述不 足，提出了一种全数字P醫控制的交流脉冲MIG焊接系统，该系统具有如下优点.-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l和控 制电路2;主电路l包括有整流滤波电路l.l、 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 系统D;其中，送丝系统包括有焊枪开关信号Dl、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Cl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 Bl、 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系统A3、电流采样及滤波电路 Al、电压及采样滤波电路A2、 CPLD系统A5和保护电路A4;电流采样及滤 波电路Al和电压及采样滤波电路A2的一端与DSP系统A3相连，另一端与 主电路1中的LEM块相连；DSP系统A3分别与CPLD系统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、送丝系统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系统 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Bl相连， 一 次 逆变驱动电路Bl接收来自CPLD系统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)悍接过程实时可控、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系统和CPLD系统配合起来，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。
图1焊接系统结构组成2交流脉冲MIG焊电流波形控制3DSP系统主程序软件方案4CPLD系统主程序软件方案5数字时钟分频程序流程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lmm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系统和CPLD系统配合起来，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。其中将两个系统配合起来为本实 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、送丝系统部分D。其中，核心控制部分A包括有DSP控 制系统A3及与其相连的电流采样及滤波电路Al、电压及采样滤波电路A2， 电流采样及滤波电路Al、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; —次逆变驱动电路Bl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 控制系统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控制系统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;送丝系统包括焊 枪开关信号Dl，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。焊接系统包括主电路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FUJ6RI100G-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的控制系统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(30(iH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。焊接系统控制电路部分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Al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Al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 Cl，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，使整个焊接系统协调工作，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Bl，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为外围设备控制及执行部分。焊接参数预置Cl 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。送丝系统D执行着来源于焊枪开关Dl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Cl的送丝速度给定给DSP系统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VPPMIG7焊接控制系统核心，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系统程序控制和数字化PWM 控制，下面分别进行详细说明。焊接过程DSP系统程序控制，参照程序流程图对本实例进行详细说明 VP PMIG焊控制系统采用软件编程实现控制，既可以减少硬件控制系统 的复杂性，又可以增强系统的柔性控制。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、系统初始化程序、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，系统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/p、 EP极性脉冲电流时间rp、 EP极性基值电流/^、 EP极性基值电流时间rbl、 EP极性基值电流/b2 、 EP极性基值电流时间rb2 、 EN极性基值电流/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系统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系统A3把经过PI运算的数据传输给CPLD系统A5，在CPLD系统里产生数 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VPPMIG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/p调节范围100-400A; EP极性脉冲电流时间Tp调节范围0-5ms;EP极性基值电流/M调节范围20-100A;EP极性基值电流时间T^调节范围0-100ms; EP极性基值电流/b2调节范围20-100A; EP极性基值电流时间Tb2调节范围0-10ms; EN极性基值电流/en调节范围20-100A; EN比率调节范围0-50%;送丝速度调节范围l-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系统主要包括数字PWM程序、时钟分频程序、数字滤波程序和PWM保护程序。在系统上电后，CPLD完成系统初始化，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控制电路的系统输入时钟12MHz，数字保护电路程序中需要的 时钟频率是比较小，需要对系统时钟进行分频设计。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系统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。 竞争是不可避兔的。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电弧焊接系统针可用于lmm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VPPMIG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，在硬件系统上大大改善了控制效果，实现了精确实时控制的目的。以上所述为本系统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。只要其系统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。
权利要求
1. 一种全数字PWM控制的交流脉冲MIG焊接系统，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)和送丝系统(D)；其中，送丝系统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系统(A3)、电流采样及滤波电路(A1)、电压及采样滤波电路(A2)、CPLD系统(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系统(A3)相连，另一端与主电路(1)中的LEM块相连；DSP系统(A3)分别与CPLD系统(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)、送丝系统(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系统还与保护电路(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系统(A5)的数字化PWM信号。
全文摘要
本发明涉及一种全数字PWM控制的交流脉冲MIG焊接系统，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系统、电流采样及滤波电路、电压及采样滤波电路、CPLD系统和保护电路。DSP系统分别与CPLD系统、前面板输入及显示部分中的焊接参数给定、焊接参数显示、送丝系统中的焊枪开关信号、气阀开关量信号和送丝给定信号相连，CPLD系统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系统和CPLD系统结合起来，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。
文档编号B23K9/12GK101249582SQ20081010289
公开日2008年8月27日 申请日期2008年3月28日 优先权日2008年3月28日
发明者卢振洋, 曾军辉, 琳 马, 黄鹏飞 申请人:北京工业大学