专利名称：基于fpga的气电立焊弧长控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于焊接金属的焊接设备，尤其是一种气电立焊的控制电路。
背景技术：
电力电子器件经历了工频、低频、中频到高频的发展历程，与此相对应的是，电力 电子电路的控制也从最初由分立元件组成的控制电路发展到集成控制器。目前，电力电子 器件正朝着高频化、耐高压、大电流和集成化的方向进一步发展。集成化的电路设计能够满 足对于电源智能化、微型化、模块化和易维修等特点的要求。电力电子器件的迅速发展，也 为驱动及控制技术带来了更高的性能要求。传统的气电立焊机弧长控制器模拟电路为核 心，无可避免地具有模拟控制电路的一些缺点，主要表现在控制精度低、动态响应慢、参数 整定不方便、温度漂移严重、容易老化等缺点。专用的集成控制芯片大大简化了电力电子电 路的控制线路，提高了控制信号的开关频率，只需要连接若干阻容性元器件就可直接构成 具有校正环节的模拟调节器，提高了电路的可靠性。但是也正由于阻容元器件的存在，模拟 控制电路仍具有一些固有缺陷，如元器件参数的精度和一致性、性能老化等问题依然存在。 此外，模拟集成控制芯片还存在功耗较大、集成度低、控制不够灵活、通用性不强等问题。在电力电子电路中，微控制器(主要指各类单片机)、数字信号处理器(DSP)、工业 控制计算机等笼统称为控制器，其中单片机是应用非常广泛的控制器之一。单片机一般可作为整个电路的主控芯片，实现多种综合功能。单片机控制克服了 模拟电路的固有缺陷，通过数字化的控制方法，得到高精度、高稳定性的控制特性，具有多 种灵活的控制功能。但单片机由于本身结构所造成的运行速度慢、无法提供更高的时钟频 率等缺点制约了其在高频电路中的应用。DSP与单片机相比，则具有了更快的处理速度、更高的集成度和更大的容量。同时， 也存在着一些局限性，如采样频率的选择、PWM信号频率及其精度、采样延时、运算时间及其 精度等，这些因素都会对电路的控制性能产生或多或少的影响。
发明内容本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于FPGA的气电立焊弧长 控制器，可以简化电路，减低成本，增加系统可靠性，能够更好地适应当前对立焊的要求。本实用新型为实现上述目的，采用如下技术方案本实用新型基于FPGA的气电立焊弧长控制器，包括三路小车行走给定电路、电 机电压负反馈电流正反馈电路、隔离光耦电路、AD转换电路、正反面焊枪停留给定电路、焊 接控制信号电路、FPGA控制电路、直流电机驱动电路和焊枪摆动控制电路，其中采样焊接 电流信号送入自动行走给定电路；快速行走给定电路、手动行走给定电路、自动行走给定电 路、电压负反馈电流正反馈电路(1-4)和行程开关信号分别接光耦隔离电路的输入端，光 耦隔离电路的输出端分别接AD转换电路和FPGA控制电路的输入端，正反面焊枪停留给定电路(2-3)接AD转换电路的输入端，焊接控制信号电路的输出端接FPGA控制电路的输入 端，AD转换电路与FPGA控制电路双向连接，FPGA控制电路的输出端分别接直流电机驱动电 路和焊枪摆动控制电路的输入端，直流电机驱动电路的输出端接电机电压负反馈电流正反 馈电路的输入端。所述隔离光耦电路由三个行走给定隔离电路、电机隔离电路和开关信号隔离电 路，其中三个行走给定隔离电路和电机隔离电路结构相同，所述行走给定隔离电路包括三 个电阻、两个放大器、滑动变阻器、光耦E和三个电容，第一电阻的一端接第一放大器的2 脚，第一电阻的另一端接快速行走给定电路或手动行走给定电路或自动行走给定电路或电 压负反馈电流正反馈电路的输出端，第一放大器的3脚分别接第一放大器的1脚和第二放 大器的5脚，第一放大器的4脚分别接+5V直流电源和第一电容的一端，第一电容的另一端 接数字地，第一放大器的11脚分别接-5V直流电源和第二电容的一端，第二电容的另一端 接数字地，第二放大器的6脚分别接第二电阻的一端、第三电容的一端和光耦的4脚，第二 电阻的另一端分别接滑动变阻器的一端和滑动端，滑动变阻器的另一端接数字地，第三电 容的另一端分别接第二放大器的7脚和第三电阻的一端，第三电阻的另一端接光耦的2脚， 光耦的1脚接数字地，光耦的3脚接电源VDD，光耦的6脚接电源VCC，光耦的5脚接AD转 换电路；所述开关信号隔离电路由两个结构相同的子电路构成，每个子电路包括包括三个 电阻、两个放大器、滑动变阻器、光耦E和三个电容，第四电阻的一端接第三放大器的2脚， 第四电阻的另一端接开关行程信号，第三放大器的3脚分别接第一放大器的1脚和第四放 大器的5脚，第三放大器的4脚分别接+5V直流电源和第四电容的一端，第四电容的另一端 接数字地，第三放大器的11脚分别接-5V直流电源和第五电容的一端，第五电容的另一端 接数字地，第四放大器的6脚分别接第五电阻的一端、第六电容的一端和光耦的4脚，第五 电阻的另一端分别接滑动变阻器的一端和滑动端，滑动变阻器的另一端接数字地，第六电 容的另一端分别接第四放大器的7脚和第六电阻的一端，第六电阻的另一端接光耦的2脚， 光耦的1脚接数字地，光耦的3脚接电源VDD，光耦的6脚接电源VCC，光耦的5脚接AD转 换电路。所述AD转换电路包括AD转换芯片U5和U6，电容C34 C37以及C40 C41，其 中快速行走给定电路、手动行走给定电路、自动行走给定电路、电压负反馈电流正反馈电路 的输出端分别接AD转换芯片U6的21、20、19、18脚，AD转换芯片U6的27号脚连电容C35 的正端、电容C34和+5V，AD转换芯片U6的23号脚连电容C36的正端，22号脚连电容C37 的一端；电容C34 C37的另一端与AD转换芯片U6的15号脚相连后接地；AD转换芯片U6 的28号脚接地，1 14号脚、24 26号脚分别接FPGA控制电路；正反面焊枪停留给定电 路(2-3)的输出端与AD转换芯片U5的26号脚和1脚相连；AD转换芯片TO的11号脚连 +5V，13号脚、16号脚和电容C40的负端、电容C41的一端相连后接地，16号脚与电容C41的 另一端、电容 C40 的正端和 +5V ；AD 转换芯片 U5 的 21，20，19，18，8，15，14，17，7，25，24，23， 22，9，6，10号脚分别与FPGA控制电路相连。所述焊接控制信号电路包括六个开关，其中开关Sl的一端与FPGA控制电路相 连，另一端连电源VCC ；开关UP的两个常闭端各自连地和FPGA控制电路相连，常开端连电 源VCC ；开关DOWN的两个常闭端各自连地和FPGA控制电路相连，常开端连电源VCC ；开关
5START的两个常闭端各自连地和开关SWl的3号脚，常开端连电源VCC ；开关SWl的4号脚 接地，2号脚和5号脚相连后接FPGA控制电路，1号脚和6号脚相连后接FPGA控制电路；开 关S6的一端连FPGA控制电路，另一端连电源VCC。本实用新型建立了一种等速送丝方式与平特性电源配合焊接小车变速爬行组成 的焊接电弧复合控制系统。在自动焊接过程，当电弧受干扰长度变长时，电弧的自调节作用 首先起作用。根据自调节原理，焊丝熔化速度变慢以使弧长恢复。但熔化速度的变慢会使 熔池上升速度同样变慢，因而产生一个不利于电弧稳定的速度变化分量。本实用新型中采 样焊接电流作为小车爬升速度控制信号，这时就可以控制小车上升速度，使小车上升速度 变慢，即产生一个小车速度变化量来补偿这个速度分量。故本系统同时具有了等速送丝和 小车变速爬升的优点，能较好地控制焊接中电弧的稳定。
图1是本实用新型实施例的电路框图；图2是本实用新型实施例中模块1的电路图；图3是本实用新型实施例中模块2的电路图；图4是本实用新型实施例中模 块3的电路图。
具体实施方式
以下结合附图对实用新型的技术方案进行详细说明如图1所示，基于FPGA的气电立焊弧长控制器，其特征在于，包括三路小车行走 给定电路(1-1 1-3)、电机电压负反馈电流正反馈电路(1-4)、隔离光耦电路(2-l)、AD转 换电路(2-2)、正反面焊枪停留给定电路(2-3)、焊接控制信号电路(3-1)、FPGA控制电路 (3-2)、直流电机驱动电路(3-3)和焊枪摆动控制电路(3-4)，其中采样焊接电流信号送入自动行走给定电路(1-3)；快速行走给定电路(1-1)、手动行走给定电路(1-2)和自动行走给定电路(1-3)分 别经光耦隔离电路(2-1)后，将信号送入AD转换电路(2-2)；分别采样爬行小车控制电机电压信号和电流信号，经电压负反馈电流正反馈电路 (1-4)和隔离光耦电路(2-1)后送入AD转换电路(2-2)；行程开关信号经隔离光耦电路(2-1)后，将信号送入FPGA控制电路(3_2)；正反面焊枪停留给定电路(2-3)与AD转换电路(2-2)相连；AD转换电路(2-2)与FPGA控制电路(3-2)相连，将模拟信号转换成数字信号后， 输入FPGA芯片内部；焊接控制信号电路(3-1)与FPGA控制电路(3_2)相连，从而选择焊接模式，以及 控制焊接过程的启动与结束；FPGA控制电路(3-2)分别与AD转换电路(2_2)、隔离光耦电路(2_1)和焊接控制 信号电路(3-1)相连，根据接收到的数字信号，产生PWM脉动波形和焊枪时间停留控制信 号，分别送入直流电机驱动电路(3-3)、焊枪摆动控制电路(3-4)；直流电机驱动电路(3-3)将PWM脉动波形转变为直接的直流电机驱动信号，从而 控制直流电机的转动，达到控制焊接小车行走的目的；[0029]焊枪摆动控制电路(3-4)根据FPGA生成的时间停留控制信号，驱动焊枪摆动控制 电机，从而控制焊枪的正反面时间停留定。如图2所示，本实用新型提供了一种基于FPGA的气电立焊弧长控制器。三路行走 给定电路包括快速行走给定电路、手动行走给定电路、自动行走给定电路。变阻器VR5的一端与电容C28的一端相连后接+5V。变阻器VR5的另一端与电阻 R49的一端相连，电阻R49的另一端和C28剩余一端相连后接地。变阻器VR5的中间抽头 与电阻R81的一端相连，电阻R81的另一端分别与电容C32、电阻R80、电阻R9的一端相连。 电容C32和电阻R80剩余的一端相连后接地，电阻R9的另一端接放大器ICl的2号脚。放 大器ICl的4号脚和11号脚分别接+5V和-5V，1号脚、3号脚和5号脚相连。变阻器VR15 的一端接地，中间抽头和另一端相连后接电阻RlO的一端。电阻RlO的另一端与放大器ICl 的6号脚、电容C31的一端相连后接隔离光耦El的4号脚。电容C31的一端与ICl的号脚、 电阻Rll的一端相连，Rll的另一端接隔离光耦El的2号脚。隔离光耦El的1号脚接地， 3号脚连VDD，6号脚连VCC。变阻器VR4的一端与+5V相连，另一端与电阻R48的一端相连，电阻R48的另一端 与变阻器TRAVELSPEED—端相连后接地。变阻器TRAVELSPEED的另一端和中间抽头分别与 变阻器VR4的中间抽头和电阻R82的一端相连。电阻R82的另一端分别与电容C29、电阻 R6、电阻R83的一端相连，电容C29、电阻R6的另一端相连后接地，电阻R83的另一端与放大 器IC2的9号脚相连。放大器IC2的8号脚、10号、12号脚相连。变阻器VR14的一端接地， 中间抽头和另一端相连后接电阻R7的一端。电阻R7的另一端与放大器IC2的13号脚、电 容C30的一端相连后接隔离光耦E2的4号脚。电容C30的一端与放大器IC2的14号脚、 电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端接隔离光耦E2的2号脚。隔离光耦E2的1号脚接 地，3号脚连VDD，6号脚连VCC。变阻器VR12的中间抽头和一端相连后接-5V，另一端与变阻器TOLD⑶RRENT的一 端相连，变阻器WELD⑶RRENT的另一端与变阻器VRll的一端相连，变阻器VRll的中间抽头 与其另一端相连后接地。变阻器WELD⑶RRENT的中间抽头接电阻R72的一端，电阻R72的 另一端与放大器IC4的12脚相连。放大器IC4的13号脚与电阻R73的一端相连，变阻器 VRlO的中间抽头和一端相连后接电阻R73的另一端、放大器IC4的14号脚。变阻器VRlO 的另一端与变阻器STICK0UT的一端相连。变阻器STICK0UT的另一端与变阻器VR9的一端 相连，变阻器VR9中间抽头和另一端相连后接地。变阻器STICK0UT的中间抽头与电阻R74 的一端相连，电阻R74的另一端与放大器IC4的2号脚、电阻R75的一端、电阻R59的一端相 连，电容C19的正端相连。电阻R59的另一端与变阻器VR13的中间抽头相连，变阻器VR13 的两端分别与电阻R77、电阻R78的一端相连，电阻R77的另一端接-5V，电阻R78的另一端 接地。电容C19的负端与电容C20的负端相连，电容C20的正端与电阻R75的另一端、放大 器IC4的1号脚相连、电阻R52的一端相连。放大器IC4的3号脚、4号脚和11号脚分别接 +5V、-5V、电阻R76的一端，电阻R76的另一端接地。焊接中采样焊接电流，利用600A 60mA 的分流器将转换的电压信号接入电阻R61的一端。电阻R61的另一端接电阻R62的一端和 放大器IC3的13号脚。放大器IC3的4号脚、11号脚、12号脚分别接+5V、_5V、电阻R63的 一端，电阻R63的另一端接地。电阻R62的另一端接变阻器VR8的一端，变阻器VR8的另一 端与中间抽头现连后接放大器IC3的14号脚、电阻R64的一端。电阻R64的另一端与电阻R65的一端相连。电阻R65的另一端与电阻R66的一端、电容Cll的正端相连。电阻R66的 另一端与电阻R67的一端相连，电阻R67的另一端接放大器IC3的10号脚、电容C14的正 端相连。电容C14的负端接电容C13的负端，电容C13的正端接地。电容Cll的负端接电 容C12的负端，电容C12的正端与放大器IC3的8号脚、9号脚、电阻R68的一端相连。电阻 R68的另一端与电阻R69的一端相连。电阻R69的另一端与电阻R70的一端、电容C15的正 端相连。电阻R70的另一端与电阻R71的一端相连，电阻R71的另一端接放大器IC3的5号 脚、电容C18的正端相连。电容C18的负端接电容C17的负端，电容C17的正端接地。电容 C15的负端接电容C16的负端，电容C16的正端与放大器IC3的7号脚、6号脚、电阻R53的 一端相连。电阻R52、R53的另一端与电阻R54的一端、电容ClO的一端、放大器ICl的9号 脚相连。放大器ICl的10号脚连电阻R55的一端，电阻R55的另一端接地。电阻R54的另 一端接变阻器VR7的一端，变阻器VR7的另一端与中间抽头相连后与电容ClO的另一端、放 大器ICl的8号脚、电阻R56的一端相连。电阻R56的另一端与电阻R60的一端、电阻R57 的一端、放大器ICl的13号脚相连。电阻R60的另一端连变阻器VR6的中间抽头，变阻器 VR6的两端分别接地和连+5V。电阻R57的另一端连放大器ICl的14号脚和电阻Rl的一 端，放大器ICl的12号脚连电阻R58的一端，电阻R58的另一端接地。电阻Rl的另一端分 别与电容C4、电阻R2、电阻R3的一端相连，电容C4、电阻R2的另一端相连后接地。电阻R3 的另一端与放大器IC2的2号脚相连，放大器IC2的1号脚、3号、5号脚相连。变阻器VR3 的一端接地，中间抽头和另一端相连后接电阻R4的一端。电阻R4的另一端与IC2的6号 脚、电容C27的一端相连后接隔离光耦E3的4号脚。电容C27的一端与IC2的7号脚、电 阻R5的一端相连，电阻R5的另一端接E3的2号脚。隔离光耦E3的1号脚接地，3号脚连 VDD, 6号脚连VCC。隔离光耦El、E2、E3的5号脚分别接AD转换芯片U6的19、18、17号脚。AD转换 芯片U6的27号脚连电容C35的正端、电容C34的一端后接+5V，23号脚连电容C36的正 端，22号脚连电容C37的一端，28号脚接地。电容C34 C37的另一端与AD转换芯片U6 的15号脚相连后接地。AD转换芯片TO的1 14号脚、24 26号脚分别接FPGA芯片Ul 的 175、179、181、182、185、187、188、189、191 193、195、197、198、170、176、180 号脚。电路的15号输出脚连电阻R15的一端，电阻R15的另一端与放大器IC6的2号脚 相连，放大器IC6的1号脚、3号、5号脚相连。放大器IC6的4号脚、11号脚分别接+5V、_5V。 变阻器VR16的一端接地，中间抽头和另一端相连后接电阻R17的一端。电阻R17的另一端 与放大器IC6的6号脚、电容C38的一端相连后接隔离光耦E4的4号脚。电容C38的一端 与放大器IC6的7号脚、电阻R21的一端相连，电阻R21的另一端接隔离光耦E4的2号脚。 隔离光耦E4的1号脚接地，3号脚连VDD，6号脚连VCC。电路的16号输出脚连电阻R16的一端，电阻R16的另一端与放大器IC6的9号脚 相连，放大器IC6的8号脚、10号、12号脚相连。变阻器VR17的一端接地，中间抽头和另一 端相连后接电阻R18的一端。电阻R18的另一端与放大器IC6的13号脚、电容C39的一端 相连后接隔离光耦E5的4号脚。电容C39的另一端与放大器IC6的14号脚、电阻R20的 一端相连，电阻R20的另一端接隔离光耦E5的2号脚。隔离光耦E5的1号脚接地，3号脚 连VDD，6号脚连VCC。电路的17、18号脚分别接变阻器VR1、变阻器VR2的一端，变阻器VR1、VR2的另一
8端跟各自的中间抽头相连后，分别与AD转换芯片TO的26号脚和1号脚相连。隔离光耦 E4、隔离光耦E5的5号脚分别与FPGA芯片Ul的90号脚和92号脚相连。AD转换芯片U5 的11号脚连+5V，13号脚、16号脚和电容C40的负端、电容C41的一端相连后接地，16号脚 与电容C41的另一端、电容C40的正端相连后接+5V。AD转换芯片U5的21，20，19，18，8， 15，14，17，7，25，24，23，22，9，6，10 号脚分别与 FPGA 芯片 Ul 的 68 70，72，74 77，80 82，84，86 89 相连。开关Sl的一端连FPGA芯片Ul的4号脚，另一端连VCC。开关UP的两个常闭端 各自连地和FPGA芯片Ul的35号脚，常开端连VCC。开关DOWN的两个常闭端各自连地和 FPGA芯片Ul的41号脚，常开端连VCC。开关START的两个常闭端各自连地和开关SWl的3 号脚，常开端连VCC。开关SWl的4号脚接地，2号脚和5号脚相连后接FPGA芯片Ul的14 号脚，1号脚和6号脚相连后接FPGA芯片Ul的10号脚。开关S6的一端连FPGA芯片Ul的 6号脚，另一端连VCC。FPGA芯片Ul的149 151号脚分别接电机驱动芯片L298的EN，IN2, INl端相连。 137和141号脚与电路的21，22输出端相连。110号脚连固态继电器S5的“+ ”。固态继电 器S5的“_”接地，另外两端分别接电路的19、20号脚。L298的GND接地，Vss端与电容C42 的正端，电容C43的一端相连后接+5V，电容C42的负端与电容C43的另一端相连后接地。 SENSINGA端与电阻R23的一端相连，电阻R23的另一端接地。L298的Vs端、电容C44的一 端、电容C45的正端、二极管D1、二极管D2的负端相连后接+24V。电容C44的另一端与电 容C45的负端相连后接地。L298的OUTl端与二极管Dl正端、二极管D3负端相连后接电机 的一端，0UT2端二极管D2正端、二极管D4负端相连后接电机的另一端，二极管D3和二极 管D4的正端相连后接地。从L298的电机电流采样端SENSINGA接电阻R26和电阻R33的一端，电阻R26的另 一端与电容C6的一端相连后接地。电容C6和电阻R33的另一端与电阻R34的一端相连， 电阻R34的另一端与电阻R35和电容C8的一端、放大器IC5的6号脚相连。放大器IC5的 4号脚与11号脚分别与+5V、-5V相连，5号脚与电阻R36的一端相连，电阻R36的另一端接 地。放大器IC5的7号脚与电阻R37的一端相连，电阻R37的另一端与电容C9的一端、电 阻R38的一端相连。电阻R38的另一端与变阻器VR13的一端相连。变阻器VR13的中间抽 头与另一端相连后与电容C9的另一端，放大器IC5的1号脚，电阻R41的一端相接。放大 器IC5的3号脚连电阻R39的一端，电阻R39的另一端接地。从L298的OUTl端采样电机 电压接电阻R27的一端，电阻R27的另一端与电阻R28、电阻R29的一端相连，电阻R28的另 一端与电容C5的一端相连后接地，电阻R29和电容C5的另一端相连后接电阻R30的一端。 电阻R30的另一端接电阻R31的一端、电容C7的一端、放大器IC5的9号脚。放大器IC5 的10号脚连电阻R32的一端，电阻R32的另一端接地。电阻R31、电容C7的另一端与放大 器IC5的8号脚相连后接电阻R40的一端。电阻R40、R41的另一端相连后接放大器IC5的 12号脚。放大器IC5的13号脚连电阻R42的一端，电阻R42的另一端与放大器IC5的14 号脚、电阻R12的一端相连。电阻R12的另一端与放大器IC4的6号脚相连，放大器IC4的 5号脚、7号、10号脚相连。变阻器VR18的一端接地，中间抽头和另一端相连后接电阻R13 的一端。电阻R13的另一端与放大器IC4的9号脚、电容C33的一端相连后接隔离光耦E6 的4号脚。电容C33的一端与放大器IC4的8号脚、电阻R14的一端相连，电阻R14的另一
9端接隔离光耦E6的2号脚。隔离光耦E6的1号脚接地，3号脚连VDD，6号脚连VCC，5号脚 连MAX196的16端。FPGA 芯片 Ul 的 98、91、71、62、148、136、122、109、202、194、183、172、166、42、29、7 号脚与 3. 3V 相连，53、155、32、66、79、120、178、190 号脚与 1. 2V 相连，9、25、36、38、49、159、 167、174、177、184、186、196、204、111、119、124、140、153、55、65、73、78、85、93、100、158、 156、154、54、52、50号脚与地相连。FPGA芯片Ul的157号脚与电感Li、电容C63 C65的 一端相连，电感Ll的另一端接3. 3V，电容C63 C65的另一端相连后接地。FPGA芯片Ul 的53号脚与电感L2、电容C66 C68的一端相连，电感L2的另一端接3. 3V，电容C66 C68的另一端相连后接地。FPGA芯片Ul的23号脚连电阻R51的一端，电阻R51的另一端 与晶振Xl的3号脚相连，晶振Xl的2号脚接地，4号脚与3. 3V和电容C46的一端相连，电 容C46的另一端接地。FPGA配置芯片U2的3，7，8号脚相连接3. 3V，4号脚接地，2号脚连 FPGA芯片Ul的20号脚和插针Jl的7号脚，6号脚连FPGA芯片Ul的21号脚和插针Jl的 1号脚。配置芯片U2的1号脚和5号脚分别与插针Jl的8号脚和9号脚相连。FPGA芯片 Ul的19号脚连电阻R25的一端和插针J2的9号脚，17号脚连电阻R43的一端和插针J2的 5号脚。电阻R25和电阻R43的另一端相连后接3. 3V。FPGA芯片Ul的18号脚连电阻R44 的一端和插针J2的1号脚，电阻R44的另一端接地。FPGA芯片Ul的16号脚连插针J2的 3号脚，22号脚连电阻R45的一端和插针Jl的6号脚，R45的另一端连插针Jl的2、10号 脚后接地。FPGA芯片Ul的123号脚连电阻R46的一端和插针Jl的3号脚，26号脚连电阻 R47的一端和插针Jl的5号脚，121号脚连电阻R50的一端，37和38号脚相连后接地，电阻 R46、R47、R50的另一端相连。插针J2的2号脚和10号脚相连后接地。插针J1、J2的4号 脚分别接3. 3V。以下通过具体实施例说明本电路的工作过程。打开总电源后，FPGA配置芯片U2自动将程序读入到FPGA芯片Ul内部。按下开 关S2，电路开始工作。按下开关UP或开关DOWM后，电路启动快速行走方式，给定电压从变 阻器VR5的中间抽头开始先经电阻R81、R82分压，后经由电阻R9、放大器ICl、变阻器VR15、 电阻R10、电阻Rl 1、隔离光耦E1、电容C31、电阻Rll组成的光耦隔离电路后进入AD转换芯 片U6的19号脚。AD转换芯片U6的27号脚连电容C35的正端、电容C34的一端后接+5V， 23号脚连电容C36的正端，22号脚连电容C37的一端，28号脚接地。电容C34 C37的另 一端与AD转换芯片U6的15号脚相连后接地。FPGA芯片Ul发送控制信号到AD转换芯片 U6的2、25、26号脚，AD转换芯片TO的3 14号脚发送转换成的数字信号送入FPGA芯片 Ul。FPGA芯片Ul发送PWM波信号和正反转信号到电机驱动芯片L298的INl，IN2, EN,当 按下的开关为UP时，mi输入为“1”，IN2输入为“0”，此时电机正转；当按下开关为DOWN 时，mi输入为“0”，IN2输入为“1”，此时电机反转。L298的GND接地，Vss端与电容C42 的正端，电容C43的一端相连后接+5V，电容C42的负端与电容C43的另一端相连后接地。 L298的电机驱动电源输入端Vs端与电容C44的一端、电容C45的正端、二极管D1、二极管 D2的负端相连后接+24V。电容C44的另一端与电容C45的负端相连后接地。L298的OUTl 端与二极管Dl正端、二极管D3负端相连后接电机的一端，0UT2端二极管D2正端、二极管 D4负端相连后接电机的另一端，二极管D3和二极管D4的正端相连后接地。电机驱动波形 从OUTl和0UT2输出，驱动电机的转动，四个二极管起防止电机产生反向电压烧毁芯片的作用，上方两个管子释放电压，下方两个管子防止电压过大。在小车爬行中，L298的SENSINGA 端与电阻R23的一端相连，电阻R23的另一端接地。从SENSINGA端采样电机电流，接电阻 R26和电阻R33的一端，经电阻R26、电阻R33、电容C6、电阻R34、电阻R35、电容C8、放大器 IC5、电阻R36、电阻R37、电容C9、电阻R38、变阻器VR13组成的调整电路，输入电阻R41的 一端；OUTl端采样电机电压接电阻R27的一端，经电阻R27、电阻R28、电阻R29、电容C5、电 阻R30、电阻R31、电容C7、放大器IC5、电阻R32、电阻R31、电容C7组成的调整电路，输入到 电阻R40的一端。电压负反馈电流正反馈经电阻R41、电阻R42、放大器IC5组成的跟随电 路，从放大器IC5的14号脚输出到电阻R12的一端相连，经R12、放大器IC4、变阻器VR18、 电阻R13、电容C33、隔离光耦E6、电阻R14组成的光耦隔离电路，输入到AD转换芯片U6的 16端，再以数字信号形式读入到FPGA芯片Ul内部，由给定信号与电压负反馈电流正反馈信 号得出差，调整PWM波的输出，起到稳速作用。开关SWl放在一档即为手动焊接模式，先由变阻器TRAVELSPEED调节小车爬升速 度给定，输入到电阻R82的一端相连。经由电阻R82、电容C29、电阻R6、电阻R83、放大器 IC2、变阻器VR14、电阻R7、电容C30、隔离光耦E2、电阻R8组成的光耦隔离电路后进入芯片 MAX 196的18号脚。MAX196的27号脚连电容C35的正端、电容C34的一端后接+5V，23号 脚连电容C36的正端，22号脚连电容C37的一端，28号脚接地。电容C34 C37的另一端 与AD转换芯片U6的15号脚相连后接地。FPGA芯片Ul发送控制信号到AD转换芯片U6 的2、25、26号脚，AD转换芯片TO的3 14号脚发送转换成的数字信号送入FPGA芯片U1。 按下开关S2和开关START，FPGA芯片Ul发送PWM波信号和电机正转信号到电机驱动芯片 L298的INI, IN2，EN，即INl输入为“1”，IN2输入为“0”。L298的GND接地，Vss端与电容 C42的正端，电容C43的一端相连后接+5V，电容C42的负端与电容C43的另一端相连后接 地。L298的电机驱动电源输入端Vs端与电容C44的一端、电容C45的正端、二极管D1、二 极管D2的负端相连后接+24V。电容C44的另一端与电容C45的负端相连后接地。L298的 OUTl端与二极管Dl正端、二极管D3负端相连后接电机的一端，0UT2端二极管D2正端、二 极管D4负端相连后接电机的另一端，二极管D3和二极管D4的正端相连后接地。电机驱动 波形从OUTl和0UT2输出，驱动电机的转动，四个二极管起防止电机产生反向电压烧毁芯片 的作用，上方两个管子释放电压，下方两个管子防止电压过大。小车开始爬升的同时，电路 的21和22号输出端信号接通，即焊枪开关接通，开始焊接过程；断开开关START，焊接过程 结束，小车停止爬升。焊接中，L298的SENSINGA端与电阻R23的一端相连，R23的另一端接 地。从SENSINGA端采样电机电流，接电阻R26和电阻R33的一端，经电阻R26、电阻R33、电 容C6、电阻R34、电阻R35、电容C8、放大器IC5、电阻R36、电阻R37、电容C9、电阻R38、变阻 器VR13组成的调整电路，输入电阻R41的一端；OUTl端采样电机电压接电阻R27的一端， 经电阻R27、电阻R28、电阻R29、电容C5、电阻R30、电阻R31、电容C7、放大器IC5、电阻R32、 电阻R31、电容C7组成的调整电路，输入到电阻R40的一端。电压负反馈电流正反馈经电阻 R41、电阻R42、IC5组成的跟随电路，从放大器IC5的14号脚输出到电阻R12的一端相连， 经电阻R12、放大器IC4、变阻器VR18、电阻R13、电容C33、隔离光耦E6、电阻R14组成的光 耦隔离电路，输入到AD转换芯片U6的16端，再以数字信号形式读入到FPGA芯片Ul内部， 由给定信号与电压负反馈电流正反馈信号得出差，调整PWM波的输出，起到稳速作用。开关SWl放在二档即为自动焊接模式，先调节变阻器WELD⑶RRENT，此为同轴滑动器，同时调节焊接电流的给定，经电阻R72、电阻R73、放大器IC4组成的跟随器，从放大器 IC4的14号脚输出。变阻器VRlO的中间抽头和一端相连后接电阻R73的另一端、放大器 IC4的14号脚。变阻器VRlO的另一端与变阻器STICK0UT的一端相连。变阻器STICK0UT 的另一端与变阻器VR9的一端相连，变阻器VR9中间抽头和另一端相连后接地。调节变阻 器STICK0UT即调节干伸长，给定经电阻R74、电容IC4、电阻R75、电阻R59、电容C19、变阻 器VR13、电阻R77、电阻R78、电容C19、电容C20、电阻R76组成的调节电路输入电阻R52的 一端。焊接电流经600A 60mA的分流器将转换的电压信号接入电阻R61，先经电阻R61、电 阻R62、放大器IC3、电阻R63、变阻器VR8组成的调节电路输入到电阻R64的一端，再经电阻 R64、电阻R65、电阻R66、电容C11、电阻R67、放大器IC3、电容C14、电容C13、电容C11、电容 C12、电阻R68、电阻R69、电阻R70、电容C15、电阻R71、电容C18、电容C17、电容C16组成的 两个跟随电路输入电阻R53的一端相连。两路给定信号经电阻R52、电阻R53、电阻R54、电 容C10、放大器ICl、电阻R55、变阻器VR7、电阻R56、电阻R60、电阻R57、变阻器VR6组成的 调节电路叠加运算后输入电阻Rl的一端，然后经电阻R1、电阻R2分压后输入到电阻R3的 一端相连，再经由电阻R3、放大器IC2、变阻器VR3、电阻R4、电容C27、隔离光耦E3、电阻R5 组成的光耦隔离电路后进入AD转换芯片U6的17号脚。AD转换芯片U6的27号脚连电容 C35的正端、电容C34的一端后接+5V，23号脚连电容C36的正端，22号脚连电容C37的一 端，28号脚接地。电容C34 C37的另一端与AD转换芯片U6的15号脚相连后接地。FPGA 芯片Ul发送控制信号到AD转换芯片U6的2、25、26号脚，AD转换芯片TO的3 14号脚 发送转换成的数字信号送入FPGA芯片Ul。按下开关S2和开关START，电路的21和22号 输出端信号接通，即焊枪开关接通，开始焊接过程，产生焊接电流反馈，FPGA芯片Ul内部运 算产生PWM波，并发送PWM波信号和电机正转信号到电机驱动芯片L298的1附，IN2，EN，即 INl输入为“1”，IN2输入为“0”。L298的GND接地，Vss端与电容C42的正端，电容C43的 一端相连后接+5V，电容C42的负端与电容C43的另一端相连后接地。L298的电机驱动电 源输入端Vs端与电容C44的一端、电容C45的正端、二极管D1、二极管D2的负端相连后接 +24V。电容C44的另一端与电容C45的负端相连后接地。L298的OUTl端与二极管Dl正 端、二极管D3负端相连后接电机的一端，0UT2端二极管D2正端、二极管D4负端相连后接 电机的另一端，二极管D3和二极管D4的正端相连后接地。电机驱动波形从OUTl和0UT2 输出，驱动电机的转动，四个二极管起防止电机产生反向电压烧毁芯片的作用，上方两个管 子释放电压，下方两个管子防止电压过大。焊接中，L298的SENSINGA端与电阻R23的一端 相连，电阻R23的另一端接地。从SENSINGA端采样电机电流，接在电阻R26和电阻R33的 一端，经电阻R26、电阻R33、电容C6、电阻R34、电阻R35、电容C8、放大器IC5、电阻R36、电 阻R37、电容C9、电阻R38、变阻器VR13组成的调整电路，输入电阻R41的一端；OUTl端采样 电机电压接电阻R27的一端，经电阻R27、电阻R28、电阻R29、电容C5、电阻R30、电阻R31、 电容C7、放大器IC5、电阻R32、电阻R31、电容C7组成的调整电路，输入到电阻R40的一端。 电压负反馈电流正反馈经电阻R41、电阻R42、放大器IC5组成的跟随电路，从IC5的14号 脚输出到电阻Rl2的一端相连，经电阻Rl2、放大器IC4、变阻器VR18、电阻Rl3、电容C33、隔 离光耦E6、电阻R14组成的光耦隔离电路，输入到AD转换芯片U6的16端，再以数字信号形 式读入到FPGA芯片Ul内部，由给定信号与电压负反馈电流正反馈信号得出差，调整PWM波 的输出，起到稳速作用。焊接过程结束，断开开关START和开关S2，焊接过程结束，小车停止爬升。 按下开关S6，可以加上焊枪摆动模式。当焊枪摆动到焊缝两端时，电路15、16号输 入口接收到低电平，分别经由电阻R15、放大器IC6、变阻器VR16、电阻R17、电容C38、隔离光 耦E4、电阻R21和由电阻Rl、放大器IC6、变阻器VR17、电阻R18、电容C39、隔离光耦E5、电 阻R20组成的光耦隔离电路，输入到FPGA芯片Ul的90和92号脚。焊枪正反面时间停留 信号，分别经变阻器VRl和变阻器VR2后输入到AD转换芯片U5的26和1号脚。AD转换芯 片TO的11号脚连+5V，13号脚、16号脚和电容C40的负端、电容C41的一端相连后接地，16 号脚与电容C41的另一端、电容C40的正端相连后接+5V。FPGA芯片Ul输入控制信号到AD 转换芯片U5的6、7、9、10、22 25号脚，AD转换芯片U5的8、14、15、17、18 21将转换成 的数字信号输入到FPGA芯片Ul。FPGA芯片Ul生成焊枪正反面时间停留信号输入到固态 继电器S5的“ + ”，从而控制焊枪摆动。固态继电器S5的“_”接地，另外两端分别接电路的 19,20号脚。
1权利要求一种基于FPGA的气电立焊弧长控制器，其特征在于，包括三路小车行走给定电路(1 1～1 3)、电机电压负反馈电流正反馈电路(1 4)、隔离光耦电路(2 1)、AD转换电路(2 2)、正反面焊枪停留给定电路(2 3)、焊接控制信号电路(3 1)、FPGA控制电路(3 2)、直流电机驱动电路(3 3)和焊枪摆动控制电路(3 4)，其中采样焊接电流信号送入自动行走给定电路(1 3)；快速行走给定电路(1 1)、手动行走给定电路(1 2)、自动行走给定电路(1 3)、电压负反馈电流正反馈电路(1 4)和行程开关信号分别接光耦隔离电路(2 1)的输入端，光耦隔离电路(2 1)的输出端分别接AD转换电路(2 2)和FPGA控制电路(3 2)的输入端，正反面焊枪停留给定电路(2 3)接AD转换电路(2 2)的输入端，焊接控制信号电路(3 1)的输出端接FPGA控制电路(3 2)的输入端，AD转换电路(2 2)与FPGA控制电路(3 2)双向连接，FPGA控制电路(3 2)的输出端分别接直流电机驱动电路(3 3)和焊枪摆动控制电路(3 4)的输入端，直流电机驱动电路(3 3)的输出端接电机电压负反馈电流正反馈电路(1 4)的输入端。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的气电立焊弧长控制器，其特征是所述隔离光耦 电路(2-1)由三个行走给定隔离电路、电机隔离电路和开关信号隔离电路，其中三个行走 给定隔离电路和电机隔离电路结构相同，所述行走给定隔离电路包括三个电阻、两个放大 器、滑动变阻器、光耦E和三个电容，第一电阻的一端接第一放大器的2脚，第一电阻的另一 端接快速行走给定电路(1-1)或手动行走给定电路(1-2)或自动行走给定电路(1-3)或电 压负反馈电流正反馈电路(1-4)的输出端，第一放大器的3脚分别接第一放大器的1脚和 第二放大器的5脚，第一放大器的4脚分别接+5V直流电源和第一电容的一端，第一电容 的另一端接数字地，第一放大器的11脚分别接-5V直流电源和第二电容的一端，第二电容 的另一端接数字地，第二放大器的6脚分别接第二电阻的一端、第三电容的一端和光耦的4 脚，第二电阻的另一端分别接滑动变阻器的一端和滑动端，滑动变阻器的另一端接数字地， 第三电容的另一端分别接第二放大器的7脚和第三电阻的一端，第三电阻的另一端接光耦 的2脚，光耦的1脚接数字地，光耦的3脚接电源VDD，光耦的6脚接电源VCC，光耦的5脚 接AD转换电路(2-2)；所述开关信号隔离电路由两个结构相同的子电路构成，每个子电路包括包括三个电 阻、两个放大器、滑动变阻器、光耦E和三个电容，第四电阻的一端接第三放大器的2脚，第 四电阻的另一端接开关行程信号，第三放大器的3脚分别接第一放大器的1脚和第四放大 器的5脚，第三放大器的4脚分别接+5V直流电源和第四电容的一端，第四电容的另一端接 数字地，第三放大器的11脚分别接-5V直流电源和第五电容的一端，第五电容的另一端接 数字地，第四放大器的6脚分别接第五电阻的一端、第六电容的一端和光耦的4脚，第五电 阻的另一端分别接滑动变阻器的一端和滑动端，滑动变阻器的另一端接数字地，第六电容 的另一端分别接第四放大器的7脚和第六电阻的一端，第六电阻的另一端接光耦的2脚，光 耦的1脚接数字地，光耦的3脚接电源VDD，光耦的6脚接电源VCC，光耦的5脚接AD转换 电路(2-2)。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的气电立焊弧长控制器，其特征是所述AD转换 电路(2-2)包括AD转换芯片U5和U6，电容C34 C37以及C40 C41，其中快速行走给定电路(1-1)、手动行走给定电路(1-2)、自动行走给定电路(1-3)、电压负 反馈电流正反馈电路(1-4)的输出端分别接AD转换芯片TO的21、20、19、18脚，AD转换芯片TO的27号脚连电容C35的正端、电容C34和+5V，AD转换芯片TO的23号脚连电容C36 的正端，22号脚连电容C37的一端；电容C34 C37的另一端与AD转换芯片U6的15号脚 相连后接地；AD转换芯片U6的28号脚接地，1 14号脚、24 26号脚分别接FPGA控制 电路(3-2)；正反面焊枪停留给定电路(2-3)的输出端与AD转换芯片U5的26号脚和1脚 相连；AD转换芯片TO的11号脚连+5V，13号脚、16号脚和电容C40的负端、电容C41的一 端相连后接地，16号脚与电容C41的另一端、电容C40的正端和+5V ；AD转换芯片U5的21， 20，19，18，8，15，14，17，7，25，24，23，22，9，6，10 号脚分别与 FPGA 控制电路(3-2)相连。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA的气电立焊弧长控制器，其特征是所述焊接控制 信号电路(3-1)包括六个开关，其中开关Sl的一端与FPGA控制电路(3-2)相连，另一端连 电源VCC ；开关UP的两个常闭端各自连地和FPGA控制电路(3-2)相连，常开端连电源VCC ； 开关DOWN的两个常闭端各自连地和FPGA控制电路(3-2)相连，常开端连电源VCC ；开关 START的两个常闭端各自连地和开关SWl的3号脚，常开端连电源VCC ；开关SWl的4号脚 接地，2号脚和5号脚相连后接FPGA控制电路(3-2)，1号脚和6号脚相连后接FPGA控制电 路(3-2)；开关S6的一端连FPGA控制电路(3-2)，另一端连电源VCC。
专利摘要本实用新型公布了一种基于FPGA的气电立焊弧长控制器，包括三路小车行走给定电路、电机电压负反馈电流正反馈电路、隔离光耦电路、AD转换电路、正反面焊枪停留给定电路、焊接控制信号电路、FPGA控制电路、直流电机驱动电路和焊枪摆动控制电路。本实用新型同时具有了等速送丝和小车变速爬升的优点，能较好地控制焊接中电弧的稳定。
文档编号B23K9/073GK201677115SQ201020163539
公开日2010年12月22日 申请日期2010年4月15日 优先权日2010年4月15日
发明者方臣富, 闫文洋, 高云或, 黄隽 申请人:江苏科技大学