馬鐵軍，高文成，張 勇，萬 鵬，楊思乾

(1.西北工業(yè)大學(xué) 摩擦焊接陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072；2.邊防學(xué)院，陜西 西安 710108)

焊接設(shè)備

斬波式中頻點(diǎn)焊電源的PLC控制系統(tǒng)

馬鐵軍1，高文成1，張 勇1，萬 鵬2，楊思乾1

(1.西北工業(yè)大學(xué) 摩擦焊接陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072；2.邊防學(xué)院，陜西 西安 710108)

設(shè)計(jì)的斬波式中頻點(diǎn)焊電源主電路由一對反向串聯(lián)的IGBT及其保護(hù)電路組成，兩個(gè)IGBT在設(shè)定的占空比通斷信號(hào)控制下輪流導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)了焊接變壓器次級(jí)交流斬波波形的輸出，線路簡單、工作穩(wěn)定可靠。以S7-200PLC為核心，設(shè)計(jì)開發(fā)了電源及焊接過程控制系統(tǒng)。其中，斬波控制信號(hào)由基于TL494的PWM信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生，該電路還可對斬波電壓進(jìn)行閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)網(wǎng)壓補(bǔ)償?？蛰d調(diào)試結(jié)果表明，PLC控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)合理，能夠控制主電路按照設(shè)定的占空比輸出理想的斬波電壓波形。從輸出波形可以看出，該電源可獲得較高的調(diào)節(jié)精度及連續(xù)穩(wěn)定的能量輸出，理想焊接工藝性更理想。

斬波式；中頻點(diǎn)焊電源；S7-200PLC；TL494芯片；網(wǎng)壓補(bǔ)償

0 前言

交流斬波控制調(diào)壓技術(shù)是一種通過控制全控型開關(guān)器件的有序通斷，將正弦交流電壓分割成輪廓為正弦波的若干個(gè)電壓脈沖的交流調(diào)壓技術(shù)[1]。由于輸出斬波電壓波形的特殊性，使得基于交流斬波控制調(diào)壓技術(shù)的斬波式中頻點(diǎn)焊電源具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、控制精度高、工藝性好等優(yōu)點(diǎn)，加之?dāng)夭娐方Y(jié)構(gòu)簡單、控制方便，斬波式中頻點(diǎn)焊電源已經(jīng)引起了人們的關(guān)注[2]。由于點(diǎn)焊過程中的沖擊電流較大，在運(yùn)用單片機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差?？紤]到PLC具有可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)、編程方便、擴(kuò)展能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)用PLC來實(shí)現(xiàn)焊接過程中的程序控制[3]。

1 控制系統(tǒng)原理

1.1 斬波式中頻點(diǎn)焊電源的主電力電路

如圖1所示，斬波式中頻點(diǎn)焊電源的主電路由一對反向串聯(lián)的全控型開關(guān)器件以及濾波器組成。電源采用GA75TSK120ST型IGBT功率模塊作為全控型開關(guān)器件，實(shí)現(xiàn)對輸入交流電壓的斬波。該功率模塊的最大耐壓值為1 200 V，最大集電極直流電流可達(dá)75 A。IGBT的集-射極間加有R1、C1和R2、C2串聯(lián)的阻容保護(hù)電路，用來吸收兩個(gè)IGBT關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的反峰電勢，并可降低關(guān)斷損耗。C3為10 μ F的濾波電容，用以降低加在焊接變壓器一次側(cè)的工頻分量[2-4]。

圖1 斬波式交流點(diǎn)焊電源主電力電路

電路輸入電壓選用220 V工頻交流電壓。在正弦電壓的正、負(fù)半周，IGBT1和IGBT2輪流導(dǎo)通對工頻電壓進(jìn)行斬波，斬波后的電壓經(jīng)過C3濾波后加在焊接變壓器T兩端，產(chǎn)生焊接電流對工件進(jìn)行焊接。R3為續(xù)流電阻，IGBT1、IGBT2的控制極觸發(fā)信號(hào)以網(wǎng)路電壓的零點(diǎn)為基準(zhǔn)。在網(wǎng)路電壓正半周，IGBT2關(guān)斷，IGBT1在柵極信號(hào)的控制下，以設(shè)定的頻率導(dǎo)通、關(guān)斷(定義一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間的比值為占空比)，從而實(shí)現(xiàn)對輸入電壓的斬波；在網(wǎng)路電壓的負(fù)半周，IGBT1關(guān)斷，IGBT2在柵極信號(hào)的控制下，以設(shè)定的頻率導(dǎo)通、關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)對輸入電壓的斬波。如此循環(huán)，即可實(shí)現(xiàn)對連續(xù)時(shí)間輸入正弦電壓的斬波操作。

1.2 斬波式中頻點(diǎn)焊電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

斬波式中頻點(diǎn)焊電源系統(tǒng)如圖2所示。電源系統(tǒng)主要由同步電路、交流斬波電路、電壓采樣電路、PWM信號(hào)發(fā)生電路以及對整個(gè)焊接過程進(jìn)行時(shí)序控制的PLC組成。同步電路的作用是將相電壓的零點(diǎn)變?yōu)槊}沖信號(hào)，輸入PLC作為系統(tǒng)時(shí)序控制的基準(zhǔn)。PWM信號(hào)發(fā)生電路可產(chǎn)生占空比連續(xù)可調(diào)的矩形波控制信號(hào)，該控制信號(hào)經(jīng)過隔離及功率放大后對IGBT進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對輸入電壓的斬波操作。當(dāng)輸入工頻電壓波動(dòng)時(shí)，PWM信號(hào)發(fā)生器可根據(jù)電壓采樣電路所得反饋電壓的變化對斬波電壓進(jìn)行閉環(huán)控制，相應(yīng)地調(diào)整控制信號(hào)的占空比，進(jìn)而穩(wěn)定輸出電壓。采用混合集成電路EXB841實(shí)現(xiàn)對IGBT的驅(qū)動(dòng)及保護(hù)。采用西門子TD200對焊接過程中的參數(shù)進(jìn)行輸入及顯示。

圖2 斬波式點(diǎn)焊電源系統(tǒng)框圖

1.3 PWM信號(hào)發(fā)生器

PWM波形發(fā)生電路如圖3所示。TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它由振蕩器、誤差放大器、脈寬比較器、基準(zhǔn)電壓源及輸出電路等組成。振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波輸入PWM比較器的反相輸入端，脈沖調(diào)寬電壓輸入PWM比較器的同相輸入端，通過PWM比較器進(jìn)行比較，輸出一定寬度的脈沖波。當(dāng)調(diào)寬電壓變化時(shí)，TL494輸出的脈沖寬度也隨之改變，從而改變開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。TL494芯片的5、6腳電容和電阻的大小決定了輸出了PWM波形的頻率，電路中RT＝22 kΩ、CT＝0.1μ F，則振蕩頻率f＝1.1／(RT·CT)＝500Hz。

脈沖寬度可由1、2以及3腳共同控制，以實(shí)現(xiàn)輸入和反饋比較的閉環(huán)控制。其中，1腳輸入給定電壓，調(diào)節(jié)變阻器RP可改變該給定電壓的大小。如圖3所示，焊接變壓器一次側(cè)經(jīng)反饋?zhàn)儔浩鞲綦x后，整流、采樣，然后接入2腳；3腳為TL494芯片內(nèi)部誤差放大器1輸出信號(hào)補(bǔ)償元件的連接端，3腳與2腳通過RC連接構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器以保證脈沖寬度的穩(wěn)定以及調(diào)節(jié)精度。1腳、2腳以及3腳經(jīng)誤差放大器1作用產(chǎn)生調(diào)寬電壓，此調(diào)寬電壓與振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波經(jīng)PWM比較器共同作用產(chǎn)生一定寬度的脈沖波。當(dāng)網(wǎng)壓波動(dòng)時(shí)，則接入2腳的變壓器一次側(cè)電壓相應(yīng)地波動(dòng)，此波動(dòng)的反饋電壓可促使TL494相應(yīng)地改變輸出PWM波的寬度，從而對網(wǎng)壓進(jìn)行補(bǔ)償，穩(wěn)定輸出電壓。TL494的13腳為輸出控制端，該腳接地，設(shè)置為單路輸出，由8、12引腳共同輸出一路脈寬可控的PWM控制信號(hào)[5]。

圖3 PWM波形發(fā)生電路

2 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 點(diǎn)焊工藝流程的控制

圖4所示為目前應(yīng)用最廣的點(diǎn)焊循環(huán)，即“加壓—焊接—維持—休止”的四程序段點(diǎn)焊[6]。焊接過程中所要控制的焊接參數(shù)有加壓時(shí)間t1、焊接時(shí)間t2、維持時(shí)間t3以及休止時(shí)間t4。四個(gè)程序的調(diào)節(jié)范圍均為0～99周。

圖4 點(diǎn)焊焊接循環(huán)示意

2.2 PLC硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

PLC控制系統(tǒng)硬件電路如圖5所示。其中，輸入開關(guān)量包括IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)芯片EX841的報(bào)警信號(hào)、電源報(bào)警信號(hào)、水壓開關(guān)、腳踏開關(guān)、監(jiān)控IGBT溫度的溫控開關(guān)以及用于計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的同步信號(hào)；輸出開關(guān)量包括氣閥啟動(dòng)信號(hào)、輸入給定電壓信號(hào)以及IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)。硬件電路中的繼電器KM1控制氣閥的工作，KM2控制PWM波對IGBT觸發(fā)，KM3控制TL494管腳1給定電壓的輸入。

由于開關(guān)點(diǎn)數(shù)較少(輸入6點(diǎn)，輸出3點(diǎn))且焊接循環(huán)過程控制簡單，因此，選用西門子公司的S7-200系列PLC即可實(shí)現(xiàn)對焊接過程的可靠控制，型號(hào)為CPU222(輸入8點(diǎn)，輸出6點(diǎn))。西門子S7-200是整體式PLC，具有極高的可靠性、豐富的指令集、便捷的操作、豐富的內(nèi)置集成功能｜強(qiáng)大的通信能力以及豐富的擴(kuò)展模塊等特點(diǎn)[3]。

2.3 PLC軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)采用西門子公司專用編程軟件STEP 7-Micro／WIN來實(shí)現(xiàn)。PLC軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如下功能：通電進(jìn)入主程序，為了確保焊接過程中IGBT以及焊接電極的可靠冷卻，PLC應(yīng)首先檢測水壓開關(guān)是否閉合。焊接循環(huán)開始前，操作TD200上的按鍵，分別鍵入焊接參數(shù)，即加壓時(shí)間、焊接時(shí)間、維持時(shí)間以及休止時(shí)間。腳踏開關(guān)閉合之后，氣閥開起，同時(shí)輸入同步信號(hào)，計(jì)數(shù)器C1開始計(jì)算同步信號(hào)的輸入周波數(shù)，直到達(dá)到加壓時(shí)間；然后PLC向TL494芯片的1號(hào)管腳發(fā)出輸入給定電壓信號(hào)，并且控制兩路PWM信號(hào)交替驅(qū)動(dòng)IGBT1、IGBT2，同時(shí)計(jì)數(shù)器C2計(jì)算同步信號(hào)周波數(shù)，直至達(dá)到焊接時(shí)間；此后計(jì)數(shù)器C3、C4順序計(jì)算同步信號(hào)周波數(shù)，直至維持、休止結(jié)束；最后，PLC的一個(gè)掃描周期結(jié)束，程序返回開始階段，等待下一焊接循環(huán)的開始。相應(yīng)的PLC軟件系統(tǒng)流程如圖6所示。

圖5 PLC硬件電路

圖6 PLC軟件系統(tǒng)流程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

焊接變壓器空載工作時(shí)，用TDS2014記憶示波器測得的IGBT1、IGBT2柵-射極控制信號(hào)以及焊接變壓器次級(jí)空載電壓波形分別如圖7a、7b所示。圖7a為頻率為500 Hz的交替矩形波信號(hào)。

從圖7b可見，正弦波已被斬成f＝500 Hz的近似矩形脈沖波，寬度為1 ms，但其包絡(luò)線近似為正弦波形式，斬波脈沖的寬度與圖7a所示的控制信號(hào)的脈沖寬度相等。由于感性元件變壓器的存在，使得在IGBT關(guān)斷的瞬間，不可避免地出現(xiàn)了與斬波電壓相位相差180°的反電動(dòng)勢，將會(huì)對IGBT產(chǎn)生不利影響。而主電路中的續(xù)流電阻R3以及IGBT集-射極間的阻容保護(hù)電路能夠吸收反峰電勢，從而保護(hù)IGBT。

從這種中頻斬波電源的電壓輸出波形可看出，通過調(diào)節(jié)占空比，容易獲得精確、連續(xù)的能量輸出，可有效控制點(diǎn)焊過程中的加熱速率。該電源用于點(diǎn)焊時(shí)，塑性環(huán)在熔核長大過程中不易被破壞，從而能夠防止焊接飛濺的產(chǎn)生。與普通交流點(diǎn)焊電源相比，斬波式中頻點(diǎn)焊電源具有明顯的工藝優(yōu)勢，將成為一種新型的無飛濺點(diǎn)焊電源。

圖7 實(shí)驗(yàn)測試波形

4 結(jié)論

(1)用一對反向串聯(lián)IGBT組成的斬波式交流調(diào)壓電路，具有線路簡單、工作穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)。

(2)PLC控制系統(tǒng)硬、軟件設(shè)計(jì)合理，能夠控制主電路按照預(yù)先設(shè)定的占空比輸出理想的斬波電壓波形。

(3)斬波式中頻點(diǎn)焊電源與一般點(diǎn)焊電源相比，更容易獲得精確、連續(xù)的能量輸出。

[1]王兆安，黃 俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]王 鑠.交流斬波式變頻點(diǎn)焊電源的研制[D].陜西：西北工業(yè)大學(xué)，2005.

[3]孫承志，徐 智.西門子S7-200／300／400PLC基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[4]毛行奎，張文雄.交流斬波控制調(diào)壓技術(shù)探討[J].機(jī)床電器，2004(2)：50-53.

[5]曹作群，王 萍，張力延.集成脈寬調(diào)制式開關(guān)穩(wěn)壓控制電路的特點(diǎn)與應(yīng)用[J].計(jì)量技術(shù)，1997(3)：21-23.

[6]趙熹華，馮吉才.壓焊方法及設(shè)備[M].北京：機(jī)械工藝出版

PLC control system of chopped mode medium frequency spot welding source

MA Tie-jun1，GAO Wen-cheng1，ZHANG Yong1，WAN Peng2，YANG Si-qian1
(1.Shanxi Key Laboratory of Friction Welding Technologies，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China；2.Border Defense College，Xi'an 710108，China)

The designed main circuit of chopped mode medium frequency spot welding source is composed of one pair of inverse opposing IGBTs and protective circuit.The two IGBTs conduct in turn under the control of switching signal whose duty cycle is presetted,which could lead the output of welding transformer secondary AC chopping waveform.The main circuit is simple and works stably and reliably.The control system of power supply and welding process is developed based on S7-200PLC.The chopping signal which controls the two IGBTs to take turns conduction is generated by PWM signal generating circuit based on TL494，besides，this circuit could play the roleof closed loop control on chopped voltage to realize voltage auto-compensating.Finally，the whole system is debugged in the case of welding transformer no-load，and the experiment result shows that the hardware and software of control system are designed reasonably，which could control the main circuit to output ideal chopped voltage waveform with pre-set duty cycle.As can be seen from the output waveform that this power supply could obtain higher regulation accuracy and more continuous energy output compared with the general spot welding source,therefore，it has a more ideal welding process.

chopped mode；medium frequency spot welding source；S7-200PLC；TL494；supply voltage auto-compensating

TG434.1

A

1001-2303(2011)12-0001-05

2011-07-10

馬鐵軍(1972—)，男，陜西西安人，副教授，主要從事壓力焊理論與質(zhì)量控制方面的研究工作。