姚河清，徐 勇，傅 強(qiáng)

(河海大學(xué)，江蘇 常州 213022)

焊接設(shè)備

一種基于DSP數(shù)字化控制送絲系統(tǒng)

姚河清，徐 勇，傅 強(qiáng)

(河海大學(xué)，江蘇 常州 213022)

設(shè)計(jì)了一種基于DSP的數(shù)字化控制PWM調(diào)速送絲系統(tǒng)，以穩(wěn)定送絲速度為控制目標(biāo)，采用電樞無電流段電樞電勢(shì)同步采樣方法，排除了負(fù)載電流對(duì)送絲速度的影響；采用數(shù)字PI調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)PWM占空比，控制電樞電勢(shì)恒定，達(dá)到穩(wěn)定送絲速度的目的，改善送絲性能。實(shí)驗(yàn)表明，電網(wǎng)電壓波動(dòng)以及送絲軟管從平直狀態(tài)到軟管中部彎繞φ 400 mm一圈情況下，送絲速度變化率滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

送絲系統(tǒng)；電樞電勢(shì)；負(fù)載電流；DSP；速度變化率

0 前言

在熔化極氣體保護(hù)焊中，通常采用等速送絲配合恒電壓外特性電源。現(xiàn)代焊接設(shè)備為實(shí)現(xiàn)對(duì)熔滴過渡、焊縫成形、焊接引弧等有效控制，除要求穩(wěn)定的送絲速度外，還要求具有不同的送絲方式，如脈動(dòng)送絲、推拉送絲、變速送絲等。傳統(tǒng)的送絲系統(tǒng)很難做到多種送絲方式的轉(zhuǎn)換與配合，維持多種送絲方式的穩(wěn)定送絲速度。設(shè)計(jì)了一種基于DSP的數(shù)字化控制送絲系統(tǒng)，利用數(shù)字化控制方法對(duì)電樞上無電流段的、與轉(zhuǎn)速成正比的電樞電勢(shì)同步采樣，并進(jìn)行反饋控制，排除了負(fù)載電流對(duì)送絲速度的影響，等效于轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。

1 送絲主電路和控制方式

送絲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，對(duì)電樞電勢(shì)進(jìn)行同步采樣，調(diào)節(jié)輸出PWM占空比，經(jīng)驅(qū)動(dòng)隔離放大控制雙向斬波電路，供給直流電動(dòng)機(jī)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 送絲電路

送絲系統(tǒng)硬件主電路如圖2所示。輸入的交流電壓經(jīng)全波整流、濾波供給由四只場(chǎng)效應(yīng)管組成的全橋電路，DSP產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)TLP250驅(qū)動(dòng)放大，控制場(chǎng)效應(yīng)管VF1～VF4開通和關(guān)斷，通過調(diào)整占空比大小控制輸出電壓以達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

圖2 送絲系統(tǒng)硬件主電路

1.2 控制方式

圖3 電動(dòng)機(jī)工作過程控制波形和工作原理等效電路

1.3 電樞電勢(shì)波形分析

采用常用的直流印刷電動(dòng)機(jī)，額定工作電壓18.3 V，額定電流5.5 A。其等效負(fù)載如圖4所示，可以等效為電阻、電感與電樞感應(yīng)電勢(shì)的串聯(lián)[1]，測(cè)得電阻值為0.9 Ω，電感值為73μ H。在前述的控制方式下，兩端電壓UAB波形如圖5所示，滿足如下關(guān)系

式中 UAB為AB兩點(diǎn)之間電壓；R為電機(jī)內(nèi)阻；L為電機(jī)電感；i為流過電動(dòng)機(jī)電樞的電流；Ce為電機(jī)在恒定磁通下的電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速比(單位：V·min／r)，對(duì)應(yīng)于一確定的直流印刷電機(jī)，此參數(shù)為常數(shù)；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

采用圖2所示主電路，圖3所示控制方式，開關(guān)頻率10 kHz，占空比為60%，所得電樞電勢(shì)與電流波形如圖5所示。圖5中，T1時(shí)段，場(chǎng)效應(yīng)管VF1、VF4開通，電源提供給電動(dòng)機(jī)正向電壓，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；T2時(shí)段，VF1關(guān)斷，電流急劇下降，電樞電感上產(chǎn)生抑制電流下降的反感應(yīng)電勢(shì)，通過VF4與VD2形成續(xù)流，在T2時(shí)刻續(xù)流結(jié)束；T3時(shí)段，電樞電流為零，由式(1)得，UAB＝nCe，顯然，此電勢(shì)與轉(zhuǎn)速成正比。

圖4 電動(dòng)機(jī)等效負(fù)載

圖5 輸出電壓波形

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 采樣策略

通過對(duì)電樞無電流段的電樞電勢(shì)采樣、負(fù)反饋控制，可以有效地改善送絲性能，但是傳統(tǒng)的送絲控制系統(tǒng)采用TL494等芯片控制送絲穩(wěn)定性，對(duì)電動(dòng)機(jī)電壓是一種連續(xù)性的控制方法，無法單獨(dú)對(duì)電樞無電流段的電樞電壓反饋并加以控制。在基于DSP的數(shù)字化控制送絲系統(tǒng)中，利用DSP所具有的數(shù)字化控制模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，在電樞無電流的感應(yīng)電壓段設(shè)置固定的模數(shù)轉(zhuǎn)換觸發(fā)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)同步采樣，對(duì)與電動(dòng)機(jī)兩端電壓控制是一種離散化的控制方法，可以單獨(dú)控制電樞無電流段的電樞電壓。圖5中T3時(shí)間段，DSP可以在此時(shí)間段完成采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及系統(tǒng)控制。在本研究中，利用線性光耦SLC800設(shè)計(jì)了采樣電路，對(duì)電機(jī)電壓降壓、隔離、采樣，電樞電壓與采樣電路輸出電壓波形如圖6所示，圖6中曲線A為采樣電路輸出波形，通過對(duì)比可知，其與輸入電壓波形基本一致。在DSP控制系統(tǒng)中設(shè)定固定的模數(shù)轉(zhuǎn)換觸發(fā)點(diǎn)，可以在圖5中T3時(shí)間段的電樞電勢(shì)平臺(tái)上進(jìn)行采樣，采集的電壓值就是電樞無電流段的電樞電勢(shì)，與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，用于反饋調(diào)速，則可以等效為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，實(shí)現(xiàn)與其相適應(yīng)的電機(jī)調(diào)速效果。

圖6 電機(jī)電壓與采樣電路輸出電壓波形

2.2 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

在基于DSP數(shù)字化控制送絲系統(tǒng)中，采用數(shù)字PI調(diào)節(jié)方法，閉環(huán)反饋調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

①做好稻種檢疫工作，不將帶病的種子播種到無病田塊。②做好種子處理，播種消毒后的種子。③藥劑防治方法同白葉枯病。

圖7 閉環(huán)反饋調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖7中PI環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)

延時(shí)環(huán)節(jié)(e-τs)傳遞函數(shù)

PWM變換器傳遞函數(shù)可簡(jiǎn)化為一階慣性環(huán)節(jié)[1]

由于閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)三次項(xiàng)系數(shù)相對(duì)其他項(xiàng)很小，可以將其簡(jiǎn)化為二階系統(tǒng)，得

與標(biāo)準(zhǔn)形式的二階系統(tǒng)比較，利用待定系數(shù)法，可以得到閉環(huán)傳遞函數(shù)的比例系數(shù)KP和積分系數(shù)KI。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

送絲速度的穩(wěn)定性直接影響焊接過程的穩(wěn)定性，從而影響焊接質(zhì)量。所以，送絲調(diào)速系統(tǒng)性能的考核關(guān)鍵在于送絲阻力變化時(shí)送絲速度的穩(wěn)定性[2]。一般考核送絲速度的穩(wěn)定性主要指送絲速度在電網(wǎng)電壓波動(dòng)和焊槍送絲軟管繞圈時(shí)的變化率，ABJ64021-1989規(guī)定了在各種干擾條件下送絲速度的變化率，具體規(guī)定如下：

(1)在規(guī)定的送絲速度范圍內(nèi)，電網(wǎng)電壓在額定值±10%波動(dòng)時(shí)，送絲速度的變化率不超過±5%。

(2)在供電網(wǎng)絡(luò)電壓為額定值時(shí)，送絲軟管平直狀態(tài)和軟管中部彎繞φ 400 mm一圈情況下，送絲速度變化率不大于10%[2]。

實(shí)驗(yàn)中所采用的送絲機(jī)為單輪送絲裝置，利用廣州蘭泰儀器生產(chǎn)的激光型轉(zhuǎn)速表測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速，并在一定時(shí)間內(nèi)測(cè)量送絲長(zhǎng)度以檢測(cè)送絲速度，計(jì)算出送絲速度的變化率。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析

實(shí)驗(yàn)是測(cè)定閉環(huán)反饋系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓與負(fù)載變化情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化情況。其中電網(wǎng)電壓分別為100%、90%和110%的額定電壓值，對(duì)應(yīng)電壓值下高速以及低速送絲速度和速度變化率見表1，負(fù)載變化為送絲軟管從平直狀態(tài)變?yōu)榇驈潶?400 mm,不同的電樞電勢(shì)下送絲速度與速度變化率如表2所示，實(shí)驗(yàn)測(cè)得負(fù)載變化情況下電流、電壓波形如圖8所示。

表1 電網(wǎng)電壓波動(dòng)下速度變化率

表2 負(fù)載變化下送絲速度變化率

從表1中可以看出，在電網(wǎng)電壓波動(dòng)在額定值380 V±10%范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速基本保持恒定不變，而送絲速度變化小于5%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

由表2可知，在負(fù)載增加的情況下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，但是送絲速度卻下降。這是因?yàn)樵谝詿o電流段電樞電勢(shì)為控制目標(biāo)的反饋系統(tǒng)中，可以保證圖5中T3時(shí)間段電壓平臺(tái)值的恒定不變。隨著負(fù)載的增加，控制系統(tǒng)的控制量即占空比增加，以維持無電流段電樞電勢(shì)平臺(tái)不變，電源提供能量給電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加。從表2中還可以看出，當(dāng)負(fù)載增加的情況下，送絲速度略有下降，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖8 負(fù)載變化情況下電流電壓波形

從圖8可以看出，負(fù)載增加時(shí)，占空比增加，從而在整個(gè)周期內(nèi)，由負(fù)載增加導(dǎo)致的占空比增加，使得平均轉(zhuǎn)速增加，這就是在負(fù)載增加的時(shí)候，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加的原因。同時(shí)，由于送絲機(jī)采用單輪送絲裝置，電動(dòng)機(jī)負(fù)載的增加會(huì)引起焊絲和送絲輪間相對(duì)滑動(dòng)，導(dǎo)致送絲速度下降。顯然，在電動(dòng)機(jī)負(fù)載增加情況下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加的效果可以補(bǔ)償送絲速度的下降，穩(wěn)定送絲速度。

4 結(jié)論

(1)利用數(shù)字化控制的送絲系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)送絲、推拉送絲以及變速送絲等多種送絲方式，提供更可靠的送絲性能，配合更高要求的數(shù)字化電源控制方式，實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的焊接效果。

(2)基于DSP的數(shù)字化控制送絲系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)機(jī)無電流段的電樞電勢(shì)采樣，并反饋控制，能夠排除負(fù)載電流對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，等效于轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，有效地保證直流印刷電機(jī)的送絲性能，送絲效果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

[1]陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2]殷樹言.焊接設(shè)備原理與調(diào)試[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

A wire-feeding digital system controlled by DSP

YAO He-qing，XU Yong，F(xiàn)U Qiang
(Hohai University，Changzhou 213022，China)

In this article，a Pulse-Width Modulation speed-controlled wire-feeding system，digitally controlled by DSP，is designed.Inside the system，the control target is the speed of wire-feeding，and the control method is synchronous sampling of armature voltage on the moment of no current，which can eliminate the effect from load current on the speed of wire-feeding.The digital PI regulation method is used for adjusting the Pulse-Width Modulation duty cycle to keep the armature voltage constant and improve the property of feeding.The experiments show that the rate varieties of wire-feeding on the condition of variable power network voltage and change of wire-feeding tube from straight state to a cycle of φ 400 mm at the middle all met the standard requirements.

wire-feeding system；armature voltage；load current；DSP；rate variety

TG409

A

1001-2303(2011)05-0001-05

2010-06-26；

2011-01-07

姚河清(1951—)，男，湖南華容人，副教授，碩士，主要從事焊接設(shè)備及焊接過程自動(dòng)控制的教學(xué)與研究工作。