周登榮 ，郭鳳德 ，陳大興，曾 技

（1.攀枝花學院電信學院，四川 攀枝花 617000；2.樂山師范學院 物理與電子工程系，四川樂山 614004）

0 前言

埋弧焊在壓力容器、造船、橋梁、鐵路車輛、工程機械等行業(yè)發(fā)揮著重要作用。早期模擬控制的埋弧焊機容易造成焊機性能分散，調(diào)試困難。隨著電力電子和數(shù)字控制的迅速發(fā)展，智能數(shù)字化埋弧焊接已經(jīng)成為發(fā)展的方向。針對三相不控整流和直流電機驅(qū)動的送絲機構(gòu)，以中央處理器以及鎖相技術(shù)設計了一套埋弧自動焊數(shù)字控制系統(tǒng)。埋弧自動焊機是一套焊接系統(tǒng)，這個系統(tǒng)的主要功能可以提供焊接所需能量，連續(xù)不斷向工件輸送焊絲，使電弧自動沿焊縫方向移動，向焊接區(qū)鋪施焊劑，控制焊接參數(shù)和操作時序等。送絲直流電機的速度決定焊接電流的大小，從而影響焊接質(zhì)量。目前，送絲系統(tǒng)對電機轉(zhuǎn)速的控制是利用直流電機電樞電壓負反饋閉環(huán)控制或者電樞電壓與電流組成的雙閉環(huán)反饋控制，這種控制方式存在直流電機端電壓和直流電機的電流波動大，導致測量值誤差大，即使是雙閉環(huán)控制，直流電機的轉(zhuǎn)速控制精度差。在此采用測量電機轉(zhuǎn)速的編碼器測出，同時采用軟件鎖相環(huán)技術(shù)控制直流電機的轉(zhuǎn)速，為了防止直流電機過電壓和過電流，還采用電壓和電流雙閉環(huán)控制，由于電機轉(zhuǎn)速也是采用閉環(huán)控制，因此，本研究采用三閉環(huán)控制送絲電機轉(zhuǎn)速，對提高焊接系統(tǒng)的焊接質(zhì)量具有一定的指導意義[1-2]。

1 埋弧焊數(shù)字控制概述

埋弧焊數(shù)字系統(tǒng)除了具備模擬式埋弧焊接系統(tǒng)的所有焊接功能外，還應該具有比模擬式埋弧焊機更有完善的輸出特性，可以適應手工焊推力電流及引弧電流的調(diào)整，帶極堆焊等焊接方法；具有參數(shù)預置、調(diào)用和儲存功能；以及遠程監(jiān)控系統(tǒng)功能。特別在送絲電機測速及控制上精度越來越高，傳統(tǒng)的模擬式電機速度控制系統(tǒng)一般采用測速發(fā)電機作為速度傳感器，其輸出斜率受環(huán)境條件的影響很大。為了精確控制送絲電機的速度，現(xiàn)在大多采用光電編碼器檢測出直流電機的旋轉(zhuǎn)角速度并與設定角速度比較得其相位差，用中央處理器或者專用的瑣相芯片閉環(huán)控制直流電機轉(zhuǎn)速。其工作原理是通過編碼器產(chǎn)生的周期脈沖信號精確計算出電機的轉(zhuǎn)速角速度，該角速度與給定的角速度進行相位比較得到相位差，該相位差經(jīng)過鑒相器、濾波器得到誤差信號，將此信號與直流電電機的電壓和電流進行PI計算得到PWM脈沖信號，這樣脈沖信號經(jīng)過驅(qū)動放大后去驅(qū)動開關(guān)管的導通和關(guān)斷，如圖1所示[3-5]。

為了進一步分析直流電機鎖相技術(shù)的原理，對圖1中的編碼器進行分析。直流電機和編碼器相當于鎖相環(huán)的VCO，激勵電壓uc驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，因此，在激勵電壓uc的作用下，光電編碼器輸出的數(shù)字脈沖序列與電機的角速度成正比

圖1 送絲直流電機調(diào)速控制框圖

式中 Km為比例增益；Tm為電機機械常數(shù)。Ω將在一定時間后才能與uc成正比。則將式（1）進行Laplace變換，可得

電機轉(zhuǎn)軸的相位θ2（s）是角速度的時間積分，若在圖1中光電編碼器的碼盤有K2個齒，則光電耦合器產(chǎn)生信號的相位為Ω的K2倍，即：

因此，由上式可得

由式（4）可知，電機轉(zhuǎn)速的角位移是電機激勵電壓的函數(shù)，電機和光電編碼器組合后成為一個二階系統(tǒng)，如果考慮鎖相環(huán)的DLF（數(shù)字環(huán)路濾波器），則整個控制成為一個三階系統(tǒng)。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，DLF必須具有零點（即相位超前校正功能），否則在較高頻率時，閉環(huán)傳遞函數(shù)的相位可能超過180°，導致系統(tǒng)不穩(wěn)定[2]。數(shù)字軟件鎖相環(huán)是能夠?qū)崿F(xiàn)輸出信號實時跟蹤輸入信號相位的閉環(huán)控制系統(tǒng)，在此將數(shù)字軟件鎖相環(huán)控制思想引入到電機的速度控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)電機瞬態(tài)的快速響應，穩(wěn)態(tài)的高精度轉(zhuǎn)速控制。為了更好的理解數(shù)字鎖相環(huán)的原理，先分析模擬鎖相環(huán)的原理。模擬鎖相環(huán)（PLL）是一個相位誤差反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，用鑒相器（PD）檢測并運算和處理輸入信號θ1（t）和壓控振蕩器（VCO）的反饋信號θ2（t）之間的相位差，得到誤差信號Ud（t），而數(shù)字鎖相環(huán)除具有數(shù)字電路的優(yōu)點外，還解決了模擬鎖相環(huán)存在直流零點漂移、部件飽和、進行初始校準等問題。數(shù)字鎖相環(huán)的誤差控制信號是離散的數(shù)字信號而不是模擬信號，因而數(shù)字鎖相環(huán)中受控信號輸出相位的改變是離散的而不是連續(xù)的[3-4]。

數(shù)字鑒相器的種類很多，在此采用超前滯后取樣檢相器。通過輸入信號與參考信號之間相比，形成超前滯后脈沖輸出，當θ＞0時，超前脈沖作用將使本地參考信號相位提前；當θ＜0時，超前脈沖作用將使本地參考信號相位滯后。LF是對噪聲及高頻分量起抑制作用，并且控制著環(huán)路相位校正的速度和精度，適當選擇濾波器參數(shù)，可以改善環(huán)路的性能。鑒相器、濾波器和PI計算都可以通過中央處理器實現(xiàn)。

2 電機正反轉(zhuǎn)控制

前面介紹了電機的速度控制，接下來分析電機正反轉(zhuǎn)控制，送絲電機主電路采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)的H橋，在正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)的過程中加入了一個0.7 s的剎車過程，從而在反轉(zhuǎn)之前電機內(nèi)的反電動勢得到釋放，在反轉(zhuǎn)到正轉(zhuǎn)時沒有設置剎車過程。當送絲允許輸入一個上升沿信號時，該上升沿信號產(chǎn)生一個時間常數(shù)為22μs的延時時間，再根據(jù)送絲/退絲邏輯信號“送絲方向”確定向開關(guān)管發(fā)出送絲或退絲的觸發(fā)脈沖，在圖2中，啟動IGBT1、IGBT4或IGBT2、IGBT3都是在22μs以后，而停止IGBT2、IGBT3或者IGBT1、IGBT4是在送絲方向跳變的瞬間，及死區(qū)時間，這樣就不會讓上下橋背直通短路，直流電機控制的時序如圖3所示。

圖2 電機送絲控制原理

行走電機的控制是根據(jù)不同用戶的要求，啟動按鈕，小車開始行走；滅弧成功后，小車開始行走；當啟動程序結(jié)束后小車開始行走。小車的停止是當停止按鈕按下時停止或者在收弧以后停止。小車電機一般用110 V的直流電機，同樣采用PWM控制，采用開關(guān)的切換方式切換小車行走方向，小車的電源要與送絲電機的電源進行隔離。

圖3 直流電機正反轉(zhuǎn)時序控制

送絲的控制是：按啟動按鈕，在引弧階段，送絲速度為0.2 m/min，在電源輸出大電流的情況下引弧成功，在有初始規(guī)范設置的條件下，以初始送絲速度工作，初始階段結(jié)束后，進入正常焊接過程進行焊接，此時送絲速度切換為正常焊接規(guī)范，而在無初始規(guī)范設置的條件下，引弧成功后送絲速度立即轉(zhuǎn)為正常規(guī)范。

在焊接休止期間，對小車的電器調(diào)試主要有以下幾個方面：送絲/退絲、小車的移動、焊接參數(shù)的設置等。

當手動送絲按鈕動作時，電壓檢測電路在未進行焊接條件下輸出一組檢測電壓，程序在檢測到電壓“有弧電壓”指令向送絲/退絲邏輯發(fā)出送絲指令，當焊絲接觸到工件時，弧壓為零，電壓檢測電路立刻發(fā)出“短路”信號，程序即發(fā)出“剎車”命令，焊絲與工件接觸，此時，無法再次啟動手動送絲。

小車移動有兩種方式，當離合器松開進行手動退拉移動時，不需要進行任何操作，如果要進行其它操作，必須掛上離合器，將手動開關(guān)移動到“手動”位置，此時小車將移動，其移動速度與焊接速度一致。

3 焊接特性

圖4和圖5分別是焊接的外特性曲線和電源的特性。電源外特性與電弧靜特性相交于穩(wěn)定的工作點，當弧長變短時，電弧靜特性曲線向下移，穩(wěn)定工作點也移到新的交點，電流增大，焊絲加快融化，弧長加長，穩(wěn)定工作點恢復到原來的點；反之，若弧長增加則電流減小，焊絲融化變慢，弧長變短，也可以恢復到原來的穩(wěn)定工作點[6-7]。

圖4 外特性曲線

圖5 電源靜特性

4 試驗驗證

本系統(tǒng)中采用DSP控制器，電流的PI調(diào)節(jié)是用霍爾電流傳感器檢測電流變化，并通過ADCIN00引腳輸入給DSP，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電流反饋信號，在電流PI調(diào)節(jié)編程序時一定要注意由于是雙極性可逆PWM系統(tǒng)，PWM的占空比除了決定電機轉(zhuǎn)速外，還決定電機的轉(zhuǎn)向，因此必須根據(jù)轉(zhuǎn)向標志DIRECTION來決定輸出極限：正轉(zhuǎn)時輸出的范圍是0～250；反轉(zhuǎn)時，輸出的范圍是250～500。而弧壓信號經(jīng)過一定的處理，隨著弧壓的升高，弧壓達到一定值時形成弧壓有效信號，用以管理送絲/退絲邏輯電路，即當弧壓有效時送絲，弧壓無效時退絲，再與電流有效信號配合，在有弧壓，無電流時，能確保初始過程在一個較低的送絲速度下進行，當即有弧壓又有電流時，提供正常的送絲速度調(diào)整。

圖6 直流電機電流和電壓的測試波形

在設計開關(guān)頻率10 kHz，圖6為直流電機輸出電流和輸出電壓的測試波形，此時的占空比為75%，通過測試轉(zhuǎn)速值與給定值誤差很小，因此，軟件鎖相環(huán)能很好地控制焊接系統(tǒng)直流電機的轉(zhuǎn)速。

5 結(jié)論

采用軟件鎖相環(huán)技術(shù)的原理對電機精確控制的方法，分析了鑒相器、壓控振蕩器和濾波器的工作原理，并介紹了電機正反轉(zhuǎn)的控制模式，介紹了焊接特性曲線。通過試驗驗證了送絲電機的轉(zhuǎn)速控制方法的可行性。

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