賈鵬飛，朱錦洪

（河南科技大學材料科學與工程，河南洛陽471000）

PLC的PID及PWM功能在逆變電阻點焊控制系統(tǒng)中的應用

賈鵬飛，朱錦洪

（河南科技大學材料科學與工程，河南洛陽471000）

設計了基于三菱FX2N型PLC的逆變電阻點焊控制系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的工作原理，闡述了PLC的PID指令、PWM指令及A/D轉換模塊在該控制系統(tǒng)中的應用。實際使用表明，該控制系統(tǒng)能夠滿足使用要求，且控制精度較高。

PLC；PWM；PID；電阻點焊

0　前言

目前電阻點焊廣泛應用于航空、航天行業(yè)、汽車、機械加工等行業(yè)，特別是汽車工業(yè)等大批量生產企業(yè)的發(fā)展，使得其應用領域不斷擴大[1]。任何焊接技術的實現離不開焊接設備，因此技術人員致力于開發(fā)出性能優(yōu)秀的焊接設備。逆變電阻點焊機因具有焊接輸出精密可控、焊接質量高、動態(tài)響應速度快等傳統(tǒng)焊機不具備的優(yōu)點，受到越來越多的關注[2]。

可編邏輯控制器（PLC）具有控制功能強、可靠性高、抗干擾能力強、使用靈活方便、易于擴展等優(yōu)點，近年來在工業(yè)自動控制、機電一體化等方面得到了廣泛的應用，現已成為現代工業(yè)自動化的三大支柱之一[3-4]。與普通電阻焊不同，設計了20 kHz的逆變電阻點焊控制系統(tǒng)[5]，并選用PLC作為控制核心。重點是運用PLC的PWM與PID等指令實現對焊接電流的調節(jié)，提高了控制精度，能夠得到良好的控制效果。

1　系統(tǒng)的工作原理

電阻點焊控制系統(tǒng)的組成如圖1所示。由IGBT、電流反饋電路、PLC、494芯片、841驅動芯片等組成了閉環(huán)反饋系統(tǒng)。三菱FX2N系列PLC具有小型化、高速度、高性能等優(yōu)點，具備了脈寬調制，PID控制指令以及A/D轉換等功能。將IGBT作為焊接電流控制器件，反饋電路將焊接電流轉換為0～10 V的電壓信號，并且輸入到PLC的A/D輸入端口，PLC采樣后與焊接電流目標值進行比較，得到電流誤差信號，經過PID指令的運算得到控制量，將控制量作為脈沖的脈寬，然后運用PLC的PWM指令輸出該脈沖。將該脈沖進行濾波后轉換為0～5 V的電壓信號，該電壓信號用來控制TL494產生高頻脈沖，841芯片輸出用于控制IGBT通斷的電壓信號，從而實現對焊接電流的調節(jié)及控制。

圖1　系統(tǒng)結構框圖

PWM的實現：三菱FX2N的PLC可以從CPU單元內置輸出中發(fā)出可變占空比的脈沖輸出信號，FX2N系列PLC有兩個晶體管型輸出端子，編號為Y000和Y001，脈寬調制（PWM）指令的輸出端子必須是晶體管型，所以PWM指令的輸出端子為Y000或Y001。通過PWM輸出指令可以設置脈沖的寬度和周期，PWM指令如圖2所示，S1為脈寬指定，由PID計算得到；S2為周期指定，如上所述將其設為K100；D指定脈沖輸出端口Y號碼，所采用的輸出端為Y000。

本系統(tǒng)考慮到兼顧響應速度、濾波效果與占空比調節(jié)精度，將脈沖的周期設置為100 ms，將PID運算結果作為脈寬從而實現脈寬調制。

圖2　PWM輸出指令

2　PWM輸出指令

A/D轉換的實現：本系統(tǒng)采用了FX2N系統(tǒng)PLC常用的模擬量輸入模塊FX2N-2AD，能夠實現兩通道的A/D轉換，系統(tǒng)規(guī)定其中AD0通道進行A/D轉換后數據寄存于D8030。根據外部連接方法以及PLC指令，選擇采用電壓輸入的方式，模擬量的輸入范圍為0～10V，分辨率為2.5 mV（10V/4 000）。本系統(tǒng)的焊接電流最大值可達20 000 A，經A/D轉換后D8030的值最大為4 000，因此需要對A/D轉換的量程進行變換，這樣才能保證A/D轉換的準確性。所開發(fā)的A/D轉換梯形圖程序如圖3所示。

圖3　A/D轉換量程變換

3　PID程序設計

圖4為設計的PID程序。焊接電流實際值經過霍爾電流傳感器被整理為0～10 V的電壓信號，經過模擬量輸入端口AD0輸入，并經量程轉換后的輸入值為0～20 000。目標值為15 000 A，存儲在寄存器D301中，反饋值存儲在D302中。本系統(tǒng)的D400～D424存儲PID運算的參數，這些參數包括輸入濾波系數、采樣時間、比例增益、積分時間、微分增益和時間等，D500為PID計算出來的操作量，即PWM調制脈寬，在PID參數之中設置其范圍為0～100。

圖4　PID程序

4　PID控制算法

在工業(yè)過程控制中，PID控制算法具備原理簡單、易于實現及運行可靠等優(yōu)點，因而是工業(yè)工程中應用最廣泛的一種算法[6]。PID控制包含了控制過程中過去、現在和未來等重要信息，根據對被控量控制精度要求的不同，可以劃分為P（比例控制）、PD（比例+微分控制）、PID（比例+積分+微分控制）等不同組合。其中P代表了現在的信息，發(fā)揮著糾正偏差的作用，使得控制過程反應更加迅速。D在反饋值發(fā)生變化時有超調的作用，代表著將來的信息，在控制過程開始時使得控制過程加速，過程結束時相應的減小超調，克服震蕩，能夠提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，加快系統(tǒng)的過渡。I代表了過去的信息，它能夠消除靜差，改善系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性[7]。

4.1三菱PID控制算法

本系統(tǒng)通過在PLC中編寫梯形圖程序實現PID控制算法。FX2N PLC提供了PID運算指令，用戶只需對PID指令的參數進行合理的設定就能實現PID運算，與其他控制芯片相比具有明顯的優(yōu)勢。PID指令的編號為FNC88，如圖5所示，[S1]、[S2]、[S3]為源操作數，[D]為目標操作數，這兩者均為數據寄存器D，16位指令，占9個程序步。[S1]用來存放給定值，[S2]用來存放當前測量到的反饋值PV，[S3]～[S3]＋6用來存放控制參數的值，運算結果MV存放在[D]中。源操作數[S3]占用從[S3]開始的25個數據寄存器。本設計中對系統(tǒng)參數分配如下：D400為采樣時間，D401為動作方向，D402為輸入濾波常數，D403為比例增益，D404為積分時間，D405為微分增益，D406為微分時間，D422為輸出上限，D423為輸出下限。

圖5　PID指令

4.2PID參數整定

（1）采樣周期。采樣周期應當大于PLC的掃描周期。通過三菱PLC的編程軟件GX Developer的“在線”下拉菜單欄中“監(jiān)視模式”，監(jiān)視PLC的運行能夠得到PLC的掃描周期為3 ms，本系統(tǒng)設置的采樣周期為4 ms。

（2）輸入濾波常數。PID調節(jié)必定要輸入一個依據被控對象發(fā)送過來的反饋值，該反饋值是進行PID調節(jié)的依據，如果反饋值由于外部干擾而導致波動太大，將會使PID運算結果不可靠，不能發(fā)揮調節(jié)作用，所以要對依據被控對象發(fā)送過來的反饋值進行濾波處理，濾波常數就起到控制濾波的作用。本系統(tǒng)將濾波常數設定為50％。

（3）比例增益。在設置比例增益前，應當將積分時間、微分增益以及微分時間都設定為0，使PID指令成為純比例算法，此時調節(jié)比例增益的值，觀察系統(tǒng)輸出，當系統(tǒng)呈現衰減震蕩且過渡時間較短時得到合適的比例增益值。

（4）積分時間。積分部分能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但是積分作用的動作緩慢，易對系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性帶來不良影響，當積分時間常數增大時，積分作用減弱，系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性增加，但是消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度減緩。

（5）微分增益和微分時間。微分部分能夠反應系統(tǒng)變化的趨勢，它比比例部分調節(jié)更為及時，具有超前和預測的效果。本系統(tǒng)沒有采用微分調節(jié)，因此將微分增益和微分時間都設置為0。

5　結論

該逆變電阻點焊控制系統(tǒng)以FX2N型PLC為控制核心，根據焊接電流誤差采用PID算法計算出脈寬，并用PWM指令輸出該脈寬的脈沖，經濾波后輸送到494集成控制器并進而通過841芯片來驅動IGBT，從而實現對焊接電流的控制，能夠滿足各種控制要求。

將PLC應用于電阻點焊，可使設備具有結構簡化，抗干擾能力強，維修與更新方便，可靠性高，故障率低等優(yōu)點。目前，國內逆變電阻點焊控制系統(tǒng)中，仍然采用MCU、ARM、DSP等作為控制核心，系統(tǒng)編程與后期更新困難，且控制電路十分復雜。因此，PLC在電阻點焊中的應用，有利于電阻點焊設備向自動化、現代化方向的推進，必將得到廣泛應用。

[1]王敏.我國電阻焊設備和工藝的應用現狀和發(fā)展前景[J].機械工人，2004（5）：19-21.

[2]吳詳淼，黃石生，方平，等.逆變式電阻焊機的研究進展[J].電焊機，2000，30（12）：7-8，19.

[3]劉艷梅，陳震.三菱PLC基礎與系統(tǒng)設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012：1-3.

[4]劉艷梅，陳震.三菱PLC基礎與系統(tǒng)設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012：6-9.

[5]曹彪，李海波，龐少輝，等.基于DSP的逆變交流電阻焊電源控制[J].華南理工大學學報（自然科學版），2015，（3）：9-14.

[6]史巖鵬，齊向東．基于組態(tài)軟件的鍋爐液位控制系統(tǒng)[J]．機械工程與自動化，2011（5）：137-141．

[7]高軍，黎輝等.基于PID控制和重復控制的正弦波逆變電源研究[J].電工電能新技術，2002，21（1）：1-4.

Application of PID and PWM function of PLC in the control system of inverter resistance spot welding

JIA Pengfei，ZHU Jinhong
（He'nan University of Science and Technology，Luoyang 471003，China）

In this paper，the control system of inverter resistance spot welding is designed based on the PLC（Programmable Logic Controller）whose model is FX2N.The working principle of the system is introduced and the application of PID command，PWM command and A/D conversion module in this control system are expound.The practice shows that this control system has high control precision and can meet the operating requirements.

PLC；PWM；PID；resistance spot welding

TG409

A

1001－2303（2016）05－0055-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.05.12

2016－01－06；

2016－02－20

自然科學基金項目（E050803）；中國國家留學基金管理委員會（201208410333）和河南省高?？萍紕?chuàng)新團隊支持計劃(13IRTSTHN003)

賈鵬飛（1986—），男，河南洛陽人，碩士，主要從事焊接電源方面的研究工作。