《一種埋弧焊弧壓反饋送絲的控制方法及電路》是北京工業大學於2008年9月5日申請的專利，該專利的公布號為CN101352777，授權公布日為2009年1月28日，發明人是李西恭、黃鵬飛、趙智江、邱祁。
《一種埋弧焊弧壓反饋送絲的控制方法及電路》屬於焊接設備領域，適用於埋弧焊電弧電壓反饋送絲技術。控制系統由外環調節器1.1、內環控制器1.2組成的控制環節1，送絲電機環節2及電弧區3構成。該方法的特徵是採用雙閉環負反饋控制，外環有一個外環調節器1.1，其輸入端接參考信號Verf及電弧區3輸出的電弧電壓反饋信號Vf。內反饋環有一個內環控制器1.2，內環控制器1.2是具有電流型PWM控制功能的控制器。外環調節器1.1接內環控制器1.2的一個輸入端，送絲電機環節2輸出的電流反饋信號If接內環控制器1.2的另一個輸入端。送絲電機環節2將控制器1.2的輸出信號進行功率放大後驅動送絲環節2中送絲電機，送絲電機將焊絲送入電弧區3。
2018年12月20日，《一種埋弧焊弧壓反饋送絲的控制方法及電路》獲得第二十屆中國專利獎優秀獎。
（概述圖為《一種埋弧焊弧壓反饋送絲的控制方法及電路》摘要附圖）
基本介紹
- 公告號：CN101352777
- 授權日：2009年1月28日
- 申請號：2008101196790
- 申請日：2008年9月5日
- 申請人：北京工業大學
- 地址：北京市朝陽區平樂園100號
- 發明人：李西恭、黃鵬飛、趙智江、邱祁
- Int.Cl.：B23K9/095(2006.01); B23K9/18(2006.01)
- 代理機構：北京思海天達智慧財產權代理有限公司
- 代理人：吳蔭芳
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,解決方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
在埋弧焊系統中，焊絲前端與工件之間有燃燒的電弧，焊絲端頭在電弧的熱作用下熔化，熔化的鐵水過渡到焊縫中，隨著焊絲熔化，送絲機要不斷送進焊絲，以維持焊絲端頭至工件的距離基本不變，否則會損壞焊縫質量，嚴重時電弧將熄滅，破壞穩定的焊接過程。由於焊絲端頭至工件的距離與電弧電壓成正比，因此用電弧電壓做測量電弧長度的感測器，由伺服電機驅動的送絲機做執行機構。調節過程為：在確定的參考電壓下，當測量的電弧值大於參考電壓，反應出焊絲端頭至工件的距離變長，此時控制系統加快電機轉速，從而加快送絲速度，使焊絲端頭至工件的距離變短，恢復到預期的參考值；反之亦然。這種調節電機送絲速度控制電弧長度的方式被稱之為弧壓反饋送絲。這種技術目前存在的問題是：在這種控制系統中，對控制系統的主要擾動為焊絲端頭不斷熔化的鐵水液滴向焊縫的過渡，此過程稱熔滴過渡。熔滴過渡會改變電弧電壓的數值，頻繁地對焊絲端頭至工件的距離測量形成干擾，此外，整個控制系統由於電弧的存在無法用數學模型描述。由於這些特點，現有埋弧焊控制有的過於複雜，比如採用3個閉環控制的方法，如ZL200510023284.7；有的簡單但控制精度低，調節器的閉環放大倍數在10倍以下。
發明內容
專利目的
《一種埋弧焊弧壓反饋送絲的控制方法及電路》的目的是提供一種簡單、控制精度高的埋弧焊弧壓反饋送絲方法及電路。
解決方案
控制方法包括：控制環節1，送絲電機環節2及電弧區3。控制環節1通過運算參考信號Vref及電弧電壓反饋信號Vf確定其輸出信號，送絲電機環節2將控制環節1的輸出信號功率放大後驅動送絲電機，送絲電機將埋弧焊絲送入電弧區3，電弧區3輸出電弧電壓反饋信號Vf，所說控制環節1由一個外環調節器1.1及一個內環控制器1.2構成，外環調節器1.1的輸入端接參考電壓信號Vref及電弧電壓反饋信號Vf，調節器1.1通過運算Vref與Vf的差值確定輸出信號；所說送絲電機環節2還輸出與電機電樞電流成比例的電流反饋信號If，內環控制器1.2具有電流型PWM控制功能，內環控制器（1.2）含有一個比較器，其通過運算外環調節器的輸出信號及電流反饋信號If確定其輸出的PWM信號，此輸出信號接送絲電機環節2。
考慮到送絲電機在低速旋轉時容易出現失穩，可以在外環調節器1.1的輸入端與內環控制器1.2的輸出端之間加入具有阻尼功能的校正環節4。校正環節4可濾除控制器1.2的輸出信號中的低頻分量，其輸入端與控制器1.2的輸出端連線，其輸出信號Vm與外環調節器1.1連線，外環調節器1.1通過運算參考信號Vref，弧壓反饋信號Vf及校正環節4的輸出信號Vm確定輸出信號。
上述的外環調節器1.1可以是比例調節器或比例積分調節器。
所述的校正環節4可以是一階高通濾波器。
依照上述方法可實現下面的埋弧焊弧壓反饋送絲的控制電路，電路包括：控制環節1，由半導體開關驅動送絲電機構成的送絲電機環節2，及焊接電弧區3，控制環節1的輸入端接參考信號Vref及電弧電壓反饋信號Vf，控制環節1的輸出端接送絲電機環節2，送絲電機環節2將焊絲送入電弧區3，電弧區3輸出電壓反饋信號Vf；所說控制環節1由一個外環調節器1.1和一個內環控制器1.2構成，內環控制器（1.2）含有比較器及RS觸發器；外環調節器1.1的輸入端接參考信號Vref及電弧電壓反饋信號Vf，外環調節器1.1的輸出端接內環控制器的1.2一個輸入端，此端接比較器的一個輸入端，所說送絲電機環節2還有一個電流感測器，其輸出與送絲電機的電樞電流成比例的反饋電流信號If，反饋電流信號If接控制器1.2的另一個輸入端，If經過斜波補償後接比較器的另一輸入端，比較器的輸出端接RS觸發器的R端，RS觸發器的S端接同步時鐘信號，RS觸發器的輸出端即控制器（1.2）的輸出端，控制器1.2的輸出端接送絲電機環節2中半導體開關器件的控制極，半導體開關驅動送絲電機，送絲電機將焊絲送入電弧區3。
在外環調節器1.1的輸入端與內環控制器1.2的輸出端之間加入具有阻尼功能的校正環節4。校正環節4可濾除內環控制器1.2的輸出信號中的低頻分量，其輸入端與內環控制器1.2的輸出端連線，其輸出信號Vm與外環調節器1.1連線，外環調節器1.1通過運算參考信號Vref、弧壓反饋信號Vf、校正環節4的輸出信號Vm確定輸出信號。
所述的校正環節4可以是一階高通濾波器。一階高通濾波器由電阻和電容串聯的電路組成。
上述的外環調節器1.1可以是比例調節器或比例積分調節器。
上述的內環控制器1.2為電流型PWM控制電路，由比較器電路、接比較器中一個輸入端的斜波補償電路及輸入端接比較器輸出的RS觸發器電路構成。採用電流型PWM控制晶片UC3846及外圍電路可構成具有斜波補償的電流型PWM控制電路。
改善效果
由於是雙環反饋，控制系統的穩定性好，因此在外環可以使用比例積分調節器或高精度比例調節器。此方案不僅控制相對簡單，同時也可達到提高控制精度的目的。另外，由於加入具有阻尼功能的校正環節，可避免送絲電機在低速旋轉時容易出現失穩的問題。
附圖說明
圖1是《一種埋弧焊弧壓反饋送絲的控制方法及電路》的原理框圖。
圖2是實施例原理圖。
圖3是電流型PWM集成晶片UC33846的外部接線圖。
圖中數字說明1、控制環節，1.1、外環調節器，1.2、內環控制器，2、送絲電機環節，3、電弧區，3.1、電弧，3.2、焊絲，4、校正環節。
技術領域
《一種埋弧焊弧壓反饋送絲的控制方法及電路》技術屬於焊接設備領域，適用於埋弧焊電弧電壓反饋送絲技術。
權利要求
1.一種埋弧焊弧壓反饋送絲的控制方法，該控制方法包括：控制環節（1），送絲電機環節（2）及電弧區（3）；控制環節（1）通過運算參考信號Vref及電弧電壓反饋信號Vf確定其輸出信號，送絲電機環節（2）將控制環節（1）的輸出信號功率放大後驅動送絲電機，送絲電機將埋弧焊絲送入電弧區（3），電弧區（3）輸出電弧電壓反饋信號Vf，其特徵在於：所說控制環節（1）由一個外環調節器（1.1）及一個內環控制器（1.2）構成，外環調節器（1.1）的輸入端接參考電壓信號Vref及電弧電壓反饋信號Vf，調節器（1.1）通過運算Vref與Vf的差值確定輸出信號；所說送絲電機環節（2）還輸出與電機電樞電流成比例的電流反饋信號If，內環控制器（1.2）具有電流型PWM控制功能，內環控制器（1.2）含有一個比較器，其通過運算外環調節器的輸出信號及電流反饋信號If確定其輸出的PWM信號，此輸出信號接送絲電機環節（2）。
2.根據權利要求1所述的一種埋弧焊弧壓反饋送絲的控制方法，其特徵在於：該控制方法還有一個校正環節（4），功能是濾除控制器（1.2）的輸出信號中的低頻分量，其輸入端與控制器（1.2）的輸出端連線，其輸出信號Vm與外環調節器（1.1）連線，外環調節器（1.1）通過運算參考信號Vref，弧壓反饋信號Vf及校正環節（4）的輸出信號Vm確定輸出信號。
3.根據權利要求1或2所述的一種埋弧焊弧壓反饋送絲的控制方法，其特徵在於：所述的外環調節器（1.1）為比例調節器或比例積分調節器。
4.一種埋弧焊弧壓反饋送絲的控制電路，該反饋控制電路包括：控制環節（1），由半導體開關驅動送絲電機構成的送絲電機環節（2），及焊接電弧區（3），控制環節（1）的輸入端接參考信號Vref及電弧電壓反饋信號Vf，控制環節（1）的輸出端接送絲電機環節（2），送絲電機環節（2）將焊絲送入電弧區（3），電弧區（3）輸出電壓反饋信號Vf；其特徵在於：所說控制環節（1）由一個外環調節器（1.1）和一個內環控制器（1.2）構成，內環控制器（1.2）含有比較器及RS觸發器；外環調節器（1.1）的輸入端接參考信號Vref及電弧電壓反饋信號Vf，外環調節器（1.1）的輸出端接內環控制器的（1.2）一個輸入端，此端接比較器的一個輸入端，所說送絲電機環節（2）還有一個電流感測器，其輸出與送絲電機的電樞電流成比例的反饋電流信號If，反饋電流信號If接控制器（1.2）的另一個輸入端，If經過斜波補償後接比較器的另一輸入端，比較器的輸出端接RS觸發器的R端，RS觸發器的S端接同步時鐘信號，RS觸發器的輸出端即控制器（1.2）的輸出端，控制器（1.2）的輸出端接送絲電機環節（2）中半導體開關器件的控制極，半導體開關驅動送絲電機，送絲電機將焊絲送入電弧區（3）。
5.根據權利要求4所述的一種埋弧焊弧壓反饋送絲的控制電路，其特徵在於：在外環調節器（1.1）的輸入端與內環控制器（1.2）的輸出端之間還有一個可濾除內環控制器（1.2）的輸出信號中的低頻分量的校正環節（4），其輸入端與內環控制器（1.2）的輸出端連線，其輸出信號Vm與外環調節器（1.1）連線，外環調節器（1.1）通過運算參考信號Vref、弧壓反饋信號Vf及校正環節（4）的輸出信號Vm確定輸出信號。
6.根據權利要求5所述的一種埋弧焊弧壓反饋送絲的控制電路，其特徵在於：所述的校正環節（4）為一階高通濾波器。
7.根據權利要求6所述的一種埋弧焊弧壓反饋送絲的控制電路，其特徵在於：所述的一階高通濾波器由電阻和電容串聯的電路組成。
8.根據權利要求4-7中任一項所述的一種埋弧焊弧壓反饋送絲的控制電路，其特徵在於：所述的外環調節器（1.1）是一個比例調節器或比例積分調節器。
9.根據權利要求4-7中任一項所述的一種埋弧焊弧壓反饋送絲的控制電路，其特徵在於：所述的內環控制器（1.2）由比較器電路、接比較器中一個輸入端的斜波補償電路及輸入端接比較器輸出的RS觸發器電路構成。
10.根據權利要求9所述的一種埋弧焊弧壓反饋送絲的控制電路，其特徵在於：所述的內環控制器（1.2）採用電流型PWM控制晶片UC3846及外圍電路構成。
實施方式
在圖1中，埋弧焊弧壓反饋送絲的控制方案由外反饋環和內反饋環構成，外反饋環有一個外環調節器1.1，採用電弧電壓Vf作為反饋信號；內反饋環有一個內環控制器1.2，以送絲電機的工作電流（電樞電流）If為反饋信號，內環控制器1.2具有電流型PWM功能，輸出PWM開關信號；外環調節器1.1和內環調節器1.2構成控制環節1。內環控制器1.2輸出的PWM開關信號連線送絲電機環節2中的半導體開關Q2。半導體開關驅動送絲電機旋轉，電機的工作電流是內反饋環的反饋電流If。送絲電機使焊絲不斷進入電弧區3，電弧區3輸出外環的反饋信號Vf。校正環節4將內環控制器1.2的輸出信號中的低頻分量濾除，並將其反饋到外環調節器1.1，起阻尼作用，避免送絲電機在低速旋轉時容易出現失穩的問題。
圖2是改方案的實施例。圖中，R1.1、R1.2、R1.3、R1.4、R2.1、R3.1、R3.2、R4.1是電阻。C1.1、C1.2、C3.1、C4.1是電容。Op1.1是運算放大器；Cp1.2是比較器；Q1.2是RS觸發器，其S端接同步時鐘信號；Q2是半導體開關器件，D2是蓄流二極體，M2是送絲電動機，T2是電流感測器。外環調節器1.1採用由運算放大器Op1及電阻、電容構成的比例積分調節器，其輸入端接參考信號Vref及電壓反饋信號Vf。內環控制器1.2有一個比較器及一個RS觸發器。內環控制器是具有電流型PWM控制功能的控制器，當PWM信號的開關工作比大於50％時，再加入圖中斜波補償電路可以抑制諧波失穩。電流型PWM控制技術及對電流反饋信號If的斜波補償技術都是公知的技術。外環調節器1.1的輸出信號接內環調節器1.2中比較器Cp1.2的一個輸入端，反饋電流信號If經過斜波補償後接比較器Cp1.2的另一輸入端。斜波補償電路參見圖3。內環調節器1.2的輸出信號與開關器件Q2連線，Q2採用NMOS器件。Q2控制送絲電動機M2旋轉。電流感測器T2輸出與電機的工作電流成比例的反饋信號If。電動機M2使焊絲3.2不斷進入燃燒的電弧3.1。電弧區3經電阻R3.1、R3.2，電容C3.1輸出與電弧電壓成比例的反饋電壓信號Vf。
由於埋弧焊工藝要求送絲速度能在一個很寬的範圍內調節，在慢速送絲的情況下，使用上述方案組成的電路有時會出現送絲控制系統失穩。為克服此缺點，在以上電路基礎上增加了具有阻尼功能的校正環節4，使送絲控制系統在所有速度條件下均能工作在穩定狀態。校正環節4由電阻R4.1與電容C4.1串聯而成，其功能是濾除開關信號轉換環節2的輸出信號中的低頻分量，其輸入端與內環控制器1.2的輸出端連線，其輸出信號Vm與外環調節器1.1的輸入端連線，外環調節器1.1通過運算參考信號Vref，弧壓反饋信號Vf及校正環節4的輸出信號Vm確定輸出信號。Vm信號的阻尼作用是指當誤差信號使控制環節1的輸出變化時，Vm信號阻礙控制環節1的輸出變化。
- 實施例1
R1.1＝20千歐、R1.2＝20千歐、R1.3＝200千歐、R1.4＝200千歐、R2.1＝100Ω、R3.1＝1.8千歐、R3.2＝0.2千歐、R4.1＝40千歐；
C1.1＝0.47微法、C1.2＝0.01微法、C3.1＝47微法、C4.1＝2.2微法；
Q2，IRFP360；D2，FR307；T2，CHB-25NP/SP8。
- 實施例2
在圖2中將積分電容C1.1短路，調節器1.1就成了比例調節器，其特點是回響速度快。R1.3＝1000千歐、R1.4＝1000千歐，R4.1＝100千歐，C4.1＝1.5微法。其餘參數與上例相同。比例調節器的優點是相應速度較快。
圖3是UC3846外部接線圖。UC3846是電流型PWM控制晶片，該晶片將內環控制器1.2的功能集成在一起，方便使用。晶片原理圖、符號說明及使用方法可參看生產廠家提供的使用說明。通過在晶片外部連線R1.5、R1.6及R1.7構成的電阻網路可實現對反饋電流If的斜波補償。使用該晶片時，將圖2中控制器1.2取消，圖2中Op1.1的輸出端接UC3846晶片的EA+端，圖3中的輸出端OUT接圖2中開關器件Q2及校正環節4的輸入端，圖3中的If接電流感測器T2的輸出端。
圖3中RT、CT是振盪電阻、電容，設計方法見晶片使用說明。圖中R1.5、R1.6、R1.7是用於斜波補償的電阻。R1.8是輸出端下拉電阻。
一個具體實施例是：R1.5＝3k、R1.6＝0.51k、R1.7＝4.7k、R1.8＝2k、RT＝4.2k、CT＝0.1微法。
榮譽表彰
2018年12月20日，《一種埋弧焊弧壓反饋送絲的控制方法及電路》獲得第二十屆中國專利獎優秀獎。
