專利名稱：一種采樣全數(shù)字化電流型pid控制方法及控制電路的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于維弧控制技術(shù)領域，尤其涉及一種采樣全數(shù)字化電流型PID控制方法及控制電路。
背景技術(shù)：
目前，我國少數(shù)焊接設備廠商也有數(shù)字化焊接電源推出，但大多數(shù)都只是將單片機技術(shù)用于人機界面，根本談不上數(shù)字化控制，能將MUC和DSP數(shù)字處理技術(shù)用于弧焊過 程控制的可謂鳳毛麟角，而且缺少真正的焊接工藝專家系統(tǒng)、焊接過程數(shù)據(jù)采集分析、焊接模型建立和算法理論支撐，技術(shù)水平尚處于低級狀態(tài)。未來我國焊接行業(yè)將逐步與國際接軌，朝著逆變化、自動化、專業(yè)化、數(shù)字化方向發(fā)展，進一步適應焊接應用需求。電流型控制的逆變焊機最早傳入我國，其后發(fā)展較慢，主要是技術(shù)上的難點不少。目前例如奧太、易特流、無夕小焊機都是電流型控制的，但是全是采用模擬電路來實現(xiàn)的。早些年，無夕有一品牌叫“火力神”是“單端電流型單環(huán)控制的弧焊機”，其原理是SG3525的8腳軟起動后，脈沖開啟，單端雙管電路工作，輸出電感產(chǎn)生斜坡電流，一次側(cè)電流互感器比例斜坡電流，形成Ui，Ue是直流調(diào)正電壓，Ui>Ue時比較器反轉(zhuǎn)，拉低SG3525的9腳，脈沖關閉，形成脈寬調(diào)正；另外還有一種電流型控制是使用UC3846、UC3842電流型PWM控制
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心/T

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種使電源快速響應，焊接過程可控性強，可仰止短路時的沖擊電流，工作性能穩(wěn)定、可靠的采樣全數(shù)字化電流型PID控制方法，以及PWM的硬件電路簡化，成本降低，可提高焊機的控制響應速度和焊接性能，工作更可靠，同時解決IGBT開通時電流尖峰較高的問題的控制電路。本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為
一種采樣全數(shù)字化電流型PID控制方法，包括以下步驟
a.獲取固定給定信號；
b.獲取電流采樣反饋信號；
c.將固定給定信號和電流采樣反饋信號進行PID控制運算，得到占空比脈寬信號，并根據(jù)該占空比脈寬信號對焊接電流、電壓、功率的數(shù)據(jù)進行變換處理，實現(xiàn)對焊機實際輸出的控制。進一步地，所述獲取電流采樣反饋信號，具體為使用TVS管對采樣得到的電壓進行吸收，使用電流互感器采樣開關變壓器的電流信號，通過全橋整流后經(jīng)電阻取樣后得到方波信號，作為反饋信號。進一步地，所述PID控制運算是采集方波信號的平均值進行運算處理。進一步地，在得到占空比脈寬信號后，先對該占空比脈寬信號進行放大處理，再根據(jù)該放大后的占空比脈寬信號對焊接電流、電壓、功率的數(shù)據(jù)進行變換處理。
進一步地，所述根據(jù)占空比脈寬信號對焊接電流、電壓、功率的數(shù)據(jù)進行變換處理，實現(xiàn)對焊機實際輸出的控制，具體為當電流突然增大時，反饋信號同時增大，若此時電壓較低，焊機輸出功率值還沒達到設定的最大功率值，占空比脈寬信號對應的脈寬不會收窄，焊機輸出功率最大；若此時電壓升高，焊機輸出功率值超過設定的最大功率值時，占空比脈寬信號對應的脈寬收窄，電流回到原來狀態(tài)，此時焊機輸出功率減少。一種采樣全數(shù)字化電流型PID控制電路，其特征在于，包括有一用于獲取固定給定信號的編碼器和一用于獲取電流采樣反饋信號的電流采樣單元，以及一用于將固定給定信號和電流采樣反饋信號進行PID控制運算，得到占空比脈寬信號，并根據(jù)該占空比脈寬信號對焊接電流、電壓、功率的數(shù)據(jù)進行變換處理，實現(xiàn)對焊機實際輸出的控制的PID控制單元。進一步地，所述電流采樣單元包括有一用于對采樣得到的尖峰電壓進行吸收的 TVS管，一用于對開關變壓器原邊電流信號進行采樣的電流互感器，一用于對采樣的電流信號進行全橋整流的全橋整流器，以及一用于對全橋整流后的電流信號進行取樣并得到方波信號的取樣電阻，且所述TVS管、電流互感器、全橋整流器和取樣電阻依次導通連接。進一步地，所述PID控制單元為一單片機，包括有依次導通連接的PID控制算法器、PWM控制寄存器和PWM輸出端口。進一步地，所述PID控制單元為型號為STM32F100C8T6單片機。進一步地，本控制電路還包括有放大電路，所述放大電路的輸入端和輸出端分別與所述PWM輸出端口和電焊機的驅(qū)動變壓器導通連接。本發(fā)明通過上述技術(shù)方案，該控制方法即可實現(xiàn)對焊接電流，電壓，功率的數(shù)據(jù)變換處理，讓焊接過程可控，且通過對檢測回來的數(shù)據(jù)處理，不同的誤差范圍采用不同的ro控制，通過分離積分，讓電源快速更隨和響應，焊接過程可控性強，同時仰止短路時的沖擊電流，工作性能穩(wěn)定、可靠。另外，本控制電路有效簡化了 PWM的硬件電路，降低了硬件的成本，而且動態(tài)響應極快，從而提高焊機的控制響應速度和焊接性能，工作更可靠，同時避免了電流檢測鎖存和PWM電路誤動作的出現(xiàn)，解決IGBT開通時電流尖峰較高的問題；也避免了“單端電流型單環(huán)控制的弧焊機”因單端電路半周期性工作，電流沖擊過大，漏感及分布電感都激發(fā)出難以克制的自感電壓；短路時最小脈寬無法控制、失控，變成開環(huán)，沖擊電流無法抑止的問題。


圖I是本發(fā)明實施例所述采樣全數(shù)字化電流型PID控制方法的流程示意 圖2是本發(fā)明實施例所述采樣全數(shù)字化電流型PID控制電路的原理示意框 圖3是本發(fā)明實施例所述采樣全數(shù)字化電流型PID控制電路示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案進行詳細說明。如圖I中所示
本發(fā)明實施例所述的一種采樣全數(shù)字化電流型PID控制方法，包括以下步驟
步驟A.獲取固定給定信號；步驟B.獲取電流采樣反饋信號；
步驟C.將固定給 定信號和電流采樣反饋信號進行PID控制運算，得到占空比脈寬信號，并根據(jù)該占空比脈寬信號對焊接電流、電壓、功率的數(shù)據(jù)進行變換處理，實現(xiàn)對焊機實際輸出的控制。其中，所述獲取電流采樣反饋信號，具體可以為使用TVS管對采樣得到的電壓進行吸收，使用電流互感器采樣開關變壓器的電流信號，通過全橋整流后經(jīng)電阻取樣后得到方波信號，作為反饋信號。所述PID控制運算是采集方波信號的平均值進行運算處理，而且在得到占空比脈寬信號后，先對該占空比脈寬信號進行放大處理，再根據(jù)該放大后的占空比脈寬信號對焊接電流、電壓、功率的數(shù)據(jù)進行變換處理。所述根據(jù)占空比脈寬信號對焊接電流、電壓、功率的數(shù)據(jù)進行變換處理，實現(xiàn)對焊機實際輸出的控制，具體為當電流突然增大時，反饋信號同時增大，若此時電壓較低，焊機輸出功率值還沒達到設定的最大功率值，占空比脈寬信號對應的脈寬不會收窄，焊機輸出功率最大；若此時電壓升高，焊機輸出功率值超過設定的最大功率值時，占空比脈寬信號對應的脈寬收窄，電流回到原來狀態(tài)，此時焊機輸出功率減少。這樣，即可實現(xiàn)對焊接電流，電壓，功率的數(shù)據(jù)變換處理，讓焊接過程可控，且通過對檢測回來的數(shù)據(jù)處理，不同的誤差范圍采用不同的ro控制，通過分離積分，讓電源快速更隨和響應，焊接過程可控性強，同時仰止短路時的沖擊電流，工作性能穩(wěn)定、可靠。如圖2和圖3中所示
本發(fā)明實施例所述的一種采樣全數(shù)字化電流型PID控制電路，包括有編碼器I、電流采樣單元2和PID控制單元3，且所述編碼器I和電流采樣單元2與PID控制單元3導通連接。其中，
所述編碼器I (如型號為20R20，K1A15F6)主要用于獲取固定給定信號，并輸送給PID控制單兀3 ；
所述電流采樣單元2主要用于獲取電流采樣反饋信號，并輸送給PID控制單元3，包括有一用于對采樣得到的尖峰電壓進行吸收的TVS管(如型號為ESD5Z3. 3T1，G*) 21，一用于對開關變壓器原邊電流信號進行采樣的電流互感器(如型號為T22*14*8-C，HGQ 200:1)22,一用于對采樣的電流信號進行全橋整流的全橋整流器23，以及一用于對全橋整流后的電流信號進行取樣并得到方波信號的取樣電阻24，且所述TVS管21、電流互感器22、全橋整流器23和取樣電阻24依次導通連接；所述全橋整流器23由四個貼片二極管(如型號為1N4148二極管)構(gòu)成，所述取樣電阻24由四個22 Q封裝的貼片電阻(如1206的貼片電阻)并聯(lián)構(gòu)成；
所述PID控制單元3為一單片機(如型號為STM32F100C8T6)，主要用于將固定給定信號和電流采樣反饋信號進行PID控制運算，得到占空比脈寬信號(即數(shù)字驅(qū)動序號)，并根據(jù)該占空比脈寬信號對焊接電流、電壓、功率的數(shù)據(jù)進行變換處理，實現(xiàn)對焊機實際輸出的控制，其包括有依次導通連接的PID控制算法器31、PWM控制寄存器32和PWM輸出端口 33。本控制電路還包括有放大電路(如型號為MOSFET A04612)4，所述放大電路4的輸入端和輸出端分別與所述PWM輸出端口 33和電焊機的驅(qū)動變壓器導通連接。如圖3，本發(fā)明所述的PID控制電路的電流互感器22的采樣得到的原邊電流信號經(jīng)過二極管D16 D19及電阻R31 R34處理后直接輸入MCU的引腳PAO-WKU P，同時前面板的編碼器I也給MCU —個給定信號，MCU內(nèi)部將這兩個信號進行運算處理，MCU的引腳PA8和引腳PA9輸出兩個脈寬大小一致且相位相反的PWM波形，經(jīng)過放大電路4的處理后來驅(qū)動驅(qū)動變壓器，最終驅(qū)動單管IGBT的導通與關斷，來實現(xiàn)焊機的一個逆變過程。當MCU的引腳PA9輸出高電位時，引腳PA8輸出低電位，引腳PA9輸出的高電位使三極管Q5導通，將三極管Q6和Q7的基極電位拉低，使三極管Q6截止和三極管Q7導通。從而使貼片場 管U6的P管導通；貼片場管的N管截止。此時，MCU的引腳PA8輸出低電位使三極管Q8截止，三極管Q9和QlO的基極為高電位，使三極管Q9導通、三極管QlO截止，從而使貼片場管U7的P管截止；貼片場管的NN管導通。正15V的直流電源依次經(jīng)過由貼片場管U6的P管和、驅(qū)動變壓器T3、貼片電阻R44、貼片場管U7的N管構(gòu)成的半個周期驅(qū)動回路。另外半個周期的驅(qū)動原理同上，只是MCU的PA9引腳輸出低電位，PA8引腳輸出高電位，從而使正15V的直流電源依次經(jīng)過由貼片場管U7的P管、貼片電阻R44、驅(qū)動變壓器T3、再到貼片場管U6的N管構(gòu)成的另外半個周期驅(qū)動回路到地。本發(fā)明所述采樣全數(shù)字化電流型PID控制電路的工作原理為首先，前端編碼器I輸出一固定給定信號至PID控制單元3，與此同時，電流采樣單元2的TVS管21對采樣得到的尖峰電壓進行吸收，且電流互感器22采樣開關變壓器的電流信號，并將該通過全橋整流器23進行整流后經(jīng)取樣電阻24進行取樣得到方波信號，且輸送至PID控制單元3 ;然后，PID控制單元3單片機通過其PID控制算法器31進行運算處理后，根據(jù)計算得到的數(shù)值調(diào)整其PWM控制寄存器32中的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為實際的焊接輸出值，經(jīng)其PWM輸出端口 33輸出相應占空比脈寬信號；最后根據(jù)該占空比脈寬信號控制焊機的實際輸出。這樣，有效簡化了PWM的硬件電路，降低了硬件的成本，而且本PID控制電路動態(tài)響應極快，從而提高焊機的控制響應速度，從而提高焊接性能，工作更可靠，同時避免了電流檢測鎖存和PWM電路誤動作的出現(xiàn)，解決IGBT開通時電流尖峰較高的問題；也避免了“單端電流型單環(huán)控制的弧焊機”因單端電路半周期性工作，電流沖擊過大，漏感及分布電感都激發(fā)出難以克制的自感電壓；短路時最小脈寬無法控制、失控，變成開環(huán)，沖擊電流無法抑止的問題。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選技術(shù)方案對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種采樣全數(shù)字化電流型PID控制方法，其特征在于，包括以下步驟 a.獲取固定給定信號； b.獲取電流采樣反饋信號； c.將固定給定信號和電流采樣反饋信號進行PID控制運算，得到占空比脈寬信號，并根據(jù)該占空比脈寬信號對焊接電流、電壓、功率的數(shù)據(jù)進行變換處理，實現(xiàn)對焊機實際輸出的控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的控制方法，其特征在于，所述獲取電流采樣反饋信號，具體為使用TVS管對采樣得到的電壓進行吸收，使用電流互感器采樣開關變壓器的電流信號，通過全橋整流后經(jīng)電阻取樣后得到方波信號，作為反饋信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述PID控制運算是采集方波信號的平均值進行運算處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任何一項所述的控制方法，其特征在于，在得到占空比脈寬信號后，先對該占空比脈寬信號進行放大處理，再根據(jù)該放大后的占空比脈寬信號對焊接電流、電壓、功率的數(shù)據(jù)進行變換處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任何一項所述的控制方法，其特征在于，所述根據(jù)占空比脈寬信號對焊接電流、電壓、功率的數(shù)據(jù)進行變換處理，實現(xiàn)對焊機實際輸出的控制，具體為當電流突然增大時，反饋信號同時增大，若此時電壓較低，焊機輸出功率值還沒達到設定的最大功率值，占空比脈寬信號對應的脈寬不會收窄，焊機輸出功率最大；若此時電壓升高，焊機輸出功率值超過設定的最大功率值時，占空比脈寬信號對應的脈寬收窄，電流回到原來狀態(tài)，此時焊機輸出功率減少。
6.一種采樣全數(shù)字化電流型PID控制電路，其特征在于，包括有一用于獲取固定給定信號的編碼器(I)和一用于獲取電流采樣反饋信號的電流采樣單元(2)，以及一用于將固定給定信號和電流采樣反饋信號進行PID控制運算，得到占空比脈寬信號，并根據(jù)該占空比脈寬信號對焊接電流、電壓、功率的數(shù)據(jù)進行變換處理，實現(xiàn)對焊機實際輸出的控制的PID控制單元(3)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制電路，其特征在于所述電流采樣單元(2)包括有一用于對采樣得到的尖峰電壓進行吸收的TVS管(21)，一用于對開關變壓器原邊電流信號進行采樣的電流互感器(22)，一用于對采樣的電流信號進行全橋整流的全橋整流器(23)，以及一用于對全橋整流后的電流信號進行取樣并得到方波信號的取樣電阻(24)，且所述TVS管(21)、電流互感器(22)、全橋整流器(23)和取樣電阻(24)依次導通連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的控制電路，其特征在于所述PID控制單元(3)為一單片機，包括有依次導通連接的PID控制算法器(31)、PWM控制寄存器(32)和PWM輸出端口(33)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制電路，其特征在于所述PID控制單元(3)為型號為STM32F100C8T6 單片機。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的控制電路，其特征在于本控制電路還包括有放大電路(4)，所述放大電路(4)的輸入端和輸出端分別與所述PWM輸出端口(33)和電焊機的驅(qū)動變壓器導通連接。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種采樣全數(shù)字化電流型PID控制方法及控制電路，通過編碼器和電流采樣單元獲取一固定給定信號和開關變壓器原邊電流采樣反饋信號給電流型PWM控制芯片進行PID控制運算，得到占空比脈寬信號，并根據(jù)該占空比脈寬信號對焊接電流、電壓、功率的數(shù)據(jù)進行變換處理，實現(xiàn)對焊機實際輸出的控制。這樣，本控制方法通過對檢測回來的數(shù)據(jù)處理，不同的誤差范圍采用不同的PD控制，并通過分離積分，讓電源快速更隨和響應，讓焊接過程可控，仰止短路時的沖擊電流，工作性能穩(wěn)定、可靠；而且有效簡化了PWM的硬件電路，降低成本，動態(tài)響應極快，提高了焊機的控制響應速度和焊接性能，工作更可靠，解決IGBT開通時電流尖峰較高的問題。
文檔編號B23K9/095GK102773587SQ20121026368
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月28日
發(fā)明者楊少軍, 王巍, 王科海, 邱光 申請人:深圳市瑞凌實業(yè)股份有限公司