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(lǐng)域：
本發(fā)明屬于維弧控制技術(shù)領(lǐng)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(shè)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(jī)技術(shù)用于人機(jī)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(jí)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(dòng)化、專業(yè)化、數(shù)字化方向發(fā)展，進(jìn)一步適應(yīng)焊接應(yīng)用需求。電流型控制的逆變焊機(jī)最早傳入我國，其后發(fā)展較慢，主要是技術(shù)上的難點(diǎn)不少。目前例如奧太、易特流、無夕小焊機(jī)都是電流型控制的，但是全是采用模擬電路來實(shí)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(jī)”，其原理是SG3525的8腳軟起動(dòng)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(shí)比較器反轉(zhuǎn)，拉低SG3525的9腳，脈沖關(guān)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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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(yīng)，焊接過程可控性強(qiáng)，可仰止短路時(shí)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(jiǎn)化，成本降低，可提高焊機(jī)的控制響應(yīng)速度和焊接性能，工作更可靠，同時(shí)解決IGBT開通時(shí)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(hào)；
b.獲取電流采樣反饋信號(hào)；
c.將固定給定信號(hào)和電流采樣反饋信號(hào)進(jìn)行PID控制運(yùn)算，得到占空比脈寬信號(hào)，并根據(jù)該占空比脈寬信號(hào)對(duì)焊接電流、電壓、功率的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊機(jī)實(shí)際輸出的控制。進(jìn)一步地，所述獲取電流采樣反饋信號(hào)，具體為使用TVS管對(duì)采樣得到的電壓進(jìn)行吸收，使用電流互感器采樣開關(guān)變壓器的電流信號(hào)，通過全橋整流后經(jīng)電阻取樣后得到方波信號(hào)，作為反饋信號(hào)。進(jìn)一步地，所述PID控制運(yùn)算是采集方波信號(hào)的平均值進(jìn)行運(yùn)算處理。進(jìn)一步地，在得到占空比脈寬信號(hào)后，先對(duì)該占空比脈寬信號(hào)進(jìn)行放大處理，再根據(jù)該放大后的占空比脈寬信號(hào)對(duì)焊接電流、電壓、功率的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換處理。
進(jìn)一步地，所述根據(jù)占空比脈寬信號(hào)對(duì)焊接電流、電壓、功率的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊機(jī)實(shí)際輸出的控制，具體為當(dāng)電流突然增大時(shí)，反饋信號(hào)同時(shí)增大，若此時(shí)電壓較低，焊機(jī)輸出功率值還沒達(dá)到設(shè)定的最大功率值，占空比脈寬信號(hào)對(duì)應(yīng)的脈寬不會(huì)收窄，焊機(jī)輸出功率最大；若此時(shí)電壓升高，焊機(jī)輸出功率值超過設(shè)定的最大功率值時(shí)，占空比脈寬信號(hào)對(duì)應(yīng)的脈寬收窄，電流回到原來狀態(tài)，此時(shí)焊機(jī)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(hào)的編碼器和一用于獲取電流采樣反饋信號(hào)的電流采樣單元，以及一用于將固定給定信號(hào)和電流采樣反饋信號(hào)進(jìn)行PID控制運(yùn)算，得到占空比脈寬信號(hào)，并根據(jù)該占空比脈寬信號(hào)對(duì)焊接電流、電壓、功率的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊機(jī)實(shí)際輸出的控制的PID控制單元。進(jìn)一步地，所述電流采樣單元包括有一用于對(duì)采樣得到的尖峰電壓進(jìn)行吸收的 TVS管，一用于對(duì)開關(guān)變壓器原邊電流信號(hào)進(jìn)行采樣的電流互感器，一用于對(duì)采樣的電流信號(hào)進(jìn)行全橋整流的全橋整流器，以及一用于對(duì)全橋整流后的電流信號(hào)進(jìn)行取樣并得到方波信號(hào)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(dǎo)通連接。進(jìn)一步地，所述PID控制單元為一單片機(jī)，包括有依次導(dǎo)通連接的PID控制算法器、PWM控制寄存器和PWM輸出端口。進(jìn)一步地，所述PID控制單元為型號(hào)為STM32F100C8T6單片機(jī)。進(jìn)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(jī)的驅(qū)動(dòng)變壓器導(dǎo)通連接。本發(fā)明通過上述技術(shù)方案，該控制方法即可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)檢測(cè)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(yīng)，焊接過程可控性強(qiáng)，同時(shí)仰止短路時(shí)的沖擊電流，工作性能穩(wěn)定、可靠。另外，本控制電路有效簡(jiǎn)化了 PWM的硬件電路，降低了硬件的成本，而且動(dòng)態(tài)響應(yīng)極快，從而提高焊機(jī)的控制響應(yīng)速度和焊接性能，工作更可靠，同時(shí)避免了電流檢測(cè)鎖存和PWM電路誤動(dòng)作的出現(xiàn)，解決IGBT開通時(shí)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(jī)”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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。如圖I中所示
本發(fā)明實(shí)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(hào)；步驟B.獲取電流采樣反饋信號(hào)；
步驟C.將固定給 定信號(hào)和電流采樣反饋信號(hào)進(jìn)行PID控制運(yùn)算，得到占空比脈寬信號(hào)，并根據(jù)該占空比脈寬信號(hào)對(duì)焊接電流、電壓、功率的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊機(jī)實(shí)際輸出的控制。其中，所述獲取電流采樣反饋信號(hào)，具體可以為使用TVS管對(duì)采樣得到的電壓進(jìn)行吸收，使用電流互感器采樣開關(guān)變壓器的電流信號(hào)，通過全橋整流后經(jīng)電阻取樣后得到方波信號(hào)，作為反饋信號(hào)。所述PID控制運(yùn)算是采集方波信號(hào)的平均值進(jìn)行運(yùn)算處理，而且在得到占空比脈寬信號(hào)后，先對(duì)該占空比脈寬信號(hào)進(jìn)行放大處理，再根據(jù)該放大后的占空比脈寬信號(hào)對(duì)焊接電流、電壓、功率的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換處理。所述根據(jù)占空比脈寬信號(hào)對(duì)焊接電流、電壓、功率的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊機(jī)實(shí)際輸出的控制，具體為當(dāng)電流突然增大時(shí)，反饋信號(hào)同時(shí)增大，若此時(shí)電壓較低，焊機(jī)輸出功率值還沒達(dá)到設(shè)定的最大功率值，占空比脈寬信號(hào)對(duì)應(yīng)的脈寬不會(huì)收窄，焊機(jī)輸出功率最大；若此時(shí)電壓升高，焊機(jī)輸出功率值超過設(shè)定的最大功率值時(shí)，占空比脈寬信號(hào)對(duì)應(yīng)的脈寬收窄，電流回到原來狀態(tài)，此時(shí)焊機(jī)輸出功率減少。這樣，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)檢測(cè)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(yīng)，焊接過程可控性強(qiáng)，同時(shí)仰止短路時(shí)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(shí)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(dǎo)通連接。其中，
所述編碼器I (如型號(hào)為20R20，K1A15F6)主要用于獲取固定給定信號(hào)，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(hào)，并輸送給PID控制單元3，包括有一用于對(duì)采樣得到的尖峰電壓進(jìn)行吸收的TVS管(如型號(hào)為ESD5Z3. 3T1，G*) 21，一用于對(duì)開關(guān)變壓器原邊電流信號(hào)進(jìn)行采樣的電流互感器(如型號(hào)為T22*14*8-C，HGQ 200:1)22,一用于對(duì)采樣的電流信號(hào)進(jìn)行全橋整流的全橋整流器23，以及一用于對(duì)全橋整流后的電流信號(hào)進(jìn)行取樣并得到方波信號(hào)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(dǎo)通連接；所述全橋整流器23由四個(gè)貼片二極管(如型號(hào)為1N4148二極管)構(gòu)成，所述取樣電阻24由四個(gè)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(jī)(如型號(hào)為STM32F100C8T6)，主要用于將固定給定信號(hào)和電流采樣反饋信號(hào)進(jìn)行PID控制運(yùn)算，得到占空比脈寬信號(hào)(即數(shù)字驅(qū)動(dòng)序號(hào))，并根據(jù)該占空比脈寬信號(hào)對(duì)焊接電流、電壓、功率的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊機(jī)實(shí)際輸出的控制，其包括有依次導(dǎo)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(hào)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(jī)的驅(qū)動(dòng)變壓器導(dǎo)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(hào)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(shí)前面板的編碼器I也給MCU —個(gè)給定信號(hào)，MCU內(nèi)部將這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，MCU的引腳PA8和引腳PA9輸出兩個(gè)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(dòng)驅(qū)動(dòng)變壓器，最終驅(qū)動(dòng)單管IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷，來實(shí)現(xiàn)焊機(jī)的一個(gè)逆變過程。當(dāng)MCU的引腳PA9輸出高電位時(shí)，引腳PA8輸出低電位，引腳PA9輸出的高電位使三極管Q5導(dǎo)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(dǎo)通。從而使貼片場(chǎng) 管U6的P管導(dǎo)通；貼片場(chǎng)管的N管截止。此時(shí)，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(dǎo)通、三極管QlO截止，從而使貼片場(chǎng)管U7的P管截止；貼片場(chǎng)管的NN管導(dǎo)通。正15V的直流電源依次經(jīng)過由貼片場(chǎng)管U6的P管和、驅(qū)動(dòng)變壓器T3、貼片電阻R44、貼片場(chǎng)管U7的N管構(gòu)成的半個(gè)周期驅(qū)動(dòng)回路。另外半個(gè)周期的驅(qū)動(dòng)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(chǎng)管U7的P管、貼片電阻R44、驅(qū)動(dòng)變壓器T3、再到貼片場(chǎng)管U6的N管構(gòu)成的另外半個(gè)周期驅(qū)動(dòng)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(hào)至PID控制單元3，與此同時(shí)，電流采樣單元2的TVS管21對(duì)采樣得到的尖峰電壓進(jìn)行吸收，且電流互感器22采樣開關(guān)變壓器的電流信號(hào)，并將該通過全橋整流器23進(jìn)行整流后經(jīng)取樣電阻24進(jìn)行取樣得到方波信號(hào)，且輸送至PID控制單元3 ;然后，PID控制單元3單片機(jī)通過其PID控制算法器31進(jìn)行運(yùn)算處理后，根據(jù)計(jì)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(shí)際的焊接輸出值，經(jīng)其PWM輸出端口 33輸出相應(yīng)占空比脈寬信號(hào)；最后根據(jù)該占空比脈寬信號(hào)控制焊機(jī)的實(shí)際輸出。這樣，有效簡(jiǎn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)極快，從而提高焊機(jī)的控制響應(yīng)速度，從而提高焊接性能，工作更可靠，同時(shí)避免了電流檢測(cè)鎖存和PWM電路誤動(dòng)作的出現(xiàn)，解決IGBT開通時(shí)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(jī)”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(shí)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(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)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(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)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(hào)； b.獲取電流采樣反饋信號(hào)； c.將固定給定信號(hào)和電流采樣反饋信號(hào)進(jìn)行PID控制運(yùn)算，得到占空比脈寬信號(hào)，并根據(jù)該占空比脈寬信號(hào)對(duì)焊接電流、電壓、功率的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊機(jī)實(shí)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(hào)，具體為使用TVS管對(duì)采樣得到的電壓進(jìn)行吸收，使用電流互感器采樣開關(guān)變壓器的電流信號(hào)，通過全橋整流后經(jīng)電阻取樣后得到方波信號(hào)，作為反饋信號(hào)。
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(yùn)算是采集方波信號(hào)的平均值進(jìn)行運(yùn)算處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任何一項(xiàng)所述的控制方法，其特征在于，在得到占空比脈寬信號(hào)后，先對(duì)該占空比脈寬信號(hào)進(jìn)行放大處理，再根據(jù)該放大后的占空比脈寬信號(hào)對(duì)焊接電流、電壓、功率的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任何一項(xiàng)所述的控制方法，其特征在于，所述根據(jù)占空比脈寬信號(hào)對(duì)焊接電流、電壓、功率的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊機(jī)實(shí)際輸出的控制，具體為當(dāng)電流突然增大時(shí)，反饋信號(hào)同時(shí)增大，若此時(shí)電壓較低，焊機(jī)輸出功率值還沒達(dá)到設(shè)定的最大功率值，占空比脈寬信號(hào)對(duì)應(yīng)的脈寬不會(huì)收窄，焊機(jī)輸出功率最大；若此時(shí)電壓升高，焊機(jī)輸出功率值超過設(shè)定的最大功率值時(shí)，占空比脈寬信號(hào)對(duì)應(yīng)的脈寬收窄，電流回到原來狀態(tài)，此時(shí)焊機(jī)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(hào)的編碼器(I)和一用于獲取電流采樣反饋信號(hào)的電流采樣單元(2)，以及一用于將固定給定信號(hào)和電流采樣反饋信號(hào)進(jìn)行PID控制運(yùn)算，得到占空比脈寬信號(hào)，并根據(jù)該占空比脈寬信號(hào)對(duì)焊接電流、電壓、功率的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊機(jī)實(shí)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(duì)采樣得到的尖峰電壓進(jìn)行吸收的TVS管(21)，一用于對(duì)開關(guān)變壓器原邊電流信號(hào)進(jìn)行采樣的電流互感器(22)，一用于對(duì)采樣的電流信號(hào)進(jìn)行全橋整流的全橋整流器(23)，以及一用于對(duì)全橋整流后的電流信號(hào)進(jìn)行取樣并得到方波信號(hào)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(dǎo)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(jī)，包括有依次導(dǎo)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(hào)為STM32F100C8T6 單片機(jī)。
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(jī)的驅(qū)動(dòng)變壓器導(dǎo)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(hào)和開關(guān)變壓器原邊電流采樣反饋信號(hào)給電流型PWM控制芯片進(jìn)行PID控制運(yùn)算，得到占空比脈寬信號(hào)，并根據(jù)該占空比脈寬信號(hào)對(duì)焊接電流、電壓、功率的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊機(jī)實(shí)際輸出的控制。這樣，本控制方法通過對(duì)檢測(cè)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(yīng)，讓焊接過程可控，仰止短路時(shí)的沖擊電流，工作性能穩(wěn)定、可靠；而且有效簡(jiǎn)化了PWM的硬件電路，降低成本，動(dòng)態(tài)響應(yīng)極快，提高了焊機(jī)的控制響應(yīng)速度和焊接性能，工作更可靠，解決IGBT開通時(shí)電流尖峰較高的問題。
文檔編號(hào)B23K9/095GK102773587SQ20121026368
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)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(qǐng)人:深圳市瑞凌實(shí)業(yè)股份有限公司