CN100999037A - 数字脉冲熔化极气体保护焊控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种数字脉冲熔化极气体保护焊控制方法，属于焊接技术领域。采用串级联接的三闭环控制结构，最内环为电流环，第二环为电压环，最外环为熔滴过渡环，每一环节设置一个调节器，分别控制脉冲电流、弧长和熔滴过渡过程；采用高速数字信号处理器为核心控制器件构建全数字化脉冲熔化极气体保护焊控制系统，系统的所有控制策略即三个调节器的数据处理均通过软件的方式加以实现，硬件部分完成信号的采样和处理功能，其中，熔滴过渡控制器的输出作为电弧电压的目标值，弧长调节器的输出作为电流的目标值，电流调节器的输出作为功率模块的控制信号去控制电力电路的输出电压。本发明既能够使系统保持较高的调节精度和调节灵敏度，又能够保证系统工作稳定。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种焊接技术领域的控制方法，具体是一种数字脉冲熔化极气体保护焊控制方法。
背景技术
熔化极气体保护焊(GMAW)是一种高质量、高效率的焊接工艺，其中脉冲熔化极气体保护焊(GMAW-P)具有较宽的电流调节范围，进一步扩大了焊接规范区间，并且具有良好的保护效果。为了获得良好的焊接质量，对于脉冲熔化极气体保护焊，首先理想的熔滴过渡形式为“一脉一滴”，即一个脉冲周期内过渡一个熔滴；同时，有必要把电弧长度维持在适当值；此外还要求在脉冲和基值期间维持恒定的脉冲电流和基值电流。目前针对脉冲熔化极气体保护焊的控制方法仅针对上述三个方面中采用单一电压或电流环进行控制，无法实现对熔滴过渡过程的闭环控制。
经对现有技术的文献检索发现，王伟明在《焊接学报》第25卷，第2期，2004年2月上发表“脉冲焊全数字控制系统”，该文针对脉冲熔化极气体保护焊设计了脉冲电流和弧长的数字控制器，实现了电流及弧长的控制，但是并没有做到针对脉冲熔化极气体保护焊的熔滴过渡过程进行控制。在进一步的检索中，尚未发现与本发明主题相同的文献报道。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提出一种数字脉冲熔化极气体保护焊控制方法，对于脉冲熔化极气体保护焊焊接过程中的焊接电流、电弧长度以及熔滴过渡过程进行数字控制，使其利用数字信号处理器强大的数据处理能力和高运行速度的优点，通过软件的方式实现控制策略，硬件部分完成信号采集和处理功能，从而提高了控制系统的控制精度、实时性和可靠性。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用串级联接的三闭环控制结构，最内环为电流环，第二环为电压环，最外环为熔滴过渡环，每一环节设置一个调节器，分别控制脉冲电流、弧长和熔滴过渡过程；采用高速数字信号处理器为核心控制器件构建全数字化脉冲熔化极气体保护焊控制系统，系统的所有控制策略即三个调节器的数据处理均通过软件的方式加以实现，硬件部分完成信号的采样和处理功能，其中，熔滴过渡控制器的输出作为电弧电压的目标值，弧长调节器的输出作为电流的目标值，电流调节器的输出作为功率模块的控制信号去控制电力电路的输出电压。
在所述的电流环中，通过电流采样调理整形电路利用霍尔电流传感器将检测到的焊接电流信号转化为成比例的电压信号，此电压信号经信号滤波后送入数字信号处理器内部的A/D转换通道，转换为数字量，此数字量即为电流的反馈值Uif。电流的目标值Uir接到来自弧长调节器的信号后再通过电流目标值给定算法控制经D/A转换芯片输出。电流的目标值Uir与电流的反馈值Uif的差值经过电流PI调节器的调节，直接输出控制信号Uct，Uct去控制电力电路功率元器件的开通，进而实现了对电流的精确控制。对于脉冲电流和基值电流的控制在焊接过程中始终进行。
电弧长度通常大致与电极(焊丝)与母材之间的电压成比例，因此，所述的电压环也就是对电弧弧长的控制环。
在所述的电压环中，通过电压采样调理整形电路利用霍尔电压传感器将检测到的焊接电压信号转化为成比例的电压信号，此电压信号经信号滤波后送入数字信号处理器内部的A/D转换通道，转换为数字量，此数字量即为电压瞬时的反馈值。电压的采样频率由数字信号处理器来决定。在脉冲与基值时间内分别采样电压，并且通过数字信号处理器计算一个脉冲周期内的平均电压，并以此作为电压反馈值Uuf。电弧电压的目标值由两部分组成，其中一部分Uur1由电位器给定，输入数字信号处理器内部的A/D转换通道转换为数字量。电弧电压的目标值另一部分Uur2由熔滴过渡环给出。弧长调节器采用自适应算法，只有电压的目标值Uur1与电压反馈值Uuf的相等时且电压的目标值Uur2为低电平，输出相应的控制信号，此控制信号作为电流环控制的电流目标给定算法脉冲切换信号，开始一个新的脉冲周期。当电压的目标值Uur2为高电平时，弧长调节器会输出附加电流目标信号，控制电流环产生一个附加脉冲电流。电压环的控制周期与脉冲周期相同，即每个脉冲周期内控制一次电弧弧长。
在所述的熔滴过渡环中，通过熔滴过渡检测电路输出熔滴过渡信号，该信号为一开关量。在一个脉冲周期内，一个熔滴完成过渡，则输出低电平，经过熔滴过渡控制器输出电弧电压目标值Uur2为0。如果在峰值时间结束后，仍然没有检测到熔滴过渡完成，则熔滴过渡电路输出高电平，此时经过熔滴过渡控制器输出Uur2为高电平。Uur2作为电压环目标电压给定信号的另一部分。
通常，脉冲熔化极气体保护焊伴随熔滴过渡的发生会有确定的熔滴过渡特征信号，经过熔滴过渡检测电路可以将其输出一个开关量。经过熔滴过渡控制后可以保证在一个脉冲周期内输出一个熔滴，同时也给出了脉冲熔化极气体保护焊的电弧电压的目标值Uur2。电弧电压的目标值Uur1(根据具体的焊接工艺，以模拟量的形式由电位器给定)是恒定的，即调节以后在焊接过程中电弧电压的目标值是恒定的，电弧电压目标值Uur1与电弧电压的反馈值Uur经过弧长控制数字调节器调节输出电流目标值。经过电流环的控制，输出控制信号Uct，控制电力电路功率元器件的开通，实现了脉冲熔化极气体保护焊电流、弧长以及熔滴过渡过程的精确控制。
本发明采用三级串联结构闭环(电流环、电弧电压、熔滴过渡环)控制器结合数字信号处理器的强大数据处理能力和高运行速度的优点，实现了真正意义上的脉冲熔化极气体保护焊全数字化控制，控制系统易于实现复杂的控制算法且所有控制策略通过软件的方式加以实现，与传统的控制器件与控制策略相比，控制策略调整灵活、控制精度高、控制参数稳定性好以及优良的动态响应特性和调速范围宽等特点。本发明的控制方法既能够使系统保持较高的调节精度和调节灵敏度，又能够保证系统工作稳定，焊接过程中保证每个脉冲周期内过渡一个熔滴，实现了对熔滴过渡过程的精确控制，同时电弧长度稳定性大大提高，实现了对电弧长度的精确控制，并且保证稳定的焊接电流。
附图说明
图1本发明原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以1.2mm H08Mn2Si焊丝进行低碳钢平板堆焊试验，焊接电压目标值Uur1为24V，焊接电流目标值Uir100A。如图1所示，电弧电压的目标值Uur由两部分组成，其中一部分为Uur1，另一部分为Uur2；电流的目标值Uir。电力电路的控制信号Uct在焊接过程中由软件计算得到，电弧电压反馈Uuf，电流的反馈值Ulf经硬件电路送入DSP内部，由DSP计算得到或由DSP转换得到对应的数字量。
实施过程如下：
1、在焊接过程中，通过熔滴过渡检测电路可以检测在一个脉冲周期内熔滴过渡的状态，其输出为一个开关量，熔滴过渡控制器的输出为电弧电压目标值Uur2。在峰值时间结束后，一个熔滴完成过渡，熔滴过渡检测电路输出低电平，经过熔滴过渡控制器输出电弧电压目标值Uur2为0。在峰值时间结束后，仍然没有检测到熔滴过渡完成，则熔滴过渡电路输出高电平，此时经过熔滴过渡控制器输出Uur2为高电平。
2、在焊接过程中，电弧电压的目标值由两部分组成。其中一部分Uur2由熔滴控制环输出，另一部分Uur1的预置是由电位器以模拟量的形式给定，此模拟量经数字信号处理器的A/D转换通道转换成对应的数字量。正常焊接时，电弧电压实时反馈值是由焊接电源主电路中取出的电弧电压经电压采样调理整形电路送入数字信号处理器内部的A/D转换通道，转换为数字量。在脉冲与基值时间内分别采样电压，并且通过数字信号处理器计算一个脉冲周期内的平均电压，并以此作为电压反馈值Uuf。电弧电压的目标值Uur与电压反馈值Uuf一起输入弧长调节器，弧长调节其采用自适应算法，只有电压的目标值Uur1与电压反馈值Uuf的相等时且电压的目标值Uur2为低电平，输出相应的控制信号，作为电流环控制的电流目标给定算法脉冲切换信号，开始一个新的脉冲周期。当电压的目标值Uur2为高电平时，弧长调节器会输出附加脉冲电流目标信号，控制电流环产生一个附加脉冲电流，促使在脉冲周期内完成熔滴过渡过程。通过电流环、电压环可以实现对脉冲熔化极气体保护焊的弧长和熔滴过渡的精确控制。
3、在焊接过程中，电流的目标值Ulr接到来自弧长调节器的信号后再通过电流目标值给定算法控制经D/A转换芯片输出。电流的反馈值Uif通过电流采样调理整形电路利用霍尔电流传感器将检测到的焊接电流信号转化为成比例的电压信号，此电压信号经信号滤波后送入数字信号处理器内部的A/D转换通道，转换为数字量。电流的目标值Ulr与电流的反馈值Uif的差值经过电流PI调节器的调节，直接输出控制信号Uct，Uct去控制焊接电源中的电力电路功率元器件的开通，进而实现了对电流的精确控制。
本实施例在焊接过程中，在一个脉冲周期内检测到熔滴过渡过程完成，电弧电压目标值Uur2为0。在峰值时间结束后，仍然没有检测到熔滴过渡完成，则熔滴过渡电路输出高电平，此时经过熔滴过渡控制器输出Uur2为高电平。电弧电压的目标值Uur与电压反馈值Uuf通过弧长调节器，控制电弧长度，从而维持实际焊接电压为24V，与焊接电压目标值一致。同时，通过电流环的作用，使焊接实际输出电流为100A。从而提高了控制系统的控制精度、实时性和可靠性。
Claims (4)
1、一种全数字脉冲熔化极气体保护焊控制方法，其特征在于，采用串级联接的三闭环控制结构，最内环为电流环，第二环为电压环，最外环为熔滴过渡环，每一环节设置一个调节器，分别控制脉冲电流、弧长和熔滴过渡过程；采用高速数字信号处理器为核心控制器件构建全数字化脉冲熔化极气体保护焊控制系统，系统的所有控制策略即三个调节器的数据处理均通过软件的方式加以实现，硬件部分完成信号的采样和处理功能，其中，熔滴过渡控制器的输出作为电弧电压的目标值，弧长调节器的输出作为电流的目标值，电流调节器的输出作为功率模块的控制信号去控制电力电路的输出电压。
2、根据权利要求1所述的全数字脉冲熔化极气体保护焊控制方法，其特征是，通过所述的电流环中的电流采样调理整形电路利用霍尔电流传感器将检测到的焊接电流信号转化为成比例的电压信号，此电压信号经信号滤波后送入数字信号处理器内部的A/D转换通道，转换为数字量，此数字量即为电流的反馈值Uif；电流的目标值Ulr接到来自弧长调节器的信号后再通过电流目标值给定算法控制经D/A转换芯片输出；电流的目标值Uir与电流的反馈值Uir的差值经过电流PI调节器的调节，直接输出控制信号Uct，Uct去控制焊接电源中的电子电路功率元器件的开通，进而实现了对电流的控制。
3、根据权利要求1所述的全数字脉冲熔化极气体保护焊控制方法，其特征是，通过所述的电压环中的电压采样调理整形电路利用霍尔电压传感器将检测到的焊接电压信号转化为成比例的电压信号，此电压信号经信号滤波后送入数字信号处理器内部的A/D转换通道，转换为数字量，此数字量即为电压瞬时的反馈值；在脉冲与基值时间内分别采样电压，并且通过数字信号处理器计算一个脉冲周期内的平均电压，并以此作为电压反馈值Uuf；电弧电压的目标值由两部分组成，其中一部分Uur1由电位器给定，输入数字信号处理器内部的A/D转换通道转换为数字量；电弧电压的目标值另一部分Uur2由熔滴过渡环给出；弧长调节器采用自适应算法，只有电压的目标值Uur1与电压反馈值Uuf的相等时且电压的目标值Uur2为低电平，输出相应的控制信号，此控制信号作为电流环控制的电流目标给定算法脉冲切换信号，开始一个新的脉冲周期；当电压的目标值Uur2为高电平时，弧长调节器会输出附加电流目标信号，控制电流环产生一个附加脉冲电流。
4、根据权利要求1所述的全数字脉冲熔化极气体保护焊控制方法，其特征是，通过所述的熔滴过渡环中的熔滴过渡检测电路检测在一个脉冲周期内熔滴过渡的状态，其输出为一个开关量，熔滴过渡控制器的输出为电弧电压目标值Uur2；在峰值时间结束后，一个熔滴完成过渡，熔滴过渡检测电路输出低电平，经过熔滴过渡控制器输出电弧电压目标值Uur2为0；在峰值时间结束后，仍然没有检测到熔滴过渡完成，则熔滴过渡电路输出高电平，此时经过熔滴过渡控制器输出Uur2为高电平。
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