專利名稱：一種數字控制逆變式自動電焊機的電路控制方法
技術領域：
本發明涉及電焊機的控制系統，尤其涉及一種數字控制逆變式自動電焊機的電路控制方法。
背景技術：
逆變式電焊機的基本結構如圖1所示，其控制部分可以是模擬系統，也可以是數字系統。傳統的電焊機一般都采用模擬控制系統，其控制部件主要是模擬分立元件和集成運放。這種電焊機成本較低，但由于分立元件較多，且其性能易受環境溫度影響而發生變化，這樣的閉環控制穩定性不好。模擬控制系統不易實現復雜程度較高的精細控制，對于電焊機來說，對焊接質量的可控性就較小。隨著數字電子技術的發展，特別是高性能單片機、DSP和FPGA的出現，電焊機的控制系統開始向數字化方向發展。由于數字器件的成本在不斷下降，電焊機數字控制系統的成本也在不斷下降。采用數字控制系統的電焊機也叫數字電焊機。數字電焊機控制系統的核心器件是單片機、DSP或FPGA。數字電焊機控制系統的基本硬件結構如圖2所示。與模擬電焊機相比，數字電焊機不僅硬件結構簡單，可靠性強，還可以對焊接過程進行實時的精確控制，提聞焊接質量，減少飛灘。常用的數字電焊機控制系統雖然性能高于模擬電焊機，但由于預輸入的只是波形的關鍵參數，如最大值、持續時間等，而不是所要求的各時間點的實時參數值，則參與控制波形實現的能夠反映焊接波形實際要求的信息量不夠充分，這樣實現的波形與要求的相比只能是大體相符，在細節上仍然有出入。因此，常用的數字電焊機控制系統還有改善的余地，以實現更為精確的控制，進一步提高焊接質量，減少飛濺。

發明內容
本發明的目的在于提供一種逆變自動電焊機的電路精細控制方法，通過預存儲工藝要求焊接電流基本波形，并實時對存儲的波形進行擴展運算，運算結果實時控制焊絲的送線量，從而精細地控制焊接電流。本發明與電焊機的經典數字控制方法相比，能夠進一步提高焊接質量、減小飛濺的一種數字控制逆變式自動電焊機的電路控制方法。本發明是對經典數字電焊機控制系統實現電流波形方法的一種改進，可以更為精確地實現焊接工藝要求的電流波形。焊接過程的電流大小是由焊絲的送線量決定的，因此，對電流波形的控制實際上是對焊絲送料伺服電機運轉的控制。本發明的內容包括I)自動電焊機的控制電路，采用預存儲的方法，將焊接工藝過程所要求的電流的基本波形作預存儲，供焊接過程中實時調用并進行擴展運算，以實時得出要求的電流波形的實際參數，去實時控制電流波形的實現。2)對焊接要求的電流波形進行預存儲的基本格式和方法。3)為了實時得到所要求的電流波形參數的實際值，對所存儲的電流的基本波形進行擴展運算的方法。
4)自動電焊機控制電路實現上述方法的軟件架構。圖3是本發明要實現的焊接電流的基本波形。電焊的過程分為引弧和焊接兩個階段。開始為引弧階段，引弧成功后，空氣才易于電離，就進入焊接階段。引弧階段的電流波形為一個脈沖，分為峰值電流段(Tipp時間段)和電弧段(Tipd時間段)；焊接階段的電流波形為一個個連續的鋸齒形脈沖，鋸齒脈沖的上升沿為短路段(Tir時間段)，下降沿為電弧段(Tid時間段)。本發明能夠由用戶調整的焊接工藝參數有1、引弧階段的峰值電流Ipp ；2、引弧階段的峰值電流持續時間Tipp ;3、引弧階段出現電弧時電流下降時間Tipd ;4、焊接階段的峰值電流Iwd ;5、焊接階段脈沖短路段電流上升時間Tir ;6、焊接階段脈沖電弧段電流下降時間Tid。要實現圖3的焊接電流波形，必須先將該基本波形存儲在控制電路器件的嵌入式存儲器內。因此。必須先對基本波形進行時間采樣，只要采樣點足夠多，就能夠滿足控制的精確度。各采樣值就是存儲的內容。存儲結構為每一個存儲單元對應一個采樣時間點，存的是該時間點對應的電流脈沖幅值。存儲單元的地址隨時間的后移加I增長。由于在焊接階段，是周期性脈沖，只需存儲一個脈沖的波形，實現波形時重復調用就可以了。這樣，實際存儲的是引弧階段的脈沖和焊接階段的單個脈沖，共兩個脈沖。存儲的脈沖對應的持續時間長度為實際焊接工藝中可能用到的最長時間長度，或更長。實際用到的脈沖的持續時間往往小于該時間，軟件可以通過以一定時間間隔在存儲樣本中再抽樣來獲得波形。例如存儲器相鄰地址對應的采樣時間間隔為50ns，存儲的一個脈沖共占用了 100個存儲單元，則存儲的脈沖寬度為5us。如果實際要求實現的波形脈沖寬度為lus，要得到該波形，則要對存儲的基本波形在時間軸上壓縮5倍，這樣只要在每5個存儲單元中取第一個的值，就實現了這樣的壓縮。存儲的電流幅度則對應的是最低值，實際工作的電流幅度要大于它，這樣實際工作時軟件要根據實際參數對同一脈沖波形的每一個采樣電流值按照同一比例來擴大。例如存儲波形對應的IPP是100A，而實際設定的是150A，則軟件在實現引弧階段脈沖波形時要對每一個存儲電流值乘1. 5。上述方法可以歸納為令存儲波形對應的極端值Ipp、Iwd、Tipp、Tipd、Tir、Tid分別為Impp、Imwd、Tmipp、Tmipd、Tmir、Tmid。實際實現波形時,對于引弧階段,在峰值電流段，將時間由Tmipp壓縮為Tipp,即對存儲波形每隔Tmipp/Tipp個地址采樣一次,將存儲的每個采樣點的電流幅度乘Ipp/Impp作為實際輸出，輸送給焊絲送料伺服電機控制系統作為輸入參數；在電弧段，將時間由Tmipd壓縮為Tipd，即對存儲波形每隔Tmipd/Tipd個地址采樣一次，將存儲的每個采樣點的電流幅度乘Ipp/Impp作為實際輸出，輸送給焊絲送料伺服電機控制系統作為輸入參數。對于焊接階段，在短路段，將時間由Tmir壓縮為Tir，即對存儲波形每隔Tmir/Tir個地址采樣一次,將存儲的每個采樣點的電流幅度乘Iwd/Imwd作為實際輸出，輸送給焊絲送料伺服電機控制系統作為輸入參數；在電弧段，將時間由Tmid壓縮為Tid，即對存儲波形每隔Tmid/Tid個地址采樣一次，將存儲的每個采樣點的電流幅度乘Iwd/Imwd作為實際輸出，輸送給焊絲送料伺服電機控制系統作為輸入參數。本發明的優點在于預存儲了焊接工藝要求的電流波形的完整信息，而不僅僅是關鍵值，這樣的信息來實時控制焊接電流，控制過程更為精細，實現的實際電流波形更接近于理想值，從而能夠進一步提高焊接質量，減小飛濺。

圖1是逆變式自動電焊機的基本電路結構；圖2是數字電焊機控制系統的基本硬件結構；圖3是本發明要實現的焊接電流的基本波形；圖4是本發明實現引弧階段波形的軟件架構；圖5是本發明實現焊接階段波形的軟件架構。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明本發明基于目前逆變式自動電焊機均采用的圖1所示的基本電路結構。電源為采用IGBT模塊的PWM控制方式。電源的主回路可以為單相或三相交流輸入，經過整流橋模塊整流后，采用移相全橋電路，實現PWM，并經變壓器變壓實現逆變。變壓器采用非晶合金變壓器，可以有效減小電焊機的體積。變壓器的次級經過整流，輸出直流電壓。在焊機輸出端，通過弧壓傳感器對輸出電壓、電流進行采樣。采樣的電壓和電流值進入反饋控制及保護電路。焊絲送料采用伺服電機系統。本發明的內容在控制及保護電路上，包括硬件和軟件架構。控制方式為全數字方式。逆變式電焊機的全數字控制電路硬件結構的幾種組合如圖2所示，本發明可以采用其中的任意一種。為了實現對采樣電壓和電流的A/D轉換，一般必須使用具有A/D轉換功能的單片機或DSP，而FPGA目前不具備A/D轉換功能。閉環控制的比例積分算法及對焊絲送料伺服電機的控制(以實現電流波形)一般用DSP或FPGA來實現。根據數字控制系統的實際功能，其核心器件一般為單片機與DSP的組合，或單片機與FPGA的組合，也可以是三者的組合。本發明的內容包括I)自動電焊機的控制電路，采用預存儲的方法，將焊接工藝過程所要求的電流的基本波形作預存儲，供焊接過程中實時調用并進行擴展運算，以實時得出要求的電流波形的實際參數，去實時控制電流波形的實現。2)對焊接要求的電流波形進行預存儲的基本格式和方法。3)為了實時得到所要求的電流波形參數的實際值，對所存儲的電流的基本波形進行擴展運算的方法。4)自動電焊機控制電路實現上述方法的軟件架構。圖3是本發明要實現的焊接電流的基本波形。電焊的過程分為引弧和焊接兩個階段。開始為引弧階段，引弧成功后，空氣才易于電離，就進入焊接階段。引弧階段的電流波形為一個脈沖，分為峰值電流段(Tipp時間段)和電弧段(Tipd時間段)；焊接階段的電流波形為一個個連續的鋸齒形脈沖，鋸齒脈沖的上升沿為短路段(Tir時間段)，下降沿為電弧段(Tid時間段)。本發明能夠由用戶調整的焊接工藝參數有1、引弧階段的峰值電流Ipp ；
2、引弧階段的峰值電流持續時間Tipp ;3、引弧階段出現電弧時電流下降時間Tipd ;4、焊接階段的峰值電流Iwd ;5、焊接階段脈沖短路段電流上升時間Tir ;6、焊接階段脈沖電弧段電流下降時間Tid。要實現圖3的焊接電流波形，必須先將該基本波形存儲在控制電路器件的嵌入式存儲器內。因此。必須先對基本波形進行時間采樣，只要采樣點足夠多，就能夠滿足控制的精確度。各采樣值就是存儲的內容。存儲結構為每一個存儲單元對應一個采樣時間點，存的是該時間點對應的電流脈沖幅值。存儲單元的地址隨時間的后移加I增長。由于在焊接階段，是周期性脈沖，只需存儲一個脈沖的波形，實現波形時重復調用就可以了。這樣，實際存儲的是引弧階段的脈沖和焊接階段的單個脈沖，共兩個脈沖。存儲的脈沖對應的持續時間長度為實際焊接工藝中可能用到的最長時間長度，或更長。實際用到的脈沖的持續時間往往小于該時間，軟件可以通過以一定時間間隔在存儲樣本中再抽樣來獲得波形。例如存儲器相鄰地址對應的采樣時間間隔為50ns，存儲的一個脈沖共占用了 100個存儲單元，則存儲的脈沖寬度為5us。如果實際要求實現的波形脈沖寬度為lus，要得到該波形，則要對存儲的基本波形在時間軸上壓縮5倍，這樣只要在每5個存儲單元中取第一個的值，就實現了這樣的壓縮。存儲的電流幅度則對應的是最低值，實際工作的電流幅度要大于它，這樣實際工作時軟件要根據實際參數對同一脈沖波形的每一個采樣電流值按照同一比例來擴大。例如存儲波形對應的IPP是100A，而實際設定的是150A，則軟件在實現引弧階段脈沖波形時要對每一個存儲電流值乘1. 5。上述方法可以歸納為令存儲波形對應的極端值Ipp、Iwd、Tipp、Tipd、Tir、Tid分別為Impp、Imwd、Tmipp、Tmipd、Tmir、Tmid。實際實現波形時,對于引弧階段,在峰值電流段，將時間由Tmipp壓縮為Tipp,即對存儲波形每隔Tmipp/Tipp個地址采樣一次,將存儲的每個采樣點的電流幅度乘Ipp/Impp作為實際輸出，輸送給焊絲送料伺服電機控制系統作為輸入參數；在電弧段，將時間由Tmipd壓縮為Tipd，即對存儲波形每隔Tmipd/Tipd個地址采樣一次，將存儲的每個采樣點的電流幅度乘Ipp/Impp作為實際輸出，輸送給焊絲送料伺服電機控制系統作為輸入參數。對于焊接階段，在短路段，將時間由Tmir壓縮為Tir，即對存儲波形每隔Tmir/Tir個地址采樣一次,將存儲的每個采樣點的電流幅度乘Iwd/Imwd作為實際輸出，輸送給焊絲送料伺服電機控制系統作為輸入參數；在電弧段，將時間由Tmid壓縮為Tid，即對存儲波形每隔Tmid/Tid個地址采樣一次，將存儲的每個采樣點的電流幅度乘Iwd/Imwd作為實際輸出，輸送給焊絲送料伺服電機控制系統作為輸入參數。數字電焊機的控制核心是軟件，單片機、DSP和FPGA是軟件的載體，軟件通過這些器件來完成功能。因此，數字電焊機實際上是一種程序控制電焊機。波形存儲的載體本發明采用DSP或FPGA的內置存儲器。本發明的控制電路實現電流波形的軟件架構如圖4和圖5所示。
權利要求
1.一種數字控制逆變式自動電焊機的電路控制方法，其特征在于:采用預存儲的方法，將焊接工藝過程所要求的電流的基本波形作預存儲；在焊接過程中，實時調用相關的電流基本波形，并進行相應的擴展運算，實時得出實際要求的波形參數，來控制電流波形的實現。
2.根據權利要求1所述的一種數字控制逆變式自動電焊機的電路控制方法，其特征在于對波形進行預存儲的基本格式和方法，包括: (1)存儲結構為:每一個存儲單元對應一個采樣時間點，存的是該時間點對應的電流脈沖幅值。存儲單元的地址隨時間的后移加I增長。
(2)焊接階段只需存儲一個脈沖的波形，實現波形時重復調用。實際存儲的是引弧階段的脈沖和焊接階段的單個脈沖，共兩個脈沖。
(3)存儲的脈沖對應的持續時間長度為實際焊接工藝中可能用到的最長時間長度，或更長。實際用到的脈沖的持續時間若小于該時間，軟件可以通過以一定時間間隔在存儲樣本中再抽樣來獲得波形。
(4)存儲的電流幅度對應的是最低值，實際工作時軟件根據實際參數對同一脈沖波形的每一個采樣電流值按照同一比例來擴大。
3.根據權利要求1和2所述的一種數字控制逆變式自動電焊機的電路控制方法，其特征在于為了實時得到所要求的波形參數的實際值，對所存儲的基本波形進行擴展運算的方法，包括: (1)對于引弧階段，在峰值電流段，對存儲波形每隔Tmipp/Tipp個地址采樣一次，將存儲的每個采樣點的電流幅度乘Ipp/Impp作為實際輸出，輸送給焊絲送料伺服電機控制系統作為輸入參數；在電弧段，對存儲波形每隔Tmipd/Tipd個地址采樣一次，將存儲的每個采樣點的電流幅度乘Ipp/Impp作為實際輸出，輸送給焊絲送料伺服電機控制系統作為輸入參數。
(2)對于焊接階段，在短路段，對存儲波形每隔Tmir/Tir個地址采樣一次，將存儲的每個采樣點的電流幅度乘Iwd/Imwd作為實際輸出，輸送給焊絲送料伺服電機控制系統作為輸入參數；在電弧段，對存儲波形每隔Tmid/Tid個地址采樣一次，將存儲的每個采樣點的電流幅度乘Iwd/Imwd作為實際輸出，輸送給焊絲送料伺服電機控制系統作為輸入參數。
全文摘要
本發明涉及電焊機的控制系統，尤其涉及一種數字控制逆變式自動電焊機的電路控制方法。本發明將焊接工藝要求的電流基本波形預存儲在控制電路的有關芯片內置存儲器中；在焊接過程中，實時調用相關的電流基本波形，并進行相應的擴展運算，實時得出實際要求的波形參數，來控制電流波形的實現。本發明的優點在焊接是實時調用波形的相關參數，實現的波形比當前通用的控制電路更為精細，焊接質量更高，飛濺更少。
文檔編號B23K9/10GK103071892SQ20111034674
公開日2013年5月1日 申請日期2011年10月26日 優先權日2011年10月26日
發明者尤劍鳴, 章宏, 康選林 申請人:咸陽華清設備科技有限公司