熔化极气保焊双电机送丝系统的速度同步控制方法及装置与流程

本发明涉及熔化极气保焊机设计领域，，尤其涉及一种用于熔化极气保焊双电机送丝系统的速度同步控制方法及装置。

背景技术：

通用性熔化极气保焊机送丝系统都采用单电机驱动送丝，送丝距离在3-4M；在一些罐车、造船等操作范围大的应用场合通常需要10M或更长的送丝距离，传统的单电机送丝机通常是延长焊机与送丝机的连接电缆来扩大单台焊机的操作范围；然而采用这种形式方式实现大范围的焊接操作就要频繁的移动送丝机，通常送丝机重量在20公斤左右加上焊丝后重量一般在30-40公斤，焊工移动困难；传统送丝机体积较大一些小空间操作无法到达。

目前国内外都在从事双电机超长送丝方面的研究工作。常用的方法是送机安装推拉丝焊枪或中继送丝系统，焊枪和中继站内的拉丝电机与送丝机内部电机电压等级相同，且线速度速度范围相同前端电机与后端电机直接并联。

这些方法虽然可实现长距离的送丝，但由于新增加的电机与原有电机直接并联，送丝机控制系统只针对原有电机转速进行控制，新增电机属于开环控制；在两个电机负载分别不均匀或单一电机负载突变的情况下很难达到双电机速度同步的目标。双电机速度不同步就会造成送丝的不稳定最终导致焊接焊缝的质量。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种熔化极气保焊双电机送丝系统的速度同步控制方法及装置，该方法及装置通过闭环的控制方式能够准确地控制新增电机的速度与原有电机速度同步，延长送丝距离保证在长距离送丝的情况下焊机可以实现稳定焊接。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种熔化极气保焊双电机送丝系统的速度同步控制方法，包括：

熔化极气保焊机送丝系统相互并联的前端送丝电机M1和后端送丝电机M2各自有独立的电压环和电流环，两者共用一个速度环；

采集后端送丝电机M2的转速反馈信号与速度给定值进行PI计算组成系统速度环，所述系统速度环的输出信号分别作为前端送丝电机M1和后端送丝电机M2的电压给定信号；

分别采集前端送丝电机M1和后端送丝电机M2两端的电压信号，所述电压信号经过分压滤波后分别作为前端送丝电机M1和后端送丝电机M2的电压反馈信号；

所述前端送丝电机M1和后端送丝电机M2的电压反馈信号与电压给定信号分别进行PI计算组成各自电机的电压环；所述各自电机电压环的输出分别作为PWM控制器的给定信号；

分别采集前端送丝电机M1和后端送丝电机M2的回路电流作为PWM波控制器的电流峰值反馈信号；所述前端送丝电机M1和后端送丝电机M2的PWM控制器的给定信号与电流峰值反馈信号分别进行PI计算组成各自电机的电流环，所述电流环的输出控制PWM控制器的输出脉宽。

进一步地，对于前端送丝电机M1或者后端送丝电机M2而言：

当电机速度高于给定值时，电压反馈信号增加，电压环的输出减小，从而PWM控制器的PWM信号占空比减小，随着占空比的降低电机的驱动随之减小，电机速度下降；

当电机速度低于给定值时，电压反馈信号减小，电压环的输出增加，从而PWM控制器的PWM信号占空比增加，着占空比的增加电机的驱动随之增加，电机速度升高；

从而实现将电机的速度稳定在给定值附近。

一种熔化极气保焊双电机送丝系统的速度同步控制装置，包括：前端送丝电机M1、后端送丝电机M2、第一控制开关电路、第一开关驱动电路、第一PWM控制电路、第二控制开关电路、第二开关驱动电路、第二PWM控制电路以及电机闭环运算电路；

所述电机闭环运算电路与第一PWM控制电路和第二PWM控制电路分别连接，所述第一PWM控制电路与第一开关驱动电路、第一电机控制开关电路依次连接；所述第二PWM控制电路与第二开关驱动电路、第二电机控制开关电路依次连接。

进一步地，所述电机闭环运算电路根据输入的速度给定值以及后端送丝电机M2的转速反馈信号，分别输出第一PWM控制电路和第二PWM控制电路的控制信号；

第一PWM控制电路根据接收到的控制信号输出一定占空比的PWM信号，所述PWM信号经过第一开关驱动电路驱动第一控制开关电路的导通，从而驱动前端送丝电机M1的输出；

第二PWM控制电路根据接收到的控制信号输出一定占空比的PWM信号，所述PWM信号经过第二开关驱动电路驱动第二控制开关电路的导通，从而驱动前端送丝电机M2的输出。

进一步地，所述电机闭环运算电路包括：

电容C5和电阻R7分别串联接入运算放大器K4的正极输入端，电容C7和电阻R9串联后接入运算放大器K4的负极输入端和输出端之间；运算放大器K4的负极输入端依次串联电阻R13、电阻R21、电阻R22后与可调电阻RW1连接，电阻R18与可调电阻RW1串联后接地；运算放大器K4的输出端串联电阻R6后接VCC，运算放大器K4的输出端串联电阻R8后连接第一PWM控制电路或者第二PWM控制电路；电容C10一端连接在电阻R13和电阻R21之间，另一端接地；电容C11一端连接在电阻R21和电阻R22之间，另一端接地。

本发明的有益效果：

1、整个控制均使用电子元件控制，结构简单、可靠性极高、控制精确。

2、前后电机独立的双闭环调节器，电机独立驱动系统设计简单，提高电机抗干扰能力。

3、负载分布不均匀的情况下依然能保证速度的同步准确，避免中继电缆和焊枪的状态不同对对焊接产生不良影响。

4、开关的控制信号和驱动信号分开，增加开关的驱动能力减低控制板损耗，确保了系统的可靠性和抗干扰性。

附图说明

图1为本发明速度同步控制方法示意图；

图2为本发明速度同步控制装置结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

一种熔化极气保焊双电机送丝系统的速度同步控制方法，如图1所示，包括：

熔化极气保焊机送丝系统相互并联的前端送丝电机M1和后端送丝电机M2各自有独立的电压环和电流环，两者共用一个速度环；

采集后端送丝电机M2的转速反馈信号与速度给定值进行PI计算组成系统速度环，系统速度环的输出信号分别作为前端送丝电机M1和后端送丝电机M2的电压给定信号；

分别采集前端送丝电机M1和后端送丝电机M2两端的电压信号，由于电压信号为电机供电的50V脉冲信号，不能直接用作后的PI计算，需将其分压滤波处理成低压直流信号。电压信号经过分压滤波后分别作为前端送丝电机M1和后端送丝电机M2的电压反馈信号；

前端送丝电机M1和后端送丝电机M2的电压反馈信号与电压给定信号分别进行PI计算组成各自电机的电压环；各自电机电压环的输出分别作为PWM控制器的给定信号；

分别采集前端送丝电机M1和后端送丝电机M2的回路电流作为PWM波控制器的电流峰值反馈信号；前端送丝电机M1和后端送丝电机M2的PWM控制器的给定信号与电流峰值反馈信号分别进行PI计算组成各自电机的电流环，电流环的输出控制PWM控制器的输出脉宽。

本发明采用双电机控制方案，前后两个电机各自有独立的电压环和电流环，共用一个速度环，处理器采集后端送丝电机(M2)的转速反馈信号与速度给定进行PI计算组成系统速度环，速度环输出作为电机控制电压环给定信号；各电机控制驱动电路采集电机两端电压经分压滤波后作为电压反馈信号与电压给定信号经过硬件PI调节器组成电压环，电压环计算输出作为电机驱动PWM波控制器的给定信号；电路采集电机电流作为PWM波控制器的电流峰值反馈信号控制输出脉宽。

前端电机电压环和电流环控制单元采用电流型PWM控制器产生电机驱动PWM波形，控制信号和电机驱动回路分开，采用单独的开关驱动电路大大减小电子开关动作时的能量损耗和波形震荡，确保电机控制及驱动单元的可靠性。

本发明公开的用于熔化极气保焊双电机送丝系统的速度同步装置，如图2所示，包括：电机控制开关电路、开关驱动电路、PWM控制电路以及电机闭环运算电路；

电机控制开关电路包括：三个并联开关KF1、KF2、KF3，和三个并联开关KF4、KF5、KF6，组成半桥斩波电路。电机控制开关电路主要通过上下桥臂开关以一定的占空比交替导通为电机的持续旋转提供动力。

开关驱动电路包括：由三个与非逻辑门组成信号处理电路和开关驱动芯片电路；信号处理电路将PWM控制电路输出的PWM信号调制成两路带有死区的互锁信号，处理后的信号通过开关驱动芯片K3控制上下桥臂开关的导通和关断。开关驱动电路主要作用是根据PWM控制电路输出的控制信号产生开关KF1、KF2、KF3，和KF4、KF5、KF6的门极驱动电压来控制开关的导通和关断。

PWM控制电路包括：PWM控制器K2和外围信号反馈处理电路，PWM控制器K2通过电机闭环运算电路输出给定和电机回路电流反馈来调整PWM波形最终调节电机输出速度。PWM控制电路主要作用是产生稳定的PWM信号用于电机控制。

电机闭环运算电路包括：电机电枢电压的采集、二阶滤波以及由运算放大器K4、电阻、电容构成的PI调节器，PI调节器通过处理器速度给定和电压反馈调整输出改变PWM控制电路给定从而改变电机输出速度。电机闭环运算电路主要作用是速度给定和电压反馈信号经过比例积分运算输出PWM控制电路给定信号。

其中，电机控制开关优选为功率场效应管，PWM控制器优选为电流型PWM控制器，开关驱动芯片优选为MOS管半桥驱动芯片。

本实施例中，优选运算放大器K4和PWM控制器K3为具体实施例对本发明装置进行说明，它们所起的作用为闭环调节电机输出的作用，本领域技术人员在保证装置可靠工作的前提下，能够根据本领域现有知识将其换做其他的机械开关或者是开关类的电子元件。本发明之所以将开关KF1、KF2、KF3并联和开关KF4、KF5、KF6并联是为了提高电机驱动电流降低开关发热，增加系统可靠性。

本实施例中，电机控制开关电路具体为：

三个并联开关KF1、KF2、KF3，和三个并联开关KF4、KF5、KF6串联组成半桥斩波电路，直流电机正极接开关串联节点，负极通过电流采样电阻接电源负极。

本实施例中，开关驱动电路具体为：

信号处理电路输出的两路信号与PWM控制器K3的HI和LI管脚相连；二极管RB1的阳极接控制器电源VCC，阴极接PWM控制器K3的HB管脚；电容C3一端接到PWM控制器K3的HB另一端与HS管脚和电机控制开关电路中串联开关节点连接；PWM控制器K3的HO和LO管脚分别通过R1、R2、R3和R4、R5、R6与KF1、KF2、KF3和KF4、KF5、KF6相连。

本实施例中，电机闭环运算电路具体为：

运算放大器K4的3号脚与R7和C5的一端连接，C5的另一端接控制电源的负极，R7的另一端接处理器的速度给定；运算放大器K4与R19和C7的一端连接，C7的另一端与R9串联连接到运算放大器K4的1号脚；R19的另一端接电压反馈处理的输出端。

本发明装置适用于所有熔化极气保焊中多电机送丝系统的电机控制；电流型PWM控制器为UC2843，开关驱动器为Ucc27201，开关管为FR120N。

当处理器发出的速度给定信号由0变为某个值后由于电机处在静止状态，电压反馈为0，电机闭环运算电路根据给定与反馈的差值进行PI运算，并输出给PWM控制电路；PWM控制电路根据收到的给定电压输出一定占空比的PWM信号，PWM信号经过信号处理以及开关驱动电路的控制上下桥臂的开关的导通；从而驱动电机输出；当电机速度的高于给定值时，电机闭环运算电路中的电压反馈增加，PI调节器输出减小从而减小PWM控制器的PWM信号占空比，随着占空比的降低电机的驱动随之减小速度下降；反之当电机速度的低于给定值时，电路调高占空比提高电机转速，电路通过上述两个调节过程来实现将电机速度稳定在给定速度值附近。

本发明中被控制的超长送丝机系统中的前后电机采用的是同一个处理器发出的速度给定信号，前后电机各自拥有独立的闭环调节电路，本发明方案可使两电机即使在负载分布不均匀的情况下仍能保证速度的同步；大大提高了超长送丝系统下焊接的稳定性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。