專利名稱：電焊機軟開關(guān)模糊pid控制焊接電源的單片機控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模糊PID控制焊接電源控制方法技術(shù)領(lǐng)域，特別是軟開關(guān)模糊 PID控制焊接電源控制方法技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種電焊機軟開關(guān)模糊PID控制焊接電源 的單片機控制方法。
背景技術(shù)：
軟開關(guān)技術(shù)使得功率開關(guān)管在開關(guān)過程瞬間電流軌跡和管壓降軌跡錯開，在較大 程度上解決了功率開關(guān)管損耗和開關(guān)應(yīng)力過大的問題，減少了功率器件的du/dt和di/dt 造成的電磁干擾，提高了效率。因此，軟開關(guān)式焊接電源是一種具有廣闊前景的新型焊接電 源。隨著單片機技術(shù)在焊接電源中的應(yīng)用，焊接電源的柔性化設(shè)計成為可能，焊接電 源設(shè)計時間大大縮短，正朝著模塊化方向發(fā)展。因此，集合軟開關(guān)技術(shù)和單片機技術(shù)搭建一 個焊接電源平臺來研制開發(fā)焊條焊、TIG焊、0)2焊、埋弧焊等焊接電源顯得十分有意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種電焊機軟開關(guān)模糊PID控制焊接電源的單片機控制 方法，該單片機控制方法可設(shè)定焊接參數(shù)和監(jiān)控電源工作、操作簡單、效率高、由其控制的 電源用途范圍廣。為了達到上述的目的，本發(fā)明提供一種電焊機軟開關(guān)模糊PID控制焊接電源的單 片機控制方法，其特點是，通過單片機控制單元設(shè)定焊接參數(shù)，輸出給定電流，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn) 換器轉(zhuǎn)換成模擬量和反饋電流進行PI調(diào)節(jié)，PI調(diào)節(jié)后的值送入電流模式的PWM芯片，然 后輸出PWM驅(qū)動脈沖，經(jīng)驅(qū)動變壓器隔離放大后用于驅(qū)動軟開關(guān)模糊PID控制焊接電源的 Fuzzy-PID。較佳地，還包括當過熱、欠電壓或空載時，單片機控制裝置輸出封鎖信號封鎖 PWM芯片，從而封鎖輸出。較佳地，還包括步驟單片機控制單元利用通用同步和異步串行接收器和轉(zhuǎn)發(fā)器 與表頭單片機實現(xiàn)通信，實時把焊接數(shù)據(jù)發(fā)送給表頭單片機。較佳地，還包括步驟單片機控制單元利用串行外設(shè)接口通過總線實現(xiàn)與遙控器 的遠距離通信。采用了本發(fā)明的電焊機軟開關(guān)模糊PID控制焊接電源的單片機控制方法，由于本 發(fā)明用于控制的電源采用軟開關(guān)技術(shù)，因此性能穩(wěn)定，效率高，功耗小，具有良好的電氣性 能；本發(fā)明采用3片單片機，省去了大量的模擬電路，結(jié)構(gòu)簡潔、可設(shè)定焊接參數(shù)和監(jiān)控電 源工作、操作簡單、效率高，另外整個單片機系統(tǒng)采用先進的Atmega單片機，系統(tǒng)占用空 間富余多，可以在線編程隨時對焊機進行在線升級；本發(fā)明控制的電源可用于焊條焊、TIG 焊、0)2焊、埋弧焊等。


圖1是受本發(fā)明控制的焊接電源的主電路示意圖。圖2是本發(fā)明的控制信號和主電路波形示意圖。圖3是本發(fā)明的一具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明的一具體實施例的主程序流程圖。圖5是本發(fā)明的一具體實施例的PWM芯片的外圍電路圖。
具體實施例方式以下將對本發(fā)明的焊機性能實時記錄方法作進一步的詳細描述。請參閱圖1 圖5所示，本發(fā)明的電焊機軟開關(guān)模糊PID控制焊接電源的單片機 控制方法，通過單片機控制單元設(shè)定焊接參數(shù)，輸出給定電流，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬 量和反饋電流進行PI調(diào)節(jié)，PI調(diào)節(jié)后的值送入電流模式的PWM芯片，然后輸出PWM驅(qū)動脈 沖，經(jīng)驅(qū)動變壓器隔離放大后用于驅(qū)動軟開關(guān)模糊PID控制焊接電源的Fuzzy-PID。較佳地，還包括當過熱、欠電壓或空載時，單片機控制裝置輸出封鎖信號封鎖 PWM芯片，從而封鎖輸出。較佳地，還包括步驟單片機控制單元利用通用同步和異步串行接收器和轉(zhuǎn)發(fā)器 與表頭單片機實現(xiàn)通信，實時把焊接數(shù)據(jù)發(fā)送給表頭單片機。較佳地，還包括步驟單片機控制單元利用串行外設(shè)接口通過總線實現(xiàn)與遙控器 的遠距離通信。用于本發(fā)明的電焊機軟開關(guān)模糊PID控制焊接電源的單片機控制系統(tǒng)，包括單片 機控制裝置、A/D轉(zhuǎn)化器、PI調(diào)節(jié)單元、PWM芯片、及用于驅(qū)動開關(guān)模糊PID控制焊接電源的 Fuzzy-PID的驅(qū)動變壓器，所述單片機控制裝置包括單片機控制單元、分別與所述單片機控 制單元連接的上電復位單元和時針單元，所述單片機控制單元通過所述A/D轉(zhuǎn)化器連接所 述PI調(diào)節(jié)單元，所述PI調(diào)節(jié)單元通過所述PWM芯片連接所述驅(qū)動變壓器。較佳地，所述單片機控制裝置還包括表頭單片機，所述表頭單片機連接所述單片 機控制單元。較佳地，所述單片機控制裝置還包括遙控器單片機，所述遙控器單片機連接所述 單片機控制單元。較佳地，所述單片機控制單元連接所述PWM芯片。上述的單片機控制系統(tǒng)的軟開關(guān)模糊PID控制焊接電源的功率電路原理如圖 1所示。功率電路采用飽和電感式FB-ZVZCS-PWM變換器拓撲，超前橋臂(Fuzzy-PIDi和 Fuzzy-PID2組成的橋臂)實現(xiàn)零電壓開關(guān)，滯后橋臂(Fuzzy-PID3和Fuzzy-PID4組成的橋 臂)實現(xiàn)零電流開關(guān)，從而實現(xiàn)了軟開關(guān)Fuzzy-PID焊機的零電壓零電流開關(guān)(ZVZCS)。阻 斷電容Cb衰減環(huán)流電流，飽和電感k阻斷電流反向增加。Uin為輸入直流電壓源，VDi VD4 分別是與Fuzzy-PID: Fuzzy-PID4(型號為BSM75GB120DN2)反向并聯(lián)的二極管，Q, C2分 別是Fuzzy-PID:，F(xiàn)uzzy-PID2的輸出電容和外接電容之和，Lk為變壓器I；的漏感，VDE1和 VDK2 (型號MUR200)為輸出整流二極管，Lf為輸出濾波電感，R為電弧等效電阻?，F(xiàn)以圖1所 示電路拓撲并采用有限雙極性控制為例，說明超前臂零電壓、滯后臂零電流的實現(xiàn)原理。Fuzzy-PID: Fuzzy-PID4的控制信號、兩橋臂中點電壓UAB、變壓器一次電流ip和
4電容Cb兩端電壓U。b的波形如圖2所示。t0時刻關(guān)斷Fuzzy-PIDp由于Fuzzy-PIDi并聯(lián)電容Q兩端電壓不能突變，所以 Fuzzy-PIDi零電壓關(guān)斷。此后CpQ開始充放電，時刻充放電結(jié)束，VD2導通為Fuzzy-PID2 開通創(chuàng)造了零電壓開通的條件，一次電流環(huán)流開始。此時，電容Cb的電壓U。b全加在變壓器 的漏感上，一次電流很快衰減，t2時刻一次電流衰減到零，飽和電感阻斷電流反向增加，使 一次電流保持為零，從而實現(xiàn)FuZZy-PID4零電流關(guān)斷。另半個周期的軟開關(guān)過程與此類似。單片機控制系統(tǒng)構(gòu)成原理如圖3所示。以Atmegal6為核心，與上電復位電路、時 鐘電路一起構(gòu)成單片機最小系統(tǒng)，PD(0 7)輸出的給定電流經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器7537轉(zhuǎn)換成 模擬量和反饋電流if進行PI調(diào)節(jié)，PI調(diào)節(jié)后的值送入電流模式的PWM芯片UC3846，然后 輸出PWM驅(qū)動脈沖，經(jīng)驅(qū)動變壓器隔離放大驅(qū)動Fuzzy-PID。當過熱、欠電壓或空載時，單片 機輸出封鎖信號封鎖UC3846，從而封鎖輸出。另外，單機利用通用同步和異步串行接收器和 轉(zhuǎn)發(fā)器(USART)與表頭的單片機實現(xiàn)通信，實時把焊接數(shù)據(jù)發(fā)送給表頭單片機，利用串行 外設(shè)接口 SPI通過485總線實現(xiàn)與遙控器的遠距離通信。單片機控制系統(tǒng)共采用了 3片Atmega單片機，主控板、表頭和遙控器分別用一片 單片機，主控單片機與表頭單片機和遙控單片機實現(xiàn)通信。下面以SMAW焊機為例，介紹3 片單片機的功能。(1)主控單片機負責整個焊機的管理功能，并實時與表頭單片機和遙控器單片機 實現(xiàn)通信。它具有參數(shù)設(shè)定和開關(guān)量輸入功能，設(shè)定參數(shù)包括焊接電流、推力電流、引弧電 流、引弧時間、電纜長度，開關(guān)量輸入包括過熱保護信號、弧壓狀態(tài)Virm、引弧成功信號等， PD(0 7) 口輸出不同焊接狀態(tài)時刻的給定電流(即疊加引弧電流、推力電流)，并根據(jù)需 要及時輸出保護信號封鎖輸出。(2)表頭單片機負責采樣三相電輸入、弧壓和反饋電流，并和主控單片機發(fā)送過來 的焊接參數(shù)一并顯示。因有專門的單片機負責顯示，所以顯示參數(shù)大大增加(顯示參數(shù)5 個焊接電流、推力電流、引弧電流、引弧時間、電纜長度；焊接參數(shù)6個焊接時電流、A，B, C三相輸入電壓、弧壓、累計焊接時間)。(3)遙控器單片機可以在遙控方式時設(shè)定焊接電流和推力電流，實時顯示主控單 片機發(fā)送過來的焊接電流和弧壓參數(shù)，而且能及時根據(jù)故障情況點亮故障燈。ATmegalB單片機是基于增強AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其 先進的指令集和單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmegalB的數(shù)據(jù)吞吐率高達lMIPS/MHz，從而 可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。它具有16kB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同 時讀寫能力，即RWW)，512B的EEPROM，lkB的SRAM，32個通用I/O 口線，32個通用工作寄存 器，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，3個具有比較模式的靈活的定時器/計數(shù)器、片內(nèi)/外中斷，可編 程串行USART，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益的ADC，振蕩器的可編程看門狗定 時器，1個SPI串行端口，而且價格適中，因此具有極高的性價比。以SMAW焊機為例，主控單片機的軟件主要由以下幾個部分組成主程序、初始化 程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、引弧程序、電纜補償程序、加減推力中斷程序、通信程序。主程序流程 圖如圖4所示。上電后復位后，程序從002AH開始運行。系統(tǒng)先執(zhí)行初始化子程序，并封鎖焊機輸 出，然后完成各參數(shù)的初始值設(shè)定。當選用遙控方式時，接受遙控器上的設(shè)定參數(shù)，否則接受本機參數(shù)。單片機根據(jù)輸入的電纜長度和焊接電流值計算出輸出電纜壓降，自動計算出 疊加推力電流弧壓拐點值。隨后焊機檢測弧壓狀態(tài)Vim是否為1 (即焊條是否與工件接觸)， 為1時，焊機解除封鎖，開中斷，并開始執(zhí)行引弧程序，即輸出疊加了引弧電流后的焊接電 流給定值，當引弧時間到了以后取消引弧電流，輸出正常的焊接電流值。焊機檢測弧壓，當 弧壓低于單片機計算后的拐點值時利用外部中斷進入中斷子程序疊加推力，輸出疊加推力 值后的焊接電流給定值。由于系統(tǒng)采用Atmega單片機，占用空間富余多，可以在線編程對焊接電源進行升 級。ZVZCS-PWM軟開關(guān)控制電路以電流模式的UC3846芯片為核心，UC3846芯片采用峰 值電流模式控制方法，即開關(guān)器件在固定時間開通，電流瞬時值達到電流給定值時，開關(guān)器 件關(guān)斷。UC3846外圍電路見圖5。給定值和反饋值經(jīng)PI調(diào)節(jié)后的值輸入UC3846的5腳(誤差放大器同向輸入端)、 6腳(誤差放大器反向輸入端)和7腳(補償端)相連，接成跟隨器形式，形成電壓外環(huán)輸 入反饋。一次電流檢測值輸入4腳(電流檢測放大器正輸入端)，進行瞬時電流反饋，形成 電流內(nèi)環(huán)反饋.因為電流模式變換器工作在占空比大于50%和連續(xù)電感電流條件下會產(chǎn)生分諧 波振蕩，它是由固定頻率和峰值電流取樣同時工作狀況所引起的。為此，利用8腳(振蕩輸 出端)輸出的鋸齒波對4腳進行斜率補償。11，14腳輸出2路P麗信號，分別送U5為核心的脈寬展寬電路，形成滯后橋臂的2 路固定脈寬觸發(fā)信號；10腳(同步信號輸出端)輸出的脈沖送固定脈寬展寬電路形成2路 固定脈寬的死區(qū)；16腳接保護信號，只要有高電平的保護信號輸入，11，14腳停止PWM信號 的輸出，從而封鎖超前橋臂。針對所設(shè)計的控制電路，利用四通道記憶示波器進行檢測，圖6、圖7分別為采集 到的2種不同負載情況下的4個Fuzzy-PID驅(qū)動控制信號。由圖可知在焊接電流和弧壓 較高(焊接電流400A，弧壓36V)時，超前橋臂Fuzzy-PIDpFuzzy-PIA脈寬較大，滯后橋臂 Fuzzy-PID3,Fuzzy-PID4固定脈寬，F(xiàn)uzzy-PID: Fuzzy_PID44組驅(qū)動控制信號實現(xiàn)有限雙 極性控制方式；當焊接電流58A，弧壓6V時，超前橋臂Fuzzy-PIDyy—pn^壓縮脈寬，滯后橋 臂FuZZy-PID3，F(xiàn)uZZy-PID4固定脈寬。經(jīng)過試驗和聯(lián)機調(diào)試，結(jié)果表明控制電路各部分工作 正常。綜上所述，本發(fā)明的電焊機軟開關(guān)模糊PID控制焊接電源的單片機控制方法可設(shè) 定焊接參數(shù)和監(jiān)控電源工作、操作簡單、效率高、由其控制的電源用途范圍廣。在此說明書中，本發(fā)明已參照其特定的實施例作了描述。但是，很顯然仍可以作出 各種修改和變換而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因此，說明書和附圖應(yīng)被認為是說明性的 而非限制性的。
權(quán)利要求
一種電焊機軟開關(guān)模糊PID控制焊接電源的單片機控制方法，其特征在于，通過單片機控制單元設(shè)定焊接參數(shù)，輸出給定電流，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量和反饋電流進行PI調(diào)節(jié)，PI調(diào)節(jié)后的值送入電流模式的PWM芯片，然后輸出PWM驅(qū)動脈沖，經(jīng)驅(qū)動變壓器隔離放大后用于驅(qū)動軟開關(guān)模糊PID控制焊接電源的Fuzzy-PID。
2.如權(quán)利要求1所述的電焊機軟開關(guān)模糊PID控制焊接電源的單片機控制方法，其特 征在于，還包括當過熱、欠電壓或空載時，單片機控制裝置輸出封鎖信號封鎖PWM芯片，從 而封鎖輸出。
3.如權(quán)利要求1所述的電焊機的軟開關(guān)模糊PID控制焊接電源數(shù)控方法，其特征在于， 還包括步驟單片機控制單元利用通用同步和異步串行接收器和轉(zhuǎn)發(fā)器與表頭單片機實現(xiàn) 通信，實時把焊接數(shù)據(jù)發(fā)送給表頭單片機。
4.如權(quán)利要求1所述的電焊機的軟開關(guān)模糊PID控制焊接電源數(shù)控方法，其特征在于， 還包括步驟單片機控制單元利用串行外設(shè)接口通過總線實現(xiàn)與遙控器的遠距離通信。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電焊機軟開關(guān)模糊PID控制焊接電源的單片機控制方法，通過單片機控制單元設(shè)定焊接參數(shù)，輸出給定電流，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量和反饋電流進行PI調(diào)節(jié)，PI調(diào)節(jié)后的值送入電流模式的PWM芯片，然后輸出PWM驅(qū)動脈沖，經(jīng)驅(qū)動變壓器隔離放大后用于驅(qū)動軟開關(guān)模糊PID控制焊接電源的Fuzzy-PID，當過熱、欠電壓或空載時，單片機控制裝置輸出封鎖信號封鎖PWM芯片，從而封鎖輸出，單片機控制單元利用通用同步和異步串行接收器和轉(zhuǎn)發(fā)器與表頭單片機實現(xiàn)通信，實時把焊接數(shù)據(jù)發(fā)送給表頭單片機，利用串行外設(shè)接口通過總線實現(xiàn)與遙控器的遠距離通信，本發(fā)明可設(shè)定焊接參數(shù)和監(jiān)控電源工作、操作簡單、效率高、由其控制的電源用途范圍廣。
文檔編號G05B11/42GK101856764SQ20091004894
公開日2010年10月13日 申請日期2009年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月7日
發(fā)明者舒俊 申請人:上海滬工電焊機制造有限公司