110V埋弧焊送丝电机H桥驱动电路研究554

日期:2020-03-12编辑作者:国际动态

  西南交通大学硕士学位论文110V埋弧焊送丝电机H桥驱动电路研究姓名:张智明申请学位级别:硕士专业:材料加工工程指导教师:潘厚宏20100501 西南交通大学硕士研究生学位论文第1页摘要埋弧焊是当今生产效率较高的机械化焊接方法之一,生产效率高、焊缝质量好、劳动条件好的特点使其在国民经济中占据相当重要的地位。埋弧焊主要用于焊接各种钢板结构、造船、锅炉、化工容器、桥梁、起重机械及冶金机械制造业中应用最为广泛。埋弧自动焊时,引燃电弧、焊接送丝、电弧沿焊接方向移动及焊接收尾等过程均可实现自动化控制。在埋弧焊接的变速送丝系统中,其电弧电压的稳定...

  西南交通大学硕士学位论文110V埋弧焊送丝电机H桥驱动电路研究姓名:张智明申请学位级别:硕士专业:材料加工工程指导教师:潘厚宏20100501 西南交通大学硕士研究生学位论文第1页摘要埋弧焊是当今生产效率较高的机械化焊接方法之一,生产效率高、焊缝质量好、劳动条件好的特点使其在国民经济中占据相当重要的地位。埋弧焊主要用于焊接各种钢板结构、造船、锅炉、化工容器、桥梁、起重机械及冶金机械制造业中应用最为广泛。埋弧自动焊时,引燃电弧、焊接送丝、电弧沿焊接方向移动及焊接收尾等过程均可实现自动化控制。在埋弧焊接的变速送丝系统中,其电弧电压的稳定是依靠调节送丝速度实现的。因此电弧电压的稳定性取决于送丝速度调节的快慢。而送丝速度的调节快慢除了受控于实际的控制系统外,还受电机惯性的影响。在一些对电弧电压、电弧电流要求很高的焊接场合,目前常用的送丝系统将难以满足要求。在下降特性电源.变速送丝埋弧焊系统中,使用高频率、推挽工作的H 桥驱动送丝电路有利于提高电弧电压的稳定性。H 桥驱动电路通过PW M 方式驱动电机,在其驱动下,电机始终处于运动状态,即使是在转速为零的场合也是如此。这大大减小了电机的惯性,将其用于送丝系统将有望提高电弧电压的稳定性。然而,市售的H 桥电机驱动模块主要针对低压电机而设计的,难以直接用于埋弧●焊送丝电机的控制。本文基于低压H 桥电机驱动模块L292,采用高速光电耦合器把模块电路和场效应管高压驱动电路隔离开,设计了快速调节的双极式可逆高压H 桥送丝电路。结果表明当驱动模块电压与电机额定电压不同时,高速光电耦合器的应用是一种简单、行之有效的方法,使L292能够对110V送丝电机的转速和转向进行控制,所设计的电路在一定程度上改善了送丝速度变化滞后现象,进而提高电弧电压稳定性。关键词:埋弧焊;送丝电路;H 桥;光电耦合器;PW M 西南交通大学硕士研究生学位论文第1I页AbstractSubm ergedArc W el di ng( SAW ) i sa ki nd of hi gher producti on effi ci encym achi new el di ngm ethods today.SAWhasoccupi ed thequi te i m portantstatus i n the nati onaleconom ybecause ofhi 曲producti on effi ci ency, good w el di ng qual i tyandgood w orki ngcondi ti ons.SAWi sm ai nl yused to w el d ki nds of steel pl atestructure.And SAW i sw i del yusedi nShi pbui l di ng, boi l er, chem i calvessel ,hoi sti ngm achi neryandm etal l urgym achi ne-bui l di ng i ndustry.Autom ati ccontrol has been used i n thei gni ti onof el ectri carc,w el di ng w i re-feed,m ovem entof arcal ong w el di ng di recti on,recei vi ngarc ofw el di ng,etc.Thestabi l i tyof arcvol tagei s real i zedby adj ustm entof w i refeedi ng speedi n constantw i refeedi ng systemof SAW .Thus thestabi l i tyof arCvol tagei s dependedon that w i refeedi ng speedi s fastor sl ow .But theadj ustm ent speedof w i refeedi ngi ssubj ectedto theactual controlsystemand the m otor i nerti a.Insom ew el di ngcasesof hi gh requi rem entto arcvol tageand arCcurrent,theusual w i refeedi ng systemi s unabl e to m eet the needs of w i refeedi ngatpresent.Inconstantcurrentpow er suppl yto vari abl espeedw i refeedsystemofSAW , the stabi l i ty of arcvol tagecarl bei m provedw henusi ng hi gh-frequency, push-pul l●H bri dgedri ver w i refeedci rcui t.H bri dge dri vi ngci rcui t dri ves m otorby PW M ,andthem otor i skeptat m oti on state al l the ti m e,eveni f the condi ti onof zero rotati onalspeed.Andthen the m otor i nerti a i sl argel yreduced.The stabi l i tyof arcvol tage m aybei m proved byH - bri dge dri vi ngci rcui t used for w i refeedi ng system .H ow ever, i t i s di ffi cul t that the com m erci al H - bri dgem otor dri ver m odul edesi gnedforl owvol tagem otori sappl i edto w i re-feed m otor of SAWdi rectl y.Basedonl ow vol tageH - bri dge m otor dri ve m odul e L292,thi s paper desi gnedabi pol ar reversi bl e Hbri dgew i refeed ci rcui t i n w hi ch the m odul e ci rcui t and thehi gh vol tageM O SFET dri ver ci rcui tare i sol atedby hi gh speedoptocoupl er.Theresul ts showthat theappl i cati onof hi gh speedoptocoupl eri ssi m pl eand effecti ve w hen thevol tageof m odul e and the ratedvol tageofm otor are di fferent,and have real i zed the contr01 of1 1 0V w i re-feed m otor s di recti on androtati on rateby L292.Thedesi gnedci rcui t has i m proved partl y thehysteresi sof w i refeedi ngspeed. 西南交通大学硕士研究生学位论文第1IT页key w ords:SAW ;w i refeed ci rcui t;Hbri dge;optocoupl er;PW M 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下:( 1) 结合电机驱动模块L292的原理,设计了针对H 桥的可逆调速系统,采用比例积分电路控制弧压负反馈量和电流环反馈量,使L292输出的双极性PW M 信号变化,从而控制电机的转速和转向。并引入绝对值电路控制L292输出与否。( 2) 选用4N 25设计了光电隔离电路,实现了模块电路和高压驱动电路的隔离,并结合PW M .H 桥调速电路和M O S管开关电路,设计了H 桥高压驱动电路。( 3) 对所设计的电路进行了调试,特别在光电隔离电路的参数选择上做了大量工作。本人郑重声明:所呈交的学位论文,是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。学位黻作者签名:张饧嘲日期:20f0.6、2/ 西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1.保密口,在2.不保密∥ 使用本授权书。(诸在以上方框内打“ 寸,)年解密后适用本授权书;学位论文作者签名:缄钙峥J9指导老师签名:-弘考日期:ⅥID.6.乙日期:?参厂口.∥ .2 西南交通大学硕士学位论文创新性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本学位论文的主要创新点如下:( 1) 成功将光电耦合器应用于低压电机驱动器件和高压驱动电路之间,使两者信号隔离传输。低压L292驱动高压直流送丝电机是可行的,电路设计简单,光电隔离电路传输双极性PW M 信号有一定的失线设计的弧压反馈电路和电流反馈电路设计简单,工作可靠,对送丝电机的控制方便。学位论文作者签名:认铅西珥日期:≯fD.6.L 西南交通大学硕士研究生学位论文第1页1.1引言第一章绪论帚一早珀T匕埋弧焊作为材料加工的一种重要手段,在机械加工领域中,特别是在压力容器、箱型梁柱、管段制造等重要钢结构加工中广泛应用【l 】,适合一些大型结构件的制造。埋弧焊设备及工艺的良好发展有利于我国装备制造业的技术实力的提升。近年来市场上出现了许多高效、节能的新焊接方法,但埋弧焊作为一种传统的焊接方法也在自动化焊接方面取得了长足的进步,一直在熔焊方法中占据着重要的地位。送丝系统是埋弧自动焊机设备中的重要组成部分,对焊接质量影响很大,其送丝的精确性和稳定性直接关系到焊接过程的稳定性和焊接质量的高低【21。多年来的焊接生产实践证明,优异的焊接质量要求送丝系统必须具有较强的抗干扰能力,在送丝过程中能够保证焊丝不变形、阻力尽量小,在网压和送丝阻力变化等情况下能够保证送丝速度在允许的范围内变化,并且送丝速度在一定范围内可调【” 。为保证电弧稳定燃烧和熔滴均匀过渡,有效地控制能量参数以便得到成形良好的焊缝,送丝调速系统还必须具有良好的动、静态品质,结构简单及运行可靠等特点。埋弧自动焊送丝分为等速送丝和变速送丝,分别与平特性电源和下降特性电源配合使用。等速送丝系统通过电流反馈进行送丝速度的调节。在下降特性电源一变速送丝系统中,送丝电路采用电弧电压负反馈自动调节系统,根据电弧电压的高低适时调整送丝速度【4】。当发生相同长度的弧长变化时,变速送丝埋弧焊机的恢复时间比等速送丝埋弧焊机短,因此焊接质量更好。普通晶闸管整流送丝电路通过改变晶闸管的导通角来改变整流电源输出的电压,从而改变电机电枢电压达到调节电机转速的目的【51。由于其受工频限制,难以实现送丝速度的快速调节。主要用于定位控制的H 桥电机驱动电路,工作频率高,且工作时电机处于推挽状态,有利于送丝速度的快速调节。常见的H 桥电机驱动器件都是针对低压小功率直流电机设计的,难以直接应用在埋弧焊送丝电机上。如何寻找一种方法,使低压H 桥电机驱动器件可以驱动高压送丝电路是问题解决的关键,这也是本文研究的难点所在。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2页1。2国内外研究现状目前,焊接电源控制数字化、焊接生产过程自动化、埋弧焊接工艺高效化、焊接质量控制智能化已经成为国内外焊接加工技术研究和应用的重要发展趋势。埋弧焊作为最早获得应用的机械化焊接方法,埋弧焊机电源的发展经历了4个阶段:机械调节型电源、磁饱和放大器电源、晶闸管整流电源和IGBT逆变电源【6】。其中,逆变电源在基础技术层面上已经趋于成熟,逆变焊接电源重量轻、体积小、节省材料,且控制性能好,特别是动态响应快,一般比传统工频整流焊接电源提高23个数量级,易于实现焊接过程的实时控制,是焊接电源发展的方向。具体到我国逆变焊机电源已有四代产品:可控硅SCR为主功率器件的逆变器、晶体管逆变器、场效应管逆变器和IG BT逆变器。IG BT逆变器以其逆变频率高、饱和压降低和无噪声的特点较其他三代产品优势明显。目前逆变电源出现的问题主要在逆变焊机的软开关技术和逆变变压器的改进。埋弧焊控制系统的发展也经历了3个阶段:机械控制、分离元件控制、集成电路数字控制或微机控制【.71。数字化焊机的控制电路结构简单,设计方便,提高了控制系统的稳定性。目前,国内的数字化焊机与国外数字化焊机的最大差距在于先进的焊接工艺技术,.数字化控制系统的最大优势在于与逆变焊机相结合后可以承载更先进的焊接工艺技术。埋弧焊机的发展已从单纯的电源技术向与先进焊接工艺技术相结合共同发展,研究焊接电弧行为将成为今后电焊机行业技术发展的一个重要方面。总之,埋弧焊机已在向着逆变化、数字化、智能化和模块化发展【8,9】。送丝系统作为埋弧焊机的重要组成部分,稳定的送丝速度对于焊缝的成型具有重要的影响,送丝系统的核心问题在于焊接电流波形与送丝速度之间的合理匹配【l o】。送丝速度的调节方式主要有转速反馈自动调节方式、电枢电压负反馈自动调节和电枢电压负反馈配合电枢电流正反馈调节方式。国内外埋弧焊机的主要差距不是在电源方面,而是在送丝系统方面。国内大多还在使用电压反馈控制的送丝电机,而国外同类产品都是采用具有速度反馈控制的送丝电机。随着焊接工艺水平的发展,对于送丝电机要求不仅仅体现在速度稳定方面,并且要求送丝电机的响应要快。本文所采用的调速系统为PW M 装置.电动机系统( Pw M 调速系统) ,利用全控型电力电子器件实现斩波调速。此系统的开关频率较高,电流脉动很小,系统低速运行稳定,调速范围宽;同时,电力电子器件工作在开关状态,主电路损耗较小,装置效率较高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3页1. 3本文研究的主要内容本文针对H 桥驱动模块L292难以直接应用在高压的埋弧自动焊送丝电机上,结合高速光电耦合器的应用,设计了埋弧焊H 桥送丝系统。本文主要做了如下工作:( 1) 结合电机驱动模块L292的原理,设计了针对H 桥的可逆调速系统,采用比例积分电路控制弧压负反馈量和电流环负反馈量,使L292输出的双极性PW M 信号变化,从而控制电机的转速和转向。并引入绝对值电路控制L292输出与否。( 2) 选用4N 25设计了光电隔离电路,实现了模块电路和高压驱动电路的隔离,并结合PW M .H 桥调速电路和M O S管开关电路,设计了H 桥高压驱动电路。( 3) 对所设计的电路进行了调试,特别在光电隔离电路的参数选择上做了大量工作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4页2.1埋弧焊的原理第二章文献综述埋弧焊是利用焊丝与工件之间在焊剂层下燃烧的电弧产生热量,熔化焊丝、焊剂和母材金属而形成焊缝的熔化极电弧焊方法【11】。埋弧焊的焊接过程如图2.1所示。焊接时电源的两极分别接在导电嘴和工件上,焊丝通过导电嘴与工件接触,在焊丝周围撒上焊剂,然后接通电源,则电流通过导电嘴、焊丝与工件构成焊接回路【l 21。焊接时,焊机的启动、引弧、机头( 或焊件) 移动等过程全由焊剂进行机械化控制,焊工只需按动相应的按钮即可完成工作。2.2埋弧焊的优点图2.1埋弧焊焊接过程示意图澶壳( 1) 生产效率高一是埋弧焊的电弧掩埋在焊剂层下燃烧,没有保护气散热损失,也基本没有电弧辐射能量损失,电弧热的有效利用率高达90%以上。二是焊丝上焊接电流的提供点很接近电弧,焊丝电阻产热量少,热效率高,可提高焊接速度。如表21所示。( 2) 焊缝质量高,焊接过程稳定焊剂和熔渣能有效地防止空气侵入熔池而免受污染,还可以降低焊缝冷却速度;埋弧焊的焊接工艺参数通过自动控制能够使弧长自 西南交通大学硕士研究生学位论文第5页动调节保持焊接过程稳定,因此所形成的焊缝化学成分均匀,力学性能良好。( 3) 焊接成本低由于生产率高、缺陷少、品质稳定,其焊接成本与焊条电弧焊相比有大幅度降低。使用埋弧焊焊接较厚的焊件时不开坡口也能焊透,且熔渣还可防止金属的飞溅,提高焊材的使用率,降低成本。( 4) 操作环境好虽然是大电流焊接,但由于电弧处于焊剂中,几乎没有有害光线、烟尘、辐射热等对操作者的影响。埋弧焊的焊接过程还容易实现自动控制化,避免人工操作时带来的不便及降低人力成本。表2.1焊条电弧焊和埋弧焊的电流、电流密度的比较焊条电弧焊埋弧焊焊条( 焊丝)直径d/m m焊接电流电流密度焊接电流电流密度I/AJ /A.m 肌。I/AJ /A.,,z肌o256--一6516~25200~40063~125380~13011~18350~60050~854125~20010--一16500~80040~635190~25010~18700~100030~502.3埋弧焊机的选择埋弧焊机根据其自动化程度不同主要分为自动焊机和半自动焊机两大类。( 一) 半自动埋弧焊机半自动埋弧焊机的主要功能是向焊接区添加焊剂;传输焊接电流;控制焊接起动和停止;将焊丝通过软管连续不断地送入电弧区【13】。而通常半自动埋弧焊机主要由送丝机构、控制箱、带软管的焊接手把及焊接电源组成。软管式半自动埋弧焊机兼有自动埋弧焊的优点及手工电弧焊的机动性能。在难以实现自动焊的工件上( 例如中心线不规则的焊缝、短焊缝、施焊空间狭小的工件等) ,可用这种焊机进行焊接。( 二) 自动埋弧焊机自动埋弧焊机的主要过程有:( 1) 连续不断地向焊接区送进焊丝;( 2) 传输焊接电流;( 3) 使电弧沿接缝移动;( 4) 控制电弧的主要参数;( 5) 控制焊接的起动与停止;( 6) 向焊接区铺施焊剂;( 7) 焊接前调节焊丝端位置。常用的自动埋弧焊机有等速送丝和变速送丝两种。它们一般都由机头、控制箱、 西南交通大学硕士研究生学位论文第6页导轨( 或支架) 以及焊接电源组成。等速送丝自动埋弧焊机采用电弧自身调节系统;变速送丝自动埋弧焊机采用电弧电压自动调节系统。自动埋弧焊机按照工作需要,做成不同的形式。常见的有:焊车式、悬挂式、机床式、悬臂式、门架式等。使用最普遍的是M Z.1000焊机,该焊机为焊车式【141。M Z-1000焊机采用电弧电压自动调节( 变速送丝) 系统,送丝速度正比于电弧电压。表2.2中列举出了国产埋弧焊机主要参数及调速方法。表2-2国产埋弧焊机主要参数115.16】焊接送丝焊接电流焊丝直径送丝速度焊接速度焊接焊机种类速度方式(A)(ram )(era/rai n)(cIn./m i n)电流调整变速M ZA.1000200- 12003.0~5.0506003.5.130直流②送丝变速直流或M Z.1000400~l 2003.06.O5020025.117②送丝交流变速Ⅳ兀J 1.10004001 000焊带①25~1001 2.5.58.3直流②送丝等速M 亿1.1000200~10001.6~5.087缶7226.7210直流③送丝等速直流或M [ Z2- 1500400~1 5003.0~6.047.5~37522.5.187③送丝交流等速M U .2× 3001603001.6~2.0160~54032.5.58.3直流③送丝等速直流或M Z3.5001806001.6~2.0180~70016.7.108④送丝交流等速M 【Z6.2.500200- , 6001.每也.0250一100013.3~100交流④送丝注:①宽20~80m m ,厚0.5~1.01111TIg②用电位器无级调节直流电动机转速;③调换齿轮;④用自耦变压器无级调节直流电动机转速。在埋弧焊电源的选择上,一般焊接细焊丝焊薄板时,电弧具有上升的静特性曲线,宜采用平特性电源。大多数焊接时是进行粗焊丝,电弧具有水平的静特性曲线,按照电弧稳定燃烧的要求,应选择具有下降外特性的电源。埋弧焊电源可以用交流( 弧焊变压器) 、直流( 弧焊发电机或弧焊整流器) 或交直 西南交通大学硕士研究生学位论文第7页流两用。要根据不同的应用条件,如焊接电流范围、单丝焊或多丝焊、山腾电机焊接速度、焊剂类型等选用。一般直流电源用于小电流范围、快速引弧、短焊缝、高速焊接,所采用焊剂的稳弧性较差及对焊接工艺参数稳定性有较高要求的场合。采用直流电源时,不同的极性将产生不同的工艺效果。当采用直流正接( 焊丝接负极) 时,焊丝的熔敷率最高;采用直流反接( 焊丝接正极) 时,焊缝熔深最大。采用交流电源时,焊丝熔敷率及焊缝熔深介于直流正接和反接之间,而且电弧的磁偏吹最小。因而交流电源多用于大电流埋弧焊和采用直流时磁偏吹严重的场合。一般要求交流电源的空载电压在65V以上。为了加大熔深并提高生产率,多丝埋弧自动焊得到越来越多的工业应用。目前应用较多的是双丝焊和三丝焊 17】。多丝焊的电源可用直流或交流,也可以交、直流联用。双丝埋弧焊和三丝埋弧焊时焊接电源的选用及联接有多种组合。此外,埋弧焊机还有一些针对特殊应用场合的焊机,如埋弧堆焊机和埋弧自动角焊机等。2.4气体保护焊送丝方法新型的气体保护焊送丝方法不断涌现,如脉动送丝法、机械振动法、双面滚轮行星式送丝弦、脉宽调制控制送丝法和模糊控制送丝法等[3, 18】,在各自应用的领域都取得了不错的效果,具有良好的应用前景。脉动送丝法脉动送丝法不是采用等速送丝、连续送丝,而是通过特殊的送丝机构,使送丝速度能周期性变化,完成对熔滴过渡的良好控制 19】。在中长弧的焊接时,既可实现无短路过程焊接,也可实现脉动送丝强制短路过程,使短路频率与脉动送丝频率严格相等,消除短路过渡的飞溅。并利用脉动送丝后的停顿所产生的前冲力,山腾电机促使熔滴过渡,减少短路小桥中焊丝一侧的液态金属,也减少了短路小桥爆炸而产生的飞溅。脉动送丝具有飞溅小、焊缝成型美观、焊接质量好、适合薄板及全位置焊接的优点。机械振动法机械振动法是将焊接电源参数和送丝速度都保持不变,送丝机构以一定的频率振动,使电弧长度按振动频率由零( 短路) 变化到某一长度,然后又由某一长度变化到零【20】。通过焊丝端头与熔池的接触与拉开过程( 即电弧的熄灭和点燃) ,将焊丝的熔化 西南交通大学硕士研究生学位论文第8页金属过渡到熔池,同时使燃弧与熄弧过程受外加振动的控制,以便控制熔池和焊丝的熔化量。振动控制熔滴过程,实质上是短路过渡过程中外加机械振动,使其过渡过程更稳定可控。双面滚轮行星式送丝法双面滚轮行星式送丝法的送丝滚轮的工作面为双曲面,用两只双曲面滚轮驱动焊丝【21】。送丝轮一面绕焊丝公转,~面自转,公转一周焊丝被送进一个螺距S,S大小由送丝轮和焊丝间夹角a决定。其主要组成包括一个空心轴和一个行星装置等,不需要减速器和焊丝校直装置,体积小重量轻。模糊控制送丝法模粉控制送丝法是通过电弧电压采样值求出电弧电压的偏差及偏差变化率,经模糊量化环节转换为模糊量,再分别乘以各自的量化因子得到模糊控制量,根据模糊控制量检索电弧电压模糊控制表,得到数值触发器时间常数的增量,经过非模糊化环节转化成精确量,再乘上比例因子,最后去控制晶闸管的触发,使电动机的电枢电压发生变化,从而控制送丝速度,保证弧长稳定。模糊控制相对于PID控制具有更高的系统鲁棒性和稳定性【22.231。脉宽调制控制送丝法随着大功率电子功率器件的发展;脉宽调速( Pul se W i dthM odul ati on) 已经迅速发展起来。脉宽调制是一种模拟控制方式,其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置,来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变,从而控制送丝电机的平均电压【24】。其中脉冲频率固定,脉冲幅值固定,只改变脉冲宽度,即改变脉冲的占空比来调节电压,脉冲宽度决定电机上的平均电压值,脉冲宽度越宽电机转速越快,反之电机转速越慢【251。本文所采用的调速方法即为PW M 调速。提高埋弧焊效率的方法还有改变电极数量或形状的多丝埋弧焊和带极埋弧焊 261;添加辅助填充金属的埋弧焊,如坡口内添加合金粉末的埋弧焊【27】;改变坡口形状尺寸的窄间隙埋弧焊;此外还有冷丝和热丝填丝埋弧焊等。2.5弧压负反馈调节原理在埋弧焊中如果使用粗焊丝,电弧自身调节不能保证足够的焊接过程稳定性,因而发展了带有电弧电压负反馈调节器的变速送丝埋弧焊【28】。电弧电压负反馈自动调节 西南交通大学硕士研究生学位论文第9页弧长的基本原理是用电弧电压来控制送丝速度,以维持弧长不变。当电弧拉长时,电弧电压升高,通过电弧电压负反馈调节器使送丝速度加快;反之,电弧缩短,电弧电压降低,电弧电压负反馈调节使送丝速度减慢。电弧电压负反馈调节过程如图2.2所不。图2-2弧压反馈臼动调节过程如图2.2,l 为电源外特性曲线,A为弧压反馈调节系统静特性曲线为电弧静特性曲线点,此时焊丝的熔化速度1J m 等于送丝速度1) ,o当弧长突然发生变化,由k缩短至Ll 后,电弧电压由U o变为U l ,电弧燃烧的实际工作点变化到01点,提供工作电流为Il ,而弧压反馈系统静特性曲线点,稳定燃烧需要电流为12,使得焊丝熔化速度1) m 加快。送丝速度U 厂与电弧电压U c、送丝电机电压U 。之间的关系:V,=露妙c-UgJ( 2-1)此时,由于电弧电压由U o降为U l ,由式( 2.1) 可知送丝速度会减小,甚至会回抽。两方面共同作用,电弧恢复到原来长度。在恢复过程中,随着电弧电压的升高,焊丝送进速度w 也开始回升,直到电弧长度回到k,电弧又重新在稳定点0燃烧。整个调节过程既有弧压反馈调节,又有电弧自身调节。式( 2.1) 中的放大系数k增大可以使弧压反馈调节的作用远远大过电弧自身调节作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10页第三章送丝电机控制系统电路设计3.1埋弧焊自动送丝系统结构框图本文所设计的埋弧焊自动送丝系统是以电机驱动模块L292控制高压驱动电路为设计原理,采用光电隔离电路将控制模块电路和高压驱动电路隔离开,并结合H 桥可逆调速系统的应用,控制直流送丝电机的转速和方向。系统采用电弧电压负反馈闭环控制,配合一个电流反馈环,进行比例积分( PI) 运算,反馈回电机驱动模块L292,根据L292输出的不同信号最终控制送丝直流电机的运动。埋弧焊自动送丝系统的结构框图如图3.1所示。图3-1埋弧焊自动送丝系统结构框图本文所设计的埋弧焊自动送丝系统有手动送丝和自动送丝两种模式,可通过逻辑控制电路进行调节。在焊接过程开始前,手动送丝模式可以独立调节送丝速度和方向,为焊接引弧做好准备。焊接开始后,送丝模式转换为自动送丝,在该模式下,通过提取焊接电弧电压,与电弧电压给定值比较,生成控制信号,送入L292的控制端。该控制信号与L292内部三角波信号、基准电压信号进行比较,产生~定占空比的PW M 信号。该信号经过隔离电路的传输,通过高压驱动电路后,进而控制送丝电机的转速和转向。由于L292仅在12脚为低电平、13脚为高电平时,才能正常工作,其余组合状态均为封锁。系统将手动给定信号、焊接给定信号通过电子整流电路处理及放大电路放 西南交通大学硕士研究生学位论文第11页大后送入L292的13脚,以开启输出。当埋弧焊自动送丝系统引弧成功后,系统检测到焊接电流满足设定要求后,通过逻辑控制电路内部的电流继电器启动焊接小车行走电路进行工作。3.2直流稳压电源设计此次设计的电机驱动模块L292需要用直流电源供电,直流稳压电源是将交流电压转换成稳定的直流电压的电子设备【291,它的种类很多,一般直流电源的原理如图3.2所示。交流电源佑 恤仁图3-2直流稳压电源的原理框图变压整流V滤波稳压_厂C=卜r上工● _么 里Z 里U 1] EU 2 /3,U 3上U 4工负载如图3.2,变压环节是将电网的交流电压变换成所需的整流电压,设计过程中是将220V的交流电压U 1通过变压器降压为两组18V的交流电压u2。然后,整流环节是利用二极管的单相导电性,将交流电压变换成单相脉动电压,设计过程中使用整流桥将112变换成u3。变压.整流环节如图3.3所示。、~2图3-3变压一整流电路图由于二极管不是理想的单向导电器件,所以整流桥输出的电压U 3是一个脉动电压,含有较强的交流分量,这样的直流电源应用在电子设备中可能会产生不良的影响。这就需要在整流电路和负载之间加接滤波电路,使输出电压的脉动程度降低,通常是利用电容的充、放电作用,在输出电压两端加入电容构成滤波电路。经过滤波后的电压 西南交通大学硕士研究生学位论文第12页u4,其脉动程度与电容器的放电时间常数凡C有关【301。毗C越大,脉动就越小,负载的平均电压值就越大,为了使滤波后的电压脉动程度小~些,一般要求:RC(35)/ /2(3.1)式中,T为交流电源电压的周期。实际设计过程中,一般用大小两个电容并联来组成滤波电路。因为电容两端电压不能突变,所以大电容可以稳定输出,使输出平滑。而电容越小,谐振频率越高,所以可以用小电容来消除高频干扰,使输出电压纯净。此外,山腾电机电容并联时容量相加能够增大电容的容量,满足了大电容滤波效果好的特点。.在选择电容时还要考虑其耐压值是否满足设计要求。由于滤波电容容量大,因此一般选用电解电容,在接线时要注意电解电容的正、负极的接法。经过整流、滤波环节后的直流电压114虽然比较平直,但是不稳定。当交流电网电压波动或负载电流变化时,输出电压也会发生改变,因而直流稳压电源的设计需要在整流和滤波后加入稳压电路。设计中选用78xx和79xx系列的固定三端稳压器,输出电压常用的有5V、12V、15V和24V,最大输出电流为1.5A。78xx为正三端稳压器,79xx为负三端稳压器,78XX:1脚输入,2脚接地,3脚输出。79xx:2脚输入,1脚接地,3脚输出。按照如图3_4连线即可同时输出正负对称的直流电压U 5。此外,三端集成稳压器具有完善的过流、过压和过热保护装置。在满负荷使用时,稳压器必须加合适的散热片,并防止将输入和输出端接反,避免接地端出现接触不良故障。- U+U o图3-4同时输出正负电压电路最终,外围直流电源电路的设计如图3.5所示,以KA7812和KA7912两个三端集成稳压器为核心,通过加入变压、整流和滤波电路完成了电路设计所需的正负12V直流电源。由于7812和7912的输出电流为1.5A,因此必须加入散热片。滤波电容Cl 、C2和C5、C6为电解电容,C3和C4为涤纶电容,用以抵消输入端较长接线的电感效应,防止自激振荡,并抑制电源的高频脉冲干扰现象,一般取O .33 la F。C7和C8为 西南交通大学硕士研究生学位论文第13页0.1 uF的涤纶电容,可以改善负载的瞬态响应,消除电路的高频噪声干扰,同时也具有消振作用,实验表明这两个小电容对减小电源高频内阻非常有效。图3.5外围直流电源电路3.3电机驱动模块L292外围电路设计3.3.1电机驱动模块L292的原理+24V+12V一1 2V电机驱动模块L292是一个15脚塑料封装的LSI智能功率集成电路【311,可为直流电动机输出与控制电压成正比的驱动电流。L292的内部结构图如图3-6所示。图3- 6电机驱动模块L292的内部结构图其内部电路结构主要由基准电压产生器,振荡器,电平转换器,误差放大器,比较器和电流检测放大器这六部分构成【32 331。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14页L292的特点是: 使用单电源( 18-36V) ; 驱动能力为2A、36V,开关频率1~30l ( H zPW M ,可由外部设定; 两个逻辑使能端;.夕}接环路增益调节; 有过载保护和电源欠电压保护; 单电源供电,双极性PW M 全桥工作模式。如图3-6所示,6脚为控制信号输入端,1脚和15脚为信号输出端,输出对称的直流方波信号。控制信号6可正可负,是双向的,利用L292内部基准电压产生器产生8V的基准电压,供给第一级电平转换器,转换为正信号,使L292在单电源下工作,可实现电动机正反转运行。同时该基准电压还给三角波振荡器供电。正的控制信号和反馈信号( 7脚) 相加得到的误差信号供给比较器,并且实现对振荡器信号的脉冲宽度调制。经过脉宽调制的信号再控制芯片内部H 桥的占空比以提供与L292输入的控制信号相对应的输出信号。L292内部电路的末级由两个比较器构成窗口比较器,接收前一级的控制信号和振荡器三角波信掣34 351。L292的简单外围电路图如图3.7所示,按照图3.7连线脚输入一定的直流电压信号时,即可以从l 脚和15脚得到PW M 信号。图3.7电机驱动模块L292简单外围电路图L292的主要参数如表3.1所示,直流稳压电源的设计将提供给L292要求的电源,使L292能正常工作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15页表3.1电机驱动模块L292的主要参数表符号参数测试条件最小典型最大单位K电源电压1836VId静态拉电流vs=20v( 偏置O )3050m A吃输入电压偏差L=o 350m A输入电流K=一8.8V.1.8m AIi( 6脚)K=+8.8V0.5m A输入电压Io=2A9.1V形RsI=Rs2=0.2Q( 6脚)乞=-2A.9.1Vi o输出电流K= 9.8V Rsl =Rs2=0.2f 2 2AL=2A5V%总输出压降( 包括电阻传感器)L=-2AO .35V电阻压降%乃=1500C10=2A0.44m AN分辨率Bl =Rs2=0.2f2205220235m A/Vto/K跨导Rsl =Rs2=0.4f 2120fO SC频率范围.130kH z3.3.2电机驱动模块L292芯片分析1、死区时间的设定L292的输出级为H 型桥式,为了避免两桥臂出现同时导通的危险,L292内部末●级的两个比较器输出的PW M 信号需要有~定的延时,该延时T的大小由l O 脚的外接电容器C和内部内阻RT的R衫乘积决定。实际设计过程中选取l O 脚外接电容约为1.5nF,尺F1.5KD,则佐2.251.ts。这个延迟时间是比较合适的,因为晶体管的关断滞后时间仅有0.51.ts。2、开关频率通过查询L292的应用手珊,电机驱动模块L292的PW M 频率范围在1-30kH z之间,可以通过外部电路的调节来设定,由10脚外接的电容值和11脚外接的电阻值调 西南交通大学硕士研究生学位论文第16页整,其工作频率调节的关系式为:1£。,=L一J “ 2xRai nl l × C砌l o(3.2)、~个合适的工作频率将使系统低速平稳性得到改善,工作效率得到提高,实际设计过程中取11为15K,Cp妯10为1.5nF,则工作频率为22KHz,此时锯齿波波形系数接近l ,实际工作效果良好。开关频率的最大推荐值为30kH z。3、输出级封锁功能电机驱动模块L292具有输出级封锁的功能,它是利用L292的12脚和13脚的不同组合来实现的,这种功能可以很好的保护芯片和抑制输出。12脚和13脚的逻辑组合表如表3.2所示。通过线才能正常工作,输出PW M 信号,其余组合状态均为封锁。实际设计的措施是将12脚接地,13脚通过绝对值电路的正信号来控制其电平的高低的。通过实验表明,当U 132.7V时,L292的1脚和15脚开始输出波形,当U 132.7V时,L292无波形输出。表3-2 L292的12脚、13脚逻辑组合表12脚电压13脚电压输出级( 1脚、15脚) 状态低电平高电平正常工作低电平低电平被禁止高电平低电平被禁止高电平高电平被禁止4、电流环设计埋弧焊自动送丝系统要求送丝电机的转速在不同的负载下保持恒定,而电流的调节过程往往比转速的变化过程快得多。电流环的一项重要作用就是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值,可以使得系统很快地对负载的变化做出响应,尽可能保持电机速度不变[361。L292芯片内部集成了多种功能单元电路,只需要外加少许元件便可构成一个完整的电流环【37.381,如图3.8。图3-9为电流调节回路原理图,电流环动态结构图如图3.10所示。双闭环直流调速系统是转速稳定系统,只靠转速负反馈( 即电压负反馈) 响应速度还达不到系统要求,因为转速负反馈有很大的惯性环节。而电流反馈能提前察觉到转速的变化来调节电流( 因为电流在相位上超前于电压) ,因此可以达到更快的速度响应。 西南交通大学硕士研究生学位论文]思◆工第17页同时电流环在电机启动时能保证为系统提供最大电流来尽量缩短启动时间【391。0嫦急蚓[一.1 uFl R51L292端口7脚图3-8电流环回路电路电流环指电流取样一放大一PI调节器这个环节。电枢电流从高压驱动电路的采样电阻上获得电流进入电流环,结合差分放大电路和比例积分电路控制电机的转速,使送丝电机的转速更加稳定。采样电阻的大小,要根据电枢电流的大小,和需要的采样信号大小综合考虑,一般的采样信号,如经放大可取数十毫伏,直接使用可取数百毫伏。本次设计采样电阻选取l O O m Q 取样电阻。图3-9电流调节回路原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第18页电平移动误差放大器P嗍和电机滤波器电流传感放大器图310 L292电流环动态结构图如图3.10中,各参量定义如下:I a-电机电枢电感;R。电机电枢电阻;I。电机电枢电流;Rs-电流检测电阻,Rsl =Rs2=Rs。GwM 功率放大器的直流放大系数,G。。=号暑ls:。。I/R4电流检测放大器的跨导能力,l /R4=2.5m r2。若忽略正型功率转换电路晶体管的饱和压降和二极管的基极压降,则G。。=瓦I 百2Us( 3-3)式中,UsL292外加电源电压;UR叫,292内部参考电压,UR=8V。由图3.10,根据自控理论,为保证电流环路的稳定,调节器的参数选择须满足式(3-4)【39】:1+sRC:1+s生,即RC:生( 3- 4)R。R。则电流环的闭环传递函数为:焉=麓心。 面两1+万sRrC面r丽1+j s2pcof咫1+望s+三s2cocCor式中,c截止频率,cof=0乏疆了琢孓硼;0.044=一●(3.5) 西南交通大学硕士研究生学位论文r阻尼系数,p=4R4C/(4RFCFGmoRs)。当Pc=巩时,开环传递函数为:Go(s,=去G。。惫 而gF=繁 而而1为了获得最佳稳定度.相位储量必须大于45。,即当f=1/( 2teRrO r) 时,须使第19Vi协6,Go(俐I“ 娜彬丽1R=等 警l-=一=一●●一( 3-7)rCF“ 4。~二为使电流环实现最佳阻尼,选取阻尼系数p=忑1,则由式(3-5)得:篇。i0.044鬲面1+了SRF研CFU俘8,t ., Jf(s)砖1+2出FCP+2s2J RF2CF2闭环传递函数为:阱半R 而+2coRCr蝙)1j麓okl鼍翮由( 3-8) 和( 3.9) 可得电流环的截止频率为:%2面协鲫“ ~I∽Is【(1,2+一2础,C,)2+1J0.9或厶=丽0.9根据上述分析计算电流环的有关元件的参数,其中,系统参数为:La=5m H ,R:5ta,U s=20V,Ia=2A,U i ---9.IV,闭环带宽:3kH z由闭环传递函数式( 3-5) 令s=0,得:耻o.044 净2Q由式(3.3)得:Gm o=2Us/RaUR=1f2~;由式(3-4)、(3-5)和(3 l 。),并去p=-疆1,可得:RC=10。3s,I000C/RFCF=I,RFCF叫7p.S从而得到:C=47nF,R=47kf2,RF=510Q ,CF-=92nF并将上述参数代入式( 3.7) 可以验证所选参数是否合理。(3.10) 西南交通大学硕士研究生学位论文第20页5、L292的外围应用电路L292的功能如同一个跨导放大器,其跨导率为G m ,H 桥输出负载电流与输入端的信号电压成正比。L292组成的直流电动机控制系统要求电机的转速与控制电压之间成线性关系,其简化电路如图3.11所示。其中,输入电流Il 与给定电压Vi 成比例,而测速电机产生的反馈电流12与电机的转速n成比例,两个电流Il 和12汇集至放大器AR的反相输入端。当电机工作再稳态时,11-一12,此时,AR的输出电压Vo是0V。在瞬变过程将产生一个Vo值,Vo=飓(乃鹄)。如图3.11,根据电机稳定转速的平衡条件可得:旦:一一KenRl(3.11) =一一~- I ● ,R2巧=%丢(312)而G。=瓦I,典型值Gm .22删,所以,K2毒 RR._AL,代入式(3-11),得到系统的转速n与负载电流I的关系为:IR、,l =一● oG m Kg&R2(3 13)▲IEg=Kgn图3-11直流控制系统简化电路图根据以上分析,电阻R3决定系统的增益,R3越大系统越具有较高的响应速度,但过高则会引起系统的不稳定。实际设计时按照电动机的机电常数和电机的负载来决定R3的阻值。同时,电机的平均电流l rn=G聊vo,电机将产生一个与厶成比例的加速度,使焊接过程恢复稳定。实际设计中,具有电流反馈的速度控制系统如图3.12所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第21页RP1KR2,_^弋图3.12具有电流反馈的速度控制系统其中,一台直流测速发电机( TG) 用作速度反馈,其电压常数为磁,焊接电弧电压由测速发电机( TG ) 经R2检测得到,反馈回控制端。送丝电路的控制电压vi 由电位器I心l 设定,其设定范围在.Vi m -Vi m 之间,实际选用Vi m =12V。电流环检测得到的反馈值经过运放AR2比例放大,与送丝控制电压信号、电弧电压反馈信号一起送至运放ARl 的反相端,组成加法电路。再由ARl 比例放大后送至电机驱动模块L292的6脚,从而影响L292的输出信号。为了减小电机的电流变化对电机转速的影响,需要利用L292内部的电流检测放大器与外部的阻容网络和运算放大器组成一个内环电流反馈电路,如图3.12所示,一个与电机电流成比例的电流在5脚和7脚之间流过,这个电流在510Q 的电阻上产生一个电压降,这个压降经AR2放大后送至ARl 的反相端。其中,电流反馈的大小可以由电位器RP2来适当调节,最终得到一个晟佳的电流反馈量。通过此种设计,当电机电流变化时电机的转速可以保持恒定。图3.12实际上既有电流反馈又有转速反馈,是一个双闭环调速控制系统,其目的是当负载变化时电机转速保持平稳。结合图3.12分析,表3.3列举了一些常用的外接元件参数对系统的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第22页表3.3外接元件参数对系统的影响大了推荐值时的小了推荐值元件推荐值作用影响时的影响R415KQ设定PM W 频率降低增加设定误差放大高频增益增加,R522KQR55.6K.fl 时有振荡的器增益可能当R6+R73.3 KQ 的话,电流检测放大器输l k,R7510Q反馈电流滤波出有饱和的可能R8,R90.2QL292跨导率设定减小增加R1033 Q补偿网络设定振荡频率和输出频率降低频率增加Ct1.5nF晶体管死区死区增大死区减小取C2R5=La瓜。,取消C247nF电流环极点阻尼系数降低,有可能C347nF反馈电流滤波阻尼系数增大振荡C4l nF补偿网络有振荡可能●3.4绝对值电路设计针对电机驱动模块L292具有的输出级封锁功能,结合12脚、13脚的不同输入,需要设计一种逻辑关系来控制L292输出与否。只有当L292的12脚为低电平、13脚为高电平时,L292才能正常工作,其余组合状态均为封锁。实际设计过程中,可以设计L292的12脚为接地状态,13脚为一可调直流正信号。此时就需要设计一种绝对值电路来控制13脚的信号,使其出现高、低电平信号。绝对值电路能将双极性信号变为单极性信号,是利用二极管的单向导电性而设计的[40l 。本文设计的绝对值电路是一种高输入阻抗绝对值电路,如图3.13所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第23页当vi 0时,VD l 导通,VD 2截止,A2的反向端输入电压就是Al 的反向端电压,即输入端电压vi ,A2的同向输入端也是vi ,利用叠加原理有” (1+熹卜志驴V,当虾。时,VD-截止,V。z导通,Az的反向端的输入电压为Vt,而吩=(,+鲁)V,,㈦㈤A2的同向端输入电压仍为Vi ,根据叠加原理有V。=(1+R4 1V,一惫V。=( +堕R3 k)一等( +鲁卜若令Rl =R2=R3=去R。,则得c3彤,Vo=3vi -4vf=叫i ( 当vi 0时)( 3-16)因此,该电路能够实现绝对值运算,即 ,。=M ,但需注意四个电阻的阻值的匹配。在将绝对值电路应用在L292的13脚时,需要注意U 133.2V时L292才能正常工作,U 132V时L292完全关断截止。实际设计中,按照图3.13接线K,R4=30K。3.5比例积分( P1) 电路闭环控制系统( cl osed.100pcontrol system ) l 拘特点是系统被控对象的输出( 被控制量)会反送回来影响控制器的输出,形成一个或多个闭环【4l 】。闭环控制系统有正反馈和负反馈,一般闭环控制系统均采用负反馈。当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或 西南交通大学硕士研究生学位论文第24页得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,通常会采用到PID控制技术。PID控制是指在系统控制中按偏差的比例( Proporti onal ) 、积分( Integral ) 和微分( Deri vati ve) 运算来进行控制的方法,PI比例积分控制仅是其中的一种控制方法,比例+积分( PI) 控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差【421。PI控制器示意图如图3.14所示。图3.14 PI控制器原理图输入:控制偏差e( t) =r( t) - Y( t)输出:偏差的比例( P) 、积分( I) 的线性组合,砸)=印∽+等∽班( 3-18)式中,P(卜偏差信号;“ (沪_啦制器输出;晦比例系数;乃积分时间常数。PI调节就是综合P、I两种调节的优点,具有P调节作用反应快、无滞后的优点,可以加快调整作用,缩短调节时间,又具有I调节的优点,可以消除静差。比例控制是对当前时刻的偏差信号e( f) 进行放大或衰减后作为控制信号输出,比例系数KP主要和系统的动态过程有关,同时也和静态精度有关系。当控制系统反映迟缓的时候可以通过增大比例系数KP来拓宽带宽,调试比例系数的时候要从小到大,直到出现震荡。更重要的是比例系数还反映了系统“ 抗扰动的性能999它越大越能抑制扰动。但对于有惯性的系统,郧过大时会出现较大的超调,甚至引起系统振荡,影响系统稳定性【43】。比例控制虽然能减小偏差,却不能消除静态偏差。 西南交通大学硕士研究生学位论文第25页积分控制的作用是累积系统从零时刻( 系统启动时刻) 起到当前的偏差信号e( D的历史过程。积分控制的输出与偏差e( O 存在全部时段有关,只要有足够的时间,积分控制将能够消除静态偏差。但积分控制不能及时地克服扰动的影响。积分时间常数TI用于抵消大惯性环节,另一方面积分作用也引入了一个纯积分环节,积分环节提高了系统的无差度,使得静态误差减少了,所以当调试好比例系数KP后如果发现静态性能不好,就可以加上积分环节。积分时间常数TI的调整和比例系数KP不一样,要从大到小调试。当积分时间常数Tl 越小的时候静态精度越高,但是...

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