焊接系統中直流電機轉速控制的研究

李林

(成都紡織高等專科學校 電子信息與電氣工程系，四川 成都 611731)

焊接系統中直流電機轉速控制的研究

李林

(成都紡織高等專科學校 電子信息與電氣工程系，四川 成都 611731)

在CO2焊接和埋弧焊接系統中，精確控制行走電機和送絲電機的速度是提高焊接質量的重要保證，傳統直流電機轉速控制方法是通過轉速表測量電機的轉速后反饋控制，該控制方法存在精度差、不易調試等缺點。采用鎖相環閉環控制直流電機的轉速，其控制方法是：由于行走電機和送絲電機的轉速比較慢，因此，編碼器不通過減速機構直接安裝在直流電機的轉軸上，從而測得電機的轉速，與設定速度作PI控制產生PWM波形控制H型雙極可逆驅動電路開關管的導通時間，從而精確控制直流電機的轉速。試驗表明，該方法控制精確高，能穩定、可靠、實時地控制電機轉速。

直流電機；編碼器；鎖相技術；H型DC／DC變換器

0 前言

在CO2氣體保護焊和埋弧焊接系統中，行走電機和送絲電機裝置是焊接系統中的一個重要組成部分。送絲速度的均勻程度直接影響焊接電流的均勻性和焊接過程的穩定性，直流電機送絲的速度決定焊接電流的大小。當前，焊接系統的送絲系統對電機轉速的控制是利用直流電機的電樞電壓負反饋閉環控制，由于不是直接測量電機轉速進行控制，因此，隨著電機轉速特性曲線的變化，以及電機轉速受電網電壓波動、送絲阻力擾動以及環境溫度變化的影響，電機轉速控制精度降低。之后，為了提高轉速精度，用轉速表測直接測量電機的轉速，使電機的實際轉速與設定轉速接近，但是，這種誤差反饋控制系統跟蹤仍有非零的穩態誤差，另外，轉速表的非線性、放大器的漂移等都會影響電機的轉速精度。為了克服這些問題，在此采用鎖相環技術來控制行走電機和送絲電機的轉速，根據工藝要求能可靠、穩定地控制電機的轉速[1-2]。

1 鎖相原理

早期用模擬技術實現鎖相(PLL)控制(見圖1)，鎖相環實際上就是一個相位誤差的反饋閉環控制，其原理是用鑒相器PD檢測、運算并處理輸入信號θ1(t)和壓控振蕩器VCO的反饋信號θ2(t)之間的相位差，得到誤差信號Ud(t)。模擬鎖相技術的響應時間快，但是隨著DSP芯片技術的實時性提高，通常都用數字鎖相技術，它除具有數字電路的優點外，還解決了模擬鎖相環存在直流零點漂移、部件飽和、進行初始校準等問題[3-4]。

圖1 鎖相環的基本構成

早期的PLL是由模擬器件實現信號相位(電機轉速)的負反饋閉環控制系統跟蹤。與電壓和電流閉環控制的區別是：PLL用采樣的反饋信號與給定信號是相位差比較，而常規的閉環控制是采樣信號是電壓或電流信號。PLL由數字鑒相器DPD、環路濾波器LF和壓控振蕩器VCO組成。

下面分析鎖相技術的原理，在圖1中，假定電機給定的電壓信號為

式中 ui為輸入信號的幅度；ωi為載波角頻率；θi(t)為檢測到前相位并以載波相位為參考的瞬時相位。

設光伏逆變器系統的輸出信號

式中 uo為輸出信號的幅度；ωo環內被控振蕩器的自由振蕩角頻率，是環路的一個重要參數。

鎖相環路是相位控制系統，輸入信號ui(t)對環路起作用的是其瞬時相位，輸入、輸出信號的幅度通常是固定的。不過輸出信號的瞬時相位受輸入信號的瞬時相位的控制，其輸入、輸出的相位關系如下。

輸入信號ui(t)和輸出信號的矢量關系如圖2所示。

圖2 輸入和輸出信號的相位矢量關系

由圖2可得到兩個信號的瞬時相位差θi和θo的參考相位不同，需要選擇一個統一的參考相位，用載波相位ωot作為參考相位，因此，輸入信號的瞬時相位可改寫為

令

再令

為輸入信號以ωot為參考的瞬時相位，則有

同理，輸出信號的瞬時相位可寫為

式中 θ2(t)是以ω0t為參考的輸出瞬時相位，將式(6)、式(9)代入式(3)得到環路的瞬時相位差

則瞬時頻差

將圖2轉化為圖3

圖3 輸入和輸出信號的相位關系矢量

從圖3可知，兩個矢量的角頻率不同時，系統將處于失鎖狀態，只有當θ1(t)和θ2(t)相等時，兩個矢量以相同的角速度旋轉，相對位置不變，即夾角不變，通常數值較小，這樣環路就處于鎖定狀態[2-4]。通過以上分析，可以將鎖相技術的控制原理引用到電機速度控制中，實際上電機速度控制轉化為相位控制，其控制方法比以上鎖相技術的方法要簡單得多，根據鎖相環路的各控制方法，分析直流電機旋轉時的工作特性。

2 數字壓控振蕩器原理和數學模型

圖4為以DSP處理器為核心的直流電機鎖相速度控制系統，直流電機的轉速用光電編碼器測得，在激勵電壓UC的作用下，光電編碼器輸出的數字脈沖序列正比于電機的角速度

式中 km為比例增益；Tm為電機機械常數。

圖4 直流電機調速雙閉環控制框圖

將式(12)進行Laplace變換，可得

電機轉軸的相位θ2(s)是角速度的時間積分，若在圖4中光電編碼器的碼盤有K2個齒，則光電耦合器產生信號的相位為Ω的K2倍，即

由上式可得

由式(15)可知，電機和編碼器是一個二階系統，通過仿真分析可知，只要選擇合適的參數就能確保該系統穩定運行[1]。

3 直流電機的轉速鎖相控制

通過編碼器測出直流電機的角速度并與設定角速度比較得到其相位差，然后在DSP芯片內部用軟件來實現鎖相技術，這種閉環控制能實時調節電機可逆調速電路的占空比，從而使電機的實際轉速跟蹤設定轉速。確保焊接系統中行走電機和送絲電機的恒速運行。用DSP來實現數字軟件鎖相環的直流電機控制系統如圖5所示。

其組成系統為直流電機和光電編碼器組成的數字壓控振蕩器(DCO)、雙極性PWM直流可逆驅動電路、DSP處理器(DSP實現鎖相環的數字鑒相、濾波、PI控制等)。

4 試驗和數據

直流電機的轉速控制實際上是控制電機變換器開關管的占空比，直流電機變換器電路很多，采用圖6所示的全橋可逆調速電路，實時控制電機的正反轉。變換器的開關管可用MOSFEIT或IGBT開關管，其控制原理是：當電機正轉時，VF1和VF3導通；電機極反轉時，VF2和VF4導通，其電流方向如圖中虛線所示。由于電機是感性負載，因此，當開關管關斷時，電機電流將繼續沿原來的方向流過，此時電流流向為VD3→MOTOR→VD2或VD4→MOTOR→VD1。

圖5 DSP軟件鎖相環直流電機控制系統

圖6 H型直流電機可逆調速電路

假設使用MOSFET組成電機變換器主電路，為了防止開關管誤導通，選上下橋臂的開關管為極性相反的工作開關管，如選VF1為P-MOSFET，當柵極電壓為負脈沖時，VF1導通；VF3為N-MOSFET，當柵極電壓為正脈沖時，VF3導通，此時電機正向運轉，同時VF2和VF4鎖定為關斷狀態。同理可得電機反轉時VT1、VT3和VT2、VT4的工作原理。直流電機正反轉開關管導通波形如圖7所示，這樣保證了電機正反轉的可靠性[5-6]。

在本樣機試驗系統中，用DSP作為中央處理器，從圖4中可以看出，電流閉環控制是為了防止電流過大，起保護作用，其目的是為了精確控制電機的轉速。當編碼器測得電機的脈沖信號后與給定電機轉速的脈沖信號比較，所得誤差經過PI運算并經過驅動放大去驅動開關管的導通，即產生PWM脈沖信號。在DSP芯片中通過ADCIN00引腳輸入信號，PWM的占空比除了決定電機的轉速外，還決定電機的轉向，因此，必須根據轉向標志DIRECTION來決定輸出極限：正轉時輸出的范圍是0～250；反轉時，輸出的范圍是250～500，否則電機不能后退到原點[4]。

在可逆調速驅動電路中，PWM是通過DSP的PWM輸出引腳PWM1～PWM4輸出控制信號進行控制，從圖6中可知，PWM1和PWM3的控制順序相同，PWM2和PWM4的控制順序相同[4]。

圖7 直流電機正反轉開關管導通脈沖波形

圖8為直流電機測試的電壓和電流波形。從圖中可以看出，其占空比相同，說明電機的轉速恒定。因此，該方法能實時可靠的控制電機的轉速。

5 結論

詳細介紹了焊接系統中行走電機和送絲電機的精確控制系統。由于傳統直流電機轉速控制精度差，該研究采用鎖相技術控制電機的轉速。首先用編碼器測得電機的旋轉一周的脈沖信號，通過該脈沖信號與給定信號比較后鎖定其相位差，再經過PI控制能精確的鎖定其相位，從而精確的控制電機的轉速。通過實驗樣機測試可知，該方法控制簡單、成本低、穩定性和可靠性高，為提高焊接質量提供一定的參考。

圖8 電機電壓和電流測試波形

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Study on rotating speed control of DC motor in welding system

LI Lin
(Electronic Information and Electric Engineering Department，Chengdu Textile College，Chengdu 611731，China)

In CO2welding and submerged arc welding system，precise control of the speed of the moving motor and wire feeding motor is an important guarantee to improve the welding quality of dc motor speed control，the traditional method is detecting motor speed with tachometer to feedback control system，this control method is poor，not easy to adjust the control accuracy.This article adopts the phase locked loop closed-loop to control dc motor speed，and its control method is：because of the moving motor and wire feeding motor speed is slower，therefore，not through the slow institutions encoder directly installed in dc motor shaft，which measured the speed of the motor，and setting speed make PI control to produce the PWM waveform to control H bipolar reversible driving circuit switch's runs.Thus accurately control dc motor speed，the experimental result indicates that the method can accurately control high，stable，real-time controlling motor speed.

DC motor；encoder；phase-lock technique；H type DC／DC converter

TG409

A

1001-2303(2011)08-0097-04

2011-01-13

李 林(1968—)，男，四川宜賓人，碩士，主要從事電子與電機控制及電力系統自動化的研究工作。