PLC的PID及PWM功能在逆變電阻點(diǎn)焊控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

賈鵬飛，朱錦洪

（河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程，河南洛陽471000）

PLC的PID及PWM功能在逆變電阻點(diǎn)焊控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

賈鵬飛，朱錦洪

（河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程，河南洛陽471000）

設(shè)計(jì)了基于三菱FX2N型PLC的逆變電阻點(diǎn)焊控制系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的工作原理，闡述了PLC的PID指令、PWM指令及A/D轉(zhuǎn)換模塊在該控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。實(shí)際使用表明，該控制系統(tǒng)能夠滿足使用要求，且控制精度較高。

PLC；PWM；PID；電阻點(diǎn)焊

0　前言

目前電阻點(diǎn)焊廣泛應(yīng)用于航空、航天行業(yè)、汽車、機(jī)械加工等行業(yè)，特別是汽車工業(yè)等大批量生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展，使得其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大[1]。任何焊接技術(shù)的實(shí)現(xiàn)離不開焊接設(shè)備，因此技術(shù)人員致力于開發(fā)出性能優(yōu)秀的焊接設(shè)備。逆變電阻點(diǎn)焊機(jī)因具有焊接輸出精密可控、焊接質(zhì)量高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等傳統(tǒng)焊機(jī)不具備的優(yōu)點(diǎn)，受到越來越多的關(guān)注[2]。

可編邏輯控制器（PLC）具有控制功能強(qiáng)、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、使用靈活方便、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，近年來在工業(yè)自動(dòng)控制、機(jī)電一體化等方面得到了廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)已成為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱之一[3-4]。與普通電阻焊不同，設(shè)計(jì)了20 kHz的逆變電阻點(diǎn)焊控制系統(tǒng)[5]，并選用PLC作為控制核心。重點(diǎn)是運(yùn)用PLC的PWM與PID等指令實(shí)現(xiàn)對焊接電流的調(diào)節(jié)，提高了控制精度，能夠得到良好的控制效果。

1　系統(tǒng)的工作原理

電阻點(diǎn)焊控制系統(tǒng)的組成如圖1所示。由IGBT、電流反饋電路、PLC、494芯片、841驅(qū)動(dòng)芯片等組成了閉環(huán)反饋系統(tǒng)。三菱FX2N系列PLC具有小型化、高速度、高性能等優(yōu)點(diǎn)，具備了脈寬調(diào)制，PID控制指令以及A/D轉(zhuǎn)換等功能。將IGBT作為焊接電流控制器件，反饋電路將焊接電流轉(zhuǎn)換為0～10 V的電壓信號，并且輸入到PLC的A/D輸入端口，PLC采樣后與焊接電流目標(biāo)值進(jìn)行比較，得到電流誤差信號，經(jīng)過PID指令的運(yùn)算得到控制量，將控制量作為脈沖的脈寬，然后運(yùn)用PLC的PWM指令輸出該脈沖。將該脈沖進(jìn)行濾波后轉(zhuǎn)換為0～5 V的電壓信號，該電壓信號用來控制TL494產(chǎn)生高頻脈沖，841芯片輸出用于控制IGBT通斷的電壓信號，從而實(shí)現(xiàn)對焊接電流的調(diào)節(jié)及控制。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

PWM的實(shí)現(xiàn)：三菱FX2N的PLC可以從CPU單元內(nèi)置輸出中發(fā)出可變占空比的脈沖輸出信號，F(xiàn)X2N系列PLC有兩個(gè)晶體管型輸出端子，編號為Y000和Y001，脈寬調(diào)制（PWM）指令的輸出端子必須是晶體管型，所以PWM指令的輸出端子為Y000或Y001。通過PWM輸出指令可以設(shè)置脈沖的寬度和周期，PWM指令如圖2所示，S1為脈寬指定，由PID計(jì)算得到；S2為周期指定，如上所述將其設(shè)為K100；D指定脈沖輸出端口Y號碼，所采用的輸出端為Y000。

本系統(tǒng)考慮到兼顧響應(yīng)速度、濾波效果與占空比調(diào)節(jié)精度，將脈沖的周期設(shè)置為100 ms，將PID運(yùn)算結(jié)果作為脈寬從而實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制。

圖2　PWM輸出指令

2　PWM輸出指令

A/D轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)：本系統(tǒng)采用了FX2N系統(tǒng)PLC常用的模擬量輸入模塊FX2N-2AD，能夠?qū)崿F(xiàn)兩通道的A/D轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)規(guī)定其中AD0通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)寄存于D8030。根據(jù)外部連接方法以及PLC指令，選擇采用電壓輸入的方式，模擬量的輸入范圍為0～10V，分辨率為2.5 mV（10V/4 000）。本系統(tǒng)的焊接電流最大值可達(dá)20 000 A，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后D8030的值最大為4 000，因此需要對A/D轉(zhuǎn)換的量程進(jìn)行變換，這樣才能保證A/D轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。所開發(fā)的A/D轉(zhuǎn)換梯形圖程序如圖3所示。

圖3　A/D轉(zhuǎn)換量程變換

3　PID程序設(shè)計(jì)

圖4為設(shè)計(jì)的PID程序。焊接電流實(shí)際值經(jīng)過霍爾電流傳感器被整理為0～10 V的電壓信號，經(jīng)過模擬量輸入端口AD0輸入，并經(jīng)量程轉(zhuǎn)換后的輸入值為0～20 000。目標(biāo)值為15 000 A，存儲(chǔ)在寄存器D301中，反饋值存儲(chǔ)在D302中。本系統(tǒng)的D400～D424存儲(chǔ)PID運(yùn)算的參數(shù)，這些參數(shù)包括輸入濾波系數(shù)、采樣時(shí)間、比例增益、積分時(shí)間、微分增益和時(shí)間等，D500為PID計(jì)算出來的操作量，即PWM調(diào)制脈寬，在PID參數(shù)之中設(shè)置其范圍為0～100。

圖4　PID程序

4　PID控制算法

在工業(yè)過程控制中，PID控制算法具備原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)及運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，因而是工業(yè)工程中應(yīng)用最廣泛的一種算法[6]。PID控制包含了控制過程中過去、現(xiàn)在和未來等重要信息，根據(jù)對被控量控制精度要求的不同，可以劃分為P（比例控制）、PD（比例+微分控制）、PID（比例+積分+微分控制）等不同組合。其中P代表了現(xiàn)在的信息，發(fā)揮著糾正偏差的作用，使得控制過程反應(yīng)更加迅速。D在反饋值發(fā)生變化時(shí)有超調(diào)的作用，代表著將來的信息，在控制過程開始時(shí)使得控制過程加速，過程結(jié)束時(shí)相應(yīng)的減小超調(diào)，克服震蕩，能夠提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，加快系統(tǒng)的過渡。I代表了過去的信息，它能夠消除靜差，改善系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性[7]。

4.1三菱PID控制算法

本系統(tǒng)通過在PLC中編寫梯形圖程序?qū)崿F(xiàn)PID控制算法。FX2N PLC提供了PID運(yùn)算指令，用戶只需對PID指令的參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)定就能實(shí)現(xiàn)PID運(yùn)算，與其他控制芯片相比具有明顯的優(yōu)勢。PID指令的編號為FNC88，如圖5所示，[S1]、[S2]、[S3]為源操作數(shù)，[D]為目標(biāo)操作數(shù)，這兩者均為數(shù)據(jù)寄存器D，16位指令，占9個(gè)程序步。[S1]用來存放給定值，[S2]用來存放當(dāng)前測量到的反饋值PV，[S3]～[S3]＋6用來存放控制參數(shù)的值，運(yùn)算結(jié)果MV存放在[D]中。源操作數(shù)[S3]占用從[S3]開始的25個(gè)數(shù)據(jù)寄存器。本設(shè)計(jì)中對系統(tǒng)參數(shù)分配如下：D400為采樣時(shí)間，D401為動(dòng)作方向，D402為輸入濾波常數(shù)，D403為比例增益，D404為積分時(shí)間，D405為微分增益，D406為微分時(shí)間，D422為輸出上限，D423為輸出下限。

圖5　PID指令

4.2PID參數(shù)整定

（1）采樣周期。采樣周期應(yīng)當(dāng)大于PLC的掃描周期。通過三菱PLC的編程軟件GX Developer的“在線”下拉菜單欄中“監(jiān)視模式”，監(jiān)視PLC的運(yùn)行能夠得到PLC的掃描周期為3 ms，本系統(tǒng)設(shè)置的采樣周期為4 ms。

（2）輸入濾波常數(shù)。PID調(diào)節(jié)必定要輸入一個(gè)依據(jù)被控對象發(fā)送過來的反饋值，該反饋值是進(jìn)行PID調(diào)節(jié)的依據(jù)，如果反饋值由于外部干擾而導(dǎo)致波動(dòng)太大，將會(huì)使PID運(yùn)算結(jié)果不可靠，不能發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，所以要對依據(jù)被控對象發(fā)送過來的反饋值進(jìn)行濾波處理，濾波常數(shù)就起到控制濾波的作用。本系統(tǒng)將濾波常數(shù)設(shè)定為50％。

（3）比例增益。在設(shè)置比例增益前，應(yīng)當(dāng)將積分時(shí)間、微分增益以及微分時(shí)間都設(shè)定為0，使PID指令成為純比例算法，此時(shí)調(diào)節(jié)比例增益的值，觀察系統(tǒng)輸出，當(dāng)系統(tǒng)呈現(xiàn)衰減震蕩且過渡時(shí)間較短時(shí)得到合適的比例增益值。

（4）積分時(shí)間。積分部分能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但是積分作用的動(dòng)作緩慢，易對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性帶來不良影響，當(dāng)積分時(shí)間常數(shù)增大時(shí)，積分作用減弱，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性增加，但是消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度減緩。

（5）微分增益和微分時(shí)間。微分部分能夠反應(yīng)系統(tǒng)變化的趨勢，它比比例部分調(diào)節(jié)更為及時(shí)，具有超前和預(yù)測的效果。本系統(tǒng)沒有采用微分調(diào)節(jié)，因此將微分增益和微分時(shí)間都設(shè)置為0。

5　結(jié)論

該逆變電阻點(diǎn)焊控制系統(tǒng)以FX2N型PLC為控制核心，根據(jù)焊接電流誤差采用PID算法計(jì)算出脈寬，并用PWM指令輸出該脈寬的脈沖，經(jīng)濾波后輸送到494集成控制器并進(jìn)而通過841芯片來驅(qū)動(dòng)IGBT，從而實(shí)現(xiàn)對焊接電流的控制，能夠滿足各種控制要求。

將PLC應(yīng)用于電阻點(diǎn)焊，可使設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡化，抗干擾能力強(qiáng)，維修與更新方便，可靠性高，故障率低等優(yōu)點(diǎn)。目前，國內(nèi)逆變電阻點(diǎn)焊控制系統(tǒng)中，仍然采用MCU、ARM、DSP等作為控制核心，系統(tǒng)編程與后期更新困難，且控制電路十分復(fù)雜。因此，PLC在電阻點(diǎn)焊中的應(yīng)用，有利于電阻點(diǎn)焊設(shè)備向自動(dòng)化、現(xiàn)代化方向的推進(jìn)，必將得到廣泛應(yīng)用。

[1]王敏.我國電阻焊設(shè)備和工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景[J].機(jī)械工人，2004（5）：19-21.

[2]吳詳淼，黃石生，方平，等.逆變式電阻焊機(jī)的研究進(jìn)展[J].電焊機(jī)，2000，30（12）：7-8，19.

[3]劉艷梅，陳震.三菱PLC基礎(chǔ)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：1-3.

[4]劉艷梅，陳震.三菱PLC基礎(chǔ)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：6-9.

[5]曹彪，李海波，龐少輝，等.基于DSP的逆變交流電阻焊電源控制[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，（3）：9-14.

[6]史巖鵬，齊向東．基于組態(tài)軟件的鍋爐液位控制系統(tǒng)[J]．機(jī)械工程與自動(dòng)化，2011（5）：137-141．

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Application of PID and PWM function of PLC in the control system of inverter resistance spot welding

JIA Pengfei，ZHU Jinhong
（He'nan University of Science and Technology，Luoyang 471003，China）

In this paper，the control system of inverter resistance spot welding is designed based on the PLC（Programmable Logic Controller）whose model is FX2N.The working principle of the system is introduced and the application of PID command，PWM command and A/D conversion module in this control system are expound.The practice shows that this control system has high control precision and can meet the operating requirements.

PLC；PWM；PID；resistance spot welding

TG409

A

1001－2303（2016）05－0055-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.05.12

2016－01－06；

2016－02－20

自然科學(xué)基金項(xiàng)目（E050803）；中國國家留學(xué)基金管理委員會(huì)（201208410333）和河南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃(13IRTSTHN003)

賈鵬飛（1986—），男，河南洛陽人，碩士，主要從事焊接電源方面的研究工作。