電子束焊機(jī)用高壓電源中的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

控制電路由PWM控制電路、高壓反饋環(huán)節(jié)和PID調(diào)節(jié)器組成。具體原理圖如圖2所示。PWM電路主要控制逆變器的軟啟動(dòng)、提供40kHz方波脈沖和隔離驅(qū)動(dòng)、過流保護(hù)等。高壓反饋環(huán)節(jié)有高壓精密分壓器、高壓隔離電路和D/A轉(zhuǎn)換器組成。該環(huán)節(jié)把直流高壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)的低電平信號(hào)，再通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入PLC，作為PID運(yùn)算的反饋量。給定環(huán)節(jié)由A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)設(shè)定單元和外接模擬電路組成，分手動(dòng)和自動(dòng)兩種情況。手動(dòng)時(shí)由模擬電位器給出的模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器后變成數(shù)字量作為PID的給定；自動(dòng)時(shí)，給定值由PLC設(shè)定單元直接設(shè)定數(shù)字作為PID的給定。同時(shí)PLC內(nèi)部設(shè)計(jì)了梯度給定程序，使得PID輸出為一斜波輸出，作為高壓電源的軟啟動(dòng)。PID環(huán)節(jié)由PLC和D/A模塊組成，PID運(yùn)算由PLC的PID指令完成，包括采樣時(shí)間、比例常數(shù)、微分常數(shù)、積分常數(shù)、濾波常數(shù)的設(shè)定等。PID運(yùn)算后的數(shù)字經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)作為直流調(diào)壓模塊的控制電壓以調(diào)節(jié)其直流輸出。直流高壓穩(wěn)定和調(diào)節(jié)的工作原理是，當(dāng)由于外部原因使得輸出電壓下降時(shí)，經(jīng)反饋環(huán)節(jié)和PID運(yùn)算后使控制電壓提高，從而提高調(diào)壓模塊的輸出電壓，使逆變器的輸出電壓、高壓變壓器的輸出電壓和直流輸出電壓提高以達(dá)到直流高壓的穩(wěn)定和調(diào)節(jié)。

圖2 電源的PWM及驅(qū)動(dòng)控制原理圖

4 軟件設(shè)計(jì)

高壓控制系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。控制系統(tǒng)軟件由以下部分組成。

初始化程序 對控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

圖3 控制系統(tǒng)軟件流程圖

梯度給定程序 產(chǎn)生PID給定信號(hào)，利用PLC的加法指令和特殊繼電器M8021來實(shí)現(xiàn)上升梯度，使得給定為斜波函數(shù)。下降梯度則由減法指令和M8021形成。

A/D程序 高壓反饋信號(hào)和手動(dòng)給定信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，作為PID運(yùn)算的反饋量。

D/A程序 把PID的運(yùn)算結(jié)果實(shí)時(shí)地轉(zhuǎn)化為模擬量，用以控制可控調(diào)壓模塊的輸出。

PID運(yùn)算程序 由PLC的PID運(yùn)算指令完成，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際要求設(shè)定采樣時(shí)間、比例常數(shù)、微分常數(shù)、積分常數(shù)、濾波常數(shù)等。

END 結(jié)束程序

5 保護(hù)電路

電子束焊機(jī)在工作時(shí)，電子槍內(nèi)的打火、電源操作及其它外部原因會(huì)在電源內(nèi)部產(chǎn)生過電壓或過電流以致?lián)p壞電源或IGBT、集成電路及工件，采取保護(hù)電路是抑制過電壓或過電流的有效措施。電源設(shè)置過壓保護(hù)、梯度上升及下降電路和過流保護(hù)電路。過流保護(hù)采用以下三重保護(hù)。

1）EXB840電路本身的過流保護(hù)檢測功能，即在IGBT過流時(shí)，IGBT驅(qū)動(dòng)模塊的腳6會(huì)檢測到過流信號(hào)而直接封鎖輸出脈沖，關(guān)斷IGBT，同時(shí)EXB840的腳4經(jīng)過外接電路輸出信號(hào)給PLC，PLC經(jīng)過程序運(yùn)算后，一方面發(fā)出過流信號(hào)指示，另一方面給晶閘管移相控制電路提供封鎖脈沖信號(hào)，關(guān)斷晶閘管主電路。

2）利用TL494的內(nèi)部放大器的腳15、16外接電流隔離傳感器，當(dāng)檢測到的電流信號(hào)超過設(shè)定值時(shí)，TL494封鎖輸出脈沖，從而實(shí)現(xiàn)對IGBT的關(guān)斷。

3）高壓側(cè)電子束流過流保護(hù)，當(dāng)出現(xiàn)過電流時(shí)，束流取樣信號(hào)反饋到控制電路，控制電路發(fā)出過流信號(hào)給PLC，PLC分別發(fā)出關(guān)斷主電路和過流顯示信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。

電源還設(shè)置了過壓保護(hù)電路，能有效地對電源的過電壓進(jìn)行保護(hù)，在高壓電源的內(nèi)部還加裝了限流電阻及保護(hù)電阻，能有效地限制過電流和過電壓。為了克服開機(jī)時(shí)市電對電源的沖擊，通過PLC內(nèi)部程序設(shè)置了軟啟動(dòng)斜坡函數(shù)，經(jīng)D/A模塊運(yùn)算后作為PI調(diào)節(jié)器的給定，實(shí)現(xiàn)電源的軟啟動(dòng)。

6 結(jié)語

電子束焊機(jī)用高壓電源的控制系統(tǒng)采用PLC技術(shù)后，系統(tǒng)工作可靠性提高，電路結(jié)構(gòu)簡單，有利于電子束焊接設(shè)備的焊接工藝調(diào)整和方便設(shè)備的維修和調(diào)試。