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LEM電流傳感器在全數(shù)字化多功能焊接電源中的應(yīng)用
萊姆電子(中國(guó))有限公司
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沙德尚1,2 鮑云杰2 齊鉑金1  單立軍2
                         (1 北京時(shí)代科技股份有限公司)
                         (2. 北京航空航天大學(xué))
摘要:本文設(shè)計(jì)了一款400A全數(shù)字化多功能焊機(jī),該焊機(jī)以下功能:具有手工、直流氬弧、CO2MAG焊,脈沖MIG焊和雙脈沖MIG焊。分析了全數(shù)字化多功能焊接電源對(duì)于電流傳感器的要求,采用LEM公司的LT508-S6作為系統(tǒng)的電流傳感器,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該傳感器具有穩(wěn)態(tài)精度高,響應(yīng)速度快,噪聲低,性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
Application of LEM Current Transducer in Full Digitalized Multi-function Welding Power Supply
 Abstract: A welder machine based on full digital control with rated current 400A is presented in this paper. The proposed welding machine has the following welding procedure: MMA, TIG, CO2 MAG , Pulsed MIG and Double Pulsed MIG. The requirement for the current transducer for the welding machine is analyzed in detail and current transducer LT508-S6 made by LEM Company is chosen to meet the purpose. Experiment results shows the proposed current transducer owes the following advantages: high steady state accuracy , fast dynamic response, low noise.
一 前言
   隨著我國(guó)鋼產(chǎn)量的不斷增加,用高效率的氣保焊接取代低效率的手工焊應(yīng)該說(shuō)是一種必然趨勢(shì)。目前世界上全數(shù)字化多功能焊接電源的主要代表為:Frounius的TPS系列,Kemmpi Pro系列,ESAB的Aristol系列。Fronius的TPS系列于1998年推出,主控制為1片 Simenses的C167加AD的DSP,送絲機(jī)的控制為一款Simenses的單片機(jī),各種工藝和外設(shè)包括PWM波形都是數(shù)字實(shí)現(xiàn)的,而非采用專(zhuān)用的PWM IC,F(xiàn)ronius本身組成了一個(gè)局域網(wǎng),接口非常豐富,主要缺點(diǎn)是送絲機(jī)上面參數(shù)調(diào)節(jié)不方便,并且有的送絲機(jī)沒(méi)有顯示,面板的設(shè)計(jì)上沒(méi)有充分考慮到焊接材料擴(kuò)充的需求。Kemmpi Pro主要采用兩片80C196KC分別控制送絲機(jī)和電源,面板通過(guò)共地信號(hào)線與送絲機(jī)的控制板相連接,調(diào)節(jié)比較方便,但是不適合遙控,限于其使用功能的進(jìn)一步拓展,接口沒(méi)有Fronius豐富。而目前國(guó)內(nèi),除了時(shí)代公司具有一款單片機(jī)控制的多功能數(shù)字化焊接電源,其它生產(chǎn)廠家未見(jiàn)報(bào)道。但是焊接場(chǎng)合,更多的是多種工藝并存的現(xiàn)狀,如三峽壓力鋼管的焊接中,環(huán)縫的搭接采用手工焊,而縱縫的打底采用短路過(guò)渡的CO2焊接,為了適應(yīng)自動(dòng)焊的需要,填充和蓋面均采用脈沖焊。一般情況下,需要多種不同的類(lèi)型的焊接電源才能滿足需求,投資很大。如果采用多功能焊接電源,一臺(tái)設(shè)備就可以完成所有的功能。這樣節(jié)省了投資,并且提高了工作效率。隨著高性能嵌入式微處理器的處理速度不斷提高,使得對(duì)于高頻逆變式焊接電源的實(shí)時(shí)控制成為可能,相對(duì)于傳統(tǒng)的模擬控制,數(shù)字化控制有以下優(yōu)點(diǎn):①在同一臺(tái)機(jī)器上實(shí)現(xiàn)多種焊接工藝成為可能;②參數(shù)一致性好,減少了可調(diào)電位器的數(shù)量,消除了運(yùn)放溫漂對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能的影響,③系統(tǒng)容易升級(jí),如加入新的焊接材料和焊接工藝;④接口豐富,滿足更多的應(yīng)用場(chǎng)合,如具有機(jī)器人的接口,可以組成自動(dòng)焊系統(tǒng),具有遙控口,可以遠(yuǎn)距離遙控,方便工人的操作。⑤使得更復(fù)雜的控制算法在焊接電源中的應(yīng)用成為可能,如模糊控制,自適應(yīng)控制在等熔深和恒弧長(zhǎng)方面的應(yīng)用,可以進(jìn)一步提高弧焊電源的工藝性能。⑥數(shù)字化控制平臺(tái)上可以很方便地移植焊接專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù),用焊接專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)來(lái)調(diào)整焊接工藝,簡(jiǎn)化了對(duì)于焊機(jī)的操作,使得普通沒(méi)有經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)的焊工也能成為“焊接專(zhuān)家”。
數(shù)字化焊機(jī)對(duì)電流傳感器的要求
   本文所提到的全數(shù)字多功能焊接電源平臺(tái)集中了五種焊接工藝,即手工焊、氬弧焊、CO2 MAG焊、脈沖MIG焊和雙脈沖MIG焊,其中前二種焊接工藝為恒流特性,而CO2 MAG焊為恒壓特性,而脈沖焊為準(zhǔn)恒流特性。不論那種焊接工藝,都需要對(duì)焊接電流進(jìn)行精確的檢測(cè),檢測(cè)精度要達(dá)到1A等級(jí)。 在TIG焊中,由于是接觸引弧,希望引弧的電流越小越好,以防止鎢極燒損,最好引弧的電流能夠在5A以下。而在 CO2 MAG焊中,為了對(duì)引弧和短路的過(guò)程進(jìn)行精確判斷,而對(duì)于輸出電流的精確檢測(cè)是控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。在脈沖MIG焊中,在小電流焊接的時(shí)候,碳鋼1.2mm焊絲,其基值電流只有20A,而該電流對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)不到100mv,如果檢測(cè)不準(zhǔn)確,則無(wú)法控制焊接的熱輸入量,可能導(dǎo)致未熔合或者燒穿。在氣體保護(hù)焊中不僅要求對(duì)于焊接電流的穩(wěn)態(tài)精度要求高,而且對(duì)于動(dòng)態(tài)性能要求很高,在負(fù)載突變的過(guò)程中,電流要求具有快速的跟蹤能力,對(duì)于電流傳感器的響應(yīng)速度要求很高。在脈沖焊接的過(guò)程中,輸出電流的給定不斷地在峰值電流和基值電流之間切換,例如碳鋼1.2mm焊絲,其峰值電流在400A左右,而基值可能只有幾十安培,峰值電流和基值電流相差非常大,此時(shí)要求電流傳感器能夠快速敏感到輸出電流的變換,并跟蹤上給定電流的快速突變。這就要求電流傳感器的通頻帶要寬并且對(duì)于di/dt的響應(yīng)能力強(qiáng)。
   在全數(shù)字焊接電源中,給定為數(shù)字編碼器而非電位器,傳統(tǒng)的電位器給定只能是一個(gè)變換的趨勢(shì),而數(shù)字編碼器直接給定了一個(gè)數(shù)字量,該數(shù)字量作為控制系統(tǒng)中的數(shù)字給定,雖然方便了使用者,但是對(duì)于傳感器的線性度提出了更高的要求。同時(shí)隨著嵌入式微處理器的處理速度的提高,為了降低功耗,必須降低供電電壓,對(duì)于控制板的供電、A/D轉(zhuǎn)換的精度提出了新的挑戰(zhàn)。比如TI的240x和28x系列都是3.3V供電,以一個(gè)400A的氣保焊電源為例,考慮到其短路時(shí)或大電流引弧時(shí)電流峰值可以達(dá)到700A,如Fronius特殊鋁焊四部的操作中,引弧電流達(dá)到了750A,如果認(rèn)為750A對(duì)應(yīng)數(shù)字轉(zhuǎn)化的最大值,則10位AD轉(zhuǎn)換器中,750A對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為1024,電流傳感器輸出的模擬電壓為3.3V,則20A的輸出對(duì)應(yīng)的模擬電壓為88mV,該信號(hào)很弱,所以對(duì)于電流傳感器的信噪比也有很高的要求。
   縱上所述,在數(shù)字化的焊接電源中,電流傳感器做為一個(gè)關(guān)鍵的測(cè)試設(shè)備主要要滿足以下幾個(gè)方面的要求:① 寬的輸入電流范圍;② 好的線性度;③ 快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力;④ 高的信噪比。
根據(jù)以上需求,在400A的全數(shù)字化多功能焊機(jī)中,輸出電流傳感器采用的型號(hào)為:LT508-S6 其參數(shù)指標(biāo)如下:
   原邊額定有效值電流: 500A;     轉(zhuǎn)換率: 1:5000;
   總精度:     <±0.4%;        線性度: <0.1%;
   零點(diǎn)失調(diào)電流:<±0.13mA;     帶寬:   >100KHz
   di/dt跟隨精度:>100A/us ;     響應(yīng)時(shí)間:<1us
從以上指標(biāo)分析可知,該型電流傳感器具有優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)性能,且具有很高的信噪比。

 

狀 態(tài): 離線

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