PLC的PID及PWM功能在逆变电阻点焊控制系统中的应用

贾鹏飞，朱锦洪

（河南科技大学材料科学与工程，河南洛阳471000）

PLC的PID及PWM功能在逆变电阻点焊控制系统中的应用

贾鹏飞，朱锦洪

（河南科技大学材料科学与工程，河南洛阳471000）

设计了基于三菱FX2N型PLC的逆变电阻点焊控制系统。介绍了系统的工作原理，阐述了PLC的PID指令、PWM指令及A/D转换模块在该控制系统中的应用。实际使用表明，该控制系统能够满足使用要求，且控制精度较高。

PLC；PWM；PID；电阻点焊

0　前言

目前电阻点焊广泛应用于航空、航天行业、汽车、机械加工等行业，特别是汽车工业等大批量生产企业的发展，使得其应用领域不断扩大[1]。任何焊接技术的实现离不开焊接设备，因此技术人员致力于开发出性能优秀的焊接设备。逆变电阻点焊机因具有焊接输出精密可控、焊接质量高、动态响应速度快等传统焊机不具备的优点，受到越来越多的关注[2]。

可编逻辑控制器（PLC）具有控制功能强、可靠性高、抗干扰能力强、使用灵活方便、易于扩展等优点，近年来在工业自动控制、机电一体化等方面得到了广泛的应用，现已成为现代工业自动化的三大支柱之一[3-4]。与普通电阻焊不同，设计了20 kHz的逆变电阻点焊控制系统[5]，并选用PLC作为控制核心。重点是运用PLC的PWM与PID等指令实现对焊接电流的调节，提高了控制精度，能够得到良好的控制效果。

1　系统的工作原理

电阻点焊控制系统的组成如图1所示。由IGBT、电流反馈电路、PLC、494芯片、841驱动芯片等组成了闭环反馈系统。三菱FX2N系列PLC具有小型化、高速度、高性能等优点，具备了脉宽调制，PID控制指令以及A/D转换等功能。将IGBT作为焊接电流控制器件，反馈电路将焊接电流转换为0～10 V的电压信号，并且输入到PLC的A/D输入端口，PLC采样后与焊接电流目标值进行比较，得到电流误差信号，经过PID指令的运算得到控制量，将控制量作为脉冲的脉宽，然后运用PLC的PWM指令输出该脉冲。将该脉冲进行滤波后转换为0～5 V的电压信号，该电压信号用来控制TL494产生高频脉冲，841芯片输出用于控制IGBT通断的电压信号，从而实现对焊接电流的调节及控制。

图1　系统结构框图

PWM的实现：三菱FX2N的PLC可以从CPU单元内置输出中发出可变占空比的脉冲输出信号，FX2N系列PLC有两个晶体管型输出端子，编号为Y000和Y001，脉宽调制（PWM）指令的输出端子必须是晶体管型，所以PWM指令的输出端子为Y000或Y001。通过PWM输出指令可以设置脉冲的宽度和周期，PWM指令如图2所示，S1为脉宽指定，由PID计算得到；S2为周期指定，如上所述将其设为K100；D指定脉冲输出端口Y号码，所采用的输出端为Y000。

本系统考虑到兼顾响应速度、滤波效果与占空比调节精度，将脉冲的周期设置为100 ms，将PID运算结果作为脉宽从而实现脉宽调制。

图2　PWM输出指令

2　PWM输出指令

A/D转换的实现：本系统采用了FX2N系统PLC常用的模拟量输入模块FX2N-2AD，能够实现两通道的A/D转换，系统规定其中AD0通道进行A/D转换后数据寄存于D8030。根据外部连接方法以及PLC指令，选择采用电压输入的方式，模拟量的输入范围为0～10V，分辨率为2.5 mV（10V/4 000）。本系统的焊接电流最大值可达20 000 A，经A/D转换后D8030的值最大为4 000，因此需要对A/D转换的量程进行变换，这样才能保证A/D转换的准确性。所开发的A/D转换梯形图程序如图3所示。

图3　A/D转换量程变换

3　PID程序设计

图4为设计的PID程序。焊接电流实际值经过霍尔电流传感器被整理为0～10 V的电压信号，经过模拟量输入端口AD0输入，并经量程转换后的输入值为0～20 000。目标值为15 000 A，存储在寄存器D301中，反馈值存储在D302中。本系统的D400～D424存储PID运算的参数，这些参数包括输入滤波系数、采样时间、比例增益、积分时间、微分增益和时间等，D500为PID计算出来的操作量，即PWM调制脉宽，在PID参数之中设置其范围为0～100。

图4　PID程序

4　PID控制算法

在工业过程控制中，PID控制算法具备原理简单、易于实现及运行可靠等优点，因而是工业工程中应用最广泛的一种算法[6]。PID控制包含了控制过程中过去、现在和未来等重要信息，根据对被控量控制精度要求的不同，可以划分为P（比例控制）、PD（比例+微分控制）、PID（比例+积分+微分控制）等不同组合。其中P代表了现在的信息，发挥着纠正偏差的作用，使得控制过程反应更加迅速。D在反馈值发生变化时有超调的作用，代表着将来的信息，在控制过程开始时使得控制过程加速，过程结束时相应的减小超调，克服震荡，能够提高系统稳定性，加快系统的过渡。I代表了过去的信息，它能够消除静差，改善系统的静态稳定性[7]。

4.1三菱PID控制算法

本系统通过在PLC中编写梯形图程序实现PID控制算法。FX2N PLC提供了PID运算指令，用户只需对PID指令的参数进行合理的设定就能实现PID运算，与其他控制芯片相比具有明显的优势。PID指令的编号为FNC88，如图5所示，[S1]、[S2]、[S3]为源操作数，[D]为目标操作数，这两者均为数据寄存器D，16位指令，占9个程序步。[S1]用来存放给定值，[S2]用来存放当前测量到的反馈值PV，[S3]～[S3]＋6用来存放控制参数的值，运算结果MV存放在[D]中。源操作数[S3]占用从[S3]开始的25个数据寄存器。本设计中对系统参数分配如下：D400为采样时间，D401为动作方向，D402为输入滤波常数，D403为比例增益，D404为积分时间，D405为微分增益，D406为微分时间，D422为输出上限，D423为输出下限。

图5　PID指令

4.2PID参数整定

（1）采样周期。采样周期应当大于PLC的扫描周期。通过三菱PLC的编程软件GX Developer的“在线”下拉菜单栏中“监视模式”，监视PLC的运行能够得到PLC的扫描周期为3 ms，本系统设置的采样周期为4 ms。

（2）输入滤波常数。PID调节必定要输入一个依据被控对象发送过来的反馈值，该反馈值是进行PID调节的依据，如果反馈值由于外部干扰而导致波动太大，将会使PID运算结果不可靠，不能发挥调节作用，所以要对依据被控对象发送过来的反馈值进行滤波处理，滤波常数就起到控制滤波的作用。本系统将滤波常数设定为50％。

（3）比例增益。在设置比例增益前，应当将积分时间、微分增益以及微分时间都设定为0，使PID指令成为纯比例算法，此时调节比例增益的值，观察系统输出，当系统呈现衰减震荡且过渡时间较短时得到合适的比例增益值。

（4）积分时间。积分部分能够消除稳态误差，提高控制精度，但是积分作用的动作缓慢，易对系统的动态稳定性带来不良影响，当积分时间常数增大时，积分作用减弱，系统的动态稳定性增加，但是消除稳态误差的速度减缓。

（5）微分增益和微分时间。微分部分能够反应系统变化的趋势，它比比例部分调节更为及时，具有超前和预测的效果。本系统没有采用微分调节，因此将微分增益和微分时间都设置为0。

5　结论

该逆变电阻点焊控制系统以FX2N型PLC为控制核心，根据焊接电流误差采用PID算法计算出脉宽，并用PWM指令输出该脉宽的脉冲，经滤波后输送到494集成控制器并进而通过841芯片来驱动IGBT，从而实现对焊接电流的控制，能够满足各种控制要求。

将PLC应用于电阻点焊，可使设备具有结构简化，抗干扰能力强，维修与更新方便，可靠性高，故障率低等优点。目前，国内逆变电阻点焊控制系统中，仍然采用MCU、ARM、DSP等作为控制核心，系统编程与后期更新困难，且控制电路十分复杂。因此，PLC在电阻点焊中的应用，有利于电阻点焊设备向自动化、现代化方向的推进，必将得到广泛应用。

[1]王敏.我国电阻焊设备和工艺的应用现状和发展前景[J].机械工人，2004（5）：19-21.

[2]吴详淼，黄石生，方平，等.逆变式电阻焊机的研究进展[J].电焊机，2000，30（12）：7-8，19.

[3]刘艳梅，陈震.三菱PLC基础与系统设计[M].北京：机械工业出版社，2012：1-3.

[4]刘艳梅，陈震.三菱PLC基础与系统设计[M].北京：机械工业出版社，2012：6-9.

[5]曹彪，李海波，庞少辉，等.基于DSP的逆变交流电阻焊电源控制[J].华南理工大学学报（自然科学版），2015，（3）：9-14.

[6]史岩鹏，齐向东．基于组态软件的锅炉液位控制系统[J]．机械工程与自动化，2011（5）：137-141．

[7]高军，黎辉等.基于PID控制和重复控制的正弦波逆变电源研究[J].电工电能新技术，2002，21（1）：1-4.

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

自然科学基金项目（E050803）；中国国家留学基金管理委员会（201208410333）和河南省高校科技创新团队支持计划(13IRTSTHN003)

贾鹏飞（1986—），男，河南洛阳人，硕士，主要从事焊接电源方面的研究工作。