短路檢測系統和方法與流程
2023-06-24 08:38:11
本申請是申請日為2010年1月28日、國際申請號為pct/us2010/022336、國家申請號為201080017110.9、發明名稱為「短路檢測系統和方法」的發明專利申請的分案申請。
相關申請的交叉引用
本申請為2009年3月3日遞交的名稱為「惰性氣體保護金屬極電弧焊方法和設備(methodandapparatusformigwelding)」的美國臨時專利申請號為61/157,007的非臨時專利申請，該美國臨時專利申請通過引用併入本申請。
本發明總體涉及焊接電源，並且更特別地，涉及恆定電壓焊接工序電源。
背景技術：
焊接是一種在各種行業和應用中變得越來越普遍存在的工序。雖然這種工序在某些情況下可以自動化，但是手工焊接操作繼續存在於大量的應用中，其經常依靠使用控制迴路(controlloops)來調節焊接工序。例如，許多的恆定電壓(cv)焊接工序依靠標準的恆定電壓(cv)控制迴路以調節使用自保護藥芯焊絲的工序。儘管該控制迴路對於多種這些金屬絲可以很好地運作，但是它們對於其他金屬絲會效率低下(例如，大直徑的金屬絲或含有大量鎳的金屬絲)。此外，這種標準的控制迴路可能會在需要長的次級導線(secondaryleads)連接到焊接電源的輸出端的應用中產生不足，例如含有大量機械或結構型鋼組件的構件區域(constructionzones)。因此，需要適於用於各種導線尺寸和工業應用的改善的控制迴路。
技術實現要素：
在一個示例性實施例中，恆定電壓(cv)焊接工序電源包括控制器。該控制器用於在cv焊接工序中檢測短路事件的發生，並且基於周期性計算的電壓誤差和第一增益(firstgain)而增加焊接電流。所述控制器還可用於檢測短路狀況是否已被清除。如果短路事件未被清除，那麼該控制器基於周期性計算的電壓誤差和高於第一增益的第二增益來增加焊接電流。
在第二實施例中，cv焊接工序電源包括電流傳感器，其可通過焊接應用的電源來感應焊接電源提供給焊接應用的電流；以及電壓傳感器，該電壓傳感器可用於感應焊接電源的電壓。所述電源還包括短路檢測電路，其至少連接到電壓傳感器上，並被配置成在焊接電源中檢測短路。另外，該電源包括控制電路，其可用於確定電壓誤差，以及在兩個或更多個逐漸加強的(progressivelyaggressive)短路清除階段內增加焊接電源的電流，其中所述電流基於在每個短路清除階段中的電壓誤差和遞增的增益而被增加。
在第三實施例中，cv焊接工序電源包括電流傳感器，其被配置成感應由電源提供給焊接應用的焊接電源的電流，電壓傳感器，該電壓傳感器被配置成感應焊接電源的電壓，以及短路檢測電路。其被至少被連接到電壓傳感器上，並且被配置成在焊接電源中檢測短路。所述電源還包括控制電路，該控制電路被配置成基於感應電壓與期望電壓之間的差以及第一增益來增加焊接電流；被配置在基於第一增益開始增加焊接電流之後，在第一預定時間期間不考慮電壓反饋而操作，被配置成如果短路事件未被消除，那麼基於感應到的電壓與所需電壓之間的差和高於第一增益的第二增益增加焊接電流，並且在基於第二增益增加焊接電流之後，在第二預定時間期間不考慮電壓反饋而操作。
附圖說明
當參考附圖閱讀下述詳細描述後，本發明的這些和其他特徵、方面和優點將變得更加容易理解，在所有附圖中相同的標記代表相同的部件，其中：
根據本發明，圖1是包括控制器的示例性焊接電源的透視圖；
根據本發明，圖2是描述了與圖1的電源相關的示例性電路圖的框圖；
圖3是隨時間變化的示例性電流和電壓的波形圖，其描述了方法的實施例，該方法可由控制器採用來消除焊接電源中的短路。
根據本發明的一些方面，圖4是消除示例性短路電路的流程圖，該流程圖包括在焊接電源中控制器執行清除短路的步驟；
圖5是隨時間變化的示例性電流和電壓的波形，其描述了一種方法的實施例，該方法可被控制器採用來調節所允許運行的最小電流值；以及
根據本發明的實施例，圖6是包括控制器執行設置最小電流值步驟的流程圖。
具體實施方式
正如以下詳細描述的，提供了被配置成用於檢測和消除短路事件(shortcircuitevent)的恆定電壓(cv)焊接工序的電源的各種實施例。cv焊接電源能夠基於接收到的反饋在亞毫秒時間幀內自動調節cv電流波形，有效地檢測短路事件，以階梯式的方式(steppedmanner)響應短路事件，並且調節焊接電壓設定值。cv電源還能夠通過基於周期性計算的電壓誤差和增益(gain)而增加焊接電流來響應所檢測的短路事件。假如短路事件未被清除，所述電源還可進一步配置成基於逐漸地增加的增益來增加焊接電流。另外，電源允許經過預先設定的時間延遲，在此期間忽略電壓反饋。除了其它優點之外，上述特徵可產生避免過度火花飛濺的效果，防止產生焊弧終端和焊絲熄滅(wirestubbing)，並能夠提高系統響應短路事件的能力。
現描述附圖，圖1是示例性焊接系統10的透視圖，它的功能就是提供電力，控制焊接操作和輔助設備並提供耗材。所述焊接系統10在機櫃或機殼14中包括電源12和送絲裝置13。在一些實施例中，所述焊接系統可配置成允許電源相對容易地從一個地方移動到另一個地方，或可以設計為固定系統。此外，該系統可設計成在在野外操作，在這種情況下，所述系統在機殼14內包括發動機和發電機，所述發動機和發電機提供了所需電源，可以做適當地調節也適用於給定的焊接操作，在一些實施例中，所述電源單元12可被通信地連接到附加系統組件上，例如，牆壁上的電源插座、電池、發動機驅動的電源，等等。
電源12包括控制面板16，用戶通過它經由轉盤18、開關20等可以控制材料如電力、氣流等等供應到焊接操作，。當用戶通過控制面板16調節焊接參數時，焊接電源12內的控制器產生和接收信號。所述電源12的控制器會根據輸入信息執行所需的焊接操作。例如，在一個實施例中，所述控制器可執行適用於與mig焊接操作一起使用的恆定電壓模式(constantvoltageregime)和送絲(wirefeed)。
電極組件22從電源12延伸至焊接位置處。第一電纜24和焊接電極26連接到電源裝置12上作為電極組件22的元件。電極26可以是任意適用於不同焊接工序的電極。例如，所述電極26可以是適用於金屬惰性氣體(mig)操作的焊炬，可以是適用於手工焊接操作的尖頭(stinger)，等等。從電源12延伸至焊接處的操作組件(workassembly)28包括第二電纜30，第二電纜在焊接線夾32處終止。操作過程中，所述焊接線夾32通常會連接到工件34上以閉合電極26、工件34和電源12之間的電路，從而確保流過適當的電流。也就是說，當焊工將電極26的尖端接觸或緊密地靠近工件34時，通過電纜24和30，電極26，工件34，和夾子32形成了電路，這樣就可在電極尖端和工件34間產生焊弧。
圖2描述了與圖1的電源相關的電路的方框圖。所述電源包括電源電路36、控制電路38、操作界面40、短路檢測電路42、和接口電路44。電壓傳感器46和電流傳感器48連接到電源電纜24上，所述電源電纜24延伸至焊接位置處。所述電壓傳感器46經由電纜24和30連接接到電源輸出端上並且可用於感應焊接電源的電壓值。同樣，電流傳感器48與電纜24連接以感應焊接電源的電流值。電壓傳感器46和電流傳感器經由接口電路44通信地連接到短路檢測電路42上。接口電路44連接到短路檢測電路42和控制電路38上。控制電路38、短路檢測電路42和接口電路44都是系統控制器49的元件。
操作過程中，電源電路36調整輸入的主電源以產生適合焊接操作的電源輸出。電壓傳感器46和電流傳感器48用於分別檢測電源輸出的電壓和電流值。所述傳感器46和48經由接口電路44將感應到的信息傳遞給短路檢測電路42。所述接口電路44接收和處理感應到的數據並且將這些信息傳遞給短路檢測電路42。所述短路檢測電路42可用於檢測焊接電源中的短路。例如，在一個實施例中，所述短路檢測電路42可以通過將電壓反饋和預置電壓值進行比較來檢測短路。假如電壓反饋降低到低於預置電壓值，那麼檢測電路42就會在焊接電源中判定短路現象已發生。也就是說，該短路檢測電路42被通信地(communicatively)連接到電壓傳感器46並用於接收和處理電壓反饋以確定焊接電源中的短路。也可採用其他的技術來檢測短路，例如通過參考電流、功率、或電阻，或通過檢測電壓、電流、功率、或與電壓相關的電流的變化率，反之亦然。
控制電路38可用於接收來自表示短路的檢測電路42的信號，並且基於此輸入輸出控制信號。例如，在兩個或更多個逐漸增強的短路清除階段中控制電路38可用於控制電源電路36增加焊接電源的電流。也就是說，基於電壓誤差(例如，檢測到的電壓和預置電壓間的差)和增益，控制電路38可控制增加焊接電源中的電流以試圖消除短路。如果在第一清除階段後短路未被清除，那麼所述控制電路38可以在一個或更多個附加的逐漸加強的短路清除階段中再次控制增加焊接電源的電流。以下會參照圖3和圖4更加詳細地描述控制電路38的所述功能。
所述控制電路38還可用於接收和處理來自操作界面40的信號。例如，操作界面可從用戶處接收輸入，即用戶所需的焊接操作參數(例如，所需的電流值或焊接工序)。所述控制電路38可用於處理這樣的輸入同時處理從檢測電路42和接口電路44接收到的輸入。也就是說，所述控制電路38可以從接口電路44接收電源輸出的電壓和電流值的反饋。為此，所述控制電路38可作為各種輸入和反饋源(例如，傳感器和手動輸入)和電源電路36間的中間體運行。接著所述控制電路38連續輸出一個或多個信號到電源電路36，從而引導焊接工序的適當操作。
圖3是示例性電流和電壓隨時間變化的波形圖，其描述了圖2中的控制電路所採用的方法，以在焊接期間清除焊接電源中的短路。該圖包括電流波形50和電壓波形52。電流波形50是隨時間變化電流的波形。電流波形50包括最小電流值54，其代表控制系統cv部分可調節的電流最小量。所述最小電流值54在焊接過程中不斷被調節並且其源自於所述平均電流，所述平均電流在下文會進行詳細地描述。電流波形50還包括第一電流值56和第二電流值58，它們分別代表在第一設置和第二設置中可獲得的最大電流。最大電流值60代表從電源處獲得的可用的最大電流。電壓波形52是指電壓隨時間變化的波形。電壓波形52包括短路電壓值62和清除電壓值64。當電壓值低於短路電壓值62時，焊接電壓中就會發生短路事件。當電壓超過清除電壓值64時就會清除短路事件。
在所描述的圖3中，焊接操作在第一時間66處開始。在焊接工序期間建立焊接電壓68和焊接電流70。操作期間，在電壓波形52的位置72處，焊接電壓從焊接電壓值68處開始下降。在第二時間74，電壓值與短路電壓值62相交，因此，短路發生在位置76處。標籤為twet的時間周期78然後隨時間74推移到時間80。在時間周期78期間，控制器將焊焊接電流保持在箭頭82所表示的波形50部分，以便允許短路事件時間自然清除。也就是說，由於存在許多短路事件，例如那些與自身保護電極電纜相關的，在短時間周期內可自然清除的，控制器最初在持續時間周期78內保持未激活狀態。曲線84表示電壓波形路徑，如果在時間周期78內短路清除那麼就會產生該路徑。假如沿曲線84，電壓值超過電壓清除值64，並且控制器回復到正常運行模式下；那麼短路事件清除。
假如在時間周期78內短路未自然清除，那麼控制器基於周期性計算電壓誤差和第一增益在時間點80處增加焊接電流(曲線86)以試圖清除短路。即，基於第一增益和點88處的實際電壓值與預置電壓值64之間的差，控制器確定適當地增加焊接電流。在時間點80處開始增加電壓之後，從時間點80到時間點92之間的延遲時間周期90內控制器不考慮電壓反饋而操作。上述特徵具有很大的優勢，因為在時間周期90內隨時間改變的電流引起電壓與電源輸出電壓相交，所述輸出電壓的大小與操作和電極組件的電感大小成正比。這種感應電壓可產生超過清除電壓值64的瞬時電壓，從而致使在延遲時間周期90內的電壓反饋作為短路清除的指示符(indicator)是不可靠的。因此，在時間周期90內，控制器不考慮電壓反饋而操作。
在時間點92處，當電流進一步增加時(曲線94)，控制器開始監控電壓反饋。從時間點92到時間點98的第一時間周期96內，電壓水平超過了電壓清除水平64，從而清除了短路事件。假如所述清除發生，那麼電壓波形52呈曲線100狀，並且控制器恢復到正常操作模式。假如經過時間周期96，電壓反饋扔低於清除電壓值64，在時間點98處，基於周期性計算電壓誤差和高於第一增益(曲線102)的第二增益，控制器開始增加焊接電流。也就是說，在時間點98處，控制器啟動第二清除短路階段，即強於第一清除階段的第二清除短路階段。從時間點98到時間點106是指經過第二延遲周期104，在這期間所述控制器又一次不考慮電壓反饋而操作。也就是說，儘管曲線108超過了清除電壓閾值64，控制器並不阻止增加電流。在時間點106以後，控制器再次在第二時間周期110內監控電壓反饋，該監控一直持續到時間點112處。在第二周期110間，電壓可能超過電壓清除值64，如曲線114所示。假如波形如所示的曲線114，那麼就說明短路事件已清除，並且控制器恢復到正常操作模式。在所描述的電壓和電流波形50和52中，顯示了兩個周期96和110。然而，在可選實施例中，通過控制器可以啟動多於兩個漸進加強期間用於清除短路事件。
在所描述的實施例中，在基於第二增益增加焊接電流以後，在時間點112處，控制器將焊接電流增加到最大電流值60以清除短路(曲線116)。第三延遲周期118為從時間點112到時間點120，在此期間控制器不考慮電壓反饋而操作。同樣，當曲線122超過電壓清除值64時，控制器將此忽略，直到時間點120處。在時間點120處，控制器接收電壓反饋，這就表示在點124處電壓值已經超過了清除閾值64。接著控制器減少焊接電流，如曲線126所示。在時間點128處，控制器恢復到正常cv控制迴路，並且電流值穩定(曲線130)，電壓值穩定(曲線132)，並且恢復到正常操作模式。那就是說，短路事件已被清除，所以控制器返回到正常操作模式。
圖4是清除短路流程圖134，其中包括控制器在焊接電源中實現清除短路的步驟。首先，控制器檢測短路事件(框136)。例如，控制器可接收來自電壓傳感器的表示感應到的電壓已下降到低於電壓閾值的反饋。接下來，控制器允許經過預置延遲時間，在此期間自然清除短路(框138)。然後控制器進行檢查，檢測是否已清除短路事件(框140)。假如短路已清除，那麼控制器控制電源迴路將電壓值和電流值恢復到正常焊接值(框142)。假如短路未被清除，那麼基於第一增益和電壓誤差(框144)，控制器增加電流並允許經過延遲時間(框146)。也就是說，在延遲時間內控制器不考慮電壓反饋而操作。所述操作是有必要的，因為電流的增加會導致暫時性地提高感應電壓，其並不表示短路已清除。
延遲時間後，控制器再次檢查是否短路已清除(框140)，如果短路已清除，那麼控制器將電壓值和電流值調節回焊接值(框142)。假如短路事件沒有清除，那麼基於第二增益和計算的電壓誤差(框148)，控制器增加電流，所述第二增益高於第一增益。控制器允許再次經過延遲時間(框150)，在此期間控制器不考慮電壓反饋而操作。控制器再次檢查短路是否清除(框140)，並且假如短路已清除，控制器將電壓值和電流值調節回焊接值(框142)。控制器可任意多次地重複這樣的電流增加、時間延遲、和清除檢查步驟以適合於所給定的焊接操作。
一旦控制器耗盡逐漸增加的電流增加(currentincreases)，以試圖清除短路，那麼電流將增加到電源可達到的最大電流值(框152)。經過這種增加和預置延遲時間後，控制器再次檢查短路是否已清除(140)，並且如果短路事件已清除，那麼控制器將電壓值和電流值恢復到焊接值。假如短路事件仍未清除，那麼控制器保持最大電流直到短路事件清除(框154)。
需要注意的是上述特定的算法，其中用於清除短路的逐漸增加的電流是基於電壓誤差(也就是比較)並且增益可以以各種方式補償或補充。例如，儘管可以實施簡單的誤差-比例控制，但是也可以設想更複雜的電流控制方案，該方案可考慮電壓變化的比率、誤差變化，等等。此外，增益可以是固定的或變化的，並且可以設置默認值，或可以進行一定程度的修正，如操作者可對某個參數進行調節，該參數提供了在系統對短路事件不同的感應或響應性方面的差別。
圖5描述了由上述系統控制器控制的示例性焊接工序中電壓隨時間的曲線156和電流隨時間的曲線158。典型的恆定電壓(cv)控制器修正了電源的輸出電流以便產生相對恆定的電壓輸出。相應地，在高電壓情況下(如，短路時產生的高電壓)，傳統的cv控制器緩降電流以適應高壓。然而，在高壓情況下，此類控制器可能將電流減小到不利的電流值，該電流值可能產生焊弧熄滅的結果。本文所披露的系統控制器所執行的控制方法具有優於此類cv控制器的明顯優勢。具體來說，下述的系統控制器利用了電流的運行平均值以持續設置和重新設置最小電流值，因此能夠確保焊弧在高壓情況下不至於熄滅。
電壓隨時間的曲線156和電流隨時間的曲線158描述了系統控制器的此類特徵。如圖5所示，運行的平均電流值由虛線160表示，持續調節的電流最小值用虛線162表示。在焊接工序中，運行的平均電流160和持續調節的最小值162之間的間距164保持不變，如箭頭166所示。換言之，在整個焊接工序中，電流最小值162在運行的平均電流值160下被連續不斷地重新設置為預設的值，(如70安培(amps))。相應地，在操作過程中，在整個焊接工序中瞬時電流值按照預定的時間間隔被採樣(如每100(μs)微秒採樣一次)。在每個時間間隔，所得測量值和先前的測量值進行平均以求得該時間點的瞬時運行的平均電流值。該時間點的即時最小電流值然後按照低於瞬時運行的平均值預置間距164的水平被設置。以這種方式，在所述實施例中，最小電流值162在整個焊接工序中持續調節，但是最小電流值162總是依據運行的平均電流值160保持持續偏移164。然而，需要注意的是在其他實施例中偏置值164可能並不恆定。比如，在某一實施例中，最小電流值162可能還受電流最小值限額的制約。也就是說，在某些實施例中，持續更新的最小電流值162可能不允許低於預置的電流限額(如50安培(amps))，即使偏置值164必定會發生改變。在操作中，如曲線所示，當電壓因為焊接狀況而改變時，實際(感應)電壓輸出和所需電壓輸出之間的差被視為電壓誤差，並且應控制電流以減少該電壓誤差。相反地，當電壓充分上升，然而，電流控制將降低電流在允許的最小電流值以下，該控制被設置為最小電流值。最小電流值基於相對於運行平均值和任何預置電流限額持續變化。
在實踐中，可採用不同的技術產生基電流(baselinecurrent)，基電流用於計算下述最小電流值。目前預期的方法採用實際電流的運行均值。當然任何適當的技術均可採用，包括加權平均值，基於實際電流的或多或少的樣本的值，基於控制電流的值，等等。此外，儘管目前預期的技術採用源自電流參考值的固定偏置(fixedoffset)，其他方法亦可採用計算的偏置和隨時間變化的偏置，或者根據焊接參數的偏置。
詳細參考圖5的曲線圖，上述特徵所具備的超越傳統cv控制迴路系統的優勢將顯而易見。例如，在高壓情況下，傳統cv控制器將大幅降低電流值。然而，在本發明的實施例中，如圖5所示，響應於高壓的電流值的降低不會超出持續調節的最小電流值162的範圍。例如，參看電壓曲線156的部分曲線168，它代表了電壓值的增長。將電壓返回至預置值所需的成比例的電流響應需要大幅降低電流至最小電流值162之下。然而，本發明預期的控制器會阻止電流降低至最小電流值以下，如電流曲線158中的部分曲線170所示。同樣地，參看電壓曲線156中的部分曲線172表示的高壓事件。傳統的cv控制器需要大幅降低電流強度以應對電壓曲線156中的部分曲線172所示電壓變化。然而，本發明預期的控制器控制電流變化在持續調整的最小電流值162範圍之內，如電流波形158中的部分波形174所示。通過這種方法，本發明的控制器可防止電流降低到所述連續調節的最小值之下，從而確保焊弧不會因電流值的調節而熄滅。
圖6是描述了按照本發明實施例的系統控制器所採用的調節電流值方法的流程圖176。控制器首先進行電流(i)採樣(框178)。然後控制器計算運行值(i)(框180)。比如，i是電流的運行均值，如圖5中曲線160所示。然後控制器計算最小電流值(imin)(框182)。在某一實施例中，瞬時電流最小值imin通過從i中減去預置偏置距離(offsetdistance)(如，70安培(amps))確定(如，imin＝i–偏置值)。也就是說，在某一給定時間點的最小電流值可通過從該時間點的運行電流值中減去偏置距離來確定。
控制器然後詢問imin是否小於預置電流最小限額(iminlim)(框182)。也就是說，在某些實施例中，imimlim能夠限制imim能夠降到多低的程度(如，下限為50安培)。如果imin不小於iminlim，控制器然後對電壓(v)進行採樣(框186)。如果imin小於iminlim，控制器則設置imin＝iminlim(框188)，從而在對電壓(v)進行採樣(框186)之前設定最小電流值至預置限額。然後控制器計算電壓誤差(verror)，其表示實際電壓和預置電壓之間的差值(框190)。那也就是，verror等於採樣得到的電壓(vsample)減去目標電壓(vtarget)，從而表示電壓偏離恆定預置電壓的程度。然後控制器輸出電流控制指令(icommand)，該命令表示最小化verror和將操作電壓返回到預設電壓強度所必須的電流強度(框192)。然後控制器詢問icommand是否小於imin(框194)。如果icommand不小於imin，控制器應用icommand(框196)，電流值降低至指令要求的電流強度，並且控制器再次對電流進行採樣(框178)。如果icommand小於imin，icommand會重新設置至imin(框198)。也就是說，控制器不允許電流值降低至imin以下，即使該電流值經計算確定為最小化電壓誤差所必須的。此外，該特徵可以有效地防止由於降低至指令要求的電流而產生的高壓引起的焊弧中斷。
雖然此處僅示出並描述了本發明的一些特徵，對本領域的技術人員來說可以進行許多改進和改變。因此，應當理解所附權利要求意在覆蓋落入本發明實質精神範圍內的所有這種改進和改變。