CN102699486A - 一种电弧焊焊接电源输出特性控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电弧焊焊接电源输出特性控制方法，包括以下步骤：101)实时检测焊机输出电路的焊接电压值和焊接电流值；102)根据焊接电压值和焊接电流值计算回路真实电阻值；103)利用回路真实电阻值得到焊接电流设定值；104)根据焊接电流设定值与焊接电流值的差值实时调整焊接电源的输出。本发明电弧焊焊接电源输出特性控制方法利用回路真实电阻值得到焊接电流设定值，并根据焊接电流设定值与焊接电流值的差值实时调整焊接电源的输出，当焊接系统外界环境发生长期变化或者瞬时变化时，能够保证焊接系统稳定工作。

Description

一种电弧焊焊接电源输出特性控制方法

[技术领域]

本发明涉及焊接电源输出控制，尤其涉及一种电弧焊焊接电源输出特性控制方法。

[背景技术]

图1为一般熔化电极电弧焊接装置的结构图。焊接电源WPS的输出特性为恒压特性，为焊丝1、电弧2以及母材3提供能量，用以熔化焊丝1、维持电弧2以及加热母材3。焊丝1通过送丝装置4以恒速方式送进，焊丝1送进速度应与焊丝熔化速度保持一致以保证焊接过程稳定。如图2所示，电源的外特性曲线与电弧的特性曲线相交，以获得焊接系统在动态情况下的快速恢复。

图3是上述焊接系统外特性的示意图之一。其中横轴表示焊接电流Iw，纵轴表示焊接电压Vw。此焊接系统的输出特性表现为以斜率Rw下降的特性。该特性可以用以下公式表示：

Vw＝Eps-Rw×Iw

式中，Eps为焊接电源输出电压

通过设置特定的外特性斜率，即Rw值，可以得到较好的焊接稳定性。为此很多方法被提出来，例如在硬件回路上串联阻抗，或者在控制上“电子”地形成特定的外特性。

熔化电极电弧焊接在较低送丝速度时，为保证焊接质量，常常使熔滴处于短路过渡状态，即短路和重新燃弧反复交替发生。如图4所示，t1-t3期间的短路时间Ts内，焊丝与母材处于短路状态，此时焊接电压Vw处于较低的值，焊接电流Iw逐渐增加，而在t3-t6的燃弧时间Ta内，电弧和电极电压重新建立，焊接电流Iw逐渐减小，焊接电压Vw逐渐回到控制值。电流Iw的变化率以及焊接电压Vw回复到设定值的时间取决于焊接系统控制回路的时间常数τ，该常数主要受焊接回路等效电感Lw以及等效电阻Rw决定。这个常数决定了焊接稳态情况下实际焊接电压Vw和焊接电流Iw的大小，也决定了焊接动态情况下焊接系统从不稳定回复到稳定状态的时间，反映了系统对环境的适应性。适当的控制系统时间常数τ能够改善电弧的稳定性。

短路过渡模式下的等效公式如下：

E＝Rw×Iw+Lw×dIw/dt+Vw(E为逆变电源副边输出电压)

通过控制不同的等效电阻Rw和等效电感Lw，可以在不同送丝速度下获取稳定的焊接电弧，并有效的减少焊接飞溅。

焊接回路的真实电感Lr和真实电阻Rr会随着外界因素变化，这些因素包括线缆长度、直径以及卷曲度，焊丝干伸长长度，环境温度，器件温度，熔滴过渡离散性等。这些因素具有时变性和不可控的特征，会对焊接系统的控制造成影响，影响焊接稳定性和焊接质量。

此外，为了保证熔滴过渡的顺畅，同时避免较大的飞溅，往往需要在短路阶段的各个时期实现不同的电流上升率，而在燃弧阶段的各个时期实现不同的电流下降率，即实时的改变系统的控制时间常数，这些常数的选取又与上述的各种影响因素相关。

现有技术之一依靠线缆的自然属性或者在回路中串联入物理电阻实现焊接电源外特性控制，一方面增加了系统的损耗，增加了系统的成本，另一方面系统时间常数依然受到外界因素影响，电源外特性只有在特定情况下才能与电弧外特性匹配。现有技术之二在系统控制回路中引入电流反馈，将此电流反馈按一定比例系数放大后于电压控制参考量相加，实现电源的外特性控制。此种方法省去了焊接回路中的物理电阻，减少了焊接系统能量消耗，并且因为外特性是通过硬件开关控制或者通过软件控制实现，能够针对不同焊丝直径或者保护气体类型设置不同的电源外特性，能够较好的使电源外特性与焊接电弧外特性匹配，但同样无法抑制外界环境变化造成的影响。

[发明内容]

本发明要解决的技术问题是提供一种当在焊接系统外界环境发生长期变化或者瞬时变化时，能够保持焊接系统稳定工作的电弧焊焊接电源输出特性的控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种电弧焊焊接电源输出特性控制方法，包括以下步骤：

101)在焊接过程中的短路过渡期间实时检测焊机输出电路的焊接电压值和焊接电流值；

102)根据焊接电压值和焊接电流值计算回路真实电阻值；

103)利用回路真实电阻值得到焊接电流设定值；

104)根据焊接电流设定值与焊接电流值的差值实时调整焊接电源的输出。

以上所述的电弧焊焊接电源输出特性控制方法，预先在焊接电源的控制器中保存输出电压设定值、电感设定值，根据步骤102计算得到的回路真实电阻值进行修正得到外特性控制电阻Rw；所述的焊接电流设定值Iwr通过以下公式得到：

Iwr＝∫((Ur-Vw-Rw×Iw)/Lw)dt；

其中，Ur为输出电压设定值、Lw为电感设定值、Vw为焊接电压值、Iw为焊接电流值。

以上所述的电弧焊焊接电源输出特性控制方法，外特性控制电阻Rw通过以下公式得到：

Rw＝Rr+Rc；

其中，Rr为步骤102计算得到的回路真实电阻值，Rc为修正电阻值。

以上所述的电弧焊焊接电源输出特性控制方法，外特性控制电阻Rw为对应于不同回路真实电阻及不同焊接速度预设的表值。

以上所述的电弧焊焊接电源输出特性控制方法，连接在焊机输出电路的电流检测单元、电压检测单元进行电流、电压采样，通过检测滤波电路得到焊接电流采样值和焊接电压采样值；在焊接的短路过渡期间，电流采样值和焊接电压采样值输入电阻计算单元得到回路真实电阻值；将焊接电流采样值、焊接电压采样值、修正电阻值、回路真实电阻值、输出电压设定值和电感设定值输入焊接焊接电流采样值计算模块得到焊接电流给定值。将焊接电流采样值与焊接电流采样值相比较并进行误差放大后通过计算得到焊机高频逆变单元控的制信号，对焊接电源的输出进行实时调整。

本发明电弧焊焊接电源输出特性控制方法利用回路真实电阻值得到焊接电流设定值，并根据焊接电流设定值与焊接电流值的差值实时调整焊接电源的输出，当焊接系统外界环境发生长期变化或者瞬时变化时，能够保证焊接系统稳定工作。

[附图说明]

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是现有技术熔化电极电弧焊接装置的结构图。

图2是现有技术焊接电源的外特性曲线与电弧的特性曲线示意图。

图3是现有技术焊接系统外特性的示意图。

图4是现有技术焊接电流、焊接电压在不同焊接过程的变化曲线图。

图5是本发明实施例的焊接电源框图。

图6是本发明电弧焊焊接电源输出特性控制方法的流程图。

[具体实施方式]

本发明的熔化电极电弧焊焊接电源输出特性控制方法用在逆变式的焊接系统中，由DSP控制，DSP包括检测滤波电路、Rr检测单元、Iwr计算模块、电流调整器CR和存储器。在焊接开始前，预先在控制器中设定焊接系统的时间常数，即输出电压设定值Ur、等效电感量Lw；在焊接开始后，在短路过渡期间，实时检测焊接电压Vw和焊接电流Iw，并在控制器中根据焊接电压Vw和焊接电流Iw检测值实时计算系统回路的真实电阻值Rr，并根据每次计算得到的真实电阻值Rr，得到控制器用以控制电源外特性的外特性控制电阻Rw，并利用回路真实电阻值得到焊接电流设定值Iwr；最后根据焊接电流设定值Iwr与焊接电流Iw的差值实时调整焊接电源的输出。

以下对用于本发明的电弧焊焊接电源输出特性的控制方法的基本运算进行说明。利用输出电压设定值Ur，电感设定值Lw，提供的外特性控制电阻Rw，焊接电流Iw，焊接电压Vw，可以得到焊接电流设定值Iwr：

Iwr＝∫((Ur-Vw-Rw×Iw)/Lw)dt；(001)

其中：Rw＝Rr+Rc；

修正电阻值Rc可以是固定值，也可以是预先设定的特定曲线。

外特性控制电阻Rw还可以是存储在控制器中对应于不同回路真实电阻及不同焊接速度预设的表值。这样对应不同焊接速度下促进熔滴过渡的一簇特性曲线，并将特性曲线转化为与不同焊接速度相对应的外特性控制电阻Rw的表值，存储于控制器中。这样就可以形成特定的焊接用外特性曲线，并通过时时检测真实回路电阻，时时保持焊机外特性曲线稳定。

图5是本发明实施例的焊接电源框图。以下参照该图对各模块进行说明。三相交流电经过三相不控整流器后形成较稳定的直流电压，经过高频直流变换后得到焊接电源电压Uw，经过焊接用线缆、焊丝、电弧空间、焊接母材、焊接用地线后形成焊接电流Iw和焊接电压Vw。

通过连接在焊机输出电路的电流检测单元Id和电压检测单元Vd，以及检测滤波电路得到采样电流值Is和采样电压值Vs。在短路过渡期间控制器的电流采样稳定后，通过Rr检测单元计算得到回路真实电阻值Rr。将Is、Vs、Rr以及提供外特性的等效电阻Rc设定值、电压给定设定值Ur输入到焊接电流设定值计算模块，根据上式001得到焊接电流给定值Iwr。将电流采样Is与Iwr在电流调整器CR相比较并进行误差放大后计算得到高频逆变单元控制信号Dr，对焊接电源的输出进行实时调整。

本发明的熔化电极电弧焊焊接电源输出特性控制方法有以下优点：，熔化电极电弧焊接系统能够实时检测焊接回路中造成焊接系统控制回路时间常数变化的因素，并及时调整控制量，这样即使因为外界因素发生较大变化，系统也能够立刻与之匹配，使得焊接过程更加稳定，焊接效果更好；在不改变电子电抗器感量的情况下，通过预先将提供外部特性的等效电阻值Rw设置成一特定曲线，并通过实时检测焊接回路真实电阻Rr，保证Rw的特定曲线稳定，促进熔滴过渡，减小焊接飞溅，保证焊接稳定，改善焊接成型。

Claims (5)

1.一种电弧焊焊接电源输出特性控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

101)在焊接过程中的短路过渡期间实时检测焊机输出电路的焊接电压值和焊接电流值；

102)根据焊接电压值和焊接电流值计算回路真实电阻值；

103)利用回路真实电阻值得到焊接电流设定值；

104)根据焊接电流设定值与焊接电流值的差值实时调整焊接电源的输出。

2.根据权利要求1所述的电弧焊焊接电源输出特性控制方法，其特征在于，预先在焊接电源的控制器中保存输出电压设定值、电感设定值，根据步骤102计算得到的回路真实电阻值进行修正得到外特性控制电阻Rw；所述的焊接电流设定值Iwr通过以下公式得到：

Iwr＝∫((Ur-Vw-Rw×Iw)/Lw)dt；

其中，Ur为输出电压设定值、Lw为电感设定值、Vw为焊接电压值、Iw为焊接电流值。

3.根据权利要求2所述的电弧焊焊接电源输出特性控制方法，其特征在于，外特性控制电阻Rw通过以下公式得到：

Rw＝Rr+Rc；

其中，Rr为步骤102计算得到的回路真实电阻值，Rc为修正电阻值。

4.根据权利要求2所述的电弧焊焊接电源输出特性控制方法，其特征在于，外特性控制电阻Rw为对应于不同回路真实电阻及不同焊接速度预设的表值。

5.根据权利要求3所述的电弧焊焊接电源输出特性控制方法，其特征在于，连接在焊机输出电路的电流检测单元、电压检测单元进行电流、电压采样，通过检测滤波电路得到焊接电流采样值和焊接电压采样值；在焊接的短路过渡期间，电流采样值和焊接电压采样值输入电阻计算单元得到回路真实电阻值；将焊接电流采样值、焊接电压采样值、修正电阻值、回路真实电阻值、输出电压设定值和电感设定值输入焊接焊接电流采样值计算模块得到焊接电流给定值。将焊接电流采样值与焊接电流采样值相比较并进行误差放大后通过计算得到焊机高频逆变单元控的制信号，对焊接电源的输出进行实时调整。

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