CN1038527A - 接触焊机的控制装置 - Google Patents

Abstract

一种用于单相全波接触焊机的控制装置，在焊机中，反向并联连接的可控硅(1)和焊接变压器(2)的初级线圈串连，并且通过控制可控硅(1)的触发相位Qn调节焊接电流，控制装置包括计算和存储平方和SK的存储装置(18)，其工作方式是，在预定的相位范围(180°)内，按预定的相位间隔(1°)划分具有给定峰值的正弦值VK＝KoSinQK，计算装置从存储装置(18)中读出触发相位Qn和导通终正相位Qm的平方和Sn和Sm，并且计算施加给焊接变压器(2)的有效电压Vrms的规范化有效值Ux。

Description

本发明涉及接触焊机的控制装置，特别是涉及能够改进用可控硅单相全波整流的接触焊机的电压控制精度的接触焊机的控制装置。(参见现有技术的描述)

接触焊机也叫做“点焊机”通常用于像车辆装置那样的工业领域。单相全波接触焊机是最普及使用的一种类型。

单相全波接触焊机采用了像可控硅那样的开关元件，控制供给焊接变压器的初级电压，进而控制焊接变压器的初级电流，即焊接电流。

就已知的控制系统而言，在电流控制系统中，反馈的是焊接变压器的初级或次级电流，而在电压控制系统中，反馈的是焊接变压器的初级电压。

电流控制系统可以实现高精度的焊接电流控制，但是需要一个电流检测器，例如电流互感器、探测线圈以及类似的装置，因此使系统造价昂贵。在这种情况下，如果焊接变压器带有两支或更多支焊枪时，如果其中有一支焊枪没有焊接电流流通时，则其余焊枪的电流就会相应地增加。而电压控制系统虽然经济实用，但却不能获得高精度的焊接电流控制。

图2A所示的是一个波形图，其中供电电压用 V表示，焊接变压器初级电流用 i表示，对于单相全波接触焊机，触发相角Q_n是90°。

因为焊接变压器的功率因数小于1，所以从零到Q_n电流 i单调增加，而后单调减小并且在Q_m处恢复为零，这样便完成半个周期的导通。在下半个周期，按相反的方向流通类似的电流。图2A中从Q_n到Q_m的阴影线表示的是在半个周期导通范围里，施加在焊接变压器上的电源电压。

在电压控制系统中，每半周期，对阴影部分表示的电压进行检测并且进行反馈。

每当给定的采样时间对阴影部分的电压进行检测得到一个有效值时，由于电压的初始值和终止值都不为零，因此将会产生取决于采样时刻选择的测量误差。如果缩短采样周期，虽然可以消除检测误差，但由于还要同时完成其它的控制、监测和类似的工作，这将超出控制装置的微机的处理能力，其结果将需要用多个微机，而使系统造价昂贵。

本发明的第一个目的是提供一种接触焊机的控制装置，其能够减少微机的处理负荷，并且能够高速地、精确地在预定的采样周期内，检测施给给焊接变压器的有效电压。

本发明的第二个目的是提供一种接触焊机的控制装置，其为经济的高精度的电压控制系统，并且能够显示焊接变压器的利用率。

在本发明的，例如单相全波接触焊机的控制装置中，一对可控硅反向并联连接并和焊接变压器的初级绕组相串联，控制每一个可控硅的触发相位角Q_n，以调节焊接电流。在这个控制装置中，一个具有峰值的给定相位范围的正弦值，按预定的相位间隔，以相位Q_k为单位进行划分，并提前计算与相位Q_k对应的正弦值V_k的平方和S_k＝V₁ ²+V₂ ²+…V_k ²，并将计算的平方和S_k存贮在存储装置中。从存储装置中读出平方和S_k(＝V₁ ²+…U_n ²)以及可控硅触发相位Q_n和导通截止相位Q_m的S_m(V₁ ²…V_m ²)，根据Q_n和Q_m，由第一计算装置计算施加给焊接变压器的有效电压的规范化有效值V_x。

本发明的控制装置包括：电压检测装置，用于检测交流电源电压V，根据检测电压 V，计算装置计算交流电源的有效电压V_rms，根据有效电压V_rms和规范化有效值V_x，由第二计算装置计算出施加给焊接变压器的有效电压V_t。根据有效电压V_x，由第三计算装置计算焊接变压器的利用率P，并在显示装置上显示利用率P。进而由电流检测装置检测焊接变压器的有效电流I_rms。

在电压 V的半周期导通后，由装置中第一计算装置立即按下述数学运算计算V_x值： $V_x=K1\·\sqrt{S_{180}-S_n+S_m}$

(其中：K1和S₁₈₀为常数)

根据计算值V_x和分别计算的电源电压有效值V_rms，由第二计算装置执行下述数学运算，以计算出供给焊接变压器的有效电压V_t。

V_t＝V_rms·V_x/V₁₈₀

(其中V₁₈₀为常数)

根据V_x，由第三计算装置按下式进行数学运算以计算出焊接变压器的利用率P；

P＝100V_x/V₁₈₀

显示装置对利用率P进行外部显示。

按上述计算的有效电压V_x和有效电流I_rms，作为电压控制和电流控制的反馈信号。

图1是本发明一个实施例的方块图；

图2A、2B是用于解释本发明运算原理的波形曲线图；和

图3A和3B是本发明计算装置计算程序图举例。

现在参考图1说明本发明的一个实施例。

图1中，反向并联连接的可控硅用标号1表示；焊接变压器用标号2表示；检测焊接变压器2初级电流的电流互感器用标号3表示；检测交流电源100的电压和输出信号 V的电压检测器用标号4表示；检测可控硅端电压(阳一阴极之间的电压)V_th的电压检测器用标号5表示。计算和输出触发相位Q_n的控制部件用标号6表示；锁存控制部件6输出的相位Q_n寄存器用标号7表示；产生具有给定频率时钟脉冲Cp的时钟脉冲发生器用标号8表示；用于计算时钟脉冲Cp和输出电压 V相位数据Q(t)的相位计用标号9表示；把相位计9的输出Q(t)和Q_n进行比较的比较器用标号10表示；一个脉冲放大器(PA)用标号11表示。零电压检测器用标号12表示，其用于当每次电压检测器输测的电压 V变为零时，输出脉冲P12；电流检测器用标号13表示，用于输出和电流互感器3次级电流i₃成比例的信号 i。模数转换器用标号14和15表示，它们把模拟信号 V和 i转换成相应的数字信号D_v和D_i；用于计算电源的正弦波电压的有效值V_rms的V_rms计算器用标号16表示；用于计算正弦波电流有效值I_rms的电流有效值(I_rms)计算器用标号17表示。存储规范化数据(下面将讨论)的数据表格(存储装置)用标号18表示；V_x计算器用标号19表示，它根据触发相位角Q_n和导通截止相位角Q_m(将在后面叙述)计算供给焊接变压器的规范化有效电压V_x；V_t计算器用标号20表示，它根据V_rms和V_x计算供给焊接变压器的有效电压V_t；P计算器，用标号21表示，它根据V_x计算焊接变压器利用率P；显示利用率P的显示器用标号22表示。

在前述的装置中，相位计9的Q(t)值计算用时钟脉冲发生器输出的脉冲Cp同步。相位计响应零电压检测器12的输出P₁₂重新置位到零，并且输出和电源电压同步的相位信号Q(t)。

控制部件6接收控制目标值R_ef和反馈的有效电压V_t或者焊接变压器的有效电流I_rms，控制部件6根据信号R_ef和V_t(或者是I_rms)计算触发相位角Q_n，并把Q_n写入锁存器7。当相位信号Q(t)和触发相位角Q_n一致时，比较器10输出脉冲P₁₀，该脉冲经脉冲放大器11供给可控硅1，可控硅1响应放大器11的输出脉冲P₁₁而被触发。

控制部件6有选择地响应电应控制反馈信号U_rms和电流控制反馈信号I_rms中的一个信号。

用于计算焊接变压器的有效电压V_t规范化数据是本发明的主要部分，下面将予以描述。

表1表示的是存储在数据表18中的规范化数据的一个例子。这个实施例表示的是，从1°到180°范围内，利用以1°为单位的规范化相位角Q_k而得到的瞬时值V_k以及预先计算的平方和S_k(k＝1～180，在这种情况下，k＝Q_k)。在8位的情况下，V_k是255的Q_k的整数部分。但是，V_k不作为数据进行存储，而是为了便于描述而提供的。平方和S_k是瞬时值V_k的平方的和，其通过下述公式预先计算并被存储的；

S₁＝V₁ ²，S₂＝S₁+V₂ ²，S₃＝S₂+V₃ ²，…

S_k＝S(K-1)+V_k ²，…S₁₈₀＝S₁₂₉+V₁₈₀ ²

应注意，当图1中的计算部分(6，16，17，19，20，21)由RISC(集约化指令集计算机)型高速MPU构成时，表1中的平方和SK可以进行实时计算，在这种情况下则无需预先计算SK。

                              表1

标号(K)	相位角(Qk)	瞬时值(Vk)	平方和(SK)
				123899091177178179180	123899091177178179180	481325425525413840	16802492,879,5262,944,5513,009,0675,823,9975,824,0615,824,0775,824077

V_x计算器演绎出触发相位角数据Q_n，并且监控可控硅的端电压(阳—阴极间的电压)的检测信号V_th，V_x计算器19根据相位信号Q(t)检测导通终止相位角Q_m，相位信号Q(t)随阻断状态所产生的V_th的变化而改变的。然后，计算器19从数据表18中读出平方和S_n(＝S(n-1)+U_n ²和

S_m(＝S(m-1)+U_m ²)，并通过公式(1)进行数学运算而得到 $V_x=K1\·\sqrt{S180-S_n+S_m}\·\·\·\left(1\right)$

(其中K1和S180为常数)

计算值V_x是指供给焊接变压器的规范化有效电压。如图2B所示，具体地讲如果Q_m ^*＝Q_m-180°，则在相位角180°到Q_m之间的电压波形W₁和由0°相位到Q_m ^*之间的电压波形W₂相等。Q_n到Q_m之间的有效电压与0°到Q_m ^*以及Q_n到180°之间的有效电压之和相等。由于相位计19每180°( V的半周期)被清零一次，所以，被检测的导通终止相位角Q_m作为Q_m ^*，因此在变压器完成导通后，立即把在很短时间期间，为计算V_x而读取数据表格18。

图3为用于计算规格化有效电压V_x的程序框。

首先由图1所示的U_x计算器19，例如其由微机组成的，从数据表18读取触发相角数据Q_n(S11步)

计算器19接收来自电压检测器5的被检测的可控硅1的端电压V_th，当V_th电压相对于可控硅的导通电压值来说是一个小的数值时，(第S12步为是)并且随后将变为远远大于可控硅1的导通电压时(第S13步为是)，计算器19从相位计9读数据Q(t)(S14步)。

计算器19借助于如表1所示内容的数据表18，利用到S14步为止所得到的数据Q_m和Q(t)，便可以得到平方和S_n和S_m(S15步)。当得到了平方和S_n和S_m之后，计算器19执行按公式(1)的运算(第S16步)，并且输出规范化有效电压V_x。

另一方面，由V_rms计算器16对电源供电电压的有效电压V_rms进行检测和修正。V_t计算器20根据公式(2)，利用V_x和V_rms计算出供给焊接变压器2的有效电压V_t，并将其作为反馈信号。

V_t＝V_rms·V_x/V₁₈₀    …(2)

而 $V_{180}=K1\·\sqrt{S180}$ (常数)

当选择电压控制时，控制部件6利用V_t作为反馈信号来进行电压控制。

在预定的取样期间，I_rms计算器17检测从触发相位角Q_n到导通终止相位角Q_m的电流并且计算和输出有效电流I_rms。当选择电流控制时，控制部件6利用I_rms作为反馈信号来进行电流控制。

P计算器21根据公式(3)，利用V_x计算并输出焊接变压器的利用率P，并且由显示器22进行外部显示。

P＝100V_x/V₁₈₀                           …(3)

因此，可以连续地监测焊接变压器的利用率。

图3B表示的是计算电源供电电压有效值V_rms的处理程序。

当图1所示的零电压检测器12检测出电源电压的一个过零点时，便产生一个过零检测脉冲P₁₂(第S₂₁步为是)。当脉冲P₁₂产生时，电源电压 V为零，所以，图1所示例如由微机构成的V_rms计算器16的输出V_rms＝0(S₂₂步)。

计算器16接收电源电压数据D_v，D_v是经A/D变换器14把模拟量电源电压 V转换为数字量(S₂₃步)。计算器16利用电源电压数据D_v其来自检测器12和电源供电电压有效值V_rms，按下式，计算出新的电源供电电压有效值V_rms；

V_rms＜＝V_rms+V_k ²                    …(4)

经上面公式计算的V_rms作为新的V_rms输出(S₂₄步)。

接着，根据数据D_v检测电压 V的相位是否前移了180°(半个周期)(S₂₅步)。如果相位移小于180°(第S₂₅步的否)则检验电压 V的相位是否前移了一个预定值(例如1°)(S₂₆步)如果相位移小于1°(第S₂₆步为否)，则将等待直到相位由现有相位推前到1°为止(S₂₇步)。如果电压 V的相位前移31°(第S₂₆步为是)，则程序反回到S₂₃步到S₂₅步的处理程序。

如果在S₂₅步中检出相移已达到180°(S₂₅步为是)，则计算器16根据下面公式计算新的电源供给电压有效值V_rms $V_{\mathrm{rms}}<=K_o\sqrt{V_{\mathrm{rms}}}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(5\right)$

利用上面公式计算的V_rms作为新的V_rms而被输出(S₂₈步)

按照本发明可以高速、精确地检测供给焊接变压器的有效电压，并且可以实现高精度的电压控制。由于电压检测取样无需高速进行，所以可以实现非昂贵的经济地实现高精度的电压控制。因为能够显示焊接变压器的利用率P，所以能够监测控制余量，便于利用本装置并且能可靠地执行操作。当选择电流控制时，也可以显示变压器的利用率从而易于选择焊接变压器的容量。

Claims (20)

1.一种用于接触焊机的控制装置，该焊机包括一个焊接变压器(2)，其初级线圈与交流供电电源(100)相连，其次级线圈和焊枪(23)相连：在所说的交流供电电源(100)和所说的焊接变压器(2)的次级线圈之间，接入一个开关元件(1)，并在预定的触发相位(Q_n)被触发，该控制装置包括：

存储装置(18)，其用于计算和存储平方和S_k，其工作方式为，具有预定峰值并且和所说的交流供电电源(100)交流分量相对应的正弦波值V_k＝K_oS_inQ_k，在预定的相位范围内(0°到180°)，按预定的相位间隔(1°)被划分，并且在被划分的相位Q_k(Q_k＝1，2，3…180°)的单元里，计算正弦波(V_k)的平方值V_k ²，以便计算出和相位Q_k相对应的正弦波V_k的平方和S_k(＝V₁ ²+V₂ ²+V₃ ²+…+V_k ²)；和

V_x计算装置(19)，其在所说的开关元件(1)的整个导通过程中，从所说的存储装置(18)中读出在触发相位(Q_n)的平方和S_n(＝V₁ ²+V₂ ²+V₃ ²+…V_n ²)，和在相位(Q_m)的平方和S_m(＝V₁ ²+V₂ ²+V₃ ²+…+V_m ²)，并且根据读出的S_n和S_m，计算一个靠对交流供电电压有效值(V_rms)进行规范化而得到的规范化有效值V_x(公式1)。

2.根据权利要求1的装置，其中所说的开关元件(1)包括反相并联连接的可控硅。

3.根据权利要求1的装置，其中所说的接触焊机是单相全波型的。

4.根据权利要求1的装置，其中所说的存储装置(18)包括一个存储已事先计算了的平方和S_n的数据表格。

5.根据权利要求1的装置，还包括电压检测装置(4)，其用于检测所说的交流电源(100)的电压(V)；

V_rms计算装置(16)，用于计算电压检测装置(4)检测的来自交流电源电压(V)的有效值V_rms；

V_t计算装置(20)，其利用有效值V_rms和规格化的有效值V_x，计算施加在所说的焊接变压器(2)的次级线圈上的有效电压；和

装置(5-12)，其利用有效电压V_t作为反馈信号，对所说的开关元件(1)进行电压控制。

6.根据权利要求1的装置，还包括：有效电流检测装置(3，13，15，17)，用于检测流经所说的焊接变压器(2)的有效电流I_rms；和

装置(5-12)，其利用有效电流I_rms作为控制反馈信号，对所说的开关元件(1)进行电流控制。

7.根据权利要求1的装置，还包括：

P计算装置(21)，其根据现有值(V_x)与规格化有效值V_x的最大值(V₁₈₀)之比(公式3)，计算所说的焊接变压器的利用率P；和

显示计算的利用率P的装置(22)。

8.一种接触焊机的控制装置，所说的焊机包括一个焊接变压器(2)，其初级线圈和交流电源(100)相连，次级线圈和一个焊枪(23)相连，在所说的交流电源(100)和所说的焊接变压器之间，接入开关元件(1)，其在预定的触发相位(Q_n)被触发，该控制装置包括：

计算和存储平方和SK的存储装置(18)，其工作方式是，所说的交流供电电源(100)的交流分量按预定的间隔(1°)被划分，在划分了的相位Q_k(Q_k＝1，2，3，…180°)的各个单元里，计算交流分量的平方值V_k ²，以便计算和相位Q_k相对应的正弦波的平方和S_k＝V₁ ²+V₂ ²+V₃ ²+…+V_k ²；

V_x计算装置(19)，其从所说的存储装置(18)中读取在触发相位(Q_n)的平方和S_n(＝V₁ ²+V₂ ²+V₃ ²+…+V_n ²)和在所说的开关元件(1)的导通完结时的相位(Q_m)的S_m(＝V₁ ²+V₂ ²+V₃ ²+…+V_m ²)值，并且根据读出的平方和S_n和S_m，计算通过对交流电源电压的有效值(V_rms)进行规范化而得到的规范化有效值V_x(公式(1))；

P计算装置(21)，其根据现有值(V_x)与规范化有效值V_x的最大值(V₁₈₀)之比(公式(3))，计算所说的焊接变压器(2)的利用率P；和

显示已计算的利用率P的装置(22)。

9.根据权利要求8的装置，还包括：

V_rms计算装置(16)，其计算所说的交流电源(100)的交流电压(V)的有效值V_rms；

V_t计算装置(20)，其利用有效值V_rms和规范化有效值V_x，计算施加给所说焊接变压器(2)次级线圈的有效电压V_t；和

装置(5～12)，其利用有效电压V_t作为控制反馈信号，对所说的开关元件(1)进行电压控制。

10.一种用于接触焊机的控制方法，该焊机包括一个焊接变压器(2)，它的初级线圈和交流电源(100)相连，其次级线圈与焊枪(23)相连接，在所说的交流电源(100)和所说的焊接变压器(2)的次级线圈之间接入开关元件(1)，其在预定的触发相位(Q_n)被触发，该控制方法包括的步骤是：

在预定的相位范围(0°到180°)内，按预定的相位间隔(1°)划分具有预定峰值并且和所说的交流电源(100)的交流分量相对应的正弦波V_k＝KoSinQ_k；

在被划分的相位Q_k(Q_k＝1，2，3，…180°)的各单元里，计算正弦波V_k的平方值V_k ²；

计算与Q_k相位相对应的正弦波V_k的平方和S_k(＝V₁ ²+V₂ ²+V₃ ²+…+V_k ²)；和

计算根据在触发相位(Q_n)的平方和S_n(＝V₁ ²+V₂ ²+V₃ ²+…+V_n ²)和在所说的开关元件(1)的导通一结束的相位Q_m的平方和S_m(＝V₁ ²+V₂ ²+V₃ ²+…+V_m ²)的值，通过对交流电源电压的有效值V_rms进行规范化而得到的规范化有效值V_x(公式(1))。

11.根据权利要求10的方法，还包括的步骤是：

检验所说的交流电源(100)的电压(V)；

利用所检测的交流电源电压(V)，计算有效值V_rms；

利用有效值V_rms和规范化有效值V_x，计算供给所说的焊接变压器(2)次级线圈的有效电压V_t；和

利用有效电压V_t作为控制反馈信号，对所说的开关元件(1)进行电压控制。

12.根据权利要求10的方法，还包括的步骤是：

检测流经所说的焊接变压器(2)的有效电流I_rms；和

利用有效电流I_rms作为控制反馈信号，对所说的开关元件(1)进行电流控制。

13.根据权利要求10的方法，还包括的步骤是：

根据现有值(V_x)与规范化有效值V_x的最大值(V₁₈₀)之比(公式(3))，计算所说的焊接变压器(2)的利用率P；和

显示计算的利用率P。

14.根据权利要求11的方法，还包括的步骤是：

根据现有值(V_x)和规范化有效值V_x的最大值(V₁₈₀)之比(公式(3))，计算所说的焊接变压器(2)的利用率P；和

显示计算的利用率P。

15.根据权利要求12的方法，还包括的步骤是：

根据现有值(V_x)与规范化有效信V_x的最大值(V₁₈₀)之比(公式3))，计算所说的焊接变压器(2)的利用率P；和

显示计算的利用率P。

16.一种单相全波接触焊机的控制装置，其中，反向并联连接的可控硅(1)和焊接变压器(2)的初级线圈相串连，并且通过控制所说的可控硅(1)的触发相位Q_n来调节焊接电流，该控制装置包括：

计算和存储平方和SK的存储装置(18)，其工作方式是：在预定的相位范围(180°)内，按预定的相位间隔(1°)划分具有给定峰值的正弦值，V_k＝KoSinQ_k，并且在被划分的相位Q_k的各个单元里(Q_k＝1°，2°，3°…180°)，预先计算与每一相位Q_k相对应的正弦值Q_k的平方和S_k＝V₁ ²+V₂ ²+V₃ ²+…+V_k ²；和

第一计算装置(19)，其从所说的存储装置(18)中读取触发相位Q_n和导通终止相位Q_m的平方和S_n及S_m，并且计算供给所说的焊接变压器(2)的有效电压(V_rms)的规范化有效值V_x。

17.根据权利要求16的装置，还包括：

检测交流电源电压(V)的电压检测装置(14)；

V_rms计算装置(16)，其根据检测出的电压(V)，计算所说的交流电源的有效电压V_rms；

第二计算装置(20)，其根据有效电压V_rms和规范化有效值V_x，计算供给所说焊接变压器(2)的有效电压V_t；和

电压控制装置(5-12)，其利用有效电压V_t作为反馈信号进行电压控制。

18.根据权利要求16的装置，还包括：

第三计算装置，用于根据规范化有效值V_x，计算所说的焊接变压器(2)的利用率P；和

显示该利用率P的显示装置(22)。

19.根据权利要求16的装置，还包括：

有效电流检测装置(13，15，17)，用于检测所说的焊接变压器(2)的有效电流I_rms；和

电流控制装置(5～12)，其利用有效电流I_rms作为反馈信号来进行电流控制。

20.根据权利要求18的装置，还包括：

有效电流检测装置(13，15，17)，用于检测所说的焊接变压器(2)的有效电流I_rms；和

电流控制装置(5-12)，其利用有效电流I_rms作为反馈信号来进行电流控制。

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