CN1110734C - 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，其中，反向并联连接的可控硅和焊接变压器的初级线圈串联连接，并且通过控制所述的可控硅的触发相位θ_n来调节焊接电流，该控制装置包括：存储装置，用于计算和存储平方和S_K，其中，在预定的相位范围内、按预定的相位间隔Q_K对具有给定峰值的正弦值Vk＝KoSinθ_k取样，并预先计算与每一相位间隔θ_k相对应的正弦值θ_k的平方和S_k＝V₁ ²+V₂ ²+V₃ ²+…V_k ²；和第一计算装置，用于从所述存储装置中读取触发相位θ_n和导通终止相位θ_m的平方和Sn及Sm，并且计算供给所述焊接变压器的有效电压的规范化有效值Vx；以及控制部件，用于利用所述规范化有效值V_x控制对焊接变压器的初级线圈加电压。

Description

接触焊机的控制装置

技术领域

本发明涉及接触焊机的控制装置，特别是涉及这样一种控制装置，对于使用可控硅的单相全波整流的接触焊机，该装置可改进电压控制精度。(参见现有技术的描述)

背景技术

接触焊机也叫做“点焊机”，广泛用于像车辆生产线那样的普通工业领域。单相全波接触焊机是使用最普及的一种类型。

单相全波接触焊机采用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次级电流，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，反馈的是提供给焊接变压器初级部分的初级电压。

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，当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过，则其余焊枪的电流就会相应地增加。相比之下，电压控制系统虽然不能获得高精度的焊接电流控制，但却经济实用。

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θn是90°。

因为焊接变压器的功率因数小于1，所以电流 i从θn处的零开始单调增加，而后再单调减小并且在θm处恢复为零，这样便完成半个周期的导通。在下半个周期，电流按相反的方向流动。图2A中从θn到θm的阴影线部分表示的是在半个周期导通间隔里，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。

每当在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，由于该电压的初始值和终止值都不为零，因此根据采样开始时间和结束时间的不同选择，将会产生测量误差。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。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种接触焊机的控制装置，该装置能够减少微机的处理负荷，并且能够高速地、精确地在预定的采磁周期内，检测施加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，能实现一种价格低廉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。

本发明的控制装置适用于，例如单相全波接触焊机，其中，一对反向并联的可控硅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θn来调节焊接电流。该控制装置包括：存储装置，用于计算和存储平方和Sk，其中，在预定的相位范围内、按预定的相位间隔Qk对具有给定峰值的正弦值Vk＝KoSinθk取样，并预先计算与每一相位间隔θk相对应的正弦值θk的平方和Sk＝V₁ ²+V₂ ²+V₃ ²+…Vk²；和第一计算装置，用于从所述存储装置中读取触发相位θn和导通终止相位θm的平方和Sn及Sm，并且计算供给所述焊接变压器的有效电压的规范化有效值Vx；以及控制部件，用于利用所述规范化有效值Vx控制对焊接变压器的初级线圈加电压。

本发明提供了一种用于控制接触焊机的控制装置，该焊机包括焊接变压器，其初级线圈与交流供电电源相连，其次级线圈和焊枪相连；以及插在所述的交流供电电源和所述焊接变压器的次级线圈之间、并在预定的触发相位被触发的开关元件，该控制装置包括：存储装置，用于计算和存储平方和Sk，其中，在预定的相位范围内按预定的相位间隔θk，对具有预定峰值和与所述的交流供电电源的交流分量相对应的正弦波值Vk＝KoSinθk取样，并且按相位间隔θk计算正弦波的平方值Vk²，并计算平方和Sk＝V₁ ²+V₂ ²+V₃ ²+…+Vk²；规范化有效值计算装置，用于从所述存储装置中读出在触发相位的平方和Sn和在所述开关元件完成导通时的相位的平方和Sm，并且根据读出的Sn和Sm，计算靠对交流供电电压的有效值进行规范化而得到的规范化有效值Vx，以及控制部件，用于利用所述规范化有效值Vx控制对焊接变压器的初级线圈施加电压。

本发明的控制接触焊机的方法包括下列步骤：在预定的相位范围内、按预定的相位间隔θk对具有预定峰值并与所述交流电源的交流分量AC相对应的正弦波Vk＝Kosinθk进行取样；按每个所述的相位间隔θk计算正弦波Vk的平方值Vk²；计算平方和Sk＝V₁ ²+V₂ ²+V₃ ²+…+Vn²；根据在触发相位的平方和Sn的值和所述开关元件完成导通时的相位的平方和Sm的值，计算通过对交流电源电压的有效值进行规范化得到的规范化有效值，以及利用所述规范化有效值V_x来控制对焊接变压器的初级线圈加电压。

附图说明

图1是本发明一个实施例的框图；

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是流程图，给出了本发明计算装置计算程序举例。

具体实施方式

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的电压并输出信号 V的电压检测器用标号4表示；检测可控硅端电压(阳-阴极之间的电压)Vth的电压检测器用标号5表示。计算和输出触发相位θn的控制部件用标号6表示；锁存控制部件6输出的锁存相位θn的锁存器用标号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并输出电压 V相位数据θ(t)的相位计数器用标号9表示；把相位计数器9的输出θ(t)和θn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，用于在每次电压检测器检测的电压 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Dv和Di；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θ_n和导通截止相位角θ_m(将在后面叙述)，使用规范化数据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，相位计数器9的θ_(t)值的计算与时钟脉冲发生器输出的脉冲CP同步。相位计数器响应零电压检测器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θ_(t)。

控制部件6接收控制目标值R_ef，而有效电压V_t或者焊接变压器的有效电流I_rms则反锁到控制部件6，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θ_n，并把θ_n写入锁存器7。当相位信号θ和触发相位角θ_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有选择地响应电压控制反馈信号U_rms和电流控制反馈信号I_rms中的一个信号。

使用规范化数据计算焊接变压器的有效电压V_t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。这个示例表示的是，从1°到180°范围内，利用以1°为单位的规范化相位角θ_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＝θ_k)。在8位的情况下，V_k是255sinθ_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，通过下述公式预先计算并被存储：

S₁＝V₁ ²，S₂＝S₁+V₂ ²，S₃＝S₂+V₃ ²，…

S_K＝S(K-1)+V_K ²，…S₁₈₀＝S₁₇₉+V₁₈₀ ²

应注意，当图1中的计算部分(6，16，17，19，20，21)由RISC(缩减指令集计算机)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(θK)	瞬时值(VK)	平方和(SK)
				123：：899091：：177178179180	123899091：：177178179180	4813254255254：：13840	16802492，879，5262，944，5513，009，067：：5，823，9975，824，0615，824，0775，824，077

V_x计算器推导出触发相位角数据θ_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在阻断状态所产生的V_th发生改变时，根据相位信号θ_(t)检测导通终止相位角θ_m。然后，计算器19从数据表18中读出平方和S_n＝(s(n-1)+V_n ²)和S_m(＝s(m-1)+V_m ²)，并通过公式(1)进行数学运算而得到： $V_x=K1\·\sqrt{S_{180}-S_n+S_m}---\left(1\right)$

(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θ_m ^*＝θ_m-180°，则在相位角180°到θ_m之间的电压波形W₁和相位0°到θ_m ^*之间的电压波形W₂相等。θ_n到θ_m之间的有效电压与0°到θ_m ^*以及θ_n到180°之间的有效电压之和相等。由于相位计数器19每180°( V的半周期)被重置零一次，所以，导通终止相位角θ_m的值是以θ_m ^*的形式测得的。因此在变压器完成导通后，立即读取数据表格18，在很短时间内，计算出V_x。

图3A为用于计算规范化有效电压V_x的程序框。

首先由图1所示的V_x计算器19，例如其由微机组成，从数据表18读取触发相位角数据θ_n(S11步)

计算器19接收电压检测器5所检测的可控硅1的端电压V_th，当电压V_th相对于可控硅1的导通电压来说是一个小的数值时(第S12步为“是”)，并且随后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从相位计数器9中读取数据θ_(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θ_m和θ_(t)，便可以得到平方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每半个周期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输出。

       V_t＝V_rms·V_x/V₁₈₀

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θ_n到导通终止相位角θ_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＝100·V_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 V的一个过零点时，便产生一个过零点检测脉冲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转换为数字数据(S₂₃步)。计算器16利用电源电压数据D_v和来自检测器12的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： $V_{\mathrm{rms}}\⇐V_{\mathrm{rms}}+{V_K}^2---\left(4\right)$

利用上面公式计算的V_rms作为新的V_rms(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)。如果相移小于180°(第S₂₅步为“否”)，则检测电压 V的相位是否前移了一个预定值(例如1°)(S₂₆步)。如果相移小于1°(第S₂₆步为“否”)，则将等待直到相位由现有相位推前1°为止(S₂₇步)。如果电压 V的相位前移31°(第S₂₆步为“是”)，则程序返回到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： $V_{\mathrm{rms}}\⇐K0\·\sqrt{V_{\mathrm{rms}}}---\left(5\right)$

利用上面公式计算的V_rms作为新的V_rms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，所以可以实现价格低廉、经济实用的高精度电压控制。因为能够显示焊接变压器的利用率P，所以能够监测控制边界，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，也可以显示焊接变压器的利用率，从而易于选择焊接变压器的容量。

Claims (19)

1.一种用于控制接触焊机的控制装置，该焊机包括焊接变压器，其初级线圈与交流供电电源相连，其次级线圈和焊枪相连；以及插在所述的交流供电电源和所述焊接变压器的次级线圈之间、并在预定的触发相位被触发的开关元件，该控制装置包括：

存储装置，用于计算和存储平方和Sk，其中，在预定的相位范围内按预定的相位间隔θk，对具有预定峰值和与所述的交流供电电源的交流分量相对应的正弦波值Vk＝KoSinθ_k取样，并且按每个相位间隔θk计算正弦波的平方值Vk²，并计算平方和Sk＝V₁ ²+V₂ ²+V₃ ²+…+Vk²；

规范化有效值计算装置，用于从所述存储装置中读出在触发相位的平方和Sn和在所述开关元件完成导通时的相位的平方和Sm，并且根据读出的Sn和Sm，计算靠对交流供电电压的有效值进行规范化而得到的规范化有效值Vx，以及

控制部件，用于利用所述规范化有效值Vx控制对焊接变压器的初级线圈施加电压。

2.根据权利要求1的装置，其中所述的接触焊机是单相全波型接触焊机。

3.根据权利要求1的装置，还包括：

有效电流检测装置，用于检测流经所述焊接变压器的有效电流Irms；和

利用有效电流Irms作为控制反馈信号，对所述开关元件进行电流控制的装置。

4.根据权利要求1的装置，其中，所述规范化有效值Vx由下式得出： $\mathrm{Vx}=K1\·\sqrt{\underset{1}{S180}-\mathrm{Sn}+\mathrm{Sm}}$

其中的K1和S180为常数。

5.根据权利要求1的装置，还包括：

电压检测装置，用于检测所述交流电源的电压；

有效值计算装置，用于通过所述电压检测装置检测到的交流电源电压计算有效值Vrms；

有效电压计算装置(20)，利用有效值Vrms和规范化的有效值Vx计算施加在所述焊接变压器的次级线圈上的有效电压Vt；和

利用有效电压Vt作为控制反馈信号，对所述的开关元件进行电流控制的装置。

6.根据权利要求1的装置，还包括：

利用率计算装置，用于根据现有值与规范化有效值Vx的最大值之比，计算所述焊接变压器的利用率P；和

显示该计算出的利用率P的装置。

7.根据权利要求6的装置，其中还包括：

有效值计算装置，用于计算所述交流电源的交流电压的有效值Vrms；

有效电压计算装置，用于利用有效值Vrms和规范化有效值Vx来计算施加给所述焊接变压器次级线圈的有效电压Vt；和

用于利用有效电压Vt作为控制反馈信号、对所述的开关元件进行电压控制的装置。

8.一种用于控制接触焊机的方法，其中的焊机包括焊接变压器和开关元件，所述焊接变压器的初级线圈和交流电源相连，其次级线圈与焊枪相连接；所述开关元件接在所述交流电源和所述焊接变压器的次级线圈之间、并在预定的触发相位被触发，该控制方法包括下列步骤：

在预定的相位范围内、按预定的相位间隔θk对具有预定峰值并与所述交流电源的交流分量AC相对应的正弦波Vk＝Kosinθk进行取样；

按每个所述的相位间隔θk计算正弦波Vk的平方值Vk²；

计算平方和Sk＝V₁ ²+V₂ ²+V₃ ²+…+Vn²；

根据在触发相位的平方和Sn的值和所述开关元件完成导通时的相位的平方和Sm的值，计算通过对交流电源电压的有效值进行规范化得到的规范化有效值，以及

利用所述规范化有效值Vx来控制对焊接变压器的初级线圈加电压。

9.根据权利要求8的方法，还包括下列步骤：

检测所述的交流电源的电压；

利用所检测到的交流电源电压，计算其有效值Vrms；

利用该有效值Vrms和规范化有效值Vx，计算供给所述焊接变压器次级线圈的有效电压Vt；和

利用有效电压Vt作为控制反馈信号，对所述的开关元件进行电压控制。

10.根据权利要求8的方法，还包括步骤：

检测流经所述的焊接变压器的有效电流Irms；和

利用有效电流Irms作为控制反馈信号，对所述的开关元件进行电流控制。

11.根据权利要求8的方法，其中，还包括下列步骤：

根据所述规范化有效值Vx的现有值与其最大值之比，计算所述焊接变压器的利用率P；和

显示该计算得到的利用率P。

12.根据权利要求9的方法，其中，还包括下列步骤：

根据规范化有效值Vx的现有值和其最大值之比，计算所述焊接变压器的利用率P；和

显示该计算得到的利用率P。

13.根据权利要求10的方法，其中，还包括下列步骤：

根据规范化有效值Vx的现有值与其最大值之比，计算所述焊接变压器的利用率P；和

显示该计算得到的利用率P。

14.一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和焊接变压器的初级线圈串联连接，并且通过控制所述的可控硅的触发相位θn来调节焊接电流，该控制装置包括：

存储装置，用于计算和存储平方和Sk，其中，在预定的相位范围内、按预定的相位间隔Qk对具有给定峰值的正弦值Vk＝KoSinθk取样，并预先计算与每一相位间隔θk相对应的正弦值θk的平方和Sk＝V₁ ²+V₂ ²+V₃ ²+…Vk²；和

第一计算装置，用于从所述存储装置中读取触发相位θn和导通终止相位θm的平方和Sn及Sm，并且计算供给所述焊接变压器的有效电压的规范化有效值Vx；以及

控制部件，用于利用所述规范化有效值Vx控制对焊接变压器的初级线圈加电压。

15.根据权利要求16的装置，其中，还包括：

检测交流电源的电压的电压检测装置；

有效值计算装置，用于根据检测出的电压计算所述交流电源的有效电压Vrms；

第二计算装置，用于根据有效电压Vrms和规范化有效值Vx，计算供给所述焊接变压器的有效电压Vt；和

电压控制装置，用于利用有效电压Vt作为反馈信号进行电压控制。

16.根据权利要求14的装置，其中，还包括：

有效电流检测装置，用于检测所述焊接变压器的有效电流Irms；和

电流控制装置，用于利用有效电流Irms作为反馈信号来进行电流控制。

17.根据权利要求14的装置，其中，所述规范化有效值Vx由下式得到： $\mathrm{Vx}=K1\·\sqrt{S180-\mathrm{Sn}+\mathrm{Sm}}$

其中的K1和S180为常数。

18.根据权利要求14的装置，其中，还包括：

第三计算装置，用于计算所述焊接变压器的利用率P；和

显示该利用率P的显示装置。

19.根据权利要求18的装置，还包括：

有效电流检测装置，用于检测所述焊接变压器的有效电流Irms；和

电流控制装置，用于利用有效电流Irms作为反馈信号来进行电流控制。

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