CN111521948A - 一种基于滤波电感电压的断弧故障检测电路及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于滤波电感电压的断弧故障检测电路及检测方法，在详细分析逆变弧焊电源正常工作状态时工作过程和断弧故障状态时工作过程的基础上，得出了弧焊电源在两种工作状态下滤波电感电压存在显著差异。在此基础上，实时获取逆变弧焊电源输出滤波电感的电压数据并进行分析，进而检测弧焊电源是否处于断弧故障状态。本发明无需断弧传感器及辅助电路，只需通过采样输出滤波电感的电压数据即可实现逆变弧焊电源断弧故障状态检测，省去了断弧传感器及辅助处理电路的安装调试所需时间和成本，使得系统结构更加简单，系统成本更低，安全性更高。

Description

一种基于滤波电感电压的断弧故障检测电路及检测方法

技术领域

本发明涉及弧焊电源故障检测技术，具体涉及一种基于滤波电感电压的断弧故障检测电路及检测方法。

背景技术

随着人类不断向深海探测领域研究的持续深入，对各种深潜装备的耐压提出了严苛的要求。焊接加工质量直接关系到深潜设备的性能和安全性。高性能的焊接设备作为焊接加工系统的核心元件受到了制造装备领域各企业和科研机构的持续关注。弧焊因其具有操作灵活，材料适用性广而广泛应用于造船、桥梁、锅炉、化工设备、起重机械及冶金机械制造等领域，是应用最广泛、最重要的焊接方式。从八十年代至今，弧焊设备有了长足的发展。逆变弧焊电源以其节能高效、体积小、重量轻、可靠性高和数字灵活控制等优点，成为弧焊的主流设备。

然而，随着电磁环境的日益复杂，焊接过程中电弧不可避免的受到外部电磁场及机械振动的影响和干扰。特别是当被焊接件带电情况下，被焊件本身的电磁场也会对电弧产生较大影响，导致断弧故障。由于断弧故障对焊接的稳定性和一致性产生严重的影响，为准确可靠检测断弧故障，需要设置一套检测装置，用于实时监控焊接过程，防止断弧故障引起焊接缺陷。现有的断弧检测装置要么基于电流检测传感器方案，要么基于机器视觉方案实现，上述方案均会导致弧焊系统结构复杂，成本昂贵。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于滤波电感电压的断弧故障检测电路及检测方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种基于滤波电感电压的断弧故障检测电路，其包括：

绝对值电路，与逆变弧焊电源的电感两端相连，并将获取的电感L_f两端的滤波电感电压u_L(t)进行绝对值运算；

信号调理电路，与绝对值电路连接，对绝对值运算后的电压信号|u_L(t)|进行电压幅值调整；

电压检测电路，与信号调理电路的输出端连接，用于检测信号调理电路的输出信号u_a(t)是否小于阈值U_thre，并输出逻辑信号u_b；

定时电路，其包括启动、停止/清零、复位和输出端，所述启动、停止/清零端与电压检测电路的输出逻辑信号u_b相连，，所述定时器实现u_b的高低电平变化时的定时以及停止与清零，并通过所述输出端输出逻辑信号u_T；

故障报警电路，与定时电路的输出端相连，通过获取定时器输出u_T的逻辑值，进而检测弧焊电源是否处于断弧故障状态。

一种基于滤波电感电压的断弧故障检测电路，其包括：

绝对值电路，与逆变弧焊电源的电感两端相连，并将获取的电感L_f两端的滤波电感电压u_L(t)进行绝对值运算；

信号调理电路，与绝对值电路连接，对|u_L(t)|进行电平转换，得到u_samp(t)；

MCU，与信号调理电路连接，通过AD采样u_samp(t)，进而获得u_L(t)的信息；

驱动电路，与MCU连接，实现对PWM1～PWM4的隔离驱动放大，得到drive1～drive4，进而控制S1～S4的通断控制。

一种基于上述基于滤波电感电压的断弧故障检测电路的检测方法，其包括以下步骤：

步骤一、将滤波电感电压u_L(t)进行绝对值处理，得到|u_L(t)|；

步骤二、将|u_L(t)|进行信号调理放大或衰减A，得到u_a(t)，满足：VCC＞u_a(t)≥0；

步骤三、将u_a(t)连接到电压检测电路的输入端，检测u_a(t)是否为零，并输出逻辑信号u_b，满足：u_a(t)＜U_thre，u_b＝1；u_a(t)≥U_thre，u_b＝0；

步骤四、将u_b连接到定时电路的启动和停止/清零端，判断u_b＝1的持续时间是否达到设定值，如果是，则输出逻辑信号u_T＝1，否则，u_T＝0；

步骤五、将u_T连接到故障报警电路输入端，通过获取u_T的逻辑值，进而检测弧焊电源是否处于断弧故障状态。

一种基于上述基于滤波电感电压的断弧故障检测电路的检测方法，其包括以下步骤：

步骤一、初始化N个数据构成的数组{u_samp(i)}，满足：u_samp(i)≠0，i＝0，1，…，N-1；

步骤二、以周期T_s＝αT为间隔对u_samp(t)采样，得到u_samp。其中：0＜α＜1；且α，N满足：m＝αN；m为大于1的正整数；

步骤三、更新N个数据构成的数组{u_samp(0)，u_samp(1)，…，u_samp(N-1)}，：u_samp(i-1)＝u_samp(i)，u_samp(N-1)＝u_samp，其中：1≤i≤N-1；

步骤四、滑动滤波计算{u_samp(0)，u_samp(1)，…，u_samp(N-1)}的平均值

并判断

是否成立；

步骤五、若

成立，则置逆变弧焊处于断弧故障标志。

本发明的有益效果：

断弧故障检测电路简单，可靠，易于实现，省去了断弧传感器及辅助处理电路的安装调试所需时间和成本。

与现有通过安装专用断弧检测装置方案相比，本发明只需采样输出滤波电感的电压即可实现断弧故障的检测，省去了专用断弧检测装置的安装调试所需时间和成本，使得系统结构更加简单，系统成本更低；

本发明所述的逆变弧焊电源断弧故障检测方法具有实现简单、成本低、安全可靠及实用性强等特点，为逆变弧焊电源的安全、高效运行提供可靠保证

附图说明

图1为逆变式弧焊电源系统原理图。

图2为逆变式弧焊电源DC-DC变换器其等效电路。

图3为逆变式弧焊电源DC-DC变换器CCM和DCM的工作波形。

图4为逆变式弧焊电源断弧故障检测电路原理图。

图5为逆变式弧焊电源断弧故障检测系统原理图。

具体实施方式

逆变弧焊电源系统结构及工作原理如下：

逆变式弧焊电源断系统如图1所示，主要包括三相整流模块、高频逆变模块、隔离降压变压器和DC-DC模块。三相整流模块功能是将380V三相交流电整流为电压为540V左右的直流电；高频逆变模块实现将540V的直流电逆变为交流电，通常采用四个功率开关管组成的移相全桥变换器；隔离降压变压器将高压交流电降压到合适的电压幅值；DC-DC模块采用降压型变换器，其输出一端接焊枪，另一端接被焊接材料。通常是焊枪接输出电压的正极，焊接材料接输出电压的负极，也就是接地。

假设电感、电容和二极管均为理想元件，通过分析可知，图1中的DC-DC变换器其等效电路如图2所示，包括，输入电源u_in(t)、滤波电感L_f、滤波电容C_f和等效负载R_L。由于焊接是电能转化为热能，因而可以用电阻R_L等效。由电力电子知识可知，通过调节u_in(t)的占空比d，即可控制输出电压u_o(t)和输出电流i_o(t)。

图3为逆变式弧焊电源DC-DC变换器CCM和DCM的工作波形。假设电容足够大，电容电压保持不变。下面详细分析两种工作模式下波形的特点。

CCM(连续导通模式)：定义DC-DC变换器稳态时：u_in(t)的电压幅值、周期和占空比分别为U_in、T和D，电感L_f两端的电压为u_L(t)，流过电感L_f的电流为i_L(t)，输出电压为U_o，输出电流为I_o。由图3可知，工作于CCM的显著特征是I_o较大，电感储存的能量能维持其电流i_L(t)连续。由电力电子学知识可知，存在以下公式：

令：

I_D为放电电阻R_D上流过的电流，其数值很小。则有：

其中：

DCM(断续导通模式)：由于断弧故障时，等效负载电阻R_L很大，因而DCM的显著特征是I_o很小，近似为零。进而，电感储存的能量能不足，i_L(t)出现断流情况。进一步，由(4)可得：

由于R_D很大，所以

很小。详细波形如图4所示。通过详细分析u_L(t)得波形可知，DCM时，在一个开关周期T内，u_L(t)满足：

其中：D为逆变弧焊电源运行占空比；t₁为电感L_f放电时间。由于电感储能很小，所以放电时间很短。通过对比(1)、(6)可以发现，断弧故障时，u_L(t)出现较长时间电压为零的现象。基于此，可以通过检测u_L(t)电压信息，进而检测逆变弧焊电源是否处于断弧故障状态。

实施例1，本发明提供了一种基于滤波电感电压的断弧故障检测电路，其包括：

绝对值电路，与逆变弧焊电源的电感两端相连，并将获取的电感L_f两端的滤波电感电压u_L(t)进行绝对值运算；

信号调理电路，与绝对值电路连接，对绝对值运算后的电压信号|u_L(t)|进行电压幅值调整；

电压检测电路，与信号调理电路的输出端连接，用于检测信号调理电路的输出信号u_a(t)是否小于阈值U_thre，并输出逻辑信号u_b；

定时电路，其包括启动、停止/清零、复位和输出端，所述启动、停止/清零端与电压检测电路的输出逻辑信号u_b相连，，所述定时器实现u_b的高低电平变化时的定时以及停止与清零，并通过所述输出端输出逻辑信号u_T；

故障报警电路，与定时电路的输出端相连，通过获取定时器输出u_T的逻辑值，进而检测弧焊电源是否处于断弧故障状态。

绝对值电路实现对u_L(t)的绝对值运算，得到电压信号|u_L(t)|；信号调理电路对|u_L(t)|进行放大或衰减A及抗干扰滤波，实现电压幅值调整，确保得到的信号u_a(t)＝A|u_L(t)|处于合理的范围；电压检测电路用于检测u_a(t)是否小于阈值U_thre，其输出为逻辑信号u_b，满足：u_a(t)＜U_thre，u_b＝1；u_a(t)≥U_thre，u_b＝0；定时电路包含启动、停止/清零、复位和输出端。上述启动、停止/清零和复位三个端口均为输入端。启动是高电平有效，停止/清零为低电平有效，启动和停止/清零输入端与电压检测电路输出信号u_b相连。复位端用于复位定时器的输出，高电平有效；输出端输出逻辑信号u_T。定时器实现对u_b＝1的定时，即u_L(t)电压小于阈值U_thre的时间。当u_b＝1持续时间达到定时器设定值时，定时器输出逻辑信号u_T＝1。否则，u_T＝0；故障报警电路通过获取u_T的逻辑值，进而检测弧焊电源是否处于断弧故障状态。

还公开了基于该检测电路的检测方法，其包括以下步骤：

(1)初始化N个数据构成的数组{u_samp(i)}，满足：u_samp(i)≠0，i＝0，1，…，N-1；

(2)以周期T_s＝αT为间隔对u_samp(t)采样，得到u_samp。其中：0＜α＜1；且α，N满足：m＝αN；m为大于1的正整数；

(3)更新N个数据构成的数组{u_samp(0)，u_samp(1)，…，u_samp(N-1)}，即：u_samp(i-1)＝u_samp(i)，u_samp(N-1)＝u_samp。其中：1≤i≤N-1；

(4)滑动滤波计算{u_samp(0)，u_samp(1)，…，u_samp(N-1)}的平均值

判断

是否成立，如果成立，则转入步骤(5)；否则，转入步骤(2)；

(5)置逆变弧焊处于断弧故障标志；

(6)返回步骤(2)；

实施例2，本发明还公开了一种基于滤波电感电压的断弧故障检测电路，其包括：

绝对值电路，与逆变弧焊电源的电感两端相连，并将获取的电感L_f两端的滤波电感电压u_L(t)进行绝对值运算；

信号调理电路，与绝对值电路连接，对|u_L(t)|进行电平转换，得到u_samp(t)；

MCU，与信号调理电路连接，通过AD采样u_samp(t)，进而获得u_L(t)的信息；

驱动电路，与MCU连接，实现对PWM1～PWM4的隔离驱动放大，得到drive1～drive4，进而控制S1～S4的通断控制。

逆变式弧焊电源断弧故障检测系统如图5所示，主要包括三相整流模块、高频逆变模块、隔离降压变压器、DC-DC模块、绝对值电路(本发明采用全桥整流)、信号调理电路、MCU和驱动放大电路。三相整流模块功能是将380V三相交流电整流为电压为540V左右的直流电；高频逆变模块实现将540V的直流电逆变为交流电，通常采用四个功率开关管组成的移相全桥变换器；隔离降压变压器将高压交流电降压到合适的电压幅值；DC-DC模块采用降压型变换器，其输出一端接焊枪，另一端接被焊接材料。通常是焊枪接输出电压的正极，焊接材料接输出电压的负极，也就是接地；绝对值电路对u_L(t)进行绝对值运算，得到|u_L(t)|；信号调理电路对u_L(t)进行电平转换，得到u_samp(t)；MCU通过AD采样u_samp(t)，进而获得u_L(t)的信息；驱动电路实现对PWM1～PWM4的隔离驱动放大，得到drive1～drive4，进而控制S1～S4的通断控制。

还公开了一种基于该检测电路的检测方法，包括如下步骤：

步骤一、将滤波电感电压u_L(t)进行绝对值处理，得到|u_L(t)|；

步骤二、将|u_L(t)|进行信号调理放大或衰减A，得到u_a(t)，满足：VCC＞u_a(t)≥0；

步骤三、将u_a(t)连接到电压检测电路的输入端，检测u_a(t)是否小于阈值U_thre，并输出逻辑信号u_b，满足：u_a(t)＜U_thre，u_b＝1；u_a(t)≥U_thre，u_b＝0；

步骤四、将u_b连接到定时电路的启动和停止/清零端，判断u_b＝1的持续时间是否达到设定值，如果是，则输出逻辑信号u_T＝1，否则，u_T＝0；

步骤五、将u_T连接到故障报警电路输入端，通过获取u_T的逻辑值，进而检测弧焊电源是否处于断弧故障状态。

实施例不应视为对本发明的限制，但任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于滤波电感电压的断弧故障检测电路，其特征在于：其包括：

绝对值电路，与逆变弧焊电源的电感两端相连，并将获取的电感L_f两端的滤波电感电压u_L(t)进行绝对值运算；

信号调理电路，与绝对值电路连接，对绝对值运算后的电压信号|u_L(t)|进行电压幅值调整；

电压检测电路，与信号调理电路的输出端连接，用于检测信号调理电路的输出信号u_a(t)是否小于阈值U_thre，并输出逻辑信号u_b；

定时电路，其包括启动、停止/清零、复位和输出端，所述启动、停止/清零端与电压检测电路的输出逻辑信号u_b相连，，所述定时器实现u_b的高低电平变化时的定时以及停止与清零，并通过所述输出端输出逻辑信号u_T；

故障报警电路，与定时电路的输出端相连，通过获取定时器输出u_T的逻辑值，进而检测弧焊电源是否处于断弧故障状态。

2.一种基于滤波电感电压的断弧故障检测电路，其特征在于：其包括：

绝对值电路，与逆变弧焊电源的电感两端相连，并将获取的电感L_f两端的滤波电感电压u_L(t)进行绝对值运算；

信号调理电路，与绝对值电路连接，对|u_L(t)|进行电平转换，得到u_samp(t)；

MCU，与信号调理电路连接，通过AD采样u_samp(t)，进而获得u_L(t)的信息；

驱动电路，与MCU连接，实现对PWM1～PWM4的隔离驱动放大，得到drive1～drive4，进而控制S1～S4的通断控制。

3.一种基于上述权利要求1所述的基于滤波电感电压的断弧故障检测电路的检测方法，其特征在于：其包括以下步骤：

步骤一、将滤波电感电压u_L(t)进行绝对值处理，得到|u_L(t)|；

步骤二、将|u_L(t)|进行信号调理放大或衰减A，得到u_a(t)，满足：VCC＞u_a(t)≥0；

步骤三、将u_a(t)连接到电压检测电路的输入端，检测u_a(t)是否小于阈值U_thre，并输出逻辑信号u_b，满足：u_a(t)＜U_thre，u_b＝1；u_a(t)≥U_thre，u_b＝0；

步骤四、将u_b连接到定时电路的启动和停止/清零端，判断u_b＝1的持续时间是否达到设定值，如果是，则输出逻辑信号u_T＝1，否则，u_T＝0；

步骤五、将u_T连接到故障报警电路输入端，通过获取u_T的逻辑值，进而检测弧焊电源是否处于断弧故障状态。

4.一种基于上述权利要求2所述的基于滤波电感电压的断弧故障检测电路的检测方法，其特征在于：其包括以下步骤：

步骤一、初始化N个数据构成的数组{u_samp(i)}，满足：u_samp(i)≠0，i＝0，1，…，N-1；

步骤二、以周期T_s＝αT为间隔对u_samp(t)采样，得到u_samp。其中：0＜α＜1；且α，N满足：m＝αN；m为大于1的正整数；

步骤三、更新N个数据构成的数组{u_samp(0)，u_samp(1)，…，u_samp(N-1)}，：u_samp(i-1)＝u_samp(i)，u_samp(N-1)＝u_samp，其中：1≤i≤N-1；

步骤四、滑动滤波算法计算{u_samp(0)，u_samp(1)，…，u_samp(N-1)}的平均值

并判断

是否成立；

步骤五、若

成立，则置逆变弧焊处于断弧故障标志。

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