CN111867772B - 具有动态电流响应的焊接电力供应器 - Google Patents

Abstract

公开了具有动态电流响应的焊接电力供应器。示例性焊接电力供应器包括：功率转换电路(102)，其被配置为将供应电力转换为焊接电流；电压感测电路(104)，其被配置为测量功率转换电路的输出电压；以及控制电路(106)，其被配置为：响应于检测到输出电压已经降低到低于下限电压：控制由功率转换电路输出的焊接电流的增加的斜变速率；以及响应于检测到输出电压已经上升到高于下限电压，控制由功率转换电路输出的焊接电流的减小的斜变速率。

Description

具有动态电流响应的焊接电力供应器

相关申请

本国际申请要求于2018年3月23日提交的标题为“具有动态电流响应的焊接电力供应器”的美国临时专利申请第62/646,958号的优先权。美国临时专利申请第62/646,958号的全部内容通过引用并入本文。

背景技术

本公开总体上涉及焊接系统，并且更具体地涉及具有动态电流响应的焊接电力供应器。

在过去，直流发电机式焊机已占领焊条焊接市场，以及更具体地管道焊接应用。由电机的磁性设计决定的、直流发电机中固有的电弧/焊接特性为管道焊接应用提供了高质量的表现。通过选择直流发电机磁体上的抽头和/或改变发电机电场回路中的阻抗，可以改变电机响应。传统的电子控制的逆变器/高频切换的焊接电源没能复制直流发电机对焊条焊接应用具有吸引力的焊接特性。虽然合需的表现是直流发电机中固有的，但在传统的高频切换的焊接电源中却没有这样的表现。

发明内容

公开了具有动态电流响应的焊接电力供应器，其基本上如在权利要求中更完整地阐述的并结合至少一个附图进行描述的。

附图说明

图1是根据本公开的方面的具有可调节的电流斜变速率的示例性焊接电力供应器的示意图。

图2是示出可由图1的示例性焊接电力供应器使用以提供焊接电力的示例性电压-安培数关系的关系图。

图3A-3D是示出响应于检测到输出电压下降到低于较低电压阈值，可以由图1的焊接电力供应器实施的示例性电流响应的关系图。

图4A和4B是示出可以由图1的焊接电力供应器响应于检测到输出电压下降到低于较低电压阈值并且在一定时限内电压未能返回到较低电压阈值之上而实施的示例性电流响应的关系图。

图5示出了示例性用户界面，其可用于实施图1的示例性焊接电力供应器的用户界面以接收用于安培数、电弧控制、定制电弧控制(dig)范围和/或斜率参数的输入。

图6A和6B共同示出了表示示例性机器可读指令的流程图，该示例性机器可读指令可以由图1的示例性焊接电力供应器执行以提供用于焊接操作的电力。

图7A-7C共同示出了表示示例性机器可读指令的流程图，该指令可以由图1的示例性焊接电力供应器执行以执行定制电弧控制模式来控制焊接操作的输出安培数。

图8是表示示例性机器可读指令的流程图，该指令可由图1的示例性焊接电力供应器执行以在输出电压超过下降阈值时控制焊接操作的输出安培数。

附图不一定按比例绘制。在适当的情况下，相似或相同的附图标记用于表示相似或相同的部件。

具体实施方式

所公开的示例提供了一种用于控制焊条焊接过程的电流响应的方法。在焊条焊接中，当熔融金属的液滴从焊接电极的末端转移到焊池时发生短路。

传统上，电子/逆变器式焊接电源通过限制电源可以输送的最大短路电流而具有在短路期间受到控制的焊接电流响应。最大短路电流通过所谓的“定制电弧”控制或“电弧力”控制由操作者控制。传统上，“定制电弧”控制或“电弧力”控制是通过电源的用户界面上的旋钮或其他调节装置来实现的。传统上，电流的上升速率对于逆变器式电力供应器来说是固定的，并且不会随着电弧力控制设置(即，电流限制)的增加或减少而改变。

所公开的示例提供了对增加的电流斜变速率、保持安培数和/或停留时间，和/或在短路条件下减小的电流斜变速率的控制。所公开的示例在由控制电路执行的软件中实施电流控制回路，该控制电路诸如是控制逆变器或切换式电力供应器的焊接输出的微控制器。

所公开的示例再现或模仿DC发电机的响应的一些部分，并且允许操作者更自由地对焊接作出驾驭。所公开的示例使得能够在焊条焊接管道接头中保持更紧密的电弧长度而不会导致电极粘附到管道，这在各种焊接条件、接头配合和其他管道接头焊接参数之间提供了更大的灵活性。所公开的示例还提高了操作者焊接管道接头的速度和可靠性。

术语“电流”和“安培数”在本文中可互换使用。

所公开的示例性焊接电力供应器包括功率转换电路、电压感测电路和控制电路。功率转换电路将供给功率转换为焊接电流。该电压感测电路测量该功率转换电路的输出电压。当输出电压在第一上限电压和下限电压之间时，控制电路控制功率转换电路以输出基本上匹配安培数参数的焊接电流。当输出电压高于第一上限电压且低于第二上限电压时，控制电路控制功率转换电路以基于第一电压-安培数关系输出焊接电流。响应于检测到输出电压已经降低到低于下限电压，控制电路控制由功率转换电路输出的焊接电流的增加的斜变速率，并且响应于检测到输出电压已经上升到高于下限电压，控制电路控制由功率转换电路输出的焊接电流的减小的斜变速率。

一些示例性焊接电力供应器还包括用于驱动发电机的发动机，其中发电机向功率转换电路提供功率。一些示例性焊接电力供应器还包括被配置为接收安培数参数的用户界面。

在一些示例中，控制电路通过根据反电压-安培数关系基于安培数参数控制功率转换电路来控制功率转换电路以基于第一电压-安培数关系输出焊接电流。一些示例性焊接电力供应器还包括用于接收指定逆电压-安培数关系的输入的用户界面，其中控制电路基于该输入确定逆电压-安培数关系。在一些示例中，控制电路基于该输入将焊接电流增加至高于一电流，该电流由在高于第一上限电压的1.5安培每伏特(A/V)和高于第一上限电压的3.0A/V之间的安培数参数规定。

在一些示例中，控制电路通过以下步骤来控制由功率转换电路输出的焊接电流的上升斜变速率：控制功率转换电路以第一速率增加焊接电流；控制功率转换电路以小于第一速率的第二速率增加焊接电流；以及控制功率转换电路以保持安培数输出焊接电流。一些示例性焊接电力供应器还包括接收输入的输入装置，其中控制电路基于该输入来控制安培数参数、第一速率、第二速率、保持安培数或第一电压-安培数关系中的一者或多者。

在一些示例中，控制电路控制功率转换电路以将焊接电流以第一速率增加直至第一阈值安培数，并且控制功率转换电路以将焊接电流以第二速率从第一阈值安培数上升到保持安培数。一些这样的示例还包括接收输入的输入装置，其中控制电路基于该输入来控制安培数参数、第一速率、第二速率、保持安培数、第一阈值安培数或第一电压-安培数关系中的一者或多者。

在一些示例中，在检测到输出电压已经减小到低于下限电压之后，控制电路控制功率转换电路在第一时间段内继续以该安培数参数输出焊接电流。在第一时间段之后，控制电路控制功率转换电路以使焊接电流从安培数参数开始以一定的安培数阶变量增加，并且控制功率转换电路开始以第一速率增加焊接电流。

在一些示例性焊接电力供应器中，控制电路响应于检测到输出电压在阈值时间段内没有增加到高于下限电压，同时控制功率转换电路以保持安培数输出焊接电流：以第三速率将焊接电流增加直至第二保持安培数；以及控制功率转换电路以第二保持安培数输出焊接电流。

在一些示例中，控制电路通过以下步骤来控制由功率转换电路输出的焊接电流的减小的斜变速率：控制功率转换电路以第三速率减小焊接电流；以及控制功率转换电路以小于第三速率的第四速率减小焊接电流。在一些这样的示例中，控制电路控制功率转换电路以第三速率减小焊接电流，直到焊接电流满足阈值或持续阈值时间段。在一些示例中，第三速率基于第一速率，而第四速率基于第二速率。

在一些示例中，第二速率在每100微秒0.5安培(A/μs)与每100微秒2.5安培之间。在一些示例中，第一速率基于第二速率。在一些示例中，第一上限电压在23伏与24伏之间。在一些示例中，下限电压在18.5与19.5伏之间。在一些示例中，下限电压约为19伏。在一些示例中，第一上限电压与下限电压之间的差值在3伏与6伏之间。在一些这样的示例中，第一上限电压与下限电压之间的差值在4伏与5伏之间。

在一些示例性焊接电力供应器中，控制电路通过以下步骤来控制由功率转换电路输出的焊接电流的减小的斜变速率：控制功率转换电路以第一速率减小焊接电流；以及控制功率转换电路以小于第一速率的第二速率减小焊接电流。一些示例性焊接电源还包括电压补偿器，该电压补偿器用于基于焊接电缆或工作电缆中的至少一者中的计算出的电压降来修改下限电压、第一上限电压或第二上限电压中的至少一者。在一些示例中，电压感测电路被配置为测量使用焊接电流产生的电弧附近的输出电压。

图1是具有可调电流斜变速率的示例性焊接电力供应器100的示意图。示例性焊接电力供应器100是功率转换电路102、电压感测电路104、控制电路106、电压比较器108和用户界面110。示例性焊接电力供应器100使焊机能够执行金属保护电弧焊接(SMAW)，也称为“焊条”焊接)。

图1的功率转换电路102将初级电力112转换为焊接型电力。示例性功率转换电路102可以包括切换式电力供应器(或“逆变器”)拓扑。主功率112可以是任何合适的功率源，诸如公用事业(例如，电网)功率、发动机/发电机功率，和/或公用事业功率和发动机功率的任何组合。焊接型电力供应器具有基于电流控制回路的输出电流。例如，可以基于经由用户界面110选择的电流设定点和/或电压设定点来控制输出电流和/或焊接电压。功率转换电路102将焊接功率输出到焊炬114，诸如焊条电极保持器。焊炬114便于在工件116处建立焊弧。

电压检测电路104测量焊接电压。焊接电压可以指焊接电力供应器100的输出电压和/或所测得的电弧电压。在图1的示例中，电压感测电路104采样或测量焊接电力供应器100的输出螺柱处的焊接电压。在一些其他示例中，电压感测电路104可以包括感测引线以测量工件116处和/或焊接电路中的另一位置处的焊接电压。

所测得的焊接电压被传递通过模拟滤波电路。示例性滤波器是具有4KHz的拐角频率的4阶滤波器。将输出电压反馈提供给控制电路106。电压感测电路104和/或电压比较器108可以实施模数转换器以将电压转换为数字值。控制电路106还经由软件、固件和/或硬件对电压反馈进行滤波。在一些示例中，针对在焊接电缆上发生的电压降补偿输出电压。

控制电路106使用电流控制回路来控制由功率转换电路102输出的输出电流和/或焊接电压。用户界面110可以包括用于接收安培数参数(例如，输出电流设定点)的用户输入装置。控制电路106基于由电压感测电路104提供的输出电压信息执行电流控制回路。

在一些示例中，由功率转换电路102实施电流控制回路。在由控制电路106执行的软件中实施电压比较器108和用于增大和/或减小电流的计算，控制电路106将电流命令作为输出输出到由功率转换电路102实施的电流控制回路。在一些其他示例中，在由控制电路106执行的软件中实施电流控制回路，该控制电路106控制功率转换电路102的焊接输出。

控制电路106的电压比较器108将所测得的输出电压与一个或多个阈值进行比较以确定电流控制方案。例如，当电压比较器108确定输出电压在第一上限电压和下限电压之间时(例如，在恒定电流模式范围内)，，控制电路106控制功率转换电路102输出基本上匹配安培数参数的焊接电流(例如，无论在该范围内的输出电压如何)。

当电压比较器108确定输出电压低于下限电压时，示例性控制电路106可以使用短路模式或定制电弧控制模式来控制输出电流。在定制电弧控制模式中，示例性控制电路106试图消除电极和工件116之间的短路状况。示例性定制电弧控制模式控制技术涉及控制由功率转换电路102输出的焊接电流的一个或多个增加的斜变速率，并且响应于检测到输出电压已经增加到高于第一较低电压限值(例如，短路已经被清除并且电弧重新建立)，对于由功率转换电路102输出的焊接电流的一个或多个减小的斜变速率进行控制。

控制电路106提供动态电流响应，以向焊接操作者提供优异的电弧表现和改进的电弧焊接操作者控制。如下面更详细描述的，控制电路106控制功率转换电路102以至少部分基于输出电压来控制输出电流。当输出电压在第一上限电压和下限电压之间时，控制电路106控制功率转换电路102以输出基本上匹配安培数参数的焊接电流。当输出电压高于第一上限电压且低于第二上限电压时，控制电路106控制功率转换电路102以基于第一电压-安培数关系输出焊接电流。响应于检测到输出电压已经减小到低于下限电压，控制电路106控制由功率转换电路102输出的焊接电流的增加的斜变速率，并且响应于检测到输出电压已经增加到高于第一下限电压，对于由功率转换电路102输出的焊接电流的减小的斜变速率作出控制。

当电压比较器108确定输出电压高于第一上限电压且低于第二上限电压时，示例性控制电路106控制功率转换电路102以基于第一电压-安培数关系(例如，下降模式)输出焊接电流。可在下降模式中使用的示例性电压-安培数关系涉及对应于电压(例如，高于第一上限电压的电压)的相应增加的电流输出(相对于安培数参数)的减小。该下垂模式使得焊接操作者能够通过增加电弧长度(并因此增加电弧电压)来控制到焊缝的电流输入(并因此控制热输入)，并且在下坡焊接和/或在期望熔池控制的别址焊接中特别有用。

在一些示例中，控制电路106基于电弧控制参数输入来选择电弧控制参数。可以从用户界面110接收电弧控制参数输入。例如，用户界面110可以包括斜率控制输入、电弧控制输入、定制电弧控制范围输入和/或安培数参数输入，以使得用户能够选择或调节电弧控制参数输入。在一些示例中，用户界面110输入装置模仿通常在DC发电机型焊接电力供应器上找到的抽头选择和调节选择。在图1的示例中，控制电路106以至少15千赫(kHz)的速率执行电流控制回路。

附加地或可选地，用户界面110可以使得能够选择不同的焊条焊接操作作为电弧控制参数输入，诸如6010焊棒焊接、7018焊棒焊接、下坡管道焊接等。控制电路106可以基于所选择的焊条焊接操作来选择预定的电弧控制参数。

在一些示例中，控制电路106可以自动地识别焊条焊接操作(例如，焊棒型)并且基于焊条焊接操作来选择预定电流斜变速率。控制电路106可以通过例如读取附着到焊棒的标识和/或观察焊接的特性(例如短路事件的频率和/或持续时间)来识别特定的焊棒类型。例如，某些类型的焊条电极可能导致在一定频率范围内发生的短路事件。

在一些示例中，控制电路106识别对应于输出电流、焊接电压、输入到控制电路106的焊接参数、电极尺寸和/或电极类型的焊接数据。控制电路106可以使用焊接数据来选择安培数和/或电弧控制参数。例如，焊工可以经由用户界面110指定焊条电极的尺寸和/或类型。作为响应，控制电路106识别并选择与指定电极一起使用的预调节的电流斜变速率。

在一些示例中，控制电路106存储与焊接操作(例如，由操作者执行的一个或多个先前焊接操作)相对应的焊接数据。控制电路106可以使用存储的数据来选择电弧控制参数作为电弧控制参数输入。例如，所存储的焊接数据可以指示在一时间段期间发生了多少次短路以确定短路速率。控制电路106可以选择电流斜变速率，以使定制电弧控制响应适应于短路速率。

本文描述了电弧控制参数的示例类型。控制电路106可以使用输入的组合来选择电弧控制参数。

控制电路106执行电流控制回路以控制输出电流。在图1的示例中，当焊接电压对应于短路条件时，控制电路106以电流斜变速率增加输出电流。控制电路106可以在短路期间监视焊接电压以识别何时将要清除短路。例如，当焊接电压开始增加(或对于某一数目的连续样本增加)时，控制电路106可停止增加电流以减少由于清除短路而导致的飞溅。

在一些示例中，电压感测电路104包括电压补偿器118以基于一个或多个输入来估计电弧电压。为了估计电弧电压，电压补偿器118可以估计由焊接电缆和/或工作电缆引起的电压降，其中该电压降将显著地影响电压阈值的表现。可用于估计电弧电压和/或电压降的示例性输入可包括输出电压、焊接电缆电阻、工作电缆电阻、输出电流和/或输出电感。

图2是示出可由图1的示例性焊接电力供应器100用来提供焊接电力的示例性电压-安培数关系200的关系图。图2的示例性电压-安培数关系200可以被定义为根据输出电压设置的输出安培数，并且包括三个示例性电压限值202、204、206和四个电压范围208、210、212、214。示例性电压范围214对应于其中不存在电弧的开路。

当输出电压低于下限电压202时，控制电路106在电压范围208内以定制电弧控制模式操作。定制电弧控制范围208可由图1的控制电路106使用，以清除短路事件，同时减少飞溅和/或电极劣化。下面参考图3A、3B、3C、3D、4A和4B描述控制电路106对低于下限电压202的测量输出电压的示例性响应。

当输出电压在下限电压202和第一上限电压204之间时，控制电路106在电压范围210内以电流控制模式(例如，恒定电流模式等)操作。在电流控制模式210中，控制电路106使用电流控制回路来控制功率转换电路102以维持基本上恒定的电流输出。控制电路106可以保持电流输出基本上等于经由用户界面110输入的安培数参数，以提供焊接操作者期望的一致输出。

示例性电压范围210在3-6伏之间，或者更具体地在4-5伏之间。示例性标称下限电压202大约为19V，示例性标称第一上限电压204在大约23V和大约24V之间，包括23V和24V。可以由控制电路106和/或电压补偿器118基于检测到焊接电缆和/或工作电缆中的显著电压降来修改标称下限电压202和/或标称上限电压204。当在电流控制模式下操作功率转换电路102时，显著的电压降导致功率转换电路102处的输出电压的增加。

当输出电压在第一上限电压204与第二上限电压206之间时，控制电路106在电压范围212内以下降模式操作。在下降模式中，控制电路106根据输出电压增加到高于第二上限电压206来减小输出电流。

焊接操作者可以修改电压-安培数关系200的多个参数。例如，可以限制在定制电弧控制模式中的安培数以限制可以被输出以清除短路的电流。如图2中所示，虽然可以使用安培数参数和功率转换电路102的最大电流输出能力之间的任何其他限制，但是可以实施示例性限值216a、216b、216c、216d。当输出电流达到配置限值216a、216b、216c、216d时，输出电流不超过配置限值216a、216b、216c、216d。

可以经由用户界面110和/或经由电压补偿器118来修改示例性电压限值202、204、206。例如，电压限值202-206可以基于焊接电缆和工作电缆上的电压降的增加而增加。在一些示例中，限定电流控制模式的电压限值202、204(例如，电压范围210)被约束为具有4-5伏之间的差值。

可以调节下降模式的斜率以增加或减少针对输出电压的每单位增加的电流减少。在一些示例中，斜率可以被设置在-1.5安培每伏特(A/V)和-3.0A/V之间。电流减小是相对于安培数参数进行的，该安培数参数还可以被调整为以电流控制模式(例如，电压范围210)来控制输出电流(例如，将电压-安培数关系200的竖直部分在电压范围210内向左或向右移动)。

图3A是示出可以由图1的焊接电力供应器100响应于检测到输出电压302下降到低于下限电压阈值(例如，图2的下限电压202)而实现的示例性电流响应300的关系图。下面参考图1的焊接电力供应器100描述在短路事件期间的示例性电流响应300，其中电极在焊接操作期间与工件接触。为了清楚起见，简化了电流响应300和输出电压302。

通常，响应于检测到输出电压已经降低到低于下限电压，控制电路106控制由功率转换电路102输出的焊接电流的增加的斜变速率，并且响应于检测到输出电压302已经上升到高于下限电压202，控制电路106控制由功率转换电路102输出的焊接电流300的减小的斜变速率。如图3A、3B、3C和3D所示，电流响应300中可以包括其他增加和/或减少的斜变速率、恒定安培数周期和/或电流阶。

在图3A的示例中，在短路事件304之前，控制电路106将功率转换电路102控制为基本上等于安培数参数306。在第一时间304，输出电压302下降到低于下限电压202。控制电路106继续控制电流输出，以使电流输出在激励时间308内等于该安培数参数。激励时间308允许焊接电力供应器100经历晶须短路，其中该晶须短路可忽略不计并且在没有增加的电流输出的情况下被清除。

在激励时间308之后，当输出电压302低于下限电压202时，控制电路106控制功率转换电路102以通过电流阶310增加电流300，然后以第一上升斜变速率312将电流302增加至第一阈值安培数314。在第一阈值安培数314下，控制电路106控制功率转换电路102以第二增加的斜变速率316将电流302增加至保持安培数318。在图3A的示例中，第一增加的斜变速率312大于第二增加的斜变速率316。在一些示例中，基于第一增加的斜变速率312来确定第二增加的斜变速率316，反之亦然。

电流阶310可以被确定为与激励时间308乘以第一上升斜变速率312的乘积相对应的量。然而，可以使用其他电流阶计算，和/或可以经由用户界面110调整电流阶310(例如，单独地和/或与其他参数一起调整)。

控制电路106控制功率转换电路102以在保持安培数318下输出电流302直至停留时间。在图3的示例中，在时间320，短路被清除并且电弧被重新建立，从而将输出电压302增加到高于下限电压202。在检测到输出电压302超过下限电压202之后，在开始减小电流之前，控制电路106继续将输出电流保持在保持安培数(或者如果在电流增大的同时清除短路，则保持在输出电压302超过下限电压202时的安培数)持续额外的停留时间321。停留时间321可以是可调节的和/或固定的。示例性停留时间321可以例如在1-2毫秒(ms)之间。

在停留时间321之后，控制电路106控制功率转换电路102以第一减小的斜变速率322将电流302减小到阈值电流安培数324。在第二阈值安培数324下，控制电路106控制功率转换电路102以第二下降斜变速率326将电流302减小到安培数参数306。在一些示例中，第一减小的斜变速率322与第一增加的斜变速率312相等(但相反)，并且第二减小的斜变速率326与第二增加的斜变速率316相等(但相反)。

安培数参数306、激励时间308、电流阶310、第一增加的斜变速率312、第一阈值安培数314、第二增加的斜变速率316、保持安培数318、停留时间320、第一减小的斜变速率322、第二阈值安培数324或第二减小的斜变速率326中的任何一者或多者可以由焊接操作员配置。例如，用户界面110可以使焊接操作者能够增加、减少、删除、添加和/或以其他方式修改示例性参数306-326中的任何一者或全部。在一些示例中，为了简单地进行控制，参数306-326中的两者或更多者基于对用户界面110的相同输入而联合配置。附加地或可选地，参数306-326中的任何一者或多者可以基于对用户界面110的相同输入结合电压-安培数关系200的一个或多个参数来配置。

图3B示出了另一示例性电流响应330，其示出了对图3A的电流响应300的修改。在电流响应330中，电流阶310减小到零，并且第一增加的斜变速率312用于从安培数参数306开始增加电流330。

图3C示出了另一示例性电流响应332，其示出了对图3A的电流响应300的修改。在电流响应332中，在输出电压302增加到高于下限电压202之后使用单个减小的斜变速率334。

图3D示出了另一示例性电流响应336。在电流响应336中，使用单个增加的斜变速率338而没有润湿时间。类似地，在输出电压302上升到高于下限电压202之后使用单个减小的斜变速率340，也没有停留时间。

如上所述，可以根据期望的电弧特性对电流响应进行任何其他修改。对参数306-326的一些修改可导致较窄、较多穿透的电弧，而对参数306-326的其他修改可导致较多流动、较少穿透的电弧。

图4A是示出可以由图1的焊接电力供应器100响应于检测到输出电压302下降到低于下限电压202并且输出电压302在一定时限内未能返回到高于下限电压202而实施的另一示例性电流响应400的关系图。可以从短路开始(例如，时间304)和/或在保持安培数318下的指定停留时间402超时时计算示例性时限。保持安培数318和停留时间402可以被校准以清除大部分短路事件。然而，对于未被清除的短路事件，示例性控制电路106进一步增加输出电流和/或将输出电流保持在保持电平，直到功率转换电路102的最大输出电流，以进一步尝试清除短路。

响应于检测到输出电压302在阈值时间段内(例如，在控制功率转换电路102时)没有增加到高于下限电压202以在保持安培数318下输出电流，控制电路106以增加的斜变速率404将电流增加到保持安培数406，并且控制功率转换电路102以在停留时间408内以第二保持安培数406输出电流。如果在停留时间408结束时没有清除短路，则控制电路106以另一增加的斜变速率410增加电流直到另一保持安培数412，并控制功率转换电路102在停留时间414以保持安培数412输出电流。

在图4A的示例中，在时间416，短路被清除，并且输出电压302上升到高于下电压阈值。响应于电压增加，控制电路106控制功率转换电路102以将输出电流302以斜变速率322、326减小到安培数参数306。

虽然在图4A中示出了示例性时间416，但是可以在任何时间清除短路。控制电路106监视由电压感测电路104捕获的电压测量值以确定输出电压302超过下限电压202的时间。另一方面，如果在停留时间414结束之前没有清除短路，则控制电路106继续重复增加和保持电流，直到清除短路或者达到功率转换电路102的电流输出上限。如果在阈值时间内以电流输出上限输出电流，则示例性控制电路106可以禁用输出功率并且向操作者显示错误消息(例如，经由用户界面110)。

图4B示出了另一示例性电流响应418。与图3D的电流响应336类似，在没有润湿时间的情况下，示例性电流响应418使用单个增加的斜变速率338。在输出电压302上升到高于下限电压202之后，电流响应418还使用单个减小的斜变速率340，而没有停留时间。另外，与图4A的电流响应400类似，当短路在保持时间402内没有被清除时，电流响应418将输出电流增加到高于初始保持安培数318。控制电路106继续增加电流(例如，电流斜变速率404、410)以保持安培数406、410，直到短路被清除和/或达到阈值时间段。

虽然在图3A、3B、3C、3D、4A和4B中示出了示例性的增加的斜变速率和减小的斜变速率，但是控制电路106可以使用用于控制电流的增加和/或减少的其他技术。例如，可以用线性或非线性函数来实施增加的斜变速率和/或减小的斜变速率。示例包括对数函数、指数函数、多项式函数和/或任何其他函数和/或算法。

图5示出了示例性用户界面500，其可用于实施图1的示例性焊接电力供应器的用户界面110，以接收用于安培数、电弧控制、定制电弧控制范围和/或斜率参数的输入。示例性用户界面500包括用于安培数、电弧控制、定制电弧控制范围和/或斜率参数的输入装置502、504、506、508，以及提供每个输出参数的当前值的指示的输出装置510、512。

示例性安培数输入装置502使得焊接操作者能够设定安培数参数(例如，在图2的电压范围210中的输出安培数)。

示例性电弧控制输入装置504接收来自焊接操作者的输入以控制增加的斜变速率312、316、338、减小的斜变速率322、326、340和/或电流阶310。可以按照“更软”的电弧(例如，更多流动)或“更硬”的电弧(例如，更多穿透)来考虑增加的斜变速率312、316、338、减小的斜变速率322、326、340和/或电流阶310的配置。

定制电弧控制范围输入装置506接收来自焊接操作员的输入以设定短路清除电流的上限(例如，设定图3A的保持安培数318)。在一些示例中，保持安培数318与增加的斜变速率312、316分开以提供更好的控制以使焊接操作者微调电弧特性，从而提供更大程度的电弧控制。

斜率输入装置508使得焊接操作者能够在下降模式(例如，电压范围212)中调整逆电压-安培数关系的斜率。示例性斜率范围可以是高于第一上限电压204(例如，23或24伏，其可以基于焊接电缆电压降来修改)每伏-1.5到-3安培(A/V)。

输入装置502-508中的一者或多者可以被组合成单个输入装置，使用菜单系统来访问要修改的期望参数。在一些示例中，输入装置504-508中的一者(例如，定制电弧控制范围输入装置506)配置下降和定制电弧控制参数的组合，诸如同时增加保持安培数318(例如，朝向150A)、增加阈值安培数314，以及增加斜率(例如，朝向-3A/V)，或者同时减小保持安培数318(例如，朝向50A)、减小阈值安培数314，以及降低斜率(例如，朝向-1.5A/V)。虽然描述了保持安培数318的50A-150A范围，但也可使用保持安培数318的其他安培数范围。对单个输入配置两个、三个或四个相关参数(例如，在相对于常规控制方案改善电弧特性的同时)减少了焊接操作者的控制，但为对于精细控制不感兴趣的焊接操作者提供了简易性。

在一些其他示例中，电弧控制输入装置504配置斜变速率312、316、322、326和斜率参数的组合。例如，增大电弧控制输入装置可以使得增加的斜变速率312、316、338和减小的斜变速率322、326、340具有更高的斜率并且同时增加斜率(例如，朝向-3.0A/V)。相反地，减小电弧控制输入装置可以使得增加的斜变速率312、316、338和减小的斜变速率322、326、340具有较低的斜率并且同时减小斜率(例如，朝向-1.5A/V)。

附加地或可选地，输入装置502-508可以被组合成更少的输入装置，使用菜单和/或其他类型的输入装置来选择要经由给定输入装置来配置的一个或多个参数。

图6A和6B示出了表示示例性机器可读指令的流程图，该示例性机器可读指令可以由图1的示例性焊接电力供应器100执行以提供用于焊接操作的电力。

在方框602，控制电路106确定是否已经接收到一个或多个电弧控制输入。示例性电弧控制输入可以包括电弧控制输入装置504、定制电弧控制范围输入装置506和/或斜率输入装置508和/或修改电流参数的任何其他输入中的任一者。如果已经接收到电弧控制输入(方框602)，则在方框604，控制电路106基于电弧控制输入选择电弧控制参数。例如，控制电路106可以配置安培数参数306、激励时间308、电流阶310、第一增加的斜变速率312、第一阈值安培数314、第二增加的斜变速率316、保持安培数318、停留时间320、第一减小的斜变速率322、第二阈值安培数324、第二减小的斜变速率326、增加的斜变速率404、410、保持安培数406、412、定制电弧控制电流上限、下降模式中的安培数-电压斜率和/或任何其他参数中的一者或多者。

在选择电弧控制参数之后(方框604)，或者如果没有接收到电弧控制输入(方框602)，则在方框606，控制电路106确定是否已经接收到安培数输入。例如，控制电路106可以监视指定输出安培数的安培数输入装置502的输入。如果已经接收到安培数输入(方框606)，则在方框608，控制电路106基于安培数参数输入来选择输出安培数。控制电路106使用图2的输出电压范围210内的输出安培数。

在选择输出安培数之后(方框604)，或者如果没有接收到安培数输入(方框606)，则在方框610，控制电路106确定是否建立了焊弧。例如，控制电路106可以确定是否正在执行电流控制回路以控制功率转换电路102。如果没有建立电弧(方框610)，则控制返回方框602。

如果建立了焊弧(方框610)，则在方框612，控制电路106执行电流控制回路以控制功率转换电路102将初级功率112转换为焊接型功率。在方框614，电压感测电路104和/或电压补偿器118测量焊接电压(例如，电力供应器输出电压、电弧电压等)。

转到图6B，在方框616，控制电路106(例如，经由电压比较器108)确定所测得的焊接电压是否小于下阈值电压(例如，下限电压202)。如果所测得的焊接电压小于下限电压202(方框616)，则在方框618，控制电路106进入定制电弧控制模式以控制输出安培数。下面参考图7A-7C描述实施方框618的示例性方法。

如果所测得的焊接电压大于下限电压202(方框616)，则在方框620，控制电路106确定所测得的焊接电压是否在下限电压202和第一上限电压阈值(例如，第一上限电压204)之间。如果所测得的焊接电压在下限电压202和第一上限电压204之间(方框620)，则在方框622，控制电路106控制功率转换电路102以将输出安培数控制为基本上等于安培数参数输入(例如，电流控制模式)。

如果所测得的焊接电压不在下限电压202和第一上限电压204之间(方框620)，则在方框624，控制电路106确定所测得的焊接电压是否在第一上限电压204和第二上限电压(电压上限206)之间。如果所测得的焊接电压在第一上限电压204和第二上限电压206之间(方框624)，则在方框626，控制电路106基于安培数参数和安培数-电压下降关系来控制功率转换电路102以控制输出安培数。例如，控制电路106可以通过根据逆电压-安培数关系(例如，电压的增加导致电流的减少)基于安培数参数控制功率转换电路102来控制功率转换电路102基于电压-安培数关系输出焊接电流。用户界面110可以接收指定逆电压-安培数关系的一个或多个电弧控制输入，和/或控制电路106可以基于一个或多个输入来确定逆电压-安培数关系。下面参考图8描述实施方框626的示例性方法。

如果所测得的焊接电压在第一上限电压204和第二上限电压206之间(方框624)(例如，电压感测电路104测量开路电压)，则在方框628，控制电路106控制功率转换电路102停止焊接输出，并且使控制返回方框602。

在控制功率转换电路102以在定制电弧控制模式中控制输出安培数(方框618)以使其等于安培数参数输入(方框622)或者基于安培数参数和安培数-电压下降关系(方框626)控制输出安培数之后，控制返回方框610。

图7A-7C图示了代表示例性机器可读指令700的流程图，该指令可以由图1的示例性焊接电力供应器100执行以执行定制电弧控制模式来控制焊接操作的输出安培数。示例性指令700可以由控制电路106执行以实施图6B的方框618，从而以定制电弧控制模式控制输出安培数。当电压感测监视器104检测到焊接电压小于下限电压202时，开始执行指令700。

在方框702，控制电路106继续输出等于安培数参数的焊接电流(例如，在图3A的激励时间308)。在方框704，控制电路106确定激励时间是否已经超时。如果激励时间还没有超时(方框704)，则控制返回方框702。

当激励时间超时时(方框704)，在方框706，控制电路106确定输出电压是否已增加到高于下限电压202(例如，是否已清除短路并重新建立电弧)。如果输出电压没有增加到高于下限电压202(方框706)，则在方框708，控制电路106基于电弧控制输入确定安培数阶(例如，图3A的电流阶跃310)是否被配置为大于0。如果安培数阶被配置为大于0(方框708)，则在方框710，控制电路106基于所配置的安培数阶从安培数参数开始增加输出电流。

在增加输出电流之后(方框710)，或者如果安培数阶被配置为0(方框708)，则在方框712，控制电路106以第一速率(例如，图3A的第一增加的斜变速率312)增加输出电流。在方框714，控制电路106确定输出电压是否已增加到高于下限电压202。如果输出电压没有增加到高于下限电压202(方框714)，则在方框716，控制电路106确定是否已经达到第一阈值电流(例如，图3A的阈值安培数314)。如果尚未达到第一阈值电流(方框716)，则控制返回方框712。

当达到第一阈值电流时(方框716)，在方框718，控制电路106以第二速率(例如，图3A的第二增加的斜变速率316)增加输出电流。第二速率可以基于第一速率，或反之亦然。在方框720，控制电路106确定输出电压是否已增加到高于下限电压202。如果输出电压没有增加到高于下限电压202(方框720)，则在方框722，控制电路106确定是否已经达到保持安培数(例如，图3A的保持安培数318)。可以基于一个或多个电弧控制输入和/或安培数参数来确定保持安培数。如果尚未达到保持安培数(方框722)，则控制返回方框718。

转到图7B，当达到保持安培数时(图7A的方框722)，在方框724，控制电路106以保持安培数318输出电流。在方框726，控制电路106确定输出电压是否已增加到高于下限电压202。如果输出电压没有增加到高于下限电压202(方框726)，那么在方框728，控制电路106确定停留时间是否已经超时(例如，图4A的停留时间402)。如果停留时间402没有超时(方框728)，则控制返回方框724。

当停留时间402已经超时时(方框728)，在方框730，控制电路730以第三速率(例如，图4A的速率404)增加输出电流。在方框732，控制电路106确定输出电压是否已增加到高于下限电压202。如果输出电压没有增加到高于下限电压202(方框732)，则在方框734控制电路106确定是否已经达到下一个阈值电流(例如，保持安培数406、保持安培数412和/或其他阈值电流)。如果尚未达到下一阈值电流(方框734)，则控制返回方框730。

如果达到下一阈值电流(方框734)，则在方框736，控制电路106以保持安培数406、412输出电流。在方框738，控制电路106确定输出电压是否已增加到高于下限电压202。如果输出电压没有上升到高于下限电压202(方框738)，则在方框740，控制电路106确定停留时间是否已经超时(例如，停留时间408、停留时间414等)。如果停留时间还没有超时(方框740)，则控制返回方框736。

当停留时间已经超时时(方框740)，在方框742，控制电路106确定阈值电流是否是要由功率转换电路102输出的最终(例如，最大)阈值电流。如果阈值电流不是最终阈值电流(方框742)，则控制返回方框730。如果阈值电流是最终阈值电流(方框742)，则示例性指令700结束。示例性控制电路106可以切断功率输出和/或向用户提供包括错误或不能清除短路的其他指示的输出。

当电压感测电路104确定输出电压已增大到高于下限电压202时(方框706、方框714、方框720、方框726、方框732、方框738)，在方框744(图7C)，控制电路106开始控制功率转换电路102以第一速率(例如，图3A的第一减小的斜变速率322)减小输出电流。在方框746，控制电路106确定是否已经达到第三阈值电流(例如，图3A的阈值安培数324)。如果尚未达到第三阈值电流(方框746)，则控制返回方框744以继续以第一速率减小电流。

如果没有达到第三阈值电流(方框746)，则在方框748，控制电路106开始控制功率转换电路102以第二速率(例如，图3A的第二减小的斜变速率326)降低输出电流。在方框750，控制电路106确定输出电流是否等于安培数参数(方框750)。如果输出电流仍然大于安培数参数(方框750)，则控制返回方框748以继续以第二速率减小输出电流。当输出电流达到安培数参数时(方框750)，示例性指令700结束并返回控制到图6A的方框610。

虽然示例性指令700包括多个增加的斜变速率和多个减小的斜变速率，但是指令700可被修改为包括更多或更少的增加的斜变速率和/或减小的斜变速率。

图8是表示示例性机器可读指令的流程图，该指令可由图1的示例性焊接电力供应器执行以在输出电压超过下降阈值时控制焊接操作的输出安培数。示例性指令800可以由示例性控制电路106执行以实施图6B的方框626，以基于安培数参数和安培数-电压关系来控制输出安培数。

在方框802，控制电路106基于一个或多个电弧控制输入来确定电压-安培数关系的斜率。例如，图5的斜率输入装置508可以使焊接操作者能够直接调整电压-安培数关系的斜率(例如，在一定的斜率值范围内)。基于该输入，斜率值的示例性范围是高于该第一上限电压每伏1.5安培(A/V)至高于该第一上限电压每伏3.0A。

在方框804处，控制电路106通过将斜率(例如，-1.5A/V到-3.0A/V)乘以所测得的焊接电压(例如，由电压感测电路104测得)与第一上限电压204之间的差来确定安培数下降。例如，斜率为-2.0A/V，安培参数为100A，电压上限204为24V，则控制电路106将对于27V的测得焊接电压确定安培数下降为6A，或者对于26V的测得焊接电压确定安培数下降为5A。

在方框806，控制电路106通过将安培数参数减小所确定的电压降来控制输出电流。使用上述示例(斜率为-2.0A/V，安培数参数为100A，并且上限电压204为24V)，对于27V的测得焊接电压，控制电路106将输出电流控制为94A，或者对于26V的测得焊接电压，控制电路106将输出电流控制为95A。

示例性指令800然后可以结束并且将控制转移到图6A的方框610。

可以用硬件、软件或硬件和软件的组合来实施本装置和/或方法。本发明的方法和/或系统可以在至少一个计算系统、处理器和/或其他逻辑电路中以集中式方式实施，或者以不同要素分布在若干互连的计算系统、处理器和/或其他逻辑电路中的分布式方式实施。适合于执行在此描述的方法的任何种类的计算系统或其他设备是适合的。硬件和软件的典型组合可以是集成到具有程序或其他代码的焊接电力供应器中的处理系统，该程序或其他代码在被加载和执行时控制焊接电力供应器，使得焊接电力供应器执行本文描述的方法。另一典型实施方式可以包含专用集成电路或芯片，诸如现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑器件(PLD)或复杂可编程逻辑器件(CPLD)和/或片上系统(SoC)。一些实施方式可以包含非暂时性机器可读(例如，计算机可读)介质(例如，闪存、光盘、磁存储盘等)，其上存储有可由机器执行的一行或多行代码，从而使得机器执行如本文所描述的过程。如本文所使用的，术语“非暂时性机器可读介质”被定义为包括所有类型的机器可读存储介质并且不包括传播信号。

控制电路106可以识别给定焊缝的焊接条件并且自动地找到针对该焊接条件的电流上升速率的最佳值。示例性控制电路实施方式可以是Atmel Mega16微控制器、STM32F407微控制器、现场可编程逻辑电路和/或能够执行焊接控制软件的指令的任何其他控制或逻辑电路。也可以以模拟电路和/或数字和模拟电路的组合来实施控制电路。在此参考发动机驱动的焊条焊接机描述了这些示例，但是可以使用或修改这些示例以用于任何类型的高频开关电源。

虽然已经参考特定实施方式描述了本方法和/或系统，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本方法和/或系统的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以替换等同物。此外，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。例如，所公开的示例的方框和/或组件可以被组合、划分、重新排列和/或以其他方式修改。因此，本方法和/或系统不限于所公开的特定实施方式。相反，本方法和/或系统将在字面上和在等同原则下包括落入所附权利要求的范围内的所有实施方式。

Claims (25)

1.一种焊接电力供应器，包含：

功率转换电路，所述功率转换电路被配置为将供应电力转换为焊接电流；

电压感测电路，所述电压感测电路被配置为测量所述功率转换电路的输出电压；以及

控制电路，所述控制电路被配置为：

当所述输出电压在第一上限电压和下限电压之间时，控制所述功率转换电路输出用于焊接电弧的所述焊接电流以使其基本上匹配安培数参数；

当所述输出电压高于所述第一上限电压且低于第二上限电压时，控制所述功率转换电路以基于第一电压-安培数关系输出用于所述焊接电弧的所述焊接电流；以及

响应于检测到所述输出电压已经降低到低于所述下限电压：

控制由所述功率转换电路输出的所述焊接电流的增加的斜变速率；以及

响应于检测到所述输出电压已经上升到高于所述下限电压，控制由所述功率转换电路输出的所述焊接电流的减小的斜变速率。

2.根据权利要求1所述的焊接电力供应器，进一步包含被配置为驱动发电机的发动机，所述发电机被配置为向所述功率转换电路提供所述供应电力。

3.根据权利要求1所述的焊接电力供应器，进一步包含被配置为接收所述安培数参数的用户界面。

4.根据权利要求1所述的焊接电力供应器，其中所述控制电路被配置为通过根据逆电压-安培数关系基于所述安培数参数控制所述功率转换电路来控制所述功率转换电路以基于所述第一电压-安培数关系输出所述焊接电流。

5.根据权利要求4所述的焊接电力供应器，进一步包含用户界面，所述用户界面被配置为接收指定所述逆电压-安培数关系的输入，所述控制电路被配置为基于所述输入来确定所述逆电压-安培数关系。

6.根据权利要求5所述的焊接电力供应器，其中所述控制电路被配置为基于所述输入将所述焊接电流增加到高于一电流，所述电流由高于所述第一上限电压每伏特1.5安培与高于所述第一上限电压每伏特3.0 安培之间的所述安培数参数指定。

7.根据权利要求1所述的焊接电力供应器，其中所述控制电路被配置为通过以下步骤来控制由所述功率转换电路输出的所述焊接电流的所述增加的斜变速率：

控制所述功率转换电路以第一速率增加所述焊接电流；

控制所述功率转换电路以小于所述第一速率的第二速率增加所述焊接电流；以及

控制所述功率转换电路以保持安培数输出所述焊接电流。

8.根据权利要求7所述的焊接电力供应器，进一步包含被配置为接收输入的输入装置，所述控制电路被配置为基于所述输入来控制以下一者或多者：所述安培数参数、所述第一速率、所述第二速率、所述保持安培数，或所述第一电压-安培数关系。

9.根据权利要求7所述的焊接电力供应器，其中所述控制电路被配置为：

控制所述功率转换电路以所述第一速率将所述焊接电流增加到第一阈值安培数；以及

控制所述功率转换电路以所述第二速率将所述焊接电流从所述第一阈值安培数增加到所述保持安培数。

10.根据权利要求9所述的焊接电力供应器，进一步包含被配置为接收输入的输入装置，所述控制电路被配置为基于所述输入来控制以下一者或多者：所述安培数参数、所述第一速率、所述第二速率、所述保持安培数、所述第一阈值安培数，或所述第一电压-安培数关系。

11.根据权利要求7所述的焊接电力供应器，其中所述控制电路被配置为：

在检测到所述输出电压已经降低到低于所述下限电压之后，控制所述功率转换电路在第一时间段继续以所述安培数参数输出所述焊接电流；

在所述第一时间段之后，控制所述功率转换电路以将所述焊接电流从所述安培数参数开始以一安培数阶增加；以及

控制所述功率转换电路以所述第一速率开始增加所述焊接电流。

12.根据权利要求7所述的焊接电力供应器，其中所述控制电路被配置为：

在控制所述功率转换电路以所述保持安培数输出所述焊接电流的同时，响应于检测到所述输出电压在阈值时间段内没有上升到高于所述下限电压：

以第三速率增加所述焊接电流直到第二保持安培数；以及

控制所述功率转换电路以所述第二保持安培数输出所述焊接电流。

13.根据权利要求7所述的焊接电力供应器，其中所述控制电路被配置为通过以下步骤来控制由所述功率转换电路输出的所述焊接电流的所述减小的斜变速率：

控制所述功率转换电路以第三速率减小所述焊接电流；以及

控制所述功率转换电路以小于所述第三速率的第四速率减小所述焊接电流。

14.根据权利要求13所述的焊接电力供应器，其中所述控制电路被配置为控制所述功率转换电路以所述第三速率减小所述焊接电流，直到所述焊接电流满足阈值或达到阈值时间段为止。

15.根据权利要求13所述的焊接电力供应器，其中所述第三速率基于所述第一速率并且所述第四速率基于所述第二速率。

16.根据权利要求7所述的焊接电力供应器，其中所述第二速率是在每100微秒0.5安培与每100微秒2.5安培之间。

17.根据权利要求16所述的焊接电力供应器，其中所述第一速率基于所述第二速率。

18.根据权利要求1所述的焊接电力供应器，其中所述第一上限电压在23伏与24伏之间。

19.根据权利要求1所述的焊接电力供应器，其中所述下限电压在18.5伏与19.5伏之间。

20.根据权利要求19所述的焊接电力供应器，其中所述下限电压是19伏。

21.根据权利要求1所述的焊接电力供应器，其中所述第一上限电压与所述下限电压之间的差值是在3伏与6伏之间。

22.根据权利要求21所述的焊接电力供应器，其中所述第一上限电压与所述下限电压之间的差值在4伏与5伏之间。

23.根据权利要求1所述的焊接电力供应器，其中所述控制电路被配置为通过以下步骤来控制由所述功率转换电路输出的所述焊接电流的所述减小的斜变速率：

控制所述功率转换电路以第一速率减小所述焊接电流；以及

控制所述功率转换电路以小于所述第一速率的第二速率减小所述焊接电流。

24.根据权利要求1所述的焊接电力供应器，进一步包含电压补偿器，所述电压补偿器被配置为基于所计算的焊接电缆或工作电缆中的至少一者中的电压降来修改所述下限电压、所述第一上限电压或所述第二上限电压中的至少一者。

25.根据权利要求1所述的焊接电力供应器，其中所述电压感测电路被配置为用于测量使用所述焊接电流产生的电弧附近的输出电压。

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