短路检测系统和方法与流程

本申请是申请日为2010年1月28日、国际申请号为pct/us2010/022336、国家申请号为201080017110.9、发明名称为“短路检测系统和方法”的发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请为2009年3月3日递交的名称为“惰性气体保护金属极电弧焊方法和设备(methodandapparatusformigwelding)”的美国临时专利申请号为61/157,007的非临时专利申请，该美国临时专利申请通过引用并入本申请。

本发明总体涉及焊接电源，并且更特别地，涉及恒定电压焊接工序电源。

背景技术：

焊接是一种在各种行业和应用中变得越来越普遍存在的工序。虽然这种工序在某些情况下可以自动化，但是手工焊接操作继续存在于大量的应用中，其经常依靠使用控制回路(controlloops)来调节焊接工序。例如，许多的恒定电压(cv)焊接工序依靠标准的恒定电压(cv)控制回路以调节使用自保护药芯焊丝的工序。尽管该控制回路对于多种这些金属丝可以很好地运作，但是它们对于其他金属丝会效率低下(例如，大直径的金属丝或含有大量镍的金属丝)。此外，这种标准的控制回路可能会在需要长的次级导线(secondaryleads)连接到焊接电源的输出端的应用中产生不足，例如含有大量机械或结构型钢组件的构件区域(constructionzones)。因此，需要适于用于各种导线尺寸和工业应用的改善的控制回路。

技术实现要素：

在一个示例性实施例中，恒定电压(cv)焊接工序电源包括控制器。该控制器用于在cv焊接工序中检测短路事件的发生，并且基于周期性计算的电压误差和第一增益(firstgain)而增加焊接电流。所述控制器还可用于检测短路状况是否已被清除。如果短路事件未被清除，那么该控制器基于周期性计算的电压误差和高于第一增益的第二增益来增加焊接电流。

在第二实施例中，cv焊接工序电源包括电流传感器，其可通过焊接应用的电源来感应焊接电源提供给焊接应用的电流；以及电压传感器，该电压传感器可用于感应焊接电源的电压。所述电源还包括短路检测电路，其至少连接到电压传感器上，并被配置成在焊接电源中检测短路。另外，该电源包括控制电路，其可用于确定电压误差，以及在两个或更多个逐渐加强的(progressivelyaggressive)短路清除阶段内增加焊接电源的电流，其中所述电流基于在每个短路清除阶段中的电压误差和递增的增益而被增加。

在第三实施例中，cv焊接工序电源包括电流传感器，其被配置成感应由电源提供给焊接应用的焊接电源的电流，电压传感器，该电压传感器被配置成感应焊接电源的电压，以及短路检测电路。其被至少被连接到电压传感器上，并且被配置成在焊接电源中检测短路。所述电源还包括控制电路，该控制电路被配置成基于感应电压与期望电压之间的差以及第一增益来增加焊接电流；被配置在基于第一增益开始增加焊接电流之后，在第一预定时间期间不考虑电压反馈而操作，被配置成如果短路事件未被消除，那么基于感应到的电压与所需电压之间的差和高于第一增益的第二增益增加焊接电流，并且在基于第二增益增加焊接电流之后，在第二预定时间期间不考虑电压反馈而操作。

附图说明

当参考附图阅读下述详细描述后，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更加容易理解，在所有附图中相同的标记代表相同的部件，其中：

根据本发明，图1是包括控制器的示例性焊接电源的透视图；

根据本发明，图2是描述了与图1的电源相关的示例性电路图的框图；

图3是随时间变化的示例性电流和电压的波形图，其描述了方法的实施例，该方法可由控制器采用来消除焊接电源中的短路。

根据本发明的一些方面，图4是消除示例性短路电路的流程图，该流程图包括在焊接电源中控制器执行清除短路的步骤；

图5是随时间变化的示例性电流和电压的波形，其描述了一种方法的实施例，该方法可被控制器采用来调节所允许运行的最小电流值；以及

根据本发明的实施例，图6是包括控制器执行设置最小电流值步骤的流程图。

具体实施方式

正如以下详细描述的，提供了被配置成用于检测和消除短路事件(shortcircuitevent)的恒定电压(cv)焊接工序的电源的各种实施例。cv焊接电源能够基于接收到的反馈在亚毫秒时间帧内自动调节cv电流波形，有效地检测短路事件，以阶梯式的方式(steppedmanner)响应短路事件，并且调节焊接电压设定值。cv电源还能够通过基于周期性计算的电压误差和增益(gain)而增加焊接电流来响应所检测的短路事件。假如短路事件未被清除，所述电源还可进一步配置成基于逐渐地增加的增益来增加焊接电流。另外，电源允许经过预先设定的时间延迟，在此期间忽略电压反馈。除了其它优点之外，上述特征可产生避免过度火花飞溅的效果，防止产生焊弧终端和焊丝熄灭(wirestubbing)，并能够提高系统响应短路事件的能力。

现描述附图，图1是示例性焊接系统10的透视图，它的功能就是提供电力，控制焊接操作和辅助设备并提供耗材。所述焊接系统10在机柜或机壳14中包括电源12和送丝装置13。在一些实施例中，所述焊接系统可配置成允许电源相对容易地从一个地方移动到另一个地方，或可以设计为固定系统。此外，该系统可设计成在在野外操作，在这种情况下，所述系统在机壳14内包括发动机和发电机，所述发动机和发电机提供了所需电源，可以做适当地调节也适用于给定的焊接操作，在一些实施例中，所述电源单元12可被通信地连接到附加系统组件上，例如，墙壁上的电源插座、电池、发动机驱动的电源，等等。

电源12包括控制面板16，用户通过它经由转盘18、开关20等可以控制材料如电力、气流等等供应到焊接操作，。当用户通过控制面板16调节焊接参数时，焊接电源12内的控制器产生和接收信号。所述电源12的控制器会根据输入信息执行所需的焊接操作。例如，在一个实施例中，所述控制器可执行适用于与mig焊接操作一起使用的恒定电压模式(constantvoltageregime)和送丝(wirefeed)。

电极组件22从电源12延伸至焊接位置处。第一电缆24和焊接电极26连接到电源装置12上作为电极组件22的元件。电极26可以是任意适用于不同焊接工序的电极。例如，所述电极26可以是适用于金属惰性气体(mig)操作的焊炬，可以是适用于手工焊接操作的尖头(stinger)，等等。从电源12延伸至焊接处的操作组件(workassembly)28包括第二电缆30，第二电缆在焊接线夹32处终止。操作过程中，所述焊接线夹32通常会连接到工件34上以闭合电极26、工件34和电源12之间的电路，从而确保流过适当的电流。也就是说，当焊工将电极26的尖端接触或紧密地靠近工件34时，通过电缆24和30，电极26，工件34，和夹子32形成了电路，这样就可在电极尖端和工件34间产生焊弧。

图2描述了与图1的电源相关的电路的方框图。所述电源包括电源电路36、控制电路38、操作界面40、短路检测电路42、和接口电路44。电压传感器46和电流传感器48连接到电源电缆24上，所述电源电缆24延伸至焊接位置处。所述电压传感器46经由电缆24和30连接接到电源输出端上并且可用于感应焊接电源的电压值。同样，电流传感器48与电缆24连接以感应焊接电源的电流值。电压传感器46和电流传感器经由接口电路44通信地连接到短路检测电路42上。接口电路44连接到短路检测电路42和控制电路38上。控制电路38、短路检测电路42和接口电路44都是系统控制器49的元件。

操作过程中，电源电路36调整输入的主电源以产生适合焊接操作的电源输出。电压传感器46和电流传感器48用于分别检测电源输出的电压和电流值。所述传感器46和48经由接口电路44将感应到的信息传递给短路检测电路42。所述接口电路44接收和处理感应到的数据并且将这些信息传递给短路检测电路42。所述短路检测电路42可用于检测焊接电源中的短路。例如，在一个实施例中，所述短路检测电路42可以通过将电压反馈和预置电压值进行比较来检测短路。假如电压反馈降低到低于预置电压值，那么检测电路42就会在焊接电源中判定短路现象已发生。也就是说，该短路检测电路42被通信地(communicatively)连接到电压传感器46并用于接收和处理电压反馈以确定焊接电源中的短路。也可采用其他的技术来检测短路，例如通过参考电流、功率、或电阻，或通过检测电压、电流、功率、或与电压相关的电流的变化率，反之亦然。

控制电路38可用于接收来自表示短路的检测电路42的信号，并且基于此输入输出控制信号。例如，在两个或更多个逐渐增强的短路清除阶段中控制电路38可用于控制电源电路36增加焊接电源的电流。也就是说，基于电压误差(例如，检测到的电压和预置电压间的差)和增益，控制电路38可控制增加焊接电源中的电流以试图消除短路。如果在第一清除阶段后短路未被清除，那么所述控制电路38可以在一个或更多个附加的逐渐加强的短路清除阶段中再次控制增加焊接电源的电流。以下会参照图3和图4更加详细地描述控制电路38的所述功能。

所述控制电路38还可用于接收和处理来自操作界面40的信号。例如，操作界面可从用户处接收输入，即用户所需的焊接操作参数(例如，所需的电流值或焊接工序)。所述控制电路38可用于处理这样的输入同时处理从检测电路42和接口电路44接收到的输入。也就是说，所述控制电路38可以从接口电路44接收电源输出的电压和电流值的反馈。为此，所述控制电路38可作为各种输入和反馈源(例如，传感器和手动输入)和电源电路36间的中间体运行。接着所述控制电路38连续输出一个或多个信号到电源电路36，从而引导焊接工序的适当操作。

图3是示例性电流和电压随时间变化的波形图，其描述了图2中的控制电路所采用的方法，以在焊接期间清除焊接电源中的短路。该图包括电流波形50和电压波形52。电流波形50是随时间变化电流的波形。电流波形50包括最小电流值54，其代表控制系统cv部分可调节的电流最小量。所述最小电流值54在焊接过程中不断被调节并且其源自于所述平均电流，所述平均电流在下文会进行详细地描述。电流波形50还包括第一电流值56和第二电流值58，它们分别代表在第一设置和第二设置中可获得的最大电流。最大电流值60代表从电源处获得的可用的最大电流。电压波形52是指电压随时间变化的波形。电压波形52包括短路电压值62和清除电压值64。当电压值低于短路电压值62时，焊接电压中就会发生短路事件。当电压超过清除电压值64时就会清除短路事件。

在所描述的图3中，焊接操作在第一时间66处开始。在焊接工序期间建立焊接电压68和焊接电流70。操作期间，在电压波形52的位置72处，焊接电压从焊接电压值68处开始下降。在第二时间74，电压值与短路电压值62相交，因此，短路发生在位置76处。标签为twet的时间周期78然后随时间74推移到时间80。在时间周期78期间，控制器将焊焊接电流保持在箭头82所表示的波形50部分，以便允许短路事件时间自然清除。也就是说，由于存在许多短路事件，例如那些与自身保护电极电缆相关的，在短时间周期内可自然清除的，控制器最初在持续时间周期78内保持未激活状态。曲线84表示电压波形路径，如果在时间周期78内短路清除那么就会产生该路径。假如沿曲线84，电压值超过电压清除值64，并且控制器回复到正常运行模式下；那么短路事件清除。

假如在时间周期78内短路未自然清除，那么控制器基于周期性计算电压误差和第一增益在时间点80处增加焊接电流(曲线86)以试图清除短路。即，基于第一增益和点88处的实际电压值与预置电压值64之间的差，控制器确定适当地增加焊接电流。在时间点80处开始增加电压之后，从时间点80到时间点92之间的延迟时间周期90内控制器不考虑电压反馈而操作。上述特征具有很大的优势，因为在时间周期90内随时间改变的电流引起电压与电源输出电压相交，所述输出电压的大小与操作和电极组件的电感大小成正比。这种感应电压可产生超过清除电压值64的瞬时电压，从而致使在延迟时间周期90内的电压反馈作为短路清除的指示符(indicator)是不可靠的。因此，在时间周期90内，控制器不考虑电压反馈而操作。

在时间点92处，当电流进一步增加时(曲线94)，控制器开始监控电压反馈。从时间点92到时间点98的第一时间周期96内，电压水平超过了电压清除水平64，从而清除了短路事件。假如所述清除发生，那么电压波形52呈曲线100状，并且控制器恢复到正常操作模式。假如经过时间周期96，电压反馈扔低于清除电压值64，在时间点98处，基于周期性计算电压误差和高于第一增益(曲线102)的第二增益，控制器开始增加焊接电流。也就是说，在时间点98处，控制器启动第二清除短路阶段，即强于第一清除阶段的第二清除短路阶段。从时间点98到时间点106是指经过第二延迟周期104，在这期间所述控制器又一次不考虑电压反馈而操作。也就是说，尽管曲线108超过了清除电压阈值64，控制器并不阻止增加电流。在时间点106以后，控制器再次在第二时间周期110内监控电压反馈，该监控一直持续到时间点112处。在第二周期110间，电压可能超过电压清除值64，如曲线114所示。假如波形如所示的曲线114，那么就说明短路事件已清除，并且控制器恢复到正常操作模式。在所描述的电压和电流波形50和52中，显示了两个周期96和110。然而，在可选实施例中，通过控制器可以启动多于两个渐进加强期间用于清除短路事件。

在所描述的实施例中，在基于第二增益增加焊接电流以后，在时间点112处，控制器将焊接电流增加到最大电流值60以清除短路(曲线116)。第三延迟周期118为从时间点112到时间点120，在此期间控制器不考虑电压反馈而操作。同样，当曲线122超过电压清除值64时，控制器将此忽略，直到时间点120处。在时间点120处，控制器接收电压反馈，这就表示在点124处电压值已经超过了清除阈值64。接着控制器减少焊接电流，如曲线126所示。在时间点128处，控制器恢复到正常cv控制回路，并且电流值稳定(曲线130)，电压值稳定(曲线132)，并且恢复到正常操作模式。那就是说，短路事件已被清除，所以控制器返回到正常操作模式。

图4是清除短路流程图134，其中包括控制器在焊接电源中实现清除短路的步骤。首先，控制器检测短路事件(框136)。例如，控制器可接收来自电压传感器的表示感应到的电压已下降到低于电压阈值的反馈。接下来，控制器允许经过预置延迟时间，在此期间自然清除短路(框138)。然后控制器进行检查，检测是否已清除短路事件(框140)。假如短路已清除，那么控制器控制电源回路将电压值和电流值恢复到正常焊接值(框142)。假如短路未被清除，那么基于第一增益和电压误差(框144)，控制器增加电流并允许经过延迟时间(框146)。也就是说，在延迟时间内控制器不考虑电压反馈而操作。所述操作是有必要的，因为电流的增加会导致暂时性地提高感应电压，其并不表示短路已清除。

延迟时间后，控制器再次检查是否短路已清除(框140)，如果短路已清除，那么控制器将电压值和电流值调节回焊接值(框142)。假如短路事件没有清除，那么基于第二增益和计算的电压误差(框148)，控制器增加电流，所述第二增益高于第一增益。控制器允许再次经过延迟时间(框150)，在此期间控制器不考虑电压反馈而操作。控制器再次检查短路是否清除(框140)，并且假如短路已清除，控制器将电压值和电流值调节回焊接值(框142)。控制器可任意多次地重复这样的电流增加、时间延迟、和清除检查步骤以适合于所给定的焊接操作。

一旦控制器耗尽逐渐增加的电流增加(currentincreases)，以试图清除短路，那么电流将增加到电源可达到的最大电流值(框152)。经过这种增加和预置延迟时间后，控制器再次检查短路是否已清除(140)，并且如果短路事件已清除，那么控制器将电压值和电流值恢复到焊接值。假如短路事件仍未清除，那么控制器保持最大电流直到短路事件清除(框154)。

需要注意的是上述特定的算法，其中用于清除短路的逐渐增加的电流是基于电压误差(也就是比较)并且增益可以以各种方式补偿或补充。例如，尽管可以实施简单的误差-比例控制，但是也可以设想更复杂的电流控制方案，该方案可考虑电压变化的比率、误差变化，等等。此外，增益可以是固定的或变化的，并且可以设置默认值，或可以进行一定程度的修正，如操作者可对某个参数进行调节，该参数提供了在系统对短路事件不同的感应或响应性方面的差别。

图5描述了由上述系统控制器控制的示例性焊接工序中电压随时间的曲线156和电流随时间的曲线158。典型的恒定电压(cv)控制器修正了电源的输出电流以便产生相对恒定的电压输出。相应地，在高电压情况下(如，短路时产生的高电压)，传统的cv控制器缓降电流以适应高压。然而，在高压情况下，此类控制器可能将电流减小到不利的电流值，该电流值可能产生焊弧熄灭的结果。本文所披露的系统控制器所执行的控制方法具有优于此类cv控制器的明显优势。具体来说，下述的系统控制器利用了电流的运行平均值以持续设置和重新设置最小电流值，因此能够确保焊弧在高压情况下不至于熄灭。

电压随时间的曲线156和电流随时间的曲线158描述了系统控制器的此类特征。如图5所示，运行的平均电流值由虚线160表示，持续调节的电流最小值用虚线162表示。在焊接工序中，运行的平均电流160和持续调节的最小值162之间的间距164保持不变，如箭头166所示。换言之，在整个焊接工序中，电流最小值162在运行的平均电流值160下被连续不断地重新设置为预设的值，(如70安培(amps))。相应地，在操作过程中，在整个焊接工序中瞬时电流值按照预定的时间间隔被采样(如每100(μs)微秒采样一次)。在每个时间间隔，所得测量值和先前的测量值进行平均以求得该时间点的瞬时运行的平均电流值。该时间点的即时最小电流值然后按照低于瞬时运行的平均值预置间距164的水平被设置。以这种方式，在所述实施例中，最小电流值162在整个焊接工序中持续调节，但是最小电流值162总是依据运行的平均电流值160保持持续偏移164。然而，需要注意的是在其他实施例中偏置值164可能并不恒定。比如，在某一实施例中，最小电流值162可能还受电流最小值限额的制约。也就是说，在某些实施例中，持续更新的最小电流值162可能不允许低于预置的电流限额(如50安培(amps))，即使偏置值164必定会发生改变。在操作中，如曲线所示，当电压因为焊接状况而改变时，实际(感应)电压输出和所需电压输出之间的差被视为电压误差，并且应控制电流以减少该电压误差。相反地，当电压充分上升，然而，电流控制将降低电流在允许的最小电流值以下，该控制被设置为最小电流值。最小电流值基于相对于运行平均值和任何预置电流限额持续变化。

在实践中，可采用不同的技术产生基电流(baselinecurrent)，基电流用于计算下述最小电流值。目前预期的方法采用实际电流的运行均值。当然任何适当的技术均可采用，包括加权平均值，基于实际电流的或多或少的样本的值，基于控制电流的值，等等。此外，尽管目前预期的技术采用源自电流参考值的固定偏置(fixedoffset)，其他方法亦可采用计算的偏置和随时间变化的偏置，或者根据焊接参数的偏置。

详细参考图5的曲线图，上述特征所具备的超越传统cv控制回路系统的优势将显而易见。例如，在高压情况下，传统cv控制器将大幅降低电流值。然而，在本发明的实施例中，如图5所示，响应于高压的电流值的降低不会超出持续调节的最小电流值162的范围。例如，参看电压曲线156的部分曲线168，它代表了电压值的增长。将电压返回至预置值所需的成比例的电流响应需要大幅降低电流至最小电流值162之下。然而，本发明预期的控制器会阻止电流降低至最小电流值以下，如电流曲线158中的部分曲线170所示。同样地，参看电压曲线156中的部分曲线172表示的高压事件。传统的cv控制器需要大幅降低电流强度以应对电压曲线156中的部分曲线172所示电压变化。然而，本发明预期的控制器控制电流变化在持续调整的最小电流值162范围之内，如电流波形158中的部分波形174所示。通过这种方法，本发明的控制器可防止电流降低到所述连续调节的最小值之下，从而确保焊弧不会因电流值的调节而熄灭。

图6是描述了按照本发明实施例的系统控制器所采用的调节电流值方法的流程图176。控制器首先进行电流(i)采样(框178)。然后控制器计算运行值(i)(框180)。比如，i是电流的运行均值，如图5中曲线160所示。然后控制器计算最小电流值(imin)(框182)。在某一实施例中，瞬时电流最小值imin通过从i中减去预置偏置距离(offsetdistance)(如，70安培(amps))确定(如，imin＝i–偏置值)。也就是说，在某一给定时间点的最小电流值可通过从该时间点的运行电流值中减去偏置距离来确定。

控制器然后询问imin是否小于预置电流最小限额(iminlim)(框182)。也就是说，在某些实施例中，imimlim能够限制imim能够降到多低的程度(如，下限为50安培)。如果imin不小于iminlim，控制器然后对电压(v)进行采样(框186)。如果imin小于iminlim，控制器则设置imin＝iminlim(框188)，从而在对电压(v)进行采样(框186)之前设定最小电流值至预置限额。然后控制器计算电压误差(verror)，其表示实际电压和预置电压之间的差值(框190)。那也就是，verror等于采样得到的电压(vsample)减去目标电压(vtarget)，从而表示电压偏离恒定预置电压的程度。然后控制器输出电流控制指令(icommand)，该命令表示最小化verror和将操作电压返回到预设电压强度所必须的电流强度(框192)。然后控制器询问icommand是否小于imin(框194)。如果icommand不小于imin，控制器应用icommand(框196)，电流值降低至指令要求的电流强度，并且控制器再次对电流进行采样(框178)。如果icommand小于imin，icommand会重新设置至imin(框198)。也就是说，控制器不允许电流值降低至imin以下，即使该电流值经计算确定为最小化电压误差所必须的。此外，该特征可以有效地防止由于降低至指令要求的电流而产生的高压引起的焊弧中断。

虽然此处仅示出并描述了本发明的一些特征，对本领域的技术人员来说可以进行许多改进和改变。因此，应当理解所附权利要求意在覆盖落入本发明实质精神范围内的所有这种改进和改变。