专利名称：通过占空比数字控制器的焊接电源的制作方法
通过占空比数字控制器的焊接电源
背景技术：
本发明总体上涉及焊接电源，以及，尤其涉及开关式焊接电源的数字控制器。已经开发出许多类型的焊接电源，这些焊接电源可提供来自交流(AC)或直流(DC)电源的焊接电源输出。该焊接电源类型的中的一种是开关式焊接电源，所述开关模式焊接电源利用电源半导体开关来斩波直流(DC)电源以及将斩波后的电源转变成适于焊接的电压和/或电流。已研制诸如，反相式电源和斩波式电源的开关式电源，以满足不同焊接工艺及应用。斩波式和反相式电源焊接电源通常经由类似的控制方法和/或电路控制。控制该种电源的方法之一是采用脉冲宽度调制(PWM)控制。PWM控制提供了焊接电源的输出电流和/或电压的控制和调整，通过改变位于在电源电路中的电源半导体开关的占空比(例如，开/关比率)来控制和调整所述焊接电源的输出电流和/或电压。传统的反相式或斩波式 焊接电源包括闭环电流控制回路，以便其可按特定弧焊负载条件的控制电流源搬操作。因此，传统的反相式或斩波式焊接电源包括模拟控制器，所述模拟控制器控制电源的最小和最大电源电流输值、各种电流值间的变化率、所需电流波形的产生、等等。遗憾的是，模拟控制器往往存在某些弊端，如无法充分处理开关式焊接电源的动态需求。例如，模拟控制器通常不能够短期内迅速反应焊接电弧上的突发事件，可能发生的时间间隔小于I毫秒。因此需要存在改进的开关式焊接电源的控制系统和方法。
发明内容
在实施例中，焊接电源包括电源转换电路，所述电源转换电路包括一个或多个电源半导体开关，所述电源半导体开关适于接收主电源功率和在开启配置和关闭配置间切换一个或多个电源半导体开关以便将所接收的功率转换给焊接输出。所述焊接电源进一步包括脉冲宽度调制(PWM)数字控制器，其连接至电源转换电路，并被配置为计算用于通过计算输出电压项来控制所述一个或多个半导体开关切换的占空比项。在另一个实施例中，所述焊接电源包括电源转换电路，所述电源转换电路包括一个或多个电源半导体开关，所述电源半导体开关适于接收主电源功率和在开启配置和关闭配置间切换一个或多个电源半导体开关以便将所接收的电源转换给焊接输出。焊接电源进一步包括脉冲宽度调制(PWM)数字控制器，所述PWM数字控制器包括栅极驱动电路，所述栅极驱动电路适于产生控制一个或多个电源半导体开关切换的PWM输出信号。所述PWM输出信号包括占总线电压上的一个或多个变量的占空比项。在另一个实施例中，开关式焊接电源的数字脉冲宽度调制(PWM)控制器适于测定开关式焊接电源的输出电压项，计算开关式焊接电源的变化的总线电压，计算正比误差项，所述正比误差项是用于校正指令电流值与焊接电源实际输出电流值间的差值，以及通过将测定的输出电压项、计算的变化总线电压项、和正比误差项结合来计算占空比项。在另一个实施例中，焊接电源包括电源转换电路，所述电源转换电路包括一个或多个电源半导体开关，所述电源半导体开关适于接收主电源功率和在开启配置和关闭配置间切换一个或多个电源半导体开关以便将所接收的功率转换给焊接输出。所述焊接电源进一步包括脉冲宽度调制(PWM)数字控制器，其适于在近似等于电流和/或电压波形的平均值的触发位处对电流和/或电压波形进行采样，以及适于基于电流和/或电压的样本值计算控制一个或多个电源半导体开关的切换的PWM输出信号。
当参考附图并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字符标记代表相同的部件，其中图I是示例性斩波式电路的示意图，根据本发明的方面，所述斩波式电路被配置来具有开关式焊接电源的功能；图2是焊接电源的示例性数字控制器的示意图，所述焊接电源包括栅极驱动电路，根据本发明的方面，所述栅极驱动电路被配置来驱动切换一个或多个电源半导体开关; 图3示出示例性方法的流程图，所述示例性方法可通过数字控制器应用，以便，根据本发明的方面计算和设置适当的焊接操作占空比；图4示出示例性实际电流输出波形图和示例性平均电流波形图，根据本发明的方面，示例性平均电流波形图产生于第一输出电压和第一负载状态下；图5示出示例性实际电流输出波形图和示例性平均电流波形图，根据本发明的方面，示例性平均电流波形图产生于第二输出电压和第二负载状态下；图6示出示例性时序图，所示时序图包括示例性脉冲宽度调制波形，根据本发明的方面，该脉冲宽度调制波形可通过数字控制器产生；图7示例性斩波式或反相式焊接电源系统的原理图，根据本发明的方面，所述示例性斩波式或反相式焊接电源系统包括电源的电子成分和一个或多个外部成分；根据本发明的方面，图8示出示例性随时间变化的无阻尼电压图和无阻尼电流图；根据本发明的方面，图9示出示例性随时间变化的钳位式电压图和示例性钳位式电流图；图10示出电压图，根据本发明的方面，所示电压图包括示例性滤波电压反馈波形、示例性标度电压波形、以及未滤波快速电压波形；根据本发明的方面，图11更详细的示出图10中未滤波快速电压波形中的选定区域。根据本发明的方面，图12更详细的示出图10中未滤波快速电压波形中的选定区域。
具体实施例方式图I示出示例性斩波式电路10被配置为开关式焊接电源10进行操作。斩波式电路10包括AC线路电压输入12、变压器14、一组二极管16、电容18、电源半导体开关20、二极管22、电感24、电流感应器26、输出电压28、以及焊弧30。通过耦接至焊接控制器34的数字脉冲宽度调制(PWM)斩波式控制器32来控制斩波式电路10。所述数字控制器32包括栅极驱动电路36和接口电路38、40，所述栅极驱动电路36被配置来在开和关键切换电源半导体开关20，所述接口电路38、40被配置来接收来自反馈连接42、44和46的电流反馈和电压反馈。焊接控制器34和/或数字控制器32可以耦接至各种输入和输出，例如，所示用户接口 48、风扇控制50和热敏感应器52。操作过程中，通过斩波式电路10接收所述AC线路电压12，以及通过变压器14将所述AC线路电压12变压成适合于焊接输出的电压值。在所描述的实施例中，所述变压器14是单相变压器，其被配置为在行频时操作。可是在其他实施例中，所述变压器14可以是连接至三相线路电压输入源的三相变压器。事实上，所述斩波式电路10可配置为接收单标称输入AC线路电压或多标称输入AC线路电压。在某些实施例中就这一点而言，通过在所述变压器14中提供抽头调节多AC线路电压，对于特定标称AC线路电压，所述变压器14可手动或自动连接。通过所述二极管16整流所述变压器14的次级线圈的输出，从而产生DC总线电压54。电容18被配置来平滑和过滤DC总线电压54。因此，在一下实施例中，电容18可以是电解电容、薄膜电容、或其他适当的电容。电源半导体开关20和二极管22被配置来具有电 源半导体斩波式电路，所述斩波式电路用于斩波DC总线电压54。例如，在所描述的实施例中，通过排布在数字控制器32上的栅极驱动电路36在开启和关闭之间切换电源半导体开关20。因此，通过数字控制器32控制电源半导体开关20的切换频率和占空比(B卩，开/关比率)以便提供焊接电源的调节输出电压和/或电流，所述电压和/或电流符合所需焊接工艺和/或条件的要求。在一些实施例中，所述切换频率大约在IOKHz和IOOKHz间。例如，在一些实施例中，切换频谱约为20KHz。通过电源半导体斩波式电路将处过的斩波DC总线电压应用到电感24上，所述电感24平滑输出电压28并输出输出电压28。也就是说，产生输出电流56和输出电压28并将它们应用于在焊接操作中使用的焊弧、电焊引线、工件夹等等。采用电流感应器26测量输出电流56以及通过连接器42将所获得的测量数据传送至数字控制器32。同样，测量输出电压并将其传送至位于数字控制器32上的接口电路40。操作过程中，所述数字控制器32可被配置为控制其他功能，诸如监测热敏感应器52，控制冷却风扇50，以及双向传送各种状态和控制型号至其他电路和，诸如，焊接控制器34的控制装置。例如，焊接控制器34被配置为输出指令信号58至数字控制器32。所述指令信号58可以是焊接电源的输出电流值、复杂波形、或与各种输入相关的信号，诸如所执行的焊接工艺、所接收的用户输入、电压和电流反馈信号，等等。因此，在图I的实施中所示的焊接控制器34允许用户通过用户界面48选择以及控制焊接工艺。通过用户界面48，焊接控制器34可提供各种信号、指标、控制器、仪表、计算机接口、等等，其允许用户按所给焊接工艺所要求设置和配置焊接电源。所述控制器32被配置为接收一个或多个来自控制器34的输入并例如所述输入导弓I斩波式电路10运行。例如，在一个实施例中，所述数字控制器32可执行PWM控制方案。通过PWM方案，通过改变电源半导体开关20的占空比，所述数字控制器32可调节和控制焊接电源的输出电流和/或电压。在这样的系统中，焊接电源可包括闭环电流控制回路，以至于可如所需弧焊负载状的控制电流源来操作电源。因此，所述数字控制器32可控制电源的最小和最大电流值、控制各电流值间的变化率、和产生所需波形。
本发明实施例是描述在斩波式电路中。但是，值得注意的是多种类型的开关式电源中的任意一种利用半导体开关斩波DC电源以便将斩波式电源转换成适于焊接的电压和/或电流，所述焊接可利用本文所描述的数字控制方法和系统。例如，本发明实施例可利用多种适当的反相式电源中的任意一种，诸如，正向电路、全桥、半桥、反激式、等等。这种电源进一步包括预调制电路，所述预调制电路被配置为反相电路提供调制的DC总线电压。事实上，多种适当电源电路类型或配置中的任意一种可利用与本文所披露的数字控制器共同协作。图2示出图I中示例性焊接电源的电源半导体开关。所述数字PWM控制器32包括栅极驱动电路36，所述栅极驱动电路36被配置为通过PWM输出信号60驱动图I中电源半导体开关20的切换。所述数字控制器32还包括各种未在图2中示出的电路。例如，控制器32包括诸如，模拟-数字切换器、数字-模拟切换器、计时器、微处理器、信号调节和滤波电路、等等，它们可用于执行开关式焊接电源的控制方案。在所述实施例中，所述数字控制器32被配置为接收多种模拟输入62，所述模拟输入62包括干扰电流指令58、电流反馈信号64、电压反馈信号66、热敏感应器反馈52、总线 电压反馈信号68、以及任意其他适当的信号70，通过控制器32利用它们执行数字PWM控制或在焊接电源内提供附加功能。也就是说，数字控制器32可利用于运行多种与焊接电源相关的功能，所述焊接电源与PWM控制不直接关联。这些功能可包括热量监测、控制冷却风扇、控制状态指标和继电器、等等。可是在其他实施例中，这些外围功能不可以通过数字PWM控制器32执行，反而会由另一个微处理器或控制电路来执行。然而，在某些实施例中，利用数字PWM控制器32有利于执行这些功能，而这些功能不包括PWM控制功能。此外，所述数字PWM控制器32与各种其他电路或系统元件连接，所述系统元件包括风扇控制50、焊接控制器34、和任何其他适当的接口设备72。在一些实施例中，理想的是如控制电流源一样来操作开关式焊接电源，以至于通过焊接控制器控制电流波形。即，焊接控制器可控制诸如，电流值、电流变化率、电流值的上限和下限、电路波形形状、以及其他控制焊弧特性的电流特性的参数。需注意的是，传统控制电路可以实现高增益或输入集成误差放大器，例如，电流指令或干扰波和电流反馈。在该传统电路中，误差放大器可产生误差信号，该信号通常经由比较电路与斜坡式信号相比较。比较电路的输出是PWM信号，PWM信号用于控制电源半导体开关，从而控制焊接电源的输出。在一些开关式焊接电源的实施例中，PWM占空比(D)不能直接控制输出电流，但反而通过以下表达式表示(I)V输出=D*V总线，(O〈 D〈 I)，其中是指输出电压，D是占空比，以及是指DC总线电压。因此，表达式
(I)是典型的占空比、斩波式输出电压和总线电压的第一阶关系。值得注意的是，类似关系可采用反相式焊接电源，但其可包括在其他因素中用于说明变压器匝数比的项。值得注意的是，在一些实施例中，输出电流项不在表达式(I)中，但是通过输出电弧电压和电流或电弧阻抗间的关系间接控制所述输出电流项。在一些实施例中，电弧阻抗可以从低阻抗短路电流切换为高阻抗开路电流。而且，在焊接期间，电弧阻抗可迅速改变(例如，大约小于I毫秒)。因此，数字控制器的实施例可根据电弧阻抗改变表达式(I)中的占空比项。包括电流误差放大器的传统焊接系统，其要求控制系统在PWM发生变化之前检测误差或指令电流与实际电流间的差。然而，本发明所披露的数字PWM控制器的实施例可通过计算以及利用各种合适的项提供改进的PWM控制以产生必要的PWM占空比。图3示出示例性方法的流程图，通过图I和图2中所示的数字控制器应用所述示例性方法，以便对所给定的焊接操作进行计算和设置适当的占空比。首先，控制器通过采用如以上表达式(I)所限定的输出电压和占空比间关系的一阶近似值计算占空比(块76).可是在方法74的进一步的步骤中，所示数字控制器32可以证明呈现在焊接环境中的各种因素，所示焊接环境即未合并出现在表达式(I)中的一阶近似值。例如，由于￥,6||可随供应焊接电源和焊接电源的输出源的AC线路电压的改变而改变，数字控制器利用总线电压反馈测量和说明总线电压的改变。在一些实施例中，所述数字控制器可采用总线电压的数学模型来证明随线路电压变量、输出电压、电流或功率、温度、或其他因素，总线电压的变化。而且，所述数字控制器32可采用方法74证明损耗或焊接电源的输出伏安负载线特性的自然下降。另外，通过采用数字控制器32，发生在电源半导体开关电路上的延迟，例如，栅极驱动开启或关闭延迟，相比于模拟控制器的控制系统延迟可考虑到并利用来提高 系统性能。具体地说，所述方法74包括在其上计算出的占空比通过加或减固定延迟项或可变延迟项(块78)校正栅极驱动延迟。因此，可更准确的表示和占空比间关系的表达式(2) V输出(t) = (D-D延迟)*V总线(t)-(I 输出(t)*R下降)，其中，Djgg是指栅极驱动延迟，Ig是指输出电流，以及RTPf表示损耗或焊接电源的输出伏安负载线特性的自然下降。表达式(2)重新表示占空比的表达式(3) D = {V输出(t) + (I 输出(t) *R下降)}/V总线(t)+D延迟，(O〈 D〈 I)，然后，所述控制器可将反馈信号并入占空比表达式(3)中以及相应地重新调整(块80)。类似地，所述控制器可用表达式(3)中(t)值替换指令输出电流值，因为所述指令电流值是目标电流值(块82)。因此，可以得出解耦项(Dws)(4)D解親={V反懷*K1+I参考*K2}/{V总线—反懷*K3}+D延迟，其中，是指反馈电压值，Kl是指适当的常量，I _是指指令输出电流值，K2是指适当的常量，V,是指总线电压反馈值，以及K3是指适当的常量。需要注意的是，V,6a — 可用反馈电流直接测量或估计或通过另一个信号计算，例如，辅助电源绕组以及连接至图I中变压器14的电路(块84)。因此，根据输出电压和总线电压的当前操作状态，通过控制器利用表达式(4)来设置占空比。更进一步，附加校正进一步作为占空比项以允许操作过程中占空比动态变化以便达到所需操作电流值或负载状态。具体地讲就是，附加项可并入到占空比计算中，占空比与指令电流值与实际输出电流值之间的差是成正比的(块86)(5)0误差=(I 参考 _1 反懷)*K4，其中，表示基于电流误差的占空比校正，I _表示反馈电流值，以及K4是指适当的常量。Dss可以是正的或负的，并且当加到解耦项(Dwi5)上时可提供数字控制器的动态方式来调节电源占空比以便提供控制的和调整的电流输出。此外，包括积分项是为了进一步减少或消除实际输出电流值与指令电流值间的稳态误差(块88)
(6)0积分=D前积分+K5*D误差，其中，D前积分表示前积分项，以及K5是指适当的常量。需要注意的是，数字PWM控制器32可被配置为选择性执行积分项。也就是说，控制器32仅在某些状态下执行D积分，例如，当某些焊接工艺(例如，GTAW氩弧焊)上理想的具有零稳态电流误差是通过用户选择的。进一步例如，当D误差(相对误差项)在有界范围内时或当电流或电压的输出在有界范围内时，所述控制器32执行D积分项。此外，在一些实施例中，在某状态间，控制器可被配置为重新设置D积分项，例如，已完成焊接操作，当相对误差项不在有界范围内，或操作工所需其他先决条件。最后，在一些实施例中，积分项根本不需要控制器32来执行。对于任意给定的输出操作电流和负载状态(块90)，所述方法74进一步包括将计算出的占空比校正项加在一起以便计算所需占空比(D总共) (7) D总共=D占空比+D误差+D积分
在一些实施例中，所述数字控制器32可针对计算出的1),6#或与它所需的相关项进一步更新(块92)。例如，控制器32可限制最小或最大的值。进一步例如，控制器还可修改占空比项。在一个采用反相式电源的实施例中，高频变压器发生漏感可导致反射输出电流相关的有效延迟。该种延迟通过提供与输出电流相关的可变DJgg项并入到，变压器的初级电流或其他任意适当的输入，所述输入能够解释漏感的可变效应。图4中表94不出产生在第一输出电压和第一负载状态下的不例性实际电流输出波形96和示例性平均电流波形98。实际电流波形96包括激活的“开启”部分100和未激活的“关闭”部分102。激活的“开启”部分100表示打开电源半导体20期间的时间，还有未激活的“关闭”部分102表示关闭电源半导体20和导通二极管22的时间。如图所示，实际电流输出波96位于在“关闭”部分102的二分之一处的点104时，其值近似等于平均电流波98的值。此外，虽然平均电流波形98表示所需电流输出，实际输出电流波形96具有脉动峰间值106。脉动峰间值106的振幅受多种因素作用，例如电源平滑电感的特性、焊接引线的电感、输出电压、切换频率、等等。图5中表108不出产生在第二输出电压和第二负载状态下的不例性实际电流输出波形110和示例性平均电流波形112。如前面所述，实际电流输出波形包括“开启”部分114、“关闭”部分116，位于在“关闭”部分116 二分之一处的点118，以及脉动峰间值120。可是，在第二输出状态下的“开启”部分114短于图4所示的第一输出状态下的“开启”部分100。然而，实际电流波形100在“关闭”部分的中点118时，其值近似等于平均电流波形的值。图4和图5进一步示出，在实际电流波形96和100的“开启”部分的近似中点处，实际电流波形近似于平均电流波形。现在需意识到这样的特性允许本发明的数字控制器得到单电流反馈样本，单电流反馈采样在每个切换周期的“关闭”部分的中点处同步发生。可是需注意的是，在附加实施例中，所获得的单电流反馈采样同步发生在“开启”部分的中点处。相比传统电源控制器，本发明所披露数字控制器的上述特征更具有独特的优势。例如，以相移或为信号增加时滞为代价，模拟控制系统通常通过滤波电流反馈信号降低峰间值振幅。同样，数字控制理论通常指导数字控制器的操作，使电流波形产生过采样。例如，该理论限定在波形的每个周期内采集十个或更多个样本并且随后基于所述十个或更多个样本计算平均值。可是，具有焊接电源的20KHz的切换频率，例如，该理论限定每个周期内采集200，000或更多个样本，将它们数字化并平均化以获得准确的平均值。可是，本发明所披露的数字控制器的实施例，能够采集得到单电流反馈样本，所述单电流反馈样本是指在实际电流波形的“关闭”部分的中点处每个切换周期同步发生。如图4和图5所示，这之所以成为可能是由于在“关闭”部分的中点处输入电流值近似等于电流波形的平均值。此外，在附加实施例中，单电流反馈采样可在实际电流波形每个切换周期的“开启”部分的中点处同步发生。在其他实施例中，利用“开启”部分的近似中点同步发生的第一采样和“关闭”部分的近似中点同步发生的第二采样，可获得两个样本。另一个实施例可以平均两个样本或选择性获得和/或采用两个样本中的一个，所述两个样本与各种操作状态，例如占空比、输出电流或电压、或其他状态有关。图6示出示例性时序图,所示时序图包括示例性脉冲宽度调制波形124。该图表示出本发明所披露的数字PWM控制器的实施例如何同步发生数字采样和如何基于计算出的占空比值通过调节模拟-数字切换的触发位在“关闭”部分的中点处发生切换。如果要在表示输出电流的电流反馈信号上证明任意小的相移或任意它自己所需要切换的时滞，那么可进一步校正模拟-数字切换的触发位之值。也就是说，可调整切换位置，以便数字化的值约等于波形的平均值。因此，可以通过表示式(8)表示模拟-数字切换的触发位(模拟-数 字切换_触发)(8)模拟-数字切换_触发=(l-D)/2+校正因子，其中D是指计算出的占空比，以及校正因子是指调节因子。例如，在图6所示的实施例中，波形124包括第一占空比126和第二占空比128。通过控制器在激活的占空比126期间(例如，“开启”部分)更新模拟-数字切换(ATD)的触发位(块130)。在近似“关闭”位置的一半处，数字控制器被配置为执行ATD切换(ATD切换，块132)(执行ATD切换，块134)。执行ATD切换(块132)之后，所述数字控制器进一步被配置为产生新的占空比和下一周期的新触发位(例如，占空比128)。因此，通过在约为“关闭”部分的中点处对反馈信号采样和切换，使用数字化的值计算占空比，所述数字化值代表波形的平均值。由数字控制器采用的该种方法也帮助计算新的占空比128与反馈值，所述反馈值表示焊接电源的状态和所需参考电流指令，在新占空比“开启”部分128前，所述参考电流指令可通过焊接控制器测定。这种特性允许焊接电源在焊接操作过程中作出相应的改变或所需改变，同时与传统系统相比较降低或消除了时延。需要注意的是，在一些实施例中，令人满意的是仅一周期更新一次ATD触发位(采样)，以至于产生恒定输入，并且恒定输入用于计算运行的占空比。此外，如以上所详细描述的，在“启动”部分的期间更新ATD触发位是非常有利的，以至于在随后的“关闭”部分开始之前执行新的触发位。还需要注意的是，在一些实施例中，所述数字控制器进一步被配置为以同步方式读取和将附加模拟信号转换成PWM波。所述附加信号可以包括电压反馈、总线电压反馈、通过焊接控制器的干扰电流指令、等等。通过数字信号所述附加信号与电流反馈一起被应用于计算运行的占空比。图7是示例性斩波式或反相式焊接电源系统的原理图。图138包括电源140，所述电源140包括通过占空比控制的输出电压源142和电感144，占空比由数字控制器测定。电感144是内部电源平滑电感，其被配置为平滑输出电流。电感146和阻抗148表示外接电焊引线的等价电性，所述外接电焊引线包括工作引线(例如，地线)和送线器的头或其它成分。图138还包括焊弧电压150，其表示工件与焊炬或电极间的电压。图138还包括焊接电源的输出电流152，其是流动在焊弧中的电流。图表138进一步包括焊弧阻抗154，所述焊弧阻抗154代表在特定电弧状态时的焊弧阻抗，所述电弧状态时根据电弧电压和输出电流。需要注意的是在操作过程中可改变电弧阻抗154的范围，所述电弧阻抗154的范围取决于呈现在焊接操作上的特定电弧状态。例如，电流还没有流动时，形成电弧开始之前，由于电源输出处于开路状态，电弧阻抗154比较大。可是，在形成电弧期间，当电极接触工件时，电弧阻抗154比较小或甚至接近于零。此外，在焊接期间，由于以下因素电弧阻抗154可发生变化，例如，焊接工艺的类型、焊接电流、操作技术、保护气体、等等。因此，焊弧是动态的，并且在短路状态和开路状态间发生改变。需要注意的是，等效电感压降和焊接电缆阻抗如在电源输出终端所观察到的将增加到焊接电压150上或从焊接电压150上减去。该种特性通常会干扰焊接控制器的能力以控制输出电压150和/或输出电流152。该种干扰也可抑制焊接控制器的能力以准确检测焊弧电压，对于某种焊接工艺来说是必要的，例如，检测短路的发生或清除。这种干扰还可影响数字PWM控制器的能力以准确计算与输出电压相关的占空比，因为在电压反馈信号上 表示的电压不能代表是真正的焊弧电压，所述电压反馈信号来自于输出终端。可是，现在需认识到的是，等效电缆阻抗156的压降是正比于输出电流152的偏移量并且其不随焊接电缆配置的改变而改变。等效电缆阻抗156的压降是电缆长度、电缆横截面积、等等的函数。需注意的是，所示等效电缆电感158的压降是输出电流(例如，电流的一阶导数)的时间变化率的函数(9) Vl 电缆 L 电缆*Δ I 输出/At,其中，指等效电缆电感压降，L_指电缆的电感系数，以及Alg/At指输出电流的变化率。电缆电感的压降效应可随电缆的排布和电感系数值而改变。焊接电缆上的高感应电压值可在焊接电源的输出电流上产生振铃(例如，不稳定性)。因此，本发明所披露数字控制器的实施例被配置为通过钳制所接收和用于计算占空比的的电压反馈的最大值，藉此限制感应电压的影响。也就是说，本发明的实施例可以钳制用于计算占空比的电压反馈值到恰当的值。例如，某些实施例，反馈电压值可以钳位到高于目标电压的预设百分比值或高于传统电弧电压值的预设值，所述传统电弧电压是在所给定的焊接工艺期间所达至IJ的值。图8包括示例性的无阻尼电压图160和示例性无阻尼电流图162。如图所示,无阻尼电压图160包括电压反馈信号波形164和实际电弧电压波形图166，电压反馈信号波形164表示输出终端电压，实际电弧电压波形图166表示实际电弧电压的示例性标度。如图所示，电流图162包括电流波形168，其包括振铃或振荡峰值170。需要注意的是，引起输出电流上升沿的电缆电感的感应电压可以产生电压反馈波形164，其大致高于电弧的实际电压波形166。在一些实施例中，该种效应可以产生显示在输出电流波形168中的振铃170。图9包括示例性钳位电压图172和示例性钳位电流图174。如图所示,钳位电压图172包括电压反馈信号波形176，和实际电压波形178，电压反馈信号波形176表示输出终端电压，实际电压波形178表示实际电弧电压的示例性标度。如图所示，电流图174包括电流波形180，电流波形180示出数字控制器所产生的效应，所示数字控制器是指示反馈电压上限值的钳位，所述反馈电压通过数字控制器用于计算如表达式(4)中的运行占空比。需注意的是，当反馈电压的实际值近似等于图8和图9中所示的值时，所述数字控制器被配置为钳位表达式(4)中的值。因此，图9中的电流波形180不会出现图8中电流波形168波峰上出现的振铃或振荡170。相应地，本发明所披露的数字控制器的实施例提供反馈电压的钳位。本发明所披露的数字控制器的实施例进一步被配置为减少或消除在引起焊接电缆电感的电压反馈信号上的感应电压效应。因此，数字PWM控制和/或电压反馈信号的进一步改进可通过数字控制器的实施例得到。具体地说，本发明的实施例包括在焊接操作过程中通过数字控制器所采用的测量或估计焊接电缆电感和使用电感值补偿或校正电压反馈信号的方法。再次参考图7中的等效电路图138，电路图138中可以看到两个电感144和146串联连接。来自电压源142的电感144的输入波形为利用占空比的斩波总线电压54，所述占空比通过数字PWM控制器32设置。因此，AC电压分压电路的电感144和146可由以下表达式(10)得出，根据电感它们的相对电感值所述AC电压分压电路分离斩波总线电压54的 高频AC成分，表达式(10)为(10)电感 144/ 电感 146 = V144A146,其中，电感144是电感144的电感，电感146是电感146的电感，V144是电感144的电压，以及V146是电感146的电压。如果已知电感144的感应系数，已知或估计出总线电压54的电压值，那么通过数字控制器的实施例的使用呈现在输出终端上的高频(例如，切换频率)AC电压的峰间值的测量，以计算或估计等效电缆电感、电感146。现在意识到在某些或全部的焊接操作过程中，电感144和146在切换频率处的等效阻抗是高于电缆阻抗148阻抗和电弧阻抗154。因此，本发明实施例可提供电缆阻抗或待测量电感或通过比较呈现在根据表达式(9)的每个电感上的AC电压的相对峰间值。也就是说，电感144的输入近似等于斩波式DC总线电压。电压峰间值可直接测量，或基于测量、计算或估计DC总线电压来估计峰间电压值。可以获取焊接电源的输出终端的AC电压信号的峰间值的测量。通过数字控制器利用所述测量，以便计算穿过内部电感144的斩波式DC总线电压的下降部分以及计算等效焊接引线电感146下降了多少AC电压峰间值。通过控制器利用该种AC电压峰间值关系与已知的电感144的电感，以便计算电感146的电感。因此，本发明所披露的数字PWM控制器的实施例能够早焊接操作过程间测量输出电压的高频AC成分(例如，峰间值)以及进一步利用测量值测定等效电缆电感。图10示出了在电流脉冲间产生的电压图，例如，图9所示的电流脉冲。电压图包括示例性滤波电压反馈波形182，表示实际焊弧电压的示例性的标度电压波形184，以及相对的未滤波快速电压反馈波形186。也就是说，滤波电压反馈波形182表示示例性信号，所述信号具有焊接电缆电感的感应电压隐去的正脉冲和负脉冲。相对未滤波快速电压波形186表示未经过滤波的信号，该经未滤波的信号可在电路的第一放大级期间产生，该电路可用于测量输出终端电压并提供通过PWM数字控制器使用的标度反馈信号。如图10所示，滤波电压波形186包括第一区域188、第二区域190、第三区域192、以及第四区域194。第二区域190和第四区域194表示时间间隔，在时间间隔上存在近似稳定的高频AC成分峰间值，其可以通过配置的数字PWM控制器读取并用于计算或估计电缆电感。需注意的是，所述区域190和194还可代表近似于常量的平均电压和电流的区域，以至于随变化电流的感应电压效应会处于下限。还需要注意的是，所述区域190和194还可以是PWM占空比位于在近似中距值的地方，所述中距值不接近上限值也不接近于下限值。因此，所述第二区域和第四区域分别会在图11和图12中更详细地描述。如图所示，尽管最高值和最低值不同，但是第二区域190的电压峰间值196和第四区域194的电压峰间值198近似相等。也就是说，第二区域190抵消了较高的总电平因为它是较高输出电流和平均焊弧电压的区域。但是，电压峰间值196和198仍然近似相等。另一方面，第一区域188和第三区域192表示不存在通过数字PWM控制所利用的有效的高频AC成分峰间值。那也就是说，在系统的输出操作点上发生的动态改变期间存在第一区域188和第三区域192，例如，当操作PWM占空比接近上限或下限值时或当占空比趋于零并且在斩波式电路中电源半导体的切换没有发生。本发明所披露的数字控制器的实施例可被配置为测量所示在第二区域190和第四区域194的高频AC成分峰间值，以便基于测量的峰间值成分对焊接电缆电路输出计算电感值。正如以上对图6所详细的描述，数字控制器被配置来在电流反馈信号和电压反馈信 号，以及其它信号的“关闭”部分的中点处采样并执行数字切换。数字PWM控制器的实施例进一步被配置来在“关闭”部分近似中点处执行未滤波电压波形186的附加采样和切换以及在波的“开启”部分近似中点处执行波形186的附加采样。当占空比落在预设范围和/或当输出电流或电压降在预设范围之内时，未过滤电压波形186的这些样本可被数字控制器采集和利用，用于计算电缆的电感。在某些实施例中，数字控制器可对平均电流或电压大致恒定的区域限制未过滤电压波形的采样。按其作用，数字控制器可被配置为仅在如图10所示的第二区域190和第四区域194而不在第一区域188和第三区域192采样和计算电缆的电感。此外，数字控制器可被配置为在合适的对中获取此类测量。也就是说，如果在“开启”部分，数字PWM控制器发现占空比落在需要测量AC成分峰值的预设范围之内，随后将在“关闭”部分(例如大约在“关闭”部分的中点)获取相应的值。这些获取值随后可被数字控制器按照以下公式用于计算差值或峰间值(Il)V ttfam= {未滤波V (样本I :波峰值)_未滤波V (样本2 :波谷值或最小值)}，其中V _11]{|为计算的峰间值，其等于第一采样值减去第二采样值。数字控制器还可被配置为获取附加峰间样本值或计算峰间值，以便通过合适时间周期获取运行的均值或平滑值，从而减小或消除噪音，错误样本等的潜在影响。随后，通过利用所测量的总线电压值或其他适当的等效信号，数字控制器可利用测量值计算或估计相等的电缆电感(即，感应器146的电感，L电缆)，所述等效信号能够提供关于在输入处电感的斩波式DC电压的信息和已知的平滑电感144内电源的电感值(12) L电缆=L144* {(V峰间值)/ (V总线—反懷-V峰间值)}。需要注意的是，可选择其他的方法来测定焊接电源输出终端的峰间值AC电压并且利用该测量值计算或估计焊接电缆。例如，峰间值AC电压可结合测量的或估计的总线电压或峰间值AC电压至电感144的输入，以计算或估计电缆电感。在一个实施例中，模拟包络或峰间值检测回路可被用于提供直接的代表电压峰间值的模拟值。这样的值可被数字PWM控制器或被焊接控制器或其他合适的回路用于计算或估计焊接电缆电感146。这些方法包括在特定周期选择性利用模拟峰间值的步骤，例如当平均输出电流或电压落在范围和/或为合适的固定值时。需要注意的是，在一些实施例中，电压峰间值和估计的或计算的电缆电感可被焊接控制器单独采用，被数字PWM控制器独自采用，可被焊接控制器和数字PWM控制器，或被其他合适的回路利用。也就是说，在某些实施例中，PWM控制器可通过获取电压反馈信号提供足够的占空比控制。然而，在其他实施例中，期望校正反馈电压信号，该信号可被数字PWM控制器通过利用计算的电感值而利用。在另外的实施例中，焊接电缆电感的估计或计算可通过考虑焊接电缆回路的阻抗和/或焊弧的阻抗而进一步精确或调整。在焊接过程中，数字控制器可被配置为用于计算等效电缆电感(L电缆)，以便校正或补偿反馈电压。也就是说，参照表达式(9)，随后可被数字控制器计算，通过将L电缆与输出电流变化的时间比率相乘。例如，数字控制器可利用分离的输出电流值，按照每个切换周期测定一次，结合切换波形的周期计算'— S。在另外的实施例中，数字控制器可采用任何其他适当的计算\ _的方法。例如，在另一个实施例中，控制器可采用查表法，该表基于测定的峰间电压反馈值估算电缆电感。此外，在一些实施例中，一旦电缆电感值被数字控制器计算出来，该计算值可保持到特定的 焊接序列结束和焊弧熄灭之后。该固定值随后可用作下个焊接序列的初始值，由此提供电缆电感的初始化开始值。后续的电缆电感可被数字控制器再计算，以便新的数值在焊接过程中可用。在另外的实施例中，查表法用于提供反馈电压的校正因子而非提供感应系数。更进一步，反馈电压值校正)可按照以下表达式计算(13) V反懷校正=V反懷+K*L电缆*(1反懷-I反懷—先前)/At就其本身而论，反馈电压的校正可通过增加电流反馈的一阶导数来取得，利用基于测量的电缆电感的合适的增益值。通过任何披露的方法确定的电感值或电压反馈校正值，可通过代表数值或数值范围的模拟或数字信号传递至其他回路和控制。在某些实施例中，焊接控制器可以各种方式利用测量的或计算的电感值以改进焊接过程的控制，如利用校正电压反馈信号改进短路检测，校正各种焊接过程控制参数或波形以补偿和校正焊接电缆电感，当电感超出可接受范围时通过用户界面或任何其他合适的方式警告操作人员。更进一步讲，在其他的实施例中，所述数字控制器还可被配置用于校正或补偿焊接电缆阻抗。按照参考图7的前述内容，焊接电缆阻抗解释为DC或与输出电流成比例的补偿电压降156。需要注意的是，因为阻抗值保持相对恒定，在定向或冷却电缆时变化，阻抗值可被测定，计算，估计或输入焊接系统。阻抗值随后可被数字控制器利用于任何预校正电缆阻抗的给定时间的输出电流值。例如，相关数据，诸如总电缆回路长度和电缆型号，可被操作人员通过用户界面输入并且用于估计或计算电缆阻抗。需要注意的是，数字PWM控制器还可被配置为提供各种优于传统模拟控制器的附加特征和优点。例如，一些焊接过程，如GTAW，利用较其他焊接过程低的输出电流。如上文所述，传统地焊接电源的输出电流包括与目标输出电流要求值相符的平均值，以及与脉动峰间有关的平均值。对于特定过程，其中输出电流平均值低，存在电流波的下限变为零并且输出电流不连续的可能。当在焊接操作中出现这样的可能性时，可能发生电弧断电。所述数字PWM控制器通过允许基于选择的焊接过程和/或输出电流值校正切换频率，可减少或消除这种可能性。例如，在低强度GTAW过程中，切换频率可通过某因子增加为较高强度过程的两倍或三倍，以便降低峰间值脉动成分，从而允许低均值输出电流而不会出现不连续的输出情况。此外，数字PWM控制器可被配置为允许电源半导体开关的切换频率针对特定的焊接程序或当在特定的输出电流强度操作时选择性地减少。例如，在高输出电流值或在诸如FCAW或CAC之类的焊接过程中，期望数字控制器减少半导体开关的切换频率以减少切换损失。更进一步，数字PWM控制器可配置为设置占空比的下限和/或上限范围，该范围取决于操作状态，如焊接过程，输出电流值，或电压值。例如，在动态焊接状态下，期望控制占空比至预设上限(如D_最大=0.9)以便为输出电流或电压的快速动态反应做准备。然而，期望限制占空比至下限(如，D_最大=O. 5)用于稳定状态操作，以便限制焊接电源持续输出的最大值，从而减少功率元件的发热压力。此外，基于预定的输出电流，输出电压条件，或已选择的焊接程序，数字控制器可被配置为选择性地跳过切换周期。例如，当占空比足够低至趋近于栅极驱动传送时延时，在低电流和电压中数字控制器可跳过一次或多次切换周期，这样便很难准确控制输出。可选择地，在脉冲宽度(例如，“开启”部分)依据控制系统的要求变化的地方，数字控制器可执 行控制方法直至脉冲宽度到上限。超出该下限度之后，数字控制器可执行频率调节。此外，数字控制器的实施例可被配置为基于不同因素校正占空比增益或系数表达(如，K1-K5)，这些因素，如焊接电缆电感和/或阻抗，电弧阻抗，总线电压等等，可影响总控制回路增益或响应。例如，所述数字控制器可基于计算的等效电弧阻抗，选择的焊接程序，目标或要求的输出电流强度等校正K4或K5的值。确实，所述数字控制器可校正不同的其他补偿功能或控制回路系统的因子或系数以便为不同的操作状态改进控制回路。虽然此处在本发明中仅有图示并仅示出并描述了本发明的一些特征，而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欲覆盖落入本发明实质精神范围内的所有这种改进和改变。
权利要求
1.焊接电源，包括 电源转换电路，所述电源转换电路包括一个或多个电源半导体开关，其中电源转换电路被配置为接收主电源和在开启配置和关闭配置间切换一个或多个电源半导体开关以便将所接收的电源转换给焊接输出；以及 脉冲宽度调制(PWM)数字控制器，其连接于电源转换电路并被配置为计算用于通过计算输出电压项来控制一个或多个半导体开关切换的占空比项。
2.根据权利要求I所述焊接电源，其中电源转换电路保留反相式电源，其包括至少正向电路、全桥反相式、半桥反相式、以及回扫电路中的一个。
3.根据权利要求2所述焊接电源，其中，电源转换电路进一步包括预调制电路。
4.根据权利要求I所述焊接电源，其中，电源转换电路包括斩波式电路，所述斩波式电路被配置为利用行频变压器将AC线路电压转换成焊接电压和电流。
5.根据权利要求I所述焊接电源，其中PWM数字控制器被配置为通过计算积分项来计算占空比项，所述积分项被配置为校正指令电流值与实际输出电流值间的稳态误差。
6.根据权利要求5所述焊接电源，其中PWM数字控制器被配置为通过计算误差项来计算占空比项，所述误差项被配置为校正指令电流值与实际输出电流值间的差。
7.根据权利要求I所述焊接电源，其中，PWM控制器被配置为将占空比项限制为至少是预设最小值与预设最大值中的一个。
8.根据权利要求I所述焊接电源，其中，所述PWM控制器进一步被配置为通过计算变化的延迟项来计算占空比项，所述变化的延迟项被配置为校正电源转换电路的高频变压器中的漏感。
9.根据权利要求I所述焊接电源，其中，所述PWM控制器进一步被配置为通过计算解耦项来计算占空比项，所述解耦项被配置为校正与一个或多个电源半导体开关相关的电路中的栅极驱动延迟。
10.焊接电源，包括 电源转换电路，所述电源转换电路包括一个或多个电源半导体开关，其中电源转换电路被配置为接收主电源和在开启配置和关闭配置间切换一个或多个电源半导体开关以便将所接收的电源转换给焊接输出；以及 脉冲宽度调制(PWM)数字控制器，其包括栅极驱动电路，所述栅极驱动电路被配置为产生控制一个或多个电源半导体开关切换的PWM输出信号。所述PWM输出信号包括占总线电压上的一个或多个变量的占空比项
11.根据权利要求10所述焊接电源，其中指令电流值和实际输出电流值之间的差校正占空比项。
12.根据权利要求10所述焊接电源，其中当焊接电流输出和/或焊接电压输出是在预设有界范围内时，指令电流值与实际输出电流值间的稳态误差进一步校正占空比项。
13.根据权利要求10所述焊接电源，其中通过下降项校正占空比项，所述下降项校正焊接电源的非理想传输函数。
14.根据权利要求10所述焊接电源，其中占空比项与焊接电源的输出电压相关。
15.根据权利要求10所述焊接电源，其中用电流或损耗电源校正占空比项，所述损耗电源包括二极管压降、电源半导体损耗、以及漏感。
16.根据权利要求10所述焊接电源，其中用于一个或多个电源半导体开关相关的电路中的栅极驱动延迟进一步校正占空比项。
17.根据权利要求10所述焊接电源，其中电源转换电路包括斩波式电路，所述斩波式电路被配置为利用行频变压器将AC线路电压转换成焊接电压和焊接电流。
18.开关式焊接电源的数字脉冲宽度调制(PWM)控制器，被配置为 测定开关式焊接电源的输出电压项； 计算开关式焊接电源的变化的总线电压； 计算正比误差项，所述正比误差项是用于校正指令电流值与焊接电源实际输出电流值间的差值；以及 通过将测定的输出电压项、计算的变化总线电压项、和正比误差项结合来计算占空比项。
19.根据权利要求18所述数字控制器，其被进一步配置为计算解耦项，所述解耦项校正与一个或多个电源半导体开关相关的电路中的栅极驱动延迟，和通过将测定的输出电压项、计算的变化总线电压项、和正比误差项结合来计算占空比项。
20.根据权利要求18所述数字控制器，其被进一步被配置为计算校正指令电流值与实际输出电流值间的稳态误差的积分项，和通过将测定的输出电压项、计算的变化总线电压项、正比误差项、以及积分项结合来计算占空比项。
21.根据权利要求18所述数字控制器，其中控制器被进一步配置为基于计算的占空比项将PWM控制信号输出给一个或多个电源半导体开关。
22.根据权利要求18所述数字控制器，其中所述数字控制器被进一步配置为计算下降项，所述下降项证明焊接电源的非理想传输函数，以及通过将将测定的输出电压项、计算的变化总线电压项、正比误差项、以及下降项结合来计算占空比项。
23.焊接电源，包括 电源转换电路，所述电源转换电路包括一个或多个电源半导体开关，其中电源转换电路被配置为接收主电源和在开启配置和关闭配置间切换一个或多个电源半导体开关以便将所接收的电源转换给焊接输出；以及 脉冲宽度调制(PWM)数字控制器，其被配置为在近似等于电流和/或电压波形的平均值的触发位处对电流和/或电压波形进行采样，以及基于电流和/或电压的样本值计算控制一个或多个电源半导体开关的切换的PWM输出信号。
24.根据权利要求23所述焊接电源，其中触发位近似等于一个或多个电源半导体开关的切换周期的“关闭”部分的中点。
25.根据权利要求23所述焊接电源，其中所述PWM数字控制器进一步被配置为重新计 算电源半导体开关的每一切换周期的触发位。
26.根据权利要求23所述焊接电源，其中所述PWM数字控制器被进一步配置为在切换周期的“关闭”部分的近似中点之后，更新一个或多个电源半导体开关的每一切换周期的PWM输出信号。
27.根据权利要求23所述焊接电源，其中触发位近似等于一个或多个电源半导体开关的切换周期“开启”部分的中点。
全文摘要
焊接电源包括电源转换电路，所述电源转换电流适于接收主电源，适于采用一个或多个电源半导体开关斩波主电源，以及适于将斩波式电源转换成所提供的焊接输出。所提供的焊接电源包括脉冲宽度调制(PWM)数字控制器，所述脉冲宽度调制数字控制器包括栅极驱动电路，所述栅极驱动电路可产生控制一个或多个电源半导体开关切换的PWM输出信号。所述PWM输出信号包括校正焊接系统中一个或多个电源误差的占空比项。
文档编号H02M3/335GK102804578SQ201080034197
公开日2012年11月28日 申请日期2010年6月1日 优先权日2009年6月3日
发明者伯纳德·J.·沃格尔 申请人:伊利诺斯工具制品有限公司