DE3788694T2 - Widerstandsschweissmaschine des Wechselrichtertyps. - Google Patents
Widerstandsschweissmaschine des Wechselrichtertyps.Info
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Widerstandsschweißgerät vom Wechselrichtertyp, das mit einer hochfrequenten Leistungsquelle arbeitet. Die Erfindung betrifft auch ein Steuersystem und -verfahren für das Schweißgerät.
- In einem herkömmlichen Widerstandsschweißgerät wird dem Schweißgerät ein 50 Hz- oder 60 Hz-Wechselstrom (AC) aus einer kommerziellen Leistungsversorgung durch einen Schweißtransformator zugeführt. Der Betrag des Stroms durch die Schweißelektroden, d. h. der Schweißstrom, wird durch Phasensteuerung eines Thyristors mit zugehörigen Steuerschaltungen gesteuert. Phasensteuerung ist ein schneller Ein-Aus-Schaltvorgang, der eine Wechselstromquelle für einen gesteuerten Bruchteil jedes Zyklus mit einer Last verbindet. Es wird daher das Tastverhältnis der Versorgung gesteuert. Die Steuerung wird durch Bestimmen des Phasenwinkels der Wechselstromwelle erreicht, bei dem der Thyristor angesteuert wird. Der Thyristor ist dann für den Rest des Zyklus leitend. Solche Anordnungen sind z. B. in US 4 419 559 und WO-A- 8600035 gezeigt.
- Die Verwendung einer relativ niederfrequenten Leistungsversorgung (z. B. 50 Hz oder 60 Hz) erfordert einen weiteren großen Schweißtransformator, um den gewünschten Schweißstrom bereitzustellen. Ein großer Transformator führt zwangsläufig zu einem Schweißgerät mit entsprechend größeren Abmessungen und höherem Gewicht. Um die Größe des Transformators zu reduzieren und eine Reduzierung in Größe und Gewicht des Schweißgeräts zu bewirken, besteht eine Lösung darin, eine Leistungsversorgung mit relativ hoher Frequenz, z. B. im Bereich von 400 Hz bis 800 Hz, zu verwenden.
- Die höherfrequente Leistungsversorgung erlaubt die Verwendung eines kleineren Transformators, ohne den Betrag des Schweißstroms zu verringern, der an die Schweißelektroden geliefert werden kann. Obwohl eine höherfrequente Leistungsversorgung ein Problem (die Notwendigkeit eines großen Transformators) vermeidet, führt sie zu Problemen in anderen Bereichen. Eines dieser Probleme hängt mit der relativ kurzen Zeitperiode jedes Wechselstromspannungszyklus aufgrund der höheren Frequenz zusammen. Die Kürze der Periode jedes Zyklus macht es schwierig, die notwendige Phasensteuerung über den Thyristor durchzuführen, da nicht genügend Zeit ist, um alle erforderlichen Schweißparameter zu berücksichtigen und die richtige Phasensteuerungsantwort bereitzustellen. Dieses Problem ist dann besonders kritisch, wenn ein Mikroprozessor verwendet wird, um die Steuerungsfunktion auszuführen. Aus diesem Grund tendiert man dazu, von der Verwendung höherfrequenter Leitungsquellen Abstand zu nehmen, was zur Folge hat, daß größere Schweißtransformatoren erforderlich sind.
- Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Schweißgerät vom Wechselrichtertyp zu schaffen, das aus einer hochfrequenten Leistungsquelle versorgt werden kann und das die mit solchen Geräten im Stand der Technik verbundenen Probleme überwindet.
- Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schweißgerät vom Widerstandstyp zu schaffen, bei dem der Schweißstrom unabhängig von der Frequenz der Leistungsquelle in hinreichender Weise gesteuert werden kann.
- Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schweißgerät vom Widerstandstyp zu schaffen, das mit einer hochfrequenten Leistungsquelle betrieben werden kann und das einen Mikroprozessor zur Steuerung des Schweißstroms verwendet.
- Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Widerstandsschweißgerät vom Wechselrichtertyp und ein Verfahren zu schaffen, die den Schweißstrom durch eine Halbzyklus-Antwort in bezug auf die Wechselrichterfrequenz steuert.
- Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung ein Widerstandsschweißgerät vom Wechselrichtertyp mit:
- Einem gesteuerten Leistungswechselrichter, der dazu ausgelegt ist, über einen Gleichrichter mit einer Quelle für Wechselstromleistung verbunden zu werden, um einen gesteuerten Schweißstrom zu liefern;
- Schweißelektroden, die mit dem Leistungswechselrichter verbunden sind, um den gesteuerten Strom aufzunehmen;
- gekennzeichnet durch Mittel zum Zuführen eines Aufschaltungs-Betriebswertes entsprechend einem gewünschten Schweißstrom bevor der Strom zugeführt wird; und
- Rückführungssteuerungsmittel, die mit dem Leistungswechselrichter verbunden sind, um den Betrieb des Wechselrichters in jedem Zyklus zu steuern, wobei die Rückführungssteuerung Proportional-, Integral- und Differenzierungssteuerungsmittel enthält und die Integralsteuerungsmittel dazu ausgelegt sind, einen Integralbetriebswert aus einer vorhergehenden Probe für den aktuellen Zyklus zu verwenden, wodurch die Integralbetriebszeit auf näherungsweise Null reduziert wird, indem ein berechneter Wert einer vorhergehenden Probe als Integralbetriebswert verwendet wird. Da die Berechnung des Integralbetriebswertes normalerweise relativ viel Zeit verbraucht, reduziert die Verwendung eines zuvor berechneten Wertes diejenige Zeit erheblich, die erforderlich ist, um die richtige Phasensteuerung für den Wechselrichter zu liefern. Daher kann eine höherfrequente Leistungsquelle zusammen mit einem entsprechend kleineren Schweißtransformator verwendet werden. Zusätzlich neigt das Schweißgerät der vorliegenden Erfindung nicht dazu, Strom zu erzeugen, der Ablenkmagnetismus des Schweißtransformators erzeugen kann, und verhindert auch abnormal hohen Stromfluß in dem Wechselrichter.
- Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- Fig. 2 ist ein Steuerblockdiagramm, das die Funktion der vorliegenden Erfindung illustriert.
- Fig. 3 zeigt Spannungswellenformen an verschiedenen Punkten des Schweißstromsteuerungssystems der vorliegenden Erfindung, die die Beziehung zwischen der Spannung über der Primärwicklung des Schweißtransformators und der Pulsbreitenmodulations-Bezugsspannung zeigt.
- Fig. 4 zeigt die Wellenform der gewünschten Spannung über der Primärwicklung des Schweißtransformators.
- Fig. 5 ist ein Flußdiagramm, das den Betrieb der CPU in dem Schweißstromsteuerungssystem der vorliegenden Erfindung zeigt.
- Fig. 6 ist ein Blockschaltbild des in dem Schweißstromsteuerungssystem der vorliegenden Erfindung verwendeten Prozessors.
- Die als kennzeichnend für die Erfindung angesehenen Merkmale sind in den zugehörigen Patentansprüchen aufgeführt. Die Erfindung selbst wird jedoch sowohl hinsichtlich ihrer Konstruktion als auch ihrer Betriebsweise zusammen mit zusätzlichen Eigenschaften und Vorteilen am besten aus der folgenden Beschreibung spezieller Ausführungsformen in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen verständlich.
- Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie dargestellt, wird eine Wechselstrom-Leistungsversorgung 14 einem Gleichrichter 2 durch einen Sicherungsschalter 1 zugeführt. Der Gleichrichter 2 richtet die AC-Leistungsversorgungsspannung auf eine unipolare Spannung gleich, die einem GTR-Leistungswechselrichter 3 auf einer positiven Leitung 15 und einer negativen Leitung 16 zugeführt wird. Der Wechselrichter 3 ist ein Thyristor, dessen Gate durch eine Basis-Treiber-Steuerschaltung 8 gesteuert wird, deren Funktion unten beschrieben wird. Die Spannungswellenform am Ausgang des Wechselrichters 3 ist in Fig. 3A gezeigt und mit der Primärwicklung des Transformators 5 durch Leitungen 17 und 18 verbunden. Die an der Sekundärwicklung des Transformators 5 erscheinende Spannung wird durch Dioden 6 vollwellen-gleichgerichtet und den Widerstandsschweißelektroden 7 zugeführt.
- Ein Pulsbreitenmodulator (PWM) 9 stellt eine Phasensteuerung für den Wechselrichter 3 durch den Basis-Steuerungstreiber 8 in der Weise bereit, daß der Tastgrad der Spannungswelle am Wechselrichterausgang variiert werden kann. Da der Wert des Schweißstromflusses durch die Schweißelektroden 7 von dem Tastgrad der Spannung an dem Ausgang des Wechselrichters 3 abhängt, kann PWM 9 den Schweißstromfluß wirksam steuern. Die Wellenform des Steuersignals aus PWM 9, das dem Wechselrichter 3 zugeführt wird, ist in Fig. 3B gezeigt.
- Der Betrieb der Basis-Treiber-Steuerung 8 wird durch den Pulsbreitenmodulator (PWM) 9 gesteuert, der wiederum durch einen Prozessor gesteuert wird. Wie weiter unten genauer erläutert wird, steuert der Prozessor 10 den Betrieb von PWM 9 nach Maßgabe eines gespeicherten Computerprogramms und von Daten, die von einem Stromwandler 4 durch einen A/D-Wandler 12 empfangen werden, und von Befehlen aus einer Programmbox 11. Der Zweck des Stromwandlers 4 liegt darin, den Wert des Stromflusses durch die Primärwicklung des Transformators 6 nachzuweisen. Dieser Wert wird durch den A/D-Wandler 12 in einen digitalen Wert umgewandelt, der dann dem Prozessor 10 zugeführt wird.
- Die Programmbox 11 gestattet es dem Benutzer, bestimmte Schweißbedingungen im Vorwege festzusetzen, wie etwa den Schweißstrom, die Schweißstromdauer und dergleichen.
- Fig. 6 zeigt in einem Blockschaltbild einen Aufbau des Prozessors 10. Wie Fig. 6 zeigt, enthält der Prozessor 10 eine Anzahl von herkömmlichen, miteinander in Beziehung stehenden Elementen wie etwa einen RAM-Speicher 61 und einen ROM-Speicher 62, worin die Instruktionen und zeitweilige Datenspeicherbereiche eines Computerprogramms gespeichert sind. Der Prozessor 10 enthält auch ein Eingabe/Ausgabe-(I/O)-Peripheriegerät 64, das es dem Prozessor gestattet, mit der Programmbox 11 und dem A/D-Wandler 12 zu kommunizieren. Das Peripheriegerät 64 kann auch dazu dienen, dem Benutzer die Kommunikation mit dem Prozessor 10 durch Geräte wie GRT 65, Tastatur 66 und Drucker 67 zu gestatten. Das System kann auch Massenspeichereinrichtungen 68 enthalten, die es dem System gestatten, Daten zu speichern und Programmbefehle von Peripherieeinrichtungen wie magnetischen Disketten (floppy disk) und Bandeinheiten zu empfangen.
- Das Herz des Prozessors 10 ist die zentrale Prozessoreinheit (CPU) 63, die den Informationsfluß zwischen den verschiedenen Elementen des Systems überwacht und die logische Berechnungen und andere Funktionen auf Grundlage von Befehlen in dem in RAM 61 und/oder ROM 62 gespeicherten Computerprogramm und zu dem Programm gehörigen Daten ausführen kann. Die CPU 63 kann aus einer Anzahl von Mikroprozessoren ausgewählt werden, die im Stand der Technik bekannt sind, einschließlich von 4-Bit-, 8- Bit-, 16-Bit- oder 32-Bit-Typen.
- Der in Fig. 6 gezeigte Aufbau des Prozessors 10 ist lediglich ein Ausführungsbeispiel. Es sind auch andere Ausführungsformen und Anordnungen verwendbar einschließlich solcher, die keine CRT, keine Tastur und keine Druckerfähigkeit haben.
- Unter Bezugnahme auf Fig. 3 entspricht die Zeitperiode T1 einem vollständigen Zyklus der am Ausgang des Wechselrichters 3 liegenden Spannung und zwei vollständigen Zyklen des Bezugsdreieckswellen-Steuersignals, das am Ausgang von PWM 9 erscheint. Für den Fall, daß die Frequenz der AC-Leistungsquelle 14 700 Hz beträgt, ist die Frequenz der Spannung am Ausgang des Wechselrichters 3 ebenfalls 700 Hz. Daher beträgt die Zeitperiode T1 näherungsweise 1,43 ms und die Zeitperiode T2 näherungsweise 0,36 ms.
- Falls der Prozessor 10 beispielsweise einen 8-Bit-Mikroprozessor als CPU 63 verwendet, der mit einer Taktfrequenz von 2,0 MHz arbeitet, beträgt die gesamte Berechnungszeit, die notwendig ist, um die Phasensteuerung für den Wechselrichter 3 zu bestimmen, näherungsweise 0,5 ins. Da 0,5 ins die Zeitdauer von T2 überschreitet, können herkömmliche Mikroprozessor-Steuerungsverfahren bei dieser Frequenz nicht angewendet werden. Die vorliegende Erfindung überwindet jedoch dieses Problem.
- Die Funktionsweise des Schweißgerätes der vorliegenden Erfindung wird im folgenden genauer unter Bezugnahme auf das in Fig. 2 gezeigte Steuer-Blockdiagramm beschrieben. Dieses Blockdiagramm illustriert einen Betriebszyklus von PWM 9, der von Prozessor 10 gesteuert wird. Wie in der Einleitung aufgeführt, liegt bei einem Widerstandsschweißgerät ein wichtiger Faktor in der Steuerung des Betrags des Schweißstroms, der durch die Schweißelektroden fließt.
- In Block 21 in Fig. 2 wird der gewünschte Schweißstromwert von dem Benutzer über die Programmbox 11 ausgewählt. Der gewählte Schweißstromwert wird einem Aufschaltungsbetriebswertblock 24 und einem Abweichungsblock 23 zugeführt. Dem Abweichungsblock 23 wird auch ein Rückführungsbetragswert von Block 22 zugeführt.
- Dieser Wert entspricht dem zu diesem Zeitpunkt tatsächlich durch die Schweißelektroden 7 fließenden Schweißstrom und wird durch den Stromwandler 4 und den A/D-Wandler 12 bereitgestellt. Der Stromwandler 4 weist die Höhe des durch die Primärwicklung des Transformators 5 fließenden Stromes nach und erzeugt ein entsprechendes Analogsignal. Da die Höhe des Stromflusses durch die Sekundärwicklung des Transformators 5 und daher durch die Schweißelektroden 7 von der Höhe des durch die Primärwicklung des Transformators 5 fließenden Stromes abhängig ist, spiegelt das Analogsignal aus dem Stromwandler 4 die Höhe des durch die Schweißelektroden 7 fließenden Schweißstroms genau wieder. Das Analogsignal wird durch den A/D-Wandler 12 in ein entsprechendes Digitalsignal umgewandelt, welches daher den Rückführungsbetragswert darstellt, der dem Abweichungsblock 23 aus Block 22 zugeführt wird.
- Der gewünschte Schweißstromwert und der Rückführungsbetragswert werden von dem Abweichungsblock 23 verglichen, der einen Abweichungsbetragswert bildet, welcher die Differenz zwischen dem gewünschten Schweißstromwert und dem Rückführungsbetragswert ist. Der Differenzbetragswert wird dem Proportionalbetriebsbetrag-Block 25, dem Integralbetriebsbetrag-Block 26 und dem Differenzbetriebsbetrag-Block 27 zugeführt.
- Auf Grundlage des Differenzwertes werden ein Proportionalbetriebsbetrag, ein Integralbetriebsbetrag und ein Differenzbetriebsbetrag bestimmt und dann in Block 30 zu einem Betriebsbetrag, wie in Block 28 dargestellt, summiert. Der Betriebsbetrag wird durch einen Betriebsbetrag-Begrenzungswert, wie in Block 29 dargestellt, begrenzt, um Gleichstrom-Ablenkmagnetismus des Transformators 5 zu vermeiden. Dieser Wert wird dann als Eingabe dem PWM 9 zugeführt, der wiederum die Phase des Wechselrichters 3 entsprechend steuert.
- Wie in Fig. 4 dargestellt, sollte sich der in Block 29 gezeigte Betriebsbetrag-Begrenzungswert während jedes positiven und negativen Halbzyklus in kleinen Schritten ändern, um Gleichstrom- Ablenkmagnetismus des Transformators 5 zu vermeiden. Wie jedoch bereits oben bemerkt, hat ein herkömmliches mikroprozessorgesteuertes Schweißgerät, das in herkömmlicher Weise arbeitet, nicht genügend Antwortzeit, um die notwendige Steuerung in kleinen Schritten auszuführen. Die vorliegende Erfindung überwindet dieses Problem, wie unter Bezugnahme auf Fig. 5 erläutert werden soll. Fig. 5 stellt als Flußdiagramm die Funktionsweise des Prozessors 10 dar.
- Wie in Fig. 5 gezeigt, wird ein gewünschter Wert 21 in Schritt 2 gesetzt, und ein Aufschaltungsbetriebsbetrag 24 wird in nicht auswählbarer Weise in Schritt 3 bestimmt. Der Betriebsbetrag 24 wird nur einmal bestimmt, bevor den Schweißelektroden 7 elektrischer Strom zugeführt wird. Der Aufschaltungsbetriebsbetragswert braucht nicht für jeden Zyklus bestimmt zu werden. Ein Abweichungswert 23 wird dann in Schritt 4 berechnet, der Proportionalbetriebsbetrag 25 und ein Differenzbetriebsbetrag 27 werden in Schritt 5 berechnet. Der Aufschaltungsbetriebsbetrag 24 und ein zuvor berechneter Integralbetrag 26 werden dann zu dem Proportionalbetriebsbetrag 25 und dem Differenzbetriebsbetrag 27 addiert, um den Betriebsbetrag 28 und den Betriebsbetrag-Begrenzungswert 29, wie in Block 6 gezeigt, zu erhalten.
- In Block 7 wird eine Fallunterscheidung gemacht, ob die Ausgabewelle des Wechselrichters 3 positiv oder negativ ist. Wenn sie negativ ist, wird der PWM 9 auf den Wert Vn gesetzt. Wenn sie jedoch positiv ist, wird PWM 9 auf den Wert:
- Vn-1 + Vn/2
- gesetzt, wobei Vn-1 der vorhergehende Wert von Vn ist. In Schritt 10 wird ein Integralbetriebsbetrag 26 für diesen Zyklus berechnet und zur Verwendung während späterer Zyklen abgespeichert.
- Die Phasensteuerung des Wechselrichters 3 wird daher erreicht, indem die Schritte 4 bis 10 wiederholt werden, bis der Schweißvorgang abgeschlossen ist. Bei Anwendung dieses Verfahrens wird ein vorhergehender Integralbetriebsbetrag 26 verwendet und die Berechnung eines neuen Integralbetriebsbetrages 26 wird hinausgezögert bis zu einem Zeitpunkt, nachdem ein Phasensteuerungswert an den PWM 9 geliefert worden ist. Da die Berechnung des Integralbetriebsbetrages 26 relativ zeitaufwendig ist, reduziert die Verwendung eines zuvor berechneten Betrages die zur Lieferung einer richtigen Phasensteuerung an den Wechselrichter 3 erforderliche Zeit erheblich. Daher kann eine richtige Phasensteuerung innerhalb der oben erwähnten Zeitperiode T2 bereitgestellt werden.
- Der Integralbetriebsbetrag 26 ist erforderlich, um einen Offset des Abweichungsbetrags 23 zwischen dem gewünschten Wert 21 und dem Rückführungswert 22 zu schaffen. Daher hat der Integralbetriebsbetrag 26 keinen Einfluß auf Phasensteuerungs-Antworten, auch wenn er um eine Abtastung verzögert ist.
- Da die Ausgabe des Wechselrichters 3 für den positiven Zyklus gegeben ist als:
- Vn + Vn/2
- wird die Spannungswellenform in sehr kleinen Schritten geändert wie in Fig. 4 gezeigt.
- Fachleuten werden beim Lesen dieser Offenbarung viele Abwandlungen und Variationen der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform offensichtlich sein. Es ist zu bemerken, daß die Erfindung nicht auf das insbesondere beschriebene Gerät beschränkt ist, sondern allein durch die angefügten Patentansprüche bestimmt werden soll.
Claims (8)
1. Widerstandsschweißgerät vom Wechselrichtertyp mit:
Einem gesteuerten Leistungswechselrichter (3), der dazu
ausgelegt ist, über einen Gleichrichter mit einer Quelle
(14) für Wechselstromleistung verbunden zu werden, um einen
gesteuerten Schweißstrom zu liefern;
Schweißelektroden (7), die mit dem
Leistungswechselrichter verbunden sind, um den gesteuerten Strom
aufzunehmen;
gekennzeichnet durch Mittel (24) zum Zuführen eines
Aufschaltungs-Betriebswertes entsprechend einem gewünschten
Schweißstrom bevor der Strom zugeführt wird; und
Rückführungssteuerungsmittel, die mit dem
Leistungswechselrichter verbunden sind, um den Betrieb des
Wechselrichters in jedem Zyklus zu steuern, wobei die
Rückführungssteuerung Proportional-, Integral- und Differenzier-
Steuerungsmittel enthält und die Integral-Steuerungsmittel
dazu ausgelegt sind, einen Integralbetriebswert aus einer
vorhergehenden Probe für den aktuellen Zyklus zu verwenden,
wodurch die Integralbetriebszeit auf näherungsweise Null
reduziert wird, indem ein berechneter Wert einer
vorhergehenden Probe als Integralbetriebswert verwendet wird.
2. Schweißgerät nach Anspruch 1, das weiter einen Gleichrichter
(6) aufweist, der über einen Transformator (5) mit dem
Wechselrichter (3) verbunden ist, um Gleichstrom zum Schweißen
zur Verfügung zu stellen.
3. Schweißgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
die Steuerungsmittel eine
Pulsbreitenmodulations-Steuereinheit aufweisen.
4. Schweißgerät nach Anspruch 3, wobei die
Pulsbreitenmodulations-Steuereinheit durch einen Prozessor gesteuert wird.
5. Schweißgerät nach Anspruch 3 oder 4, wobei in dem positiven
Halbzyklus der Steuerungsmittel ein arithmetisches Mittel
eines vorhergehenden Betriebswertes und des aktuellen
Betriebswertes an die Pulsbreitenmodulations-Steuereinheit
ausgegeben wird, und in dem negativen Halbzyklus der
aktuelle Betriebswert ausgegeben wird.
6. Schweißgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
der Betriebswert auf einen vorgegebenen Wert begrenzt wird.
7. Schweißgerät nach Anspruch 4, wobei der Prozessor ein 8-Bit-
Mikrocomputer ist.
8. Verfahren zur Steuerung eines Widerstandsschweißgerätes vom
Wechselrichtertyp mit den Schritten:
Bereitstellen von
Leistungsversorgungs-Steuerungsmitteln, die dazu ausgelegt sind, an eine Wechselstromquelle
angeschlossen zu werden, um einen gesteuerten Schweißstrom
zu liefern;
Bereitstellen von Schweißelektroden, welche mit den
Leistungsversorgungs-Steuerungsmitteln verbunden sind, um
den gesteuerten Stromfluß aufzunehmen;
Zuführen eines Aufschaltungs-Betriebswertes
entsprechend einem gewünschten Schweißstrom; und Berechnen eines
Rückführungssteuerungswertes aus einem Proportionalwert,
einem Integralwert und einem Differenzierungswert, um den
Betrieb der Leistungssteuerungsmittel zu steuern, wobei ein
Integralwert aus einem vorhergehenden Betriebszyklus
verwendet wird, wodurch die Integralbetriebszeit auf im
wesentlichen Null reduziert wird, indem ein berechneter Wert einer
vorhergehenden Probe als Integralbetriebswert verwendet
wird.
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