本發(fā)明涉及檢測(cè)技術(shù)與信號(hào)處理領(lǐng)域，具體涉及一種焊接電流實(shí)時(shí)測(cè)量計(jì)算方法，可應(yīng)用于單相交流電阻點(diǎn)焊機(jī)電流測(cè)量計(jì)算及類(lèi)似電路的環(huán)境。

背景技術(shù)：

在單相交流電阻點(diǎn)焊機(jī)設(shè)備中，流經(jīng)金屬焊片的電流值是一個(gè)重要的控制參數(shù)和過(guò)程變量。目前大部分的電阻焊機(jī)都是以電流值作為控制變量輸入的，也即根據(jù)電流值在調(diào)整焊接電源的輸入。同時(shí)，電流值還可以作為重要的計(jì)算參數(shù)，用以在線質(zhì)量估計(jì)模型的建立。另外，電流值還可以用以動(dòng)態(tài)電阻值的計(jì)算，以用于焊接過(guò)程分析以及控制策略設(shè)計(jì)，焊接安全性操作的在線檢測(cè)等。這些應(yīng)用大部分需要用到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算，而當(dāng)前的電阻點(diǎn)焊電流值測(cè)量，通常使用均方根值來(lái)對(duì)每一個(gè)采集值進(jìn)行計(jì)算，需要采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)量很多，計(jì)算涉及到的數(shù)學(xué)算法步驟復(fù)雜，計(jì)算量大，對(duì)于以微處理器系統(tǒng)為主的中央處理系統(tǒng)造成很大的壓力。

在單相交流電阻焊機(jī)中，唯一的輸入?yún)?shù)為每一個(gè)控制周期的晶閘管觸發(fā)角α，主要決定了有多少能量進(jìn)入焊接系統(tǒng)，當(dāng)能量進(jìn)入后即在每一個(gè)控制周期內(nèi)產(chǎn)生了持續(xù)一定時(shí)間的焊接電流，在傳統(tǒng)的方法中，是根據(jù)平方和開(kāi)方-也即離散點(diǎn)逐次積分的方法求得，具體是對(duì)在數(shù)據(jù)采集的每一個(gè)點(diǎn)，均需要做平方運(yùn)算，然后相加，最后除以總數(shù)N(一個(gè)周期內(nèi)采集到的電流值的個(gè)數(shù))以及開(kāi)平方，工作量很大。通常在以微處理器為主要工具的點(diǎn)焊操作中，計(jì)算空間非常有限，因此這樣的運(yùn)算給其他運(yùn)算以及整體任務(wù)的完成造成很大壓力，必須用更加有效快速的方法予以改進(jìn)。

方云等人通過(guò)理論分析，建立了不同功率因數(shù)角的電流有效值系數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型，進(jìn)而推算出在1/2周期內(nèi)估計(jì)出電流有效值的計(jì)算方法，但是這種方法與具體建立模型的焊接過(guò)程有關(guān)，使用范圍非常有限，而且計(jì)算過(guò)程也較為復(fù)雜。貢亮等人建立了電流過(guò)零微分值與電流有效值之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，進(jìn)而同樣利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了數(shù)學(xué)模型，但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)過(guò)程過(guò)于復(fù)雜，且分析過(guò)程同樣與單一實(shí)驗(yàn)環(huán)境有很大的關(guān)系，導(dǎo)致誤差較大，也只能利用在比較簡(jiǎn)單的應(yīng)用中。

由于電阻點(diǎn)焊的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，實(shí)時(shí)計(jì)算越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)微處理器的計(jì)算速度要求也越來(lái)越高，亟需發(fā)明一種計(jì)算更為簡(jiǎn)單、計(jì)算方面更為通用的電流測(cè)量方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，根據(jù)電阻點(diǎn)焊機(jī)的電力系統(tǒng)特性，從電流有效值計(jì)算的基本原理和方法出發(fā)，提供通用性強(qiáng)，計(jì)算工作量小的一種焊接電流實(shí)時(shí)測(cè)量計(jì)算方法。

本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

(1)以晶閘管觸發(fā)角α為單相交流電阻點(diǎn)焊機(jī)唯一輸入?yún)?shù)，控制輸入焊接系統(tǒng)能量；

(2)通過(guò)模擬-數(shù)字采集裝置采集焊接電流i_d；

(3)通過(guò)采集到的焊接電流i_d，搜索電流序列最大值所在的采集時(shí)間點(diǎn)γ；

(4)計(jì)算一個(gè)周期內(nèi)電流的導(dǎo)通角θ；

(5)根據(jù)觸發(fā)角α，導(dǎo)通角θ與功率因數(shù)角之間的數(shù)學(xué)關(guān)系求解功率因數(shù)角；

(6)計(jì)算依賴(lài)模型部分有效值I_RMS1；

(7)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法計(jì)算不依賴(lài)模型部分有效值I_RMS2；

(8)計(jì)算最終的焊接電流有效值I_RMS。

進(jìn)一步，步驟(4)中的導(dǎo)通角θ按以下公式計(jì)算：

式中N為一個(gè)控制周期內(nèi)電流采集值的總個(gè)數(shù)，f_s為電流數(shù)據(jù)采樣頻率，Tc為控制周期，在工頻為50Hz的情況下，一般為10毫秒。

進(jìn)一步，步驟(5)中的功率因數(shù)角按以下公式計(jì)算：

式中T_s為電流數(shù)據(jù)采樣周期，M為到達(dá)每一個(gè)控制周期內(nèi)電流峰值時(shí)的電流采集值的個(gè)數(shù)，γ為電流峰值，f為工頻頻率，即50Hz，ω為角頻率。

進(jìn)一步，步驟(6)中的依賴(lài)模型部分有效值I_RMS1按以下公式計(jì)算：

式中，U為電壓和Z為系統(tǒng)等效阻抗。

進(jìn)一步，步驟(7)中的不依賴(lài)模型部分有效值I_RMS2計(jì)算采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法計(jì)算可以大大節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)使用2×5×1形式可以取得較好效果。以P＝[α，θ]^T為輸入值，離線訓(xùn)練獲得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層與隱層之間的權(quán)值W_I，隱層與輸出層之間的權(quán)值W_II；輸入層與隱層之間的偏離值B_I和隱層與輸出層之間偏離值B_II，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算過(guò)程如下：

T₁＝W_I·P+B_I (4)

I_RMS2＝W_II×T₂+B_II (6)

式中T₁，T₂均為5行1列的矩陣，T_1，i，T_2，i表示矩陣中每一個(gè)具體的元素。

進(jìn)一步，步驟(8)中的最終的焊接電流有效值I_RMS按以下公式計(jì)算：

1_RMS＝I_RMS1×I_RMS2 (7)

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

本發(fā)明主要根據(jù)單相交流電阻點(diǎn)焊機(jī)電路系統(tǒng)的基本原理，結(jié)合數(shù)學(xué)積分運(yùn)算，推理出每一個(gè)焊接控制周期有效值計(jì)算的公式，將有效值計(jì)算分解為依賴(lài)模型部分和不依賴(lài)與模型部分，對(duì)于依賴(lài)模型部分采用峰值直接除法的方式，而對(duì)于不依賴(lài)模型部分采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模。更為重要的是，不依賴(lài)模型部分對(duì)于所有的單相交流電阻點(diǎn)焊操作而言都是一樣的，完全可以事先確定好，在具體需要計(jì)算的時(shí)候再代入計(jì)算，增強(qiáng)了本方法的普遍適用性。這樣可以實(shí)現(xiàn)從原理上直接求解電流有效值，而且計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，可以大大改進(jìn)當(dāng)前的依賴(lài)于均方根計(jì)算逐次積分有效值的方法。

附圖說(shuō)明

圖1.本發(fā)明一種焊接電流實(shí)時(shí)測(cè)量計(jì)算方法流程圖；

圖2.單相交流電阻點(diǎn)焊機(jī)電路系統(tǒng)原理圖；

圖3.本發(fā)明實(shí)施例觸發(fā)角為104.4°時(shí)，兩種方法電流有效值曲線對(duì)比圖；

圖4.本發(fā)明實(shí)施例觸發(fā)角為104.4°時(shí)，電流計(jì)算誤差曲線圖；

圖5.本發(fā)明實(shí)施例觸發(fā)角為109.8°時(shí)，兩種方法電流有效值曲線對(duì)比圖；

圖6.本發(fā)明實(shí)施例觸發(fā)角為109.8°時(shí)，電流計(jì)算誤差曲線圖；

圖7.本發(fā)明實(shí)施例觸發(fā)角為113.4°時(shí)，兩種方法電流有效值曲線對(duì)比圖；

圖8.本發(fā)明實(shí)施例觸發(fā)角為113.4°時(shí)，電流計(jì)算誤差曲線圖；

圖9.本發(fā)明實(shí)施例觸發(fā)角為117°時(shí)，兩種方法電流有效值曲線對(duì)比圖；

圖10.本發(fā)明實(shí)施例觸發(fā)角為117°時(shí)，電流計(jì)算誤差曲線圖；

圖11.本發(fā)明實(shí)施例觸發(fā)角為120.6°時(shí)，兩種方法電流有效值曲線對(duì)比圖；

圖12.本發(fā)明實(shí)施例觸發(fā)角為120.6°時(shí)，電流計(jì)算誤差曲線圖。

附圖說(shuō)明：1-焊接電源；2-晶閘管1；3-晶閘管2；4-焊接變壓器；5-次級(jí)線圈的等效電感；6-次級(jí)線圈的等效電阻；7-負(fù)載；8-主線圈的等效電感；9-主線圈的等效電阻。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請(qǐng)參閱說(shuō)明書(shū)圖1：

圖1為本發(fā)明一種焊接電流實(shí)時(shí)測(cè)量計(jì)算方法的流程圖，具體包括如下步驟：

(1)以晶閘管觸發(fā)角α為單相交流電阻點(diǎn)焊機(jī)唯一輸入?yún)?shù)，控制輸入焊接系統(tǒng)能量；

(2)通過(guò)模擬-數(shù)字采集裝置采集焊接電流i_d；

(3)通過(guò)采集到的焊接電流i_d，搜索電流序列最大值所在的采集時(shí)間點(diǎn)γ；

(4)計(jì)算一個(gè)周期內(nèi)電流的導(dǎo)通角θ；

(5)根據(jù)觸發(fā)角α，導(dǎo)通角θ與功率因數(shù)角之間的數(shù)學(xué)關(guān)系求解功率因數(shù)角；

(6)計(jì)算依賴(lài)模型部分有效值I_RMS1；

(7)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法計(jì)算不依賴(lài)模型部分有效值IRMS2；

(8)計(jì)算最終的焊接電流有效值I_RMS。

請(qǐng)參閱說(shuō)明書(shū)圖2：

在圖2單相交流電阻點(diǎn)焊機(jī)電路系統(tǒng)原理圖中，焊接電源1通過(guò)晶閘管2、3的觸發(fā)角α為系統(tǒng)輸入?yún)?shù)，控制輸入能量；焊接變壓器4實(shí)現(xiàn)降壓，之后提供能量給負(fù)載7，焊接電流i_d為流經(jīng)負(fù)載7的電流數(shù)字采集值。5為次級(jí)線圈電路的等效電感；6為次級(jí)線圈電路的等效電阻；8為主線圈電路的等效電感；9為主線圈電路的等效電阻。

本發(fā)明以普通單相交流電阻點(diǎn)焊操作為例，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括電阻點(diǎn)焊機(jī)，電流測(cè)量?jī)x器羅氏線圈，工控機(jī)，控制及數(shù)據(jù)采集電路板等，其中控制及數(shù)據(jù)采集電路板為自行研制而成，微處理器采用DSP進(jìn)行設(shè)計(jì)，以常規(guī)的連續(xù)逐次積分方法為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。電壓為380V的標(biāo)準(zhǔn)電壓，焊接有效控制時(shí)間均為20個(gè)控制周期(每個(gè)控制周期為10毫秒)。

選擇晶閘管觸發(fā)角度分別為104.4°，109.8°，113.4°，117°和120.6°這5種情況，分別采用本發(fā)明一種焊接電流實(shí)時(shí)測(cè)量計(jì)算方法與常規(guī)的連續(xù)積分方法進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。每個(gè)觸發(fā)角度時(shí)兩種方法電流有效值對(duì)比曲線圖和電流計(jì)算誤差曲線圖見(jiàn)說(shuō)明書(shū)圖3至圖12。可以看出兩種方法計(jì)算誤差很小，基本在-200A至400A之間振動(dòng)，平均誤差不超過(guò)1.6％，最大誤差不超過(guò)3.5％。

表1為不同觸發(fā)角情況下兩種方法誤差與CPU處理時(shí)間的對(duì)比。

表1.不同觸發(fā)角情況下兩種方法誤差與CPU處理時(shí)間對(duì)比

結(jié)果可以看出，誤差很小，但是本發(fā)明CPU工作完成時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)方法CPU工作時(shí)間，且傳統(tǒng)處理方法在前三組觸發(fā)角情況下，根本無(wú)法完成在線計(jì)算。

本實(shí)施例所述一種焊接電流實(shí)時(shí)測(cè)量計(jì)算方法應(yīng)用過(guò)程如下：晶閘管觸發(fā)角是單相交流電阻點(diǎn)焊機(jī)的唯一一個(gè)輸入，每一個(gè)控制周期需要一個(gè)晶閘管觸發(fā)角來(lái)決定有多少能量進(jìn)入焊接系統(tǒng)中，進(jìn)而熔化固態(tài)金屬。當(dāng)能量進(jìn)入焊接系統(tǒng)后，產(chǎn)生電流，通過(guò)羅氏線圈，根據(jù)合適的采集頻率(本實(shí)施例中使用的采集頻率為6.4kHz)采集電流數(shù)值，即為i_d，當(dāng)采集完成后，可以相應(yīng)的得到電流峰值γ，計(jì)算功率因數(shù)角以及電流作用域范圍導(dǎo)通角θ。根據(jù)這幾個(gè)數(shù)值可以計(jì)算依賴(lài)模型部分有效值I_RMS1，構(gòu)建計(jì)算非模型依賴(lài)部分的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，之后計(jì)算不依賴(lài)模型部分有效值I_RMS2。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是基于不依賴(lài)模型部分，因此可以適用于任何相似電路中，也即構(gòu)建一次之后，以后可以無(wú)限次的使用。分別計(jì)算出電流有效值的兩個(gè)部分I_RMS1和I_RMS2后，最終計(jì)算總的電流有效值I_RMS。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。