Сварочный источник питания с цифровым управлением рабочим циклом

Сварочный источник питания с цифровым управлением рабочим циклом

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

По настоящей заявке испрашивается приоритет по предварительной патентной заявке US 61/183,731 "Сварочный источник питания с цифровым управлением", поданной 3 июня 2009 г., которая включена сюда путем ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится в целом к сварочным источникам питания и, более конкретно, к цифровому контроллеру для импульсного сварочного источника питания.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Были разработаны многие типы сварочных источников питания, способных обеспечивать выходную мощность сварки от источника питания переменного тока или постоянного тока. Одним таким источником питания является импульсный источник питания, который использует силовые полупроводниковые переключатели для прерывания мощности постоянного тока, подводимой от источника, и преобразования прерываемой мощности в напряжение и/или ток, подходящий для сварки. Импульсные источники питания, такие как источники питания инверторного типа и источники питания со схемой прерывания, были разработаны для удовлетворения потребностей в разных сварочных процессах и применениях.

Для управления сварочными источниками питания со схемой прерывания и источниками питания инверторного типа обычно используются подобные способы и/или схемы управления. Одним способом управления такими источниками питания является управление с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ). ШИМ-управление обеспечивает регулирование и управление выходным током и/или напряжением сварочного источника питания, изменяя рабочий цикл (то есть отношение времени включения и выключения) силовых полупроводниковых переключателей, расположенных в схеме источника питания. Традиционные инверторные сварочные источники питания или источники питания со схемой прерывания включают в себя замкнутую схему управления с обратной связью по току, так что источник питания может работать как управляемый источник тока при определенных условиях нагрузки при дуговой сварке. В таком качестве традиционные инверторные источники питания или источники питания со схемой прерывания включают в себя аналоговый контроллер, который управляет минимальным и максимальным уровнями тока, выдаваемого источником питания, скоростью изменения тока между различными уровнями, генерацией желаемых форм волны тока и т.п. К сожалению, аналоговые контроллеры часто имеют недостатки, такие как неспособность адекватно реализовывать динамические требования импульсного сварочного источника питания. Например, аналоговые контроллеры часто не соответствуют требованию достаточно быстрого реагирования на быстро происходящие события в сварочной дуге, которые могут возникать с интервалами времени менее 1 мс. В соответствии с этим существует необходимость в улучшении систем и способов управления применительно к импульсным сварочным источникам питания.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

В варианте воплощения сварочный источник питания включает в себя схему преобразования мощности, включающую в себя один или более силовых полупроводниковых переключателей. Схема преобразования мощности выполнена с возможностью приема мощности от первичного источника и переключения одного или более силовых полупроводниковых переключателей между состоянием включения и состоянием выключения, чтобы преобразовать принятую мощность в выходную мощность сварки. Сварочный источник питания также включает в себя цифровой контроллер с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), соединенный со схемой преобразования мощности и сконфигурированный с возможностью вычисления рабочего цикла для управления переключением одного или более полупроводниковых выключателей, вычисляя выражение для выходного напряжения.

В другом варианте воплощения сварочный источник питания включает в себя схему преобразования мощности, включающую в себя один или более силовых полупроводниковых переключателей и выполненную с возможностью приема мощности от первичного источника и переключения одного или более силовых полупроводниковых переключателей между состоянием включения и выключения, чтобы преобразовывать принятую мощность в выходную мощность сварки. Сварочный источник питания также включает в себя цифровой ШИМ-контроллер, включающий в себя схему управления вентилем, выполненную с возможностью генерации выходного ШИМ-сигнала, который управляет переключением одного или более силовых полупроводниковых переключателей. Выходной ШИМ-сигнал включает в себя выражение для рабочего цикла, которое учитывает одно или более изменений напряжения на шине.

В другом варианте воплощения цифровой ШИМ-контроллер для импульсного сварочного источника питания выполнен с возможностью определения выражения для выходного напряжения импульсного сварочного источника питания, вычисления выражения для изменяющегося напряжения на шине импульсного сварочного источника питания, вычисления выражения для пропорциональной ошибки, которая корректируется с учетом разности между заданным уровнем тока и действительным уровнем выходного тока сварочного источника питания, и вычисления выражения для рабочего цикла путем сложения выражения для определенного выходного напряжения, выражения для вычисленного изменяющегося напряжения на шине и выражения для пропорциональной ошибки.

В другом варианте воплощения сварочный источник питания включает в себя схему преобразования мощности, включающую в себя один или более силовых полупроводниковых переключателей и выполненную с возможностью приема мощности от первичного источника питания и переключения одного или более силовых полупроводниковых переключателей между состоянием включения и состоянием выключения для преобразования принятой мощности в выходную мощность сварки. Сварочный источник питания также включает в себя цифровой ШИМ-контроллер, выполненный с возможностью дискретизации формы волны тока и/или напряжения в положении запуска, которое приблизительно совпадает со средним значением формы волны тока и/или напряжения, и вычисления выходного ШИМ-сигнала, который управляет переключением одного или более силовых полупроводниковых переключателей на основе дискретизированных значений тока и/или напряжения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых

Фиг.1 изображает типовую схему прерывания, сконфигурированную с возможностью функционирования в качестве импульсного сварочного источника питания, согласно аспектам настоящего изобретения;

Фиг.2 изображает схему типового цифрового контроллера для сварочного источника питания, которая включает в себя схему управления вентилем, сконфигурированную с возможностью управления переключением одного или более силовых полупроводниковых переключателей, согласно аспектам настоящего изобретения;

Фиг.3 изображает блок-схему алгоритма, иллюстрирующую типовой способ, который может быть использован цифровым контроллером для вычисления и задания соответствующего рабочего цикла для сварочной операции, в соответствии с аспектами настоящего изобретения;

Фиг.4 изображает диаграмму, иллюстрирующую типовую форму волны действительного выходного тока и типовую форму волны среднего тока, которые могут генерироваться при первом выходном напряжении и первом состоянии нагрузки, согласно аспектам настоящего изобретения;

Фиг.5 изображает диаграмму, иллюстрирующую типовую форму волны действительного выходного тока и типовую форму волны среднего тока, которые могут генерироваться при втором выходном напряжении и втором состоянии нагрузки, согласно аспектам настоящего изобретения;

Фиг.6 изображает типовую временную диаграмму, включающую в себя типовую форму широтно-импульсно-модулированной волны, которая может генерироваться цифровым контроллером, согласно аспектам настоящего изобретения;

Фиг.7 изображает принципиальную схему типовой системы сварочного источника питания инверторного типа или источника питания со схемой прерывания, включающую в себя электрические компоненты источника питания и один или более внешних компонентов, согласно аспектам настоящего изобретения;

Фиг.8 изображает типовую диаграмму незафиксированного напряжения и типовую диаграмму нефиксированного тока во времени согласно аспектам настоящего изобретения;

Фиг.9 изображает типовую диаграмму зафиксированного напряжения и типовую диаграмму зафиксированного тока во времени согласно аспектам настоящего изобретения;

Фиг.10 изображает диаграммы напряжения, включающие в себя типовую форму волны фильтрованного напряжения обратной связи, типовую форму волны масштабированного напряжения и форму волны быстро изменяющегося нефильтрованного напряжения, согласно аспектам настоящего изобретения;

Фиг.11 подробно изображает выбранную область формы волны быстро изменяющегося нефильтрованного напряжения, показанного на фиг.10, согласно аспектам настоящего изобретения;

Фиг.12 подробно изображает выбранную область формы волны быстро изменяющегося нефильтрованного напряжения, показанного на фиг.10, согласно аспектам настоящего изобретения.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.1 изображена типовая схема 10 прерывания, сконфигурированная с возможностью функционирования в качестве импульсного сварочного источника питания. Схема 10 прерывания включает в себя ввод 12 напряжения сети переменного тока, трансформатор 14, набор диодов 16, конденсатор 18, силовой полупроводниковый переключатель 20, диод 22, дроссель 24, датчик 26 тока, выходное напряжение 28 и сварочную дугу 30. Схема 10 прерывания управляется цифровым ШИМ-контроллером 32 прерывания, подсоединенным к сварочному контроллеру 34. Цифровой контроллер 32 включает в себя схему 36 управления вентилем, сконфигурированную с возможностью включения и выключения силового полупроводникового переключателя 20, и интерфейсные схемы 38, 40, сконфигурированные с возможностью принимать ток и напряжение обратной связи через линии 42, 44, 46 обратной связи. Сварочный контроллер 34 и/или цифровой контроллер 32 могут быть подсоединены к разнообразным входам и выходам, таким как показанные пользовательский интерфейс 48, устройство 50 управления вентилятором и термодатчик 52.

В процессе работы напряжение 12 сети переменного тока принимается схемой 10 прерывания и преобразуется трансформатором 14 в напряжение, уровень которого подходит для выходного напряжения сварки. В показанном варианте воплощения трансформатор 14 является однофазным трансформатором, сконфигурированным с возможностью работы на частоте сети. Однако в других вариантах реализации трансформатор 14 может быть трехфазным трансформатором, подключенным к входному источнику напряжения трехфазной сети питания. Более того, схема 10 прерывания может быть сконфигурирована с возможностью приема одного номинального входного напряжения сети переменного тока или нескольких номинальных напряжений сети переменного тока. При этом в определенных вариантах воплощения несколько напряжений сети переменного тока могут подаваться путем обеспечения отводов на трансформаторе 14, которые могут вручную или автоматически подсоединяться для конкретного номинального напряжения сети переменного тока.

Выходное напряжение вторичной обмотки трансформатора 14 выпрямляется диодами 16, создавая тем самым напряжение 54 на шине постоянного тока. Конденсатор 18 сконфигурирован с возможностью сглаживания и фильтрования напряжения 54 на шине постоянного тока. При этом в некоторых вариантах воплощения конденсатор 18 может быть электролитическим конденсатором, пленочным конденсатором или любым другим подходящим конденсатором. Силовой полупроводниковый переключатель 20 и диод 22 сконфигурированы с возможностью функционирования в качестве силовой полупроводниковой схемы прерывания, прерывая напряжение 54 на шине постоянного тока. Например, силовой полупроводниковый переключатель 20 включается и выключается схемой 36 управления вентилем, расположенной в цифровом контроллере 32 в рассматриваемом варианте реализации. При этом частота переключения и рабочий цикл (то есть отношение периодов включения/выключения) силового полупроводникового переключателя 20 управляются цифровым контроллером 32 для обеспечения регулируемого выходного напряжения и/или тока сварочного источника питания, как диктуется требуемым процессом и/или условиями сварки. В некоторых вариантах воплощения, частота переключения может находиться в пределах между приблизительно 10 кГц и приблизительно 100 кГц. Например, в некоторых вариантах реализации частота переключения может составлять приблизительно 20 кГц.

Обработанное напряжение на шине постоянного тока, прерываемое силовой полупроводниковой схемой прерывания, прикладывается к дросселю 24, который сглаживает и выводит выходное напряжение 28. Таким образом, выходной ток 56 и выходное напряжение 28 генерируются и подаются на сварочную дугу, сварочные выводы, рабочие зажимы и т.п. для использования в операции сварки. Датчик 26 тока может быть использован для измерения выходного тока 56 и передачи полученных результатов измерений в цифровой контроллер 32 через линию 42 связи. Аналогичным образом выходное напряжение может быть измерено и передано на интерфейсную схему 40, расположенную в цифровом контроллере 32.

Цифровой контроллер может быть сконфигурирован с возможностью управления другими функциями в процессе работы, такими как мониторинг термодатчиков 52, управление охлаждающими вентиляторами 50 и двунаправленная передача различных состояний и сигналов управления в другие схемы и устройства управления, такие как сварочный контроллер 34. Например, сварочный контроллер 34 конфигурируется с возможностью вывода командного сигнала 58 цифровому контроллеру 32. Командный сигнал 58 может быть уровнем выходного тока для сварочного источника питания, комплексной формой волны или сигналом, зависящим от различных входных параметров, таких как выполняемый сварочный процесс, принятые пользовательские входные параметры, сигналы обратной связи по напряжению и току и т.п. При этом сварочный контроллер 34, показанный в варианте реализации на фиг.1, может позволять пользователю выбирать и управлять сварочным процессом через пользовательский интерфейс 48. Через пользовательский интерфейс 48 сварочный контроллер 34 может обеспечивать различные сигналы, индикаторы, органы управления, измерительные устройства, компьютерные интерфейсы и т.п., что позволяет пользователю устанавливать и конфигурировать сварочный источник питания, как это требуется для данного сварочного процесса.

Цифровой контроллер 32 может быть сконфигурирован с возможностью приема одного или более входных сигналов от сварочного контроллера 34 и использования таких входных сигналов для управления работой схемы 10 прерывания. Например, в одном варианте реализации цифровой контроллер 32 может реализовать схему ШИМ-управления. Через схему ШИМ-управления цифровой контроллер 32 может регулировать и управлять выходным током и/или напряжением сварочного источника питания, изменяя рабочий цикл силового полупроводникового переключателя 20. В таких системах сварочный источник питания может включать в себя замкнутый контур управления током, так что источник питания может работать как управляемый источник тока для требуемых условий нагрузки при дуговой сварке. При этом цифровой контроллер 32 может управлять минимальным и максимальным уровнями тока, подаваемого с выхода источника питания, управлять скоростями изменения тока между различными уровнями и генерировать желаемые формы волн.

Варианты реализации настоящего изобретения представляются здесь в контексте схем прерывания. Однако следует отметить, что любой из множества типов импульсных источников питания, который использует полупроводниковые переключатели для прерывания источника энергии постоянного тока и преобразования прерываемой энергии в напряжение и/или ток, подходящие для сварки, может быть использован с описываемыми здесь способами и системами цифрового управления. Например, в вариантах воплощения настоящего изобретения может использоваться любой из множества подходящих источников питания инверторного типа, такой как схема прямого действия, мост, полумост, схема обратного действия и т.п. Такие источники питания могут также включать в себя схемы предварительного регулирования, сконфигурированные с возможностью обеспечения регулируемого напряжения шины постоянного тока на схему инвертора. Действительно, любые из множества подходящих типов или конфигураций схем источников питания могут быть использованы в сочетании с описываемым здесь цифровым контроллером.

На фиг.2 изображен типовой цифровой ШИМ-контроллер 32 для сварочного источника питания. Изображенный цифровой контроллер 32 включает в себя схему 36 управления вентилем, сконфигурированную с возможностью управления переключением силового полупроводникового переключателя 20, показанного на фиг.1, посредством выходного ШИМ-сигнала 60. Цифровой контроллер 32 может также включать в себя множество схем, не показанных на фиг.2. Например, контроллер 32 может включать в себя схемные элементы, такие как аналого-цифровые преобразователи, цифро-аналоговые преобразователи, таймеры, микропроцессоры, схемы обработки и фильтрования сигнала и т.п., которые могут быть использованы с целью реализации схемы управления для импульсного сварочного источника питания.

В рассматриваемом варианте реализации цифровой контроллер 32 сконфигурирован с возможностью приема разнообразных аналоговых входных сигналов 62, включая команду 58 опорного тока, сигнал 64 обратной связи по току, сигнал 66 обратной связи по напряжению, сигнал 52 обратной связи термодатчика, сигнал 68 обратной связи по напряжению на шине и любые другие подходящие сигналы 70, которые могут быть использованы контроллером 32 для реализации цифрового ШИМ-управления или обеспечения дополнительных функций в сварочном источнике питания. Таким образом, цифровой контроллер 32 может быть использован для выполнения многих функций, связанных со сварочным источником питания, которые напрямую не относятся к ШИМ-управлению. Такие функции могут включать в себя тепловой мониторинг, управление охлаждающим вентилятором, управление индикаторами состояний и реле и т.п. Однако в других вариантах воплощения такие второстепенные функции могут не выполняться цифровым ШИМ-контроллером 32, а могут вместо этого выполняться другим микропроцессором или схемой управления. Тем не менее, в определенных вариантах реализации может оказаться преимущественным использовать цифровой ШИМ-контроллер 32 для выполнения таких функций помимо выполнения функции ШИМ-управления. Дополнительно цифровой ШИМ-контроллер 32 может сопрягаться с различными другими схемами или компонентами системы, включающими в себя устройство 50 управления вентилятором, сварочный контроллер 34 и многие другие подходящие интерфейсные устройства 72.

В некоторых вариантах реализации может быть желательным работать с импульсным источником питания как с управляемым источником тока, с тем, чтобы форма волны тока могла управляться сварочным контроллером. То есть сварочный контроллер может управлять такими параметрами, как уровень тока, скорость изменения тока, нижний и верхний пределы уровней тока, вид формы волны тока и другие характеристики тока, для управления характеристиками дуги. Следует отметить, что традиционные схемы управления могут реализовывать усилитель с высоким коэффициентом усиления или интегрирующий усилитель ошибки с такими входными сигналами, как команда тока или же опорная форма волны и сигнал обратной связи по току. В таких традиционных схемах усилитель ошибки может генерировать сигнал ошибки, который обычно сравнивается с пилообразным сигналом схемой сравнения. Выходным сигналом схемы сравнения является ШИМ-сигнал, который используется для управления силовыми полупроводниковыми переключателями, обеспечивая тем самым управление выходной мощностью сварочного источника питания.

В некоторых вариантах воплощения импульсных источников питания рабочий цикл (D) ШИМ не может напрямую управлять выходным током, но вместо этого определяется следующим соотношением:

V_OUT=D * V_BUS, (0<D<1)

(1)

где V_OUT - выходное напряжение; D - рабочий цикл; V_BUS - напряжение на шине постоянного тока. По существу уравнение (1) является типичным соотношением первого порядка для рабочего цикла, выходного напряжения и напряжения на шине для схемы прерывания. Следует отметить, что подобное соотношение может быть использовано применительно к сварочному источнику питания инверторного типа, но может включать в себя выражение, учитывающее отношение витков обмоток трансформатора, помимо других коэффициентов.

Следует отметить, что выражение, определяющее выходной ток, отсутствует в уравнении (1), но он может косвенно управляться соотношением между напряжением и током дуги или полным сопротивлением дуги в некоторых вариантах воплощения. В некоторых вариантах воплощения полное сопротивление дуги может изменяться от малого полного сопротивления при коротком замыкании до большого полного сопротивления при разомкнутой цепи. Дополнительно в процессе сварки полное сопротивление дуги может быстро изменяться (например, за время порядка менее 1 мс). Поэтому в вариантах реализации цифрового контроллера составляющая для рабочего цикла в уравнении (1) может изменяться в зависимости от полного сопротивления дуги. Традиционные сварочные системы, включающие в себя усилитель ошибки по току, могут потребовать, чтобы система управления детектировала ошибку или разность между командным током и действительным током, прежде чем произойдет изменение в ШИМ. Однако варианты воплощения описанного здесь цифрового ШИМ-контроллера могут обеспечивать улучшенное ШИМ-управление, вычисляя и используя разнообразные подходящие выражения для генерации необходимого рабочего цикла ШИМ.

На фиг.3 изображена блок-схема 74 алгоритма, иллюстрирующая типовой способ, который может быть реализован цифровым контроллером 32, изображенным на фиг.1 и 2, для вычисления и задания соответствующего рабочего цикла для данной сварочной операции. Во-первых, контроллер может вычислить рабочий цикл (этап 76), используя приближение первого порядка для соотношения между выходным напряжением и рабочим циклом, определенным выше в уравнении (1). Однако на последующих этапах способа 74 цифровой контроллер 32 может учитывать множество факторов, присутствующих в окружающей сварку среде, которые не учтены в приближении первого порядка, представленном уравнением (1). Например, поскольку V_BUS может изменяться при изменении напряжения сети переменного тока, которое подается на сварочный источник питания, а также выходной мощности сварочного источника питания, цифровой контроллер может использовать обратную связь по напряжению на шине для измерения и учета изменений напряжения на шине. В некоторых вариантах реализации цифровой контроллер может использовать математическую модель для напряжения на шине, чтобы учесть изменения напряжения на шине, возникающие из-за изменений напряжения сети, выходного напряжения, тока или мощности, температуры или других факторов.

Кроме того, цифровой контроллер 32 может использовать способ 74, чтобы учесть потери или естественное падение выходной вольтамперной нагрузочной характеристики сварочного источника питания. Дополнительно, за счет использования цифрового контроллера 32, задержки, которые возникают в силовой полупроводниковой схеме переключения, такие как задержки при включении или выключении управления вентилем, могут быть учтены и использованы для улучшения эксплуатационных характеристик системы по сравнению с системами, управляемыми аналоговым контроллером. Конкретно, способ 74 включает в себя этап, на котором вычисленный рабочий цикл может быть скорректирован с учетом задержки управления вентилем добавлением или вычитанием выражения для фиксированной или переменной задержки (этап 78). В связи с этим может быть выведена более точная модель для соотношения между V_OUT и рабочим циклом:

V_OUT(t)=(D-D_delay)* V_BUS(t)-(I_out(t)* R_droop)

(2)

где D_delay - задержка управления вентилем; I_out - выходной ток и R_droop представляет потери или естественное падение выходной вольтамперной нагрузочной характеристики сварочного источника питания. Уравнение (2) может быть перестроено, чтобы получить выражение для рабочего цикла:

D={V_OUT(t)+(I_out(t)*Rdroop)}/(V_BUS(t)+D_delay, (0<D<1)

(3)

Затем контроллер может вводить сигналы обратной связи в уравнение (3) для рабочего цикла и соответственно изменять масштаб (этап 80). Аналогичным образом контроллер может использовать уровень командного выходного тока вместо I_OUT(t) в уравнении (3), потому что уровень командного тока является целевым уровнем тока (этап 82). В связи с этим может быть выведено выражение для разъединения (D_dc):

D_dc={V_fb*K1-I_ref*K2}/{Vbus_fb*K3}+D_delay

(4)

где V_fb - напряжение обратной связи; K1 - соответствующая постоянная; I_ref - командный уровень выходного тока; K2 - соответствующая постоянная; Vbus_fb - уровень обратной связи по напряжению на шине и K3 - соответствующая постоянная. Следует отметить, что выражение для Vbus_fb может быть непосредственно измерено в схеме обратной связи или может быть оценено или вычислено по другому сигналу, такому как сигнал с вспомогательной обмотки источника питания и схемы, подсоединенной к трансформатору 14 на фиг.1 (этап 84). В связи с этим уравнение (4) может быть использовано контроллером для задания рабочего цикла, согласно данным условиям работы для выходного напряжения и напряжения на шине.

Более того, может быть произведена дополнительная коррекция выражения для рабочего цикла, чтобы обеспечить динамические изменения рабочего цикла во время работы для достижения желаемого уровня рабочего тока или условия нагрузки. Конкретно в вычисление рабочего цикла может быть введено дополнительное выражение, которое пропорционально разности между заданным уровнем тока и действительным уровнем выходного тока (этап 86):

D_error=(I_ref-I_fb)*K4

(5)

где D_error представляет коррекцию рабочего цикла на основе ошибки по току; I_fb представляет уровень тока обратной связи и K4 - соответствующая постоянная. Выражение D_error может иметь положительное или отрицательное значение, и когда оно добавляется к выражению для разъединения (D_dc), то может обеспечить для цифрового контроллера динамический способ регулировки рабочего цикла источника питания для достижения управляемого и регулируемого выхода по току.

Более того, может быть дополнительно введено интегральное выражение (D_integral), чтобы дополнительно уменьшить или исключить систематическую ошибку между действительным уровнем выходного тока и заданным уровнем тока (этап 88):

D_integral=D_integral_previous+K5 * D_error

(6)

где D_integral_previous - предшествующее интегральное выражение и K5 - соответствующая постоянная. Следует отметить, что цифровой ШИМ-контроллер 32 может быть сконфигурирован с возможностью избирательного введения интегрального выражения. То есть контроллер 32 может вводить выражение D_integral только при определенных условиях, например, когда определенные сварочные процессы (например, GTAW - дуговая сварка в защитных газах неплавящимся электродом), в которых желательно иметь нулевую систематическую ошибку по току, выбираются пользователем. В качестве еще одного примера контроллер 32 может вводить выражение D_integral, когда D_error (выражение для пропорциональной ошибки) находится в пределах ограниченного диапазона или когда выходной ток или напряжение находится в пределах ограниченного диапазона. Более того, в некоторых вариантах реализации контроллер может быть сконфигурирован с возможностью сброса D_integral при определенных условиях, например, когда завершена сварочная операция, когда пропорциональная ошибка находится за пределами ограниченного диапазона или любое другое условие сброса желаемо оператором. Наконец, в некоторых вариантах реализации интегральное выражение может вообще не вводиться контроллером.

Способ 74 также включает в себя сложение вычисленных корректирующих выражений рабочего цикла для вычисления требуемого рабочего цикла (D_total) для любого данного выходного рабочего тока и условия нагрузки (этап 90):

D_total=D_dc + D_error + D_integral

(7)

В некоторых вариантах реализации цифровой контроллер 32 может по желанию налагать дополнительные обновления на вычисленное значение D_total или связанные с ним выражения (этап 92). Например, контроллер 32 может ограничивать минимальное или максимальное значение D_total. В другом примере контроллер может дополнительно модифицировать выражения для рабочего цикла. В одном варианте реализации, использующем источник питания инверторного типа, эффект индуктивности рассеяния в высокочастотном трансформаторе может привести к ощутимой задержке, зависящей от отраженного выходного тока. Такая задержка может быть введена в D_total за счет введения переменного выражения D_delay, которое зависит от выходного тока, командного тока, первичного тока трансформатора или любых других подходящих входных параметров, которые способны учитывать переменный эффект индуктивности рассеяния.

На фиг.4 изображена диаграмма 94, представляющий типовую форму волны 96 действительного выходного тока и типовую форму волны 98 среднего тока, которые могут генерироваться при первом выходном напряжении и первых условиях нагрузки. Форма волны 98 действительного тока включает в себя активный включенный участок 100 и неактивный выключенный участок 102. Активный включенный участок 100 представляет время, в течение которого силовой полупроводниковый переключатель 20 включен, а неактивный выключенный участок 102 представляет время, когда силовой полупроводниковый переключатель 20 выключен и диод 22 является проводящим. Как показано, в точке 104, находящейся посередине выключенного участка 102, величина действительного выходного тока на форме волны 96 приблизительно равна величине среднего тока на форме волны 98. Кроме того, тогда как форма волны 98 среднего тока представляет желаемый выходной ток, форма волны 96 действительного выходного тока имеет пульсацию 106 между пиковыми значениями. Амплитуда пульсации 106 между пиковыми значениями может зависеть от множества факторов, таких как свойства сглаживающего дросселя источника питания, индуктивность сварочных выводов, выходное напряжение, частота переключения, и т.п.

На фиг.5 изображена диаграмма 108, представляющая типовую форму волны 110 действительного выходного тока и типовую форму волны 112 среднего тока, которые могут генерироваться при втором выходном напряжении и вторых условиях нагрузки. Как и раньше, форма волны действительного выходного тока включает в себя включенный участок 114 и выключенный участок 116, точку 118, лежащую посередине выключенного участка, и пульсацию 120 между пиковыми значениями. Однако при вторых выходных условиях включенный участок 114 оказывается короче включенного участка 100 при первых выходных условиях на фиг.4. Тем не менее, в средней точке 118 на выключенном участке величина действительного тока на форме волны 100 приблизительно равна величине среднего тока на форме волны 112. Фиг.4 и 5 дополнительно иллюстрируют, что приблизительно в средней точке включенного участка на формах волн 96 и 100 действительного тока величина действительного тока приблизительно равна величине среднего тока на форме волны. Тем самым реализуется, что такой признак может позволить вариантам воплощения описываемого здесь цифрового контроллера получать единственную дискретизацию обратной связи по току, которая синхронизирована, чтобы происходить в средней точке выключенного участка в каждом цикле переключения. Однако следует отметить, что в дополнительных вариантах реализации единственная дискретизация обратной связи по току может быть получена синхронизированной для осуществления в средней точке включенного участка.

Вышеупомянутый признак описываемого здесь цифрового контроллера может предложить особые преимущества перед традиционными контроллерами источников питания. Например, аналоговые системы управления традиционно работают, фильтруя сигнал обратной связи по току, чтобы уменьшить амплитуду пульсаций между пиковыми значениями за счет фазового сдвига или добавления задержки по времени в сигнал. Подобно этому теория цифрового управления, которая обычно управляет работой цифровых контроллеров, приводит к передискретизации формы волны тока. Например, такая теория может требовать получения десяти или более значений за период формы волны и последующее вычисление среднего значения на основе десяти или более значений. Однако, например, при частоте переключения 20 кГц для сварочного источника питания такая теория требует получения 200000 или более значений за секунду, которые должны быть оцифрованы и усреднены для приведения к точному среднему значению. Однако варианты реализации описываемого здесь цифрового контроллера способны получать единственную дискретизацию обратной связи по току, синхронизированную так, чтобы происходить в каждом цикле переключения в средней точке выключенного участка на форме волны действительного тока. Как показано на фиг.4 и 5, это возможно, потому что величина выходного тока в средней точке выключенного участка приблизительно равна величине среднего тока на форме волны.

Более того, в дополнительных вариантах реализации единственная дискретизация обратной связи по току может быть синхронизирована, чтобы происходить в каждом цикле переключения в средней точке включенного участка на форме волны действительного тока. В других вариантах реализации могут производиться две дискретизации, причем первая дискретизация будет синхронизирована приблизительно по средней точке включенного участка, а вторая синхронизирована приблизительно по средней точке выключенного участка. Дополнительные варианты реализации могут усреднять две дискретизации или избирательно получать и/или использовать любую из двух дискретизаций в зависимости от различных рабочих условий, таких как рабочий цикл, выходной ток, или напряжение, или другие условия.

На фиг.6 изображена типичная временная диаграмма 122, включающая в себя типовую форму широтно-импульсно-модулированной волны 124. Такая диаграмма иллюстрирует, как в вариантах реализации описываемого здесь ШИМ-контроллера могут быть синхронизированы цифровая дискретизация и преобразование, чтобы происходить в средней точке выключенного участка, путем пересчета положения запуска для аналого-цифрового преобразования на основе вычисленного значения рабочего цикла. Значение положения запуска для аналого-цифрового преобразования может быть дополнительно скорректировано, если желательно учесть любой малый фазовый сдвиг или задержку сигнала обратной связи по току, представляющего выходной ток, или любую задержку по времени, которую требует само преобразование. То есть положение преобразования может регулироваться таким образом, что оцифрованное значение будет приблизительно равно среднему значению формы волны. При этом положение запуска для аналого-цифрового преобразования (ATD_TRIGGER) может определяться уравнением:

ATD_TRIGGER=(1-D)/2 + Correction_factor)

(8)

где D - вычисленный рабочий цикл и Correction_factor - корректировочный коэффициент.

Например, в варианте реализации, представленном на фиг.6, форма волны 124 включает в себя первый рабочий цикл 126 и второй рабочий цикл 128. Положение запуска аналого-цифрового преобразования обновляется во время активного рабочего цикла 126 (например, на включенном участке) цифровым контроллером (этап 130). Цифровой контроллер выполнен с возможностью осуществления анало