逆变直流点焊动态电阻实时测量装置及测量方法

摘要

逆变直流点焊动态电阻实时测量装置及测量方法，属于电子电路与测量技术领域。解决了现有逆变直流点焊动态电阻测量技术准确性与实施性无法兼容的问题。本发明装置中罗氏线圈套在逆变直流点焊机的次级回路上，罗氏线圈的两个信号输出端分别连接积分还原电路的两个信号输入端，积分还原电路电压信号输出端连接嵌入式微处理器第一模拟信号输入端，差分放大电路两个电压信号输入端分别连接逆变直流点焊机的变压器次级抽头的两端，差分放大电路电压信号输出端同时连接嵌入式微处理器的第二模拟信号输入端和次级电压同步电路的电压信号输入端，次级电压同步电路的电压信号输出端连接嵌入式微处理器的定时信号输入端。用于对点焊过程中动态电阻实时测量。

说明书

技术领域

本发明属于电子电路与测量技术领域。

背景技术

电阻点焊是一种广泛应用于汽车车身制造的焊接方法，一台轿车的车身上大约有 4000-6000个焊点，占其焊接总量的95％，其质量好坏直接影响整车的使用寿命。由于汽 车车身点焊的特殊性，焊后难以补救，常规的焊后抽检已无法满足用户对车身质量的要求。 因此，迫切需要寻找一种可靠的监控方法，对生产现场的车身点焊质量进行在线监控，了 解产品的生产质量。

动态电阻是常用的电阻点焊质量监控信号。工件在加热和熔化过程中电阻发生变化， 因此可通过测量点焊过程中的动态电阻来了解熔核生长情况。目前提出的动态电阻测量方 法主要针对交流点焊机，通过测量原边电流、原边电压、功率因数角等信号并计算从而获 得动态电阻。然而，逆变直流点焊机的特殊电路结构导致其原副边电流、电压等信号差异 较大，上述动态电阻测量方案均不再适用。目前国外进口控制器均通过测量次级电流和次 级电压信号并计算有效值从而获得逆变直流点焊过程的动态电阻，然而该方法存在一些问 题：(1)如果在焊机电极端部安装夹持分压装置测量次级电压，测量结果虽然准确，但是 夹持装置体积较大，引线过长，不利于现场实施；(2)如果在变压器次级测量次级电压， 虽然便于安装实施，但是由于次级回路中存在电感，测量结果存在感性分量，有效值计算 方法并不准确。在一些交流电阻点焊控制器中，采用测量电流峰值点处电压的方法，消除 了感性分量的影响，但是这一方法无法直接在逆变直流点焊中使用。随着“工业4.0”和“智 能制造2025”战略的提出，越来越多的机器人逆变点焊设备将在汽车车身制造中得到应 用，为此，亟需一种准确、实时测量逆变直流点焊动态电阻的装置和方法。

发明内容

本发明是为了解决现有逆变直流点焊动态电阻测量技术准确性与实施性无法兼容的 问题，本发明提供了一种逆变直流点焊动态电阻实时测量装置及测量方法。

逆变直流点焊动态电阻实时测量装置，它包括罗氏线圈、积分还原电路、差分放大电 路、次级电压同步电路和嵌入式微处理器；

所述的罗氏线圈套在逆变直流点焊机的次级回路上，罗氏线圈的两个信号输出端分别 连接积分还原电路的两个信号输入端，积分还原电路的电压信号输出端连接嵌入式微处理 器的第一模拟信号输入端，

差分放大电路的两个电压信号输入端分别连接逆变直流点焊机的变压器次级抽头的 两端，差分放大电路的电压信号输出端同时连接嵌入式微处理器的第二模拟信号输入端和 次级电压同步电路的电压信号输入端，次级电压同步电路的电压信号输出端连接嵌入式微 处理器的定时信号输入端。

采用所述的逆变直流点焊动态电阻实时测量装置实现的动态电阻实时测量方法，该方 法的具体过程为：

步骤一：逆变直流点焊机通电后，进行通电焊接，利用嵌入式微处理器定时捕获逆变 直流点焊机的次级回路上的次级电压信号的上升沿作为时序基准，且时序基准即为零时 刻；

步骤二：嵌入式微处理器具有多个缓存，从零时刻开始通过嵌入式微处理器对逆变直 流点焊机的次级回路的次级电流和次级电压信号进行同步自动采集，并将采集的数据存入 嵌入式微处理器的第一个缓存中，同时利用平均值算法计算第二个缓存中的次级电压信号 数据平均值和次级电流信号数据平均值，再将第二个缓存中的次级电压信号数据平均值除 以次级电流信号数据平均值获得第二个缓存中动态电阻阻值，

步骤三：嵌入式微处理器捕获到下一个时序基准时，嵌入式微处理器继续进行同步采 集逆变直流点焊机的次级回路的次级电流信号与次级电压信号，并将采集的数据存入嵌入 式微处理器的第二个缓存中，同时利用平均值算法计算第一个缓存中的次级电压信号数据 平均值和次级电流信号数据平均值，再将第一个缓存中的次级电压信号数据平均值除以次 级电流信号数据平均值获得第一个缓存中动态电阻阻值；

步骤四：重复步骤一至三，直到焊接结束，即可实时获得点焊过程中的动态电阻信号。

本发明带来的有益效果是，本发明所述的逆变直流点焊动态电阻实时测量装置及测量 方法，可实现对逆变直流点焊过程中动态电阻的准确与快速测量，同时兼顾安装实施性。 通过罗氏线圈提取次级电流信号、从变压器次级抽头提取次级电压信号，提高了现场安装 实施性；利用平均值算法有效减少了次级电压中的感性分量，获得了真正的次级动态电阻， 提高了测量结果的准确性；利用嵌入式微处理器的高速采样与计算功能，获得采样率为焊 机逆变频率两倍的动态电阻信号，提高了测量结果的实时性；最后可对动态电阻测量数据 进行本地记录或通讯上传，提高了测量装置的可扩展性。

附图说明

图1为本发明所述的逆变直流点焊动态电阻实时测量装置的原理示意图；

图2为具体实施方式四所述的积分还原电路的电路图；

图3为具体实施方式五所述的差分放大电路的电路图；

图4为具体实施方式六所述的开关S21的内部结构示意图；

图5为具体实施方式七所述的开关S21的内部结构示意图；

图6为具体实施方式九所述的逆变直流点焊动态电阻实时测量方法的流程图；

图7为次级电压信号的波形图；

图8为次级电流信号的波形图；

图9为次级电压信号的有效值随通电时间的变化波形图；

图10为次级电压信号的平均值随通电时间的变化波形图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的逆变直流点焊动态 电阻实时测量装置，它包括罗氏线圈1、积分还原电路2、差分放大电路3、次级电压同 步电路4和嵌入式微处理器5；

所述的罗氏线圈1套在逆变直流点焊机的次级回路8上，罗氏线圈1的两个信号输出 端分别连接积分还原电路2的两个信号输入端，积分还原电路2的电压信号输出端连接嵌 入式微处理器5的第一模拟信号输入端，

差分放大电路3的两个电压信号输入端分别连接逆变直流点焊机的变压器9次级抽头 的两端，差分放大电路3的电压信号输出端同时连接嵌入式微处理器5的第二模拟信号输 入端和次级电压同步电路4的电压信号输入端，次级电压同步电路4的电压信号输出端连 接嵌入式微处理器5的定时信号输入端。

本实施方式中，嵌入式微处理器5具有两路或两路以上的ADC模块，一路或一路以上 的定时器，以及SPI(串行外设接口)、CAN总线、USART(通用同步/异步串行收发器)等 通讯接口。

通电焊接后，嵌入式微处理器5的定时器检测电压同步信号的上升沿并将其作为时序 基准，记为零时刻。嵌入式微处理器5的ADC模块从零时刻开始，在一个电压同步信号的 周期内，采集焊接电流和电压的瞬时值，并利用平均值算法计算一个周期内的次级电流和 次级电压平均值，获得一个电阻值。如此反复，在整个焊接通电时间内，获得采样率为2f_i的动态电阻信号。

具体实施方式二：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的 逆变直流点焊动态电阻实时测量装置的区别在于，它还包括通讯接口电路6，通讯接口电 路6的数据信号输入端与嵌入式微处理器5的第一数据信号输出端连接。

本实施方式，通讯接口电路6用于本发明所述装置同其他设备间进行数据交互。

具体实施方式三：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的 逆变直流点焊动态电阻实时测量装置的区别在于，它还包括数据存储电路7，数据存储电 路7的数据信号输入端与嵌入式微处理器5的第二数据信号输出端连接。

本实施方式，数据存储电路7用于电流电压等测量数据的本地记录。

具体实施方式四：参见图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的 逆变直流点焊动态电阻实时测量装置的区别在于，，所述的积分还原电路2包括电阻R21、 电阻R22、电阻R23、电阻R24、电容C21、开关S21、运算放大器OP21和运算放大器 OP22；

所述的电阻R21的两端分别与罗氏线圈1的两个信号输出端连接，且电阻R21的一 端接电源地，

电阻R21的另一端与电阻R22的一端连接，电阻R22的另一端同时与电阻R23的一 端、电容C21的一端、开关S21的一端和运算放大器OP21的反相输入端连接，电阻R23 的另一端、电容C21的另一端、开关S21的另一端、运算放大器OP21的信号输出端和运 算放大器OP22的同相信号输入端连接，运算放大器OP22的反相信号输入端与其信号输 出端连接，运算放大器OP22的信号输出端作为积分还原电路2的电压信号输出端连接嵌 入式微处理器5的第一模拟信号输入端，

电阻R24的一端接电源地，电阻R24的另一端与运算放大器OP21的同相信号输入 端连接。

本实施方式中，给出了积分还原电路2的一种具体结构，该结构能够利用电路的积分 特性将罗氏线圈输出的电流微分信号进行积分还原，获得与次级电流大小呈正比的电压信 号。

为了减少积分漂移和电容泄漏误差，电阻R22和电阻R23的取值应满足如下关系：

$100>\frac{R23}{R22}>50,$

其中，R22为电阻R22的阻值，R23为电阻R23的阻值。

通电焊接前，开关S21处于断开状态；通电焊接后，开关S21闭合，进行电流微分 信号的积分还原。

具体实施方式五：参见图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的 逆变直流点焊动态电阻实时测量装置的区别在于，所述的差分放大电路3包括电阻R31、 电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R35、电阻R36、电容C31、运算放大器OP31、 运算放大器OP32和运算放大器OP33；

所述的运算放大器OP31的同相信号输入端和运算放大器OP32的同相信号输入端分 别与逆变直流点焊机的变压器9次级抽头的两端连接，

运算放大器OP31的反相信号输入端与其信号输出端及电阻R31的一端连接，电阻 R31的另一端同时与电阻R33的一端和电容C31的一端连接，电阻R33的的另一端同时 与运算放大器OP33的反相输入端和电阻R35的一端连接，电阻R35的另一端与运算放 大器OP33的信号输出端连接，运算放大器OP33的信号输出端作为差分放大电路3的电 压信号输出端，

运算放大器OP32的反相信号输入端与其信号输出端及电阻R32的一端连接，电阻 R32的另一端同时与电容C31的另一端和电阻R34的一端连接，电阻R34的另一端同时 与运算放大器OP33的同相信号输入端和电阻R36的一端连接，电阻R36的另一端接电 源地。

本实施方式中，给出了差分放大电路3的一种具体结构，该结构能够利用运算放大器 OP31和运算放大器OP42构成的同相跟随器提高电路的输入阻抗，利用电阻R31、电阻R32、 和电容C31构成的低通滤波电路减少高频噪声的干扰，利用电阻R33、电阻R34、电阻R35、 电阻R36和运算放大器OP33构成的放大电路对信号进行放大或衰减，从而获得具有适当 幅值的次级电压信号。放大倍数G为：

$\left(\begin{array}{c}G=\frac{R35}{R33}=\frac{R36}{R34}\\ R35=R36,R33=R34\end{array}\right)$

其中，G为放大倍数，R33为电阻R33的阻值，R34为电阻R34的阻值，R35为电阻 R35的阻值，R36为电阻R36的阻值。

同时，为了保证适当的放大倍数，

$0.1\le \frac{{\mathrm{GU}}_s}{VCC}\le 0.9$

其中，U_s为次级电压信号的幅值，VCC为供电电源正极电压。

为了避免信号内的高频噪声对输出信号产生影响，电阻R31、电阻R32和电容C31的 取值应满足如下关系：

$\frac{1}{2\pi C31(R31+R32)}>30f_i;$

其中，f_i表示点焊机的逆变频率，R31为R31的阻值，R32为R32的阻值，C31为电 容C31的电容值。

具体实施方式六：参见图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四所述的 逆变直流点焊动态电阻实时测量装置的区别在于，所述的开关S21包括金氧半场效晶体 管D41和电阻R41；

电阻R41的一端连接电源正极，

电阻R41的另一端连接金氧半场效晶体管D41的栅极，并同时作为与嵌入式微处理 器5连接的控制信号输入端，

金氧半场效晶体管D41的源极和漏极分别作为开关S21的两端。

具体实施方式七：参见图5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四所述的 逆变直流点焊动态电阻实时测量装置的区别在于，所述的开关S21包括：光耦D51和电 阻R51；

电阻R51的一端连接电源正极，

电阻R51的另一端连接光耦D51中发光二极管的正极，并同时作为与嵌入式微处理 器5连接的控制信号输入端，光耦D51中发光二极管的负极接地， 光耦D51中光敏三极管的集电极和发射极分别作为开关S21的两端。

具体实施方式八：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的 逆变直流点焊动态电阻实时测量装置的区别在于，所述的嵌入式微处理器5采用单片机、 DSP处理器或FPGA实现。

本实施方式中，嵌入式微处理器5具有两路或两路以上的ADC模块，一路或一路以 上的定时器，以及SPI(串行外设接口)、CAN总线、USART(通用同步/异步串行收发 器)等通讯接口。

具体实施方式九：参见图6说明本实施方式，采用具体实施方式一所述的逆变直流 点焊动态电阻实时测量装置实现的动态电阻实时测量方法，该方法的具体过程为：

步骤一：逆变直流点焊机通电后，进行通电焊接，利用嵌入式微处理器5定时捕获逆 变直流点焊机的次级回路8上的次级电压信号的上升沿作为时序基准，且时序基准即为零 时刻；

步骤二：嵌入式微处理器5具有多个缓存，从零时刻开始通过嵌入式微处理器5对逆 变直流点焊机的次级回路8的次级电流和次级电压信号进行同步自动采集，并将采集的数 据存入嵌入式微处理器5的第一个缓存中，同时利用平均值算法计算第二个缓存中的次级 电压信号数据平均值和次级电流信号数据平均值，再将第二个缓存中的次级电压信号数据 平均值除以次级电流信号数据平均值获得第二个缓存中动态电阻阻值，

步骤三：嵌入式微处理器5捕获到下一个时序基准时，嵌入式微处理器5继续进行同 步采集逆变直流点焊机的次级回路8的次级电流信号与次级电压信号，并将采集的数据存 入嵌入式微处理器5的第二个缓存中，同时利用平均值算法计算第一个缓存中的次级电压 信号数据平均值和次级电流信号数据平均值，再将第一个缓存中的次级电压信号数据平均 值除以次级电流信号数据平均值获得第一个缓存中动态电阻阻值；

步骤四：重复步骤一至三，直到焊接结束，即可实时获得点焊过程中的动态电阻信号。

本实施方式中，将本发明所述的逆变直流点焊动态电阻实时测量装置安装在逆变频率 为f_i的逆变直流点焊机上。罗氏线圈1和积分还原电路2用于测量次级电流，输出具有频率 为2f_i纹波的长脉冲信号；差分放大电路3用于测量次级电压，输出频率为2f_i的方波信号； 次级电压同步电路4输出与次级电压信号同步的频率为2f_i的脉冲信号，作为采样和计算的 时序基准，记为电压同步信号；嵌入式微处理器5的两个ADC模块用于电流与电压瞬时值的 采样；嵌入式微处理器5的定时器用于控制采样和计算的时序。

具体实施方式十：参见图6至图10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式九 所述的采用逆变直流点焊动态电阻实时测量装置实现的动态电阻实时测量方法的区别在 于，所述的步骤二和步骤三中的平均值算法的计算公式为：

$\{\begin{array}{c}{I}_{AVG}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{I}_i\\ U_{AVG}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{U}_i\end{array},$

N表示一个逆变周期内的采样个数，I_i为次级电流的测量瞬时值，U_i为次级电压的 测量瞬时值，I_AVG为一个逆变周期内的次级电流平均值，U_AVG为一个逆变周期内的次级 电压平均值，i为正整数；

嵌入式微处理器5的采样速率已知，可通过如下公式计算N：

$N=\frac{f_s}{f_i},$

其中，f_i表示点焊机的逆变频率，f_s表示采样频率。

针对本发明的验证实验效果：

下述实验用于验证本发明所述的逆变直流点焊动态电阻实时测量装置及测量方法，可 以准确测量逆变直流点焊的动态电阻信号，并且同时兼顾安装实施性。

根据欧姆定律，为了获得两电极端面之间的动态电阻，需要准确测量电极端面间的电 压。然而，直接在电极端部安装导线进行电压测量的方法可靠性低，暴露在外的导线易折 断、也易遭到焊接飞溅的破坏，不适合现场批量使用。而从变压器次级抽头引出导线测量 次级电压时，次级回路的电感的存在会对测量结果造成显著的影响，次级电压公式如下

$U={\mathrm{IR}}_s+L_s\frac{dI}{dt}---\left(1\right),$

其中，U表示次级电压大小，I为次级电流大小，R_s为焊钳次级回路的电阻，L_s为 次级回路电感。

从公式(1)可知，次级电压U由两部分组成，分别为阻性分量和感性分量。仅当次 级回路的电感L_S为0时，次级电压U除以电流I的结果才是次级回路的电阻R_s。

根据电阻焊次级电路的等效电路模型，次级电压可由如下公式求得：

$U(t_0+t)=\{\begin{array}{cc}{U}_s,& \frac{(n-1)}{f_i}\le t_0+t\le \frac{(n-1)+s}{f_i}\\ 0,& \frac{(n-1)+s}{f_i}\le t_0+t\le \frac{n}{f_i}\end{array}---\left(2\right),$

其中，U(t₀+t)表示次级电压在t₀+t时刻的大小，t₀为初始时刻，t为距离初始时刻 的时间，U_s为次级电压信号的幅值，n为某个正整数，f_i表示点焊机的逆变频率，s表示 电压信号的占空比大小。

在恒占空比条件下，次级电流可由如下公式求得：

$I(t_0+t)=\left(\begin{array}{cc}\frac{U}{R_s}+[I\left(t_0\right)-\frac{U}{R_s}]·e^{-\frac{R_s}{L_s}t},& \frac{(n-1)}{f_i}\le t_0+t\le \frac{(n-1)+s}{f_i}\\ I\left(t_0\right)·e^{-\frac{R_s}{L_s}t},& \frac{(n-1)+s}{f_i}\le t_0+t\le \frac{n}{f_i}\end{array}\right)---\left(3\right),$

其中，I(t₀+t)为次级电流在t₀+t时刻的大小，n为某个正整数。

根据上述模型与公式进行如下取值：U_s＝10V、s＝20％、f_i＝1kHz、R_s＝500μΩ以 及L_s＝0.5μH，绘制出逆变点焊机次级电压和电流信号，如图7和图8所示。

其中图7是次级电压信号，图8是次级电流信号。

图9是次级电压信号的有效值随通电时间的变化规律。在每个逆变周期内，有效值公 式如下所示：

$\{\begin{array}{c}{I}_{RMS}=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{I_i}^2}\\ U_{RMS}=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{U_i}^2}\\ R_d=\frac{U_{RMS}}{I_{RMS}}\end{array},$

其中，R_d为一个逆变周期内的动态电阻计算值。

从图9中可以发现，次级电压测量值中感性分量的有效值较大且为正，导致次级电压 测量值明显大于阻性分量，说明采用有效值算法计算动态电阻时存在较多的误差。

图10是电压信号的平均值随通电时间的变化规律。可以发现，次级电压测量值中感 性分量的平均值迅速减小；在短时间后，感性分量的平均值近似为0，次级电压平均值全 由阻性分量组成，说明采用平均值算法计算动态电阻时可有效减少感性分量，提高动态电 阻测量的准确性。

在逆变直流点焊机上进行动态电阻测量实验，电极间工件为0.7mm+0.7mm镀锌钢板， 电极力大小为2.5kN，通电电流大小为10kA，通电时间为200ms，利用本发明所述装置测 量的电流电压和动态电阻信号，可以发现次级回路动态电阻信号在通电开始的50ms和 130ms存在陡降现象，说明在点焊过程中存在前期飞溅和后期飞溅缺陷，表明本发明所述 的逆变直流点焊动态电阻实时测量装置与方法具有较强的实时性和准确性，可有效测量出 逆变点焊过程中的动态电阻信号。