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MX2011012968A - Suministro de energia de soldadura con control digital de ciclo de trabajo. - Google Patents

Suministro de energia de soldadura con control digital de ciclo de trabajo.

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MX2011012968A
MX2011012968A MX2011012968A MX2011012968A MX2011012968A MX 2011012968 A MX2011012968 A MX 2011012968A MX 2011012968 A MX2011012968 A MX 2011012968A MX 2011012968 A MX2011012968 A MX 2011012968A MX 2011012968 A MX2011012968 A MX 2011012968A
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MX
Mexico
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term
welding
voltage
power supply
current
Prior art date
Application number
MX2011012968A
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Inventor
Bernard J Vogel
Original Assignee
Illinois Tool Works
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Publication date
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Abstract

Se proporciona una fuente de energía de soldadura que incluye circuitos de conversión de energía adaptados para recibir una fuente primaria de energía, para utilizar uno o más interruptores semiconductores de energía para interrumpir la fuente primaria de energía, y para convertir la energía interrumpida a una salida de soldadura. El suministro de energía de soldadura proporcionado incluye un controlador digital modulado por ancho de impulso (PWM, por sus siglas en inglés) que incluye circuitos de activación de compuerta que generan una señal de salida PWM que controla la conmutación de uno o más interruptores semiconductores de energía. La señal de salida PWM incluye un término de ciclo de trabajo corregido para una o más fuentes de error en el sistema de soldadura.

Description

SUMISTRO DE ENERGÍA DE SOLDADURA CON CONTROL DIGITAL DE CICLO DE TRABAJO REFERENCIA CRUZADA A SOLICITUDES RELACIONADAS Esta solicitud es una Solicitud de Patente No-Provisional de los Estados Unidos No. 61/183,731 , titulada "Welding Power Supply with Digital Control", presentada el 3 de junio de 2009, la cual está incorporada mediante referencia.
ANTECEDENTES La invención se refiere de manera general a suministros de energía de soldadura, y, de modo más particular, a un controlador digital para un suministro de energía de soldadura de modo conmutado.
Se han desarrollado muchos tipos de suministros de soldadura capaces de proporcionar una salida de energía de soldadura a partir de una fuente de energía de corriente alterna (CA) o de corriente directa (CD). Un suministro de energía de ese tipo es un suministro de energía de modo conmutado, el cual utiliza interruptores semiconductores para interrumpir la energía CD desde una fuente y convertir la energía interrumpida a un voltaje y/o corriente adecuada para soldadura. Se han desarrollado suministros de energía de modo conmutado tales como suministros de energía tipo inversor y suministros de energía tipo interruptor periódico para cubrir las necesidades de varios procesos y aplicaciones de soldadura.
Los suministros de energía de soldadura tipo interruptor periódico e inversor son controlados de manera común a través de métodos y/o circuitos similares. Un método para controlar dichos suministros de energía es con un control de modulación de ancho de impulso (PWM). Un control PWM proporciona la regulación y control de la corriente de salida y/o voltaje del suministro de energía de soldadura mediante la variación del ciclo de trabajo (es decir, la relación ON/OFF (ENCENDIDO/APAGADO)) de los interruptores semiconductores de energía ubicados en los circuitos de suministro de energía. Los suministros de energía de soldadura de inversor o de interruptor periódico comunes incluyen un ciclo de control de corriente de ciclo cerrado, de manera que el suministro de energía puede ser operado como una fuente de corriente controlada para ciertas condiciones de carga de soldadura con arco. Como tales, los suministros de energía de soldadura de inversor o de interruptor periódico comunes incluyen un controlador análogo, el cual controla los niveles de corriente mínimo y máximo emitidos desde la fuente de energía, las velocidades de cambio de la corriente entre varios niveles, la generación de las formas de onda deseadas, y así sucesivamente. Desafortunadamente, los controladores análogos con frecuencia están asociados con desventajas, tales como la incapacidad para manejar de forma adecuada los requerimientos dinámicos de un suministro de energía de soldadura de modo conmutado. Por ejemplo, los controladores análogos frecuentemente no responden con la suficiente rapidez para los eventos que ocurren rápidamente en un arco de soldadura, pueden ocurrir con intervalos menores a 1 mseg. En consecuencia, existe una necesidad de sistemas de control y métodos mejorados para suministros de energía de soldadura de modo conmutado.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCION En una modalidad, un suministro de energía de soldadura incluye circuitos de conversión de energía que incluyen uno o más interruptores semiconductores de energía.
Los circuitos de conversión de energía están adaptados para recibir energía desde fuente primaria y para conmutar dichos uno o más interruptores semiconductores de energía entre una configuración ENCENDIDA (ON) y una configuración APAGADA (OFF) para convertir la energía recibida a una salida de soldadura. El suministro de energía de soldadura incluye también un controlador digital modulado por ancho de impulso (PWN) acoplado a los circuitos de conversión de energía y configurado para calcular un término de ciclo de trabajo para controlar la conmutación de dichos uno o más interruptores semiconductores mediante el cálculo de un término de voltaje de salida.
En otra modalidad, un suministro de energía de soldadura incluye circuitos de conversión de energía que incluyen uno o más interruptores semiconductores de energía adaptados para recibir energía desde una fuente primaria y para conmutar dichos uno o más interruptores semiconductores de energía entre una configuración ENCENDIDA (ON) y una configuración APAGADA (OFF) para convertir la energía recibida a una salida de soldadura. El suministro de energía de soldadura incluye también un controlador digital modulado por ancho de impulso (PWN) que incluye circuitos de activación de compuerta adaptados para generar una señal de salida PWM que controla la conmutación de dichos uno o más interruptores semiconductores de energía. La señal de salida PWM incluye un término de ciclo de trabajo que accounts for una o más variaciones en un voltaje de barra.
En otra modalidad, un controlador modulado por ancho de impulso digital (PWM) para un suministro de energía de soldadura de modo conmutado está adaptado para determinar un término de voltaje de salida del suministro de energía de soldadura de modo conmutado, calcúlate un término de voltaje de barra variable del suministro de energía de soldadura de modo conmutado, calcular un término de error proporcional que corrige una diferencia entre un nivel de corriente indicado y un nivel de corriente de salida real del suministro de energía de soldadura, y calcular un término de ciclo de trabajo mediante la combinación del término de voltaje de salida determinado, el término de voltaje de barra variable calculado, y el término de error proporcional.
En otra modalidad, un suministro de energía de soldadura incluye circuitos de conversión de energía que incluyen uno o más interruptores semiconductores de energía adaptados para recibir energía desde una fuente primaria y para conmutar dichos uno o más interruptores semiconductores de energía entre una configuración ENCENDIDA (ON) y una configuración APAGADA (OFF) para convertir la energía recibida a una salida de soldadura. El suministro de energía de soldadura incluye también un controlador digital modulado por ancho de impulso (PWN) adaptado para muestrear una forma de onda de corriente y/o voltaje en una ubicación de activación aproximadamente igual a un promedio de la forma de onda de corriente y/o voltaje y calcular una señal de salida PWM que controla conmutación de dichos uno o más interruptores semiconductores de energía en base a los valores de corriente y/o voltaje muestreados.
BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS Estas y otras características, aspectos y ventajas de la presente invención se comprenderán mejor cuando la siguiente descripción detallada se lea con referencia a los dibujos que la acompañan en los cuales caracteres similares representan partes similares en todos los dibujos, en donde: La FIGURA 1 es un diagrama de un circuito de interruptor periódico ilustrativo configurado para funcionar como un suministro de energía de soldadura de modo conmutado de acuerdo con aspectos de la presente invención; La FIGURA 2 es un diagrama de un controlador digital ilustrativo para un suministro de energía de soldadura que incluye circuitos de activación de compuerta configurados para activar la conmutación de uno o más interruptores semiconductores de energía de acuerdo con aspectos de la presente invención; La FIGURA 3 es un diagrama de flujo que muestra un método ilustrativo que puede ser empleado por un controlador digital para calcular y fijar un ciclo de trabajo apropiado para una operación de soldadura de acuerdo con aspectos de la presente invención; La FIGURA 4 es una gráfica que muestra una forma de onda de salida de corriente ilustrativa y una forma de onda de corriente promedio ilustrativa que se pueden generar a un primer voltaje de salida y una primera condición de carga de acuerdo con aspectos de la presente invención; La FIGURA 5 es una gráfica que ilustra una forma de onda de salida de corriente ilustrativa y una forma de onda de corriente promedio ilustrativa que se pueden generar en un segundo voltaje de salida y una segunda condición de carga de acuerdo con aspectos de la presente invención; La FIGURA 6 es un diagrama de sincronización ilustrativo que incluye una forma de onda modulada por ancho de impulso ilustrativa una forma de onda modulada por ancho de impulso ilustrativa que puede ser generada por un controlador digital de acuerdo con aspectos de la presente invención; La FIGURA 7 es un diagrama esquemático de un sistema de suministro de energía de soldadura de tipo interruptor periódico o inversor ilustrativo que incluye componentes eléctricos de un suministro de energía y uno o más componentes externos de acuerdo con aspectos de la presente invención; La FIGURA 8 muestra una gráfica de voltaje desconectado ilustrativa y una gráfica de corriente desconectada sobre tiempo ilustrativa de acuerdo con aspectos de la presente invención; La FIGURA 9 muestra una gráfica de voltaje conectado ilustrativa y una gráfica de corriente conectada sobre tiempo ilustrativa de acuerdo con aspectos de la presente invención; La FIGURA 10 muestra gráficas de voltaje que incluyen una forma de onda de retroalimentación de voltaje filtrada ilustrativa forma de onda de retroalimentación de voltaje filtrada, una forma de onda de voltaje escalada ilustrativa, y una forma de onda de voltaje rápida no filtrada de acuerdo con aspectos de la presente invención; La FIGURA 1 1 ilustra una región seleccionada de la forma de onda de voltaje rápida no filtrada de la FIGURA 10 en mayor detalle de acuerdo con aspectos de la presente invención; y La FIGURA 12 ilustra una región seleccionada de la forma de onda de voltaje rápida no filtrada de la FIGURA 10 en mayor detalle de acuerdo con aspectos de la presente invención.
DESCRIPCION DETALLADA La FIGURA 1 muestra un circuito interruptor periódico ilustrativo 10 configurado para funcionar como un suministro de energía de soldadura de modo conmutado 10. El circuito interruptor periódico 10 incluye una entrada de voltaje de línea CA 12, un transformador 14, un conjunto de diodos 16, un capacitor 18,un interruptor semiconductor de energía 20, un diodo 22, un inductor 24, un detector de corriente 26, un voltaje de salida 28, y un arco de soldadura 30. El circuito interruptor periódico 10 es controlado por un controlador de interruptor periódico modulado por ancho de impulso digital (PWM) 32 acoplado a un controlador de soldadura 34. El controlador digital 32 incluye circuitos de activación de compuerta 36 configurados para conmutar el interruptor semiconductor de energía 20 a ENCENDIDO (ON) y APAGADO (OFF) y circuitos de interfaz 38, 40 configurados pára recibir retroalimentación de voltaje y de corriente desde conexiones de retroalimentación 42, 44, y 46. El controlador de soldadura 34 y/o el controlador digital 32 pueden ser acoplados a una variedad de entradas y salidas, tales como la interfaz de usuario 48 ilustrada, el control de ventilador 50, y el sensor térmico 52.
Durante la operación, el voltaje de línea CA 12 es recibido por el circuito interruptor periódico 10 y es transformado por el transformador 14 hasta un nivel de voltaje adecuado para una salida de soldadura. En la modalidad ilustrada, el transformador 14 es un transformador monofásico configurado para operar en frecuencia de línea. Sin embargo, en otras modalidades, el transformador 14 puede ser un transformador trifásico conectado a una fuente de entrada de voltaje de línea trifásica. De hecho, el circuito interruptor periódico 10 puede estar configurado para recibir un voltaje de línea CA de entrada nominal individual o múltiples voltajes de línea CA nominales. Como tal, en ciertas modalidades, múltiples voltajes de línea CA pueden ser acomodados para suministrar derivaciones en el transformador 14, las cuales pueden ser enlazadas manual o automáticamente para un voltaje de línea CA nominal particular.
Una salida de una bobina secundaria del transformador 14 es rectificada por los diodos 16, produciendo así un voltaje CD de barra 54. El capacitor 18 está configurado para uniformar y filtrar el voltaje CD de barra 54. Como tal, en ciertas modalidades, el capacitor 18 puede ser un capacitor electrolítico, un capacitor de película o cualquier otro capacitor adecuado. El interruptor semiconductor de energía 20 y el diodo 22 están configurados para funcionar como un circuito de interruptor periódico semiconductor de energía, interrumpir el voltaje CD de barra 54. Por ejemplo, el interruptor semiconductor de energía 20 es conmutado a ENCENDIDO (ON) y APAGADO (OFF) por el circuito de activación de compuerta 36 ubicado en el controlador digital 32 en la modalidad ¡lustrada.
Como tal, la frecuencia de conmutación y el ciclo de trabajo (es decir, la relación ENCENDIDO/APAGADO) del interruptor semiconductor de energía 20 son controlados por el controlador digital 32 a fin de proporcionar un voltaje y/o corriente de salida regulado del suministro de energía de soldadura como se determina por medio de un proceso y/o condición de soldadura deseada. En ciertas modalidades, la frecuencia de conmutación puede ser be entre aproximadamente 10 KHz y aproximadamente 100 KHz. Por ejemplo, en ciertas modalidades, la frecuencia de conmutación puede ser de aproximadamente 20 KHz.
El voltaje CD de barra interrumpido procesado por el circuito de interruptor periódico semiconductor de energía es aplicado al inductor 24, el cual uniforma y emite el voltaje de salida 28. Es decir, una corriente de salida 56 y el voltaje de salida 28 son generadas y suministradas hacia el arco de soldadura, cables eléctricos para soldar, abrazaderas de fijación, y demás para uso en la operación de soldadura. El detector de corriente 26 puede ser utilizado para medir la corriente de salida 56 y para comunicar las mediciones adquiridas al controlador digital 32 a través de la conexión 42. De manera similar, el voltaje de salida puede ser medido y comunicado a los circuitos de interfaz 40 ubicados en el controlador digital 32.
Durante la operación, el controlador digital 32 puede estar configurado para controlar otras funciones, tales como el monitoreo de sensores térmicos 52, control de ventiladores de enfriamiento 50, y comunicación bidireccional de varias señales de estatus y control hacia otros circuitos y controles, tales como el controlador de soldadura 34. Por ejemplo, el controlador de soldadura 34 está configurado para emitir una señal de comando 58 para el controlador digital 32. La señal de comando 58 puede ser un nivel de corriente de salida para el suministro de energía de soldadura, una forma de onda compleja, o una señal que depende de varias entradas, tales como el proceso de soldadura que se efectúa, entradas de usuario recibidas, señales de retroalimentación de voltaje y corriente, y así sucesivamente. Como tal, el controlador de soldadura 34 ilustrado en la modalidad de la FIGURA 1 puede permitir al usuario seleccionar y controlar un proceso de soldadura a través de la interfaz de usuario 48. Por medio de la interfaz de usuario 48, el controlador de soldadura 34 puede proporcionar varias señales, indicadores, controles, medidores, interfaces de computadora, y otros, lo cual permite al usuario instalar y configurar el suministro de energía de soldadura según se requiera para un proceso de soldadura determinado.
El controlador digital 32 puede estar configurado para recibir una o más entradas desde el controlador de soldadura 34 y para utilizar dichas entradas para guiar el funcionamiento del circuito interruptor periódico 10. Por ejemplo, en una modalidad, el controlador digital 32 puede implementar un esquema de control PWM. A través de un esquema de control PWM, el controlador digital 32 puede regular y controlar la corriente y/o voltaje de entrada del suministro de energía de soldadura al variar el ciclo de trabajo del interruptor semiconductor de energía 20. En dichos sistemas, el suministro de energía de soldadura puede incluir un ciclo de control de corriente cerrado, de modo que el suministro de energía puede ser operado como una fuente de corriente controlada para las condiciones de carga de arco de soldadura deseadas. Como tal, el controlador digital 32 puede controlar los niveles de corriente mínimo y máximo emitidos desde la fuente de energía, controlar las velocidades de cambio de corriente entre varios niveles, y generar las formas de onda deseadas.
Las modalidades de la presente invención se ilustran aquí en el contexto de circuitos de interruptor periódico. Sin embargo, se observará que cualquiera de una variedad de tipos de suministros de energía de modo conmutado que utiliza interruptores semiconductores para interrumpir una fuente de energía CD y para convertir la energía interrumpida a un voltaje y/o corriente adecuada para soldadura puede ser utilizada con los métodos y sistemas de control digital aquí descritos. Por ejemplo, las modalidades de la presente invención pueden utilizar cualquiera de una variedad de suministros de energía tipo inversor adecuados, tales como circuito directo, en puente completo, en puente medio, de transferencia inversa, y así sucesivamente. Dichos suministros de energía pueden incluir también circuitos pre-reguladores configurados para proporcionar un voltaje CD de barra regulado para el circuito inversor. De hecho, se puede usar cualquiera de una variedad de tipos adecuados o configuraciones de circuitos de suministro de energía en conjunción con el controlador digital descrito en la presente.
La FIGURA 2 muestra un controlador PWM digital 32 ilustrativo para un suministro de energía de soldadura. El controlador digital ilustrado 32 incluye circuitos de activación de compuerta 36 configurado para activar la conmutación del interruptor semiconductor de energía 20 de la FIGURA 1 a través de una señal de salida PWM 60. El controlador digital 32 puede incluir también una variedad de circuitos no ilustrados en la FIGURA 2. Por ejemplo, el controlador 32 puede incluir los elementos de circuito tales como convertidores analógico a digital, convertidores digital a analógico, temporizadores, microprocesadores, circuitos de acondicionamiento y filtración de señal, y demás, que pueden ser utilizados para implementar un esquema de control para un suministro de energía de soldadura de modo conmutado.
En la modalidad ilustrada, el controlador digital 32 está configurado para recibir una variedad de entradas analógicas 62 que incluyen el comando de corriente de referencia 58, una señal de retroalimentación de corriente 64, una señal de retroalimentación de voltaje 66, retroalimentación de sensor térmico 52, una señal de retroalimentación de voltaje de barra 68, y cualesquiera otras señales adecuadas 70 que pueden ser utilizadas por el controlador 32 para implementar el controlador PWM digital o para proporcionar funciones adicionales dentro del suministro de energía de soldadura. Es decir, el controlador digital 32 puede ser utilizado para ejecutar muchas de las funciones asociadas con un suministro de energía de soldadura que no están directamente relacionadas con el control PWM. Dichas funciones pueden incluir monitoreo térmico, control de un ventilador de enfriamiento, control de indicadores y relés de estatus, y demás. Sin embargo, en otras modalidades, dichas funciones periféricas pueden no ser realizadas por el controlador PWM digital 32 y en vez de ello pueden ser efectuadas por otro microprocesador o circuito de control. Empero, en ciertas modalidades, puede ser ventajoso utilizar el controlador PWM digital 32 para ejecutar dichas funciones además de realizar la función de control PWM. De manera adicional, el controlador PWM digital 32 puede hacer interfaz con muchos otros circuitos o componentes de sistema que incluyen el control de ventilador 50, el controlador de soldadura 34, y cualesquiera otros dispositivos de interfaz 72 adecuados.
En ciertas modalidades, puede ser deseable operar el suministro de energía de soldadura de modo conmutado como una fuente de corriente controlada, de modo que la forma de onda de corriente puede ser controlada por el controlador de soldadura. Es decir, el controlador de soldadura puede controlar parámetros tales como el nivel de corriente, la velocidad de cambio de corriente, niveles de corriente de límite inferior y límite superior, forma de onda de corriente y otras características de la corriente para controlar las características de arco. Se observará que los circuitos de control comunes pueden implementar una elevada ganancia o integrar el amplificador de error con entradas tales como un comando de corriente o forma de onda de referencia y retroalimentación de corriente. En dichos circuitos tradicionales, el amplificador de error puede generar una señal de error, la cuales comúnmente comparada con una señal tipo de rampa por medio de un circuito comparador. La salida del circuito comparador es una señal PWM, la cual es usada para controlar los interruptores semiconductores de energía, controlando de esta manera la salida del suministro de energía de soldadura.
En ciertas modalidades de los suministros de energía de soldadura de modo conmutado, el ciclo de trabajo PWM (D) puede no controlar directamente la corriente de salida, sino que en vez de ello es guiada por la siguiente relación: V_OUT = D * V_BUS, (0 < D < 1 ), en la cual V_OUT es el voltaje de salida, D es el ciclo de trabajo, y V_BUS es el voltaje CD de barra. Como tal, la ecuación (1) es una relación e primer orden típica para ciclo de trabajo, voltaje de salida y voltaje de barra para un circuito de interruptor periódico. Se observará que se puede emplear una relación similar para un suministro de energía de soldadura de tipo inversor, aunque puede incluir un término que explica la relación de giros de transformador, entre otros factores.
Se observará que un término de corriente de salida no está en la ecuación (1 ), aunque puede ser controlado de manera indirecta por la relación entre el voltaje de arco y corriente o la impedancia en el arco en ciertas modalidades. En ciertas modalidades, la impedancia de arco puede variar desde un cortocircuito con baja impedancia a un circuito abierto con alta impedancia. Adicionalmente, durante una operación de soldadura, la impedancia de arco puede cambiar con rapidez (por ejemplo, en el orden de menos de 1 mSeg). Como tal, las modalidades del controlador digital puede variar el término de ciclo de trabajo en la ecuación (1 ) dependiendo de la impedancia de arco. Los sistemas de soldadura comunes que incluyen un amplificador de error de corriente pueden requerir el sistema de control para detectar un error o diferencia entre la corriente indicada y la corriente real antes de que ocurra un cambio en PWM. Las modalidades del controlador PWM digital actualmente descrito, pueden proporcionar un control PWM mejorado al calcular y utilizar una variedad de términos adecuados para generar el ciclo de trabajo PWM necesario.
La FIGURA 3 es un diagrama de flujo 74 que muestra un método ilustrativo que puede ser empleado por el controlador digital 32 de las FIGURAS 1 y 2 para calcular y fijar un ciclo de trabajo apropiado para una operación de soldadura determinada. En primer lugar, el controlador puede calcular el ciclo de trabajo (bloque 76) mediante el empleo de una aproximación de primer orden de la relación entre el voltaje de salida y el ciclo de trabajo como se definió antes en la ecuación (1 ). Sin embargo, en etapas adicionales del método 74, el controlador digital 32 puede explicar una variedad de factores presentes en el ambiente de soldadura que la aproximación de primer orden presentada en (1 ) no incorpora. Por ejemplo, ya que V_BUS puede variar con las variaciones en el voltaje de línea CA que proporciona el suministro de energía de soldadura así como la energía de salida del suministro de energía de soldadura, el controlador digital puede usar la retroalimentación de voltaje de barra para medir y explicar los cambios en el voltaje de barra. En ciertas modalidades, el controlador digital puede emplear un modelo matemático para el voltaje de barra para explicar los cambios en el voltaje de barra debidos a las variaciones de voltaje de línea, voltaje de salida, corriente o energía, temperatura, u otros factores.
Además, el controlador digital 32 puede emplear el método 74 para explicar las pérdidas o caída natural en una línea de carga volt-amp de salida característica del suministro de energía de soldadura. De modo adicional, al usar el controlador digital 32, los retrasos que ocurren en el circuito interruptor semiconductor de energía, tal como como un ENCENDIDO o APAGADO de activación de compuerta, pueden ser tomados en cuenta y utilizados parta mejorar el rendimiento del sistema en comparación con los sistemas controlados por un controlador análogo. De manera específica, el método 74 incluye una etapa en la cual el ciclo de trabajo calculado puede ser corregido para el retraso de activación de compuerta mediante la adición o sustracción de un término de retraso fijo o variable (bloque 78). Como tal, se puede derivar un modelo más preciso para la relación entre V_OUT y el ciclo de trabajo: V_OUT(t) = (D - D_delay) * V_BUS(t) - (l_out(t) * R_droop), en la cual D_delay es el retraso de activación de compuerta, l_out es la corriente de salida, y R_droop representa las pérdidas o caída natural en la línea de carga volt-amp de salida característica del suministro de energía de soldadura. La ecuación (2) puede ser reacomodada para dar una expresión para el ciclo de trabajo: D = ÍV_OUT(t) + (l_out(t) * Rdroop)}/V_BUS(t) + D_delay, (0<D<1 ), El controlador puede incorporar después señales de retroalimentación dentro de la ecuación de ciclo de trabajo (3) y re-escalar en consecuencia (block 80). De manera similar, el controlador puede sustituir un nivel de corriente de salida indicada para l_OUT(t) en la ecuación (3) debido a que el nivel de corriente indicada es el nivel de corriente de objetivo (bloque 82). Como tal, se puede derivar un término de desacoplamiento (D_dc): D_dc = {VJb*K1 + l_ref * K2}/{Vbus_fb * K3} + D_delay, en el cual V_fb es el votaje de retroalimentación, K1 es una constante apropiada, l_ref es el nivel de corriente de salida indicada, K2 es una constante apropiada, Vbusjb es el nivel de retroalimentación de barra de voltaje, y K3 es una constante apropiada. Se observará que Vbusjb se puede medir directamente con un circuito e retroalimentación o se puede estimar o calcular a partir de otra señal, por ejemplo a partir de un devanado y circuito de suministro de energía auxiliar conectado al transformador 14 en la FIGURA 1 (bloque 84). Como tal, la ecuación (4) puede ser utilizada por el controlador para fijar el ciclo de trabajo de acuerdo con una condición operativa de corriente para voltaje de salida y voltaje de barra.
Además, se pueden hacer correcciones adicionales para el término de ciclo de trabajo a fin de permitir cambios dinámicos en el ciclo de trabajo durante la operación para lograr un nivel de corriente operativa o condición de carga deseada. De manera específica, se puede incorporar un término adicional dentro del cálculo de ciclo de trabajo, el cual es proporcional a la diferencia entre el nivel de corriente indicada y el nivel de corriente de salida real (bloque 86): D_error = (l_ref - IJb) * K4, en el cual D_error representa la corrección de ciclo de trabajo en base al error de corriente, IJb representa el nivel de corriente de retroalimentación, y K4 es una constante apropiada. D_error puede ser positivo o negativo, y cuando se agrega al término de desacoplamiento (D_dc) puede proporcionar un modo dinámico para que el controlador digital ajuste el ciclo de trabajo del suministro de energía a fin de proporcionar una salida de corriente controlada y regulada.
Se puede incluir además, un término integral (DJntegral) para reducir o eliminar el error de estado estable entre el nivel de corriente de salida real y el nivel de corriente indicada (bloque 88): Djntegral = D_integral_previous + K5 * D_error, en el cual D_integral_previous representa un término integral previo y K5 es una constante apropiada. Se observará que el controlador PWM digital 32 puede ser configurado para implementar se manera selectiva el término integral. Es decir, el controlador 32 sólo puede implementar DJntegral bajo ciertas condiciones, por ejemplo cuando ciertos procesos de soldadura (por ejemplo, GTAW) en los que es deseable tener error de corriente de estado estable cero que son seleccionados por el usuario. Para mayor ejemplo, el controlador 32 puede implementar el término Djntegral cuando D_error (el término de error proporcional) está dentro de un rango vinculado o cuando la salida de corriente o de voltaje está dentro de un rango vinculado. Además, en ciertas modaldiades, el controlador puede estar configurado para restablecer Djntegral durante ciertas condiciones, tal como cuando ha terminado una operación de soldadura, cuando el término de error proporcional está fuera de un rango vinculado, o cualquier otra condición presente deseable para un operador. Finalmente, en ciertas modalidades, el término integral puede no ser implementado por el controlador 32 en lo absoluto.
El método 74 incluye también la adición de los términos de corrección de ciclo de trabajo calculados para calcular un ciclo de trabajo requerido (D otal) para cualquier corriente de operación de salida determinada y condición de carga (bloque 90): D_total = D_dc + D_error + Djntegral.
En ciertas modaldiades, el controlador digital 32 puede imponer actualizaciones adicionales en el Djotal calculado o sus términos asociados según se desee (bloque 92). Por ejemplo, el controlador 32 puede limitar el valor mínimo o máximo de D_total. Para mayor ejemplo, el controlador puede modificar además los términos de ciclo de trabajo. En una modalidad que utiliza un suministro de energía tipo inversor, el efecto de la inductancia de fuga en el transformador de alta frecuencia puede ocasionar un retraso efectivo dependiente de la corriente de salida reflejada. Dicho retraso puede ser incorporado dentro de D_total al proporcionar un término D_delay variable que es dependiente de una corriente de salida, corriente indicada, corriente de transformador primario o cualquier otra entrada adecuada capaz de explicar el efecto variable de la inductancia de fuga.
La FIGURA 4 es una gráfica 94 que ilustra una forma de onda de salida de corriente real ilustrativa 96 y una forma de onda de corriente promedio ilustrativa 98 que pueden ser generadas en un primer voltaje de salida y una primera condición de carga. La forma de onda de corriente real 96 incluye una porción activa "ENCENDIDA" ("ON") 100 y una porción inactiva "APAGADA" ("OFF") 102. La porción activa "ON" 100 representa el tiempo durante el cual el semiconductor de energía 20 está ENCENDIDO (ON), y la porción inactiva "OFF" 02 representa el tiempo cuando el semiconductor de energía 20 está APAGADO (OFF) y el diodo 22 está conduciendo. Como se ilustra, en un punto 104 igual a una mitad de la porción "OFF" 102, el valor de la forma de onda de salida de corriente de salida real 96 es aproximadamente igual al valor de la forma de onda de corriente promedio 98. Además, aunque la forma de onda de corriente promedio 98 representa la salida de corriente deseada, la forma de onda de corriente de salida real 96 tiene una fluctuación de pico a pico 106. Una amplitud de la fluctuación de pico a pico 106 puede ser una función de una variedad de factores, tales como las características del inductor de nivelación del suministro de energía, la inductancia de los cables eléctricos para soldar, el voltaje de salida, la frecuencia de conmutación, y otros.
La FIGURA 5 es una gráfica 108 que ilustra una forma de onda de salida de corriente real ilustrativa 1 10 y una forma de onda de corriente promedio ilustrativa 1 12 que pueden ser generadas en un segundo voltaje de salida y una segunda condición de carga. Al igual que antes, la forma de onda de salida de corriente real incluye una porción ??" 1 14, una porción "OFF" 1 16, un punto igual a la mitad de la porción "OFF" 1 18, y una fluctuación de pico a pico 120. Sin embargo, en la segunda condición de salida, la porción ??" 1 14 es más corta que la porción "ON" 100 en la primera condición de salida en la FIGURA 4. Sin embargo, en el punto medio 118 de la porción "OFF", la forma de onda de corriente real 100 es aproximadamente igual al valor de la forma de onda de corriente promedio 1 12. Las Figuras 4 y 5 ilustran adicionalmente que aproximadamente en el punto medio de la porción "ON" de las formas de onda de corriente real, 96 y 1 10, la corriente real es aproximadamente igual al valor de la forma de onda de corriente promedio. Se percibe ahora que una característica puede permitir modalidades del controlador digital actualmente descrito para obtener un valor muestra de retroalimentacion de corriente individual que está sincronizado para presentarse en el punto medio de la porción "OFF" de cada ciclo de conmutación. Sin embargo se observará que, en modalidades adicionales, se puede obtener una muestra de retroalimentacion de corriente individual que está sincronizada para presentarse en el punto medio de la porción ??".
La característica anterior del controlador digital actualmente descrito puede ofrecer distintas ventajas sobre los controladores de suministro de energía tradicionales. Por ejemplo, los sistemas de control analógicos operan de modo común mediante filtración de la señal de retroalimentacion de corriente para reducir la amplitud del valor pico a pico a costa del desplazamiento de fase o agregando retraso de tiempo a la señal.
De manera similar, la teoría de control digital, la cual guía de manera común la operación de los controladores digitales conduce a sobre-muestreo de la forma de onda de corriente. Por ejemplo, dicha teoría puede determinar la adquisición de diez o más muestras por período de la forma de onda y el cálculo subsecuente de un valor promedio en base a las diez o más muestras. Sin embargo, con una frecuencia de conmutación de 20 KHz para el suministro de energía de soldadura, por ejemplo, divcha teoría determina la adquisición de 200,000 o más muestras por segundo, las cuales tendrían que ser digitalízadas y promediadas para llegar a un valor promedio preciso. Las modalidades del controlador digital actualmente descrito, pueden adquirir una muestra individual para retroalimentación de corriente que es sincronizada para presentarse cada ciclo de conmutación en el punto medio de la porción "OFF" de la forma de onda de corriente real. Como se muestra en las FIGURAS 4 y 5, esto es posible debido a que el valor de corriente de salida en el punto medio de la porción "OFF" es aproximadamente igual al valor promedio de la forma de onda de corriente.
Además, en modalidades adicionales, una muestra individual para retroalimentación de corriente puede ser sincronizada para presentarse en cada ciclo de conmutación en el punto medio de la porción "ON" de la forma de onda de corriente real. En otras modalidades, se pueden obtener dos muestras, con la primera muestra sincronizada para el punto medio aproximado de la porción "ON" y la segunda sincronizada para el punto medio aproximado de la porción "OFF". Modaldiades adicionales pueden promediar las dos muestras u obtener de modo selectivo y/o usar cualñquiera de las dos muestras dependiendo de varias condiciones de operación tales como el ciclo de trabajo, la corriente o voltaje de salida, u otras condiciones.
La FIGURA 6 es un diagrama de sincronización ilustrativo 122 que incluye una forma de onda modulada por ancho de impulso ilustrativa 124. Dicho diagrama ilustra como las modalidades del controlador PWM digital descritas en la presente pueden sincronizar el muestreo digital y la conversión para que se presenten en el punto medio de la porción "OFF" mediante el nuevo cálculo de una ubicación de activación para una conversión analógica a digital en base al valor del ciclo de trabajo calculado. El valor para la ubicación de activación para una conversión analógica a digital puede ser corregido además si se desea explicar cualquier pequeño desplazamiento de fase o retraso en la señal de retroalimentación de corriente que representa la corriente de salida o para cualquier retraso de tiempo que la conversión misma necesite. Es decir, la ubicación de la conversión puede ser ajustada de manera que el valor digitalizado será aproximadamente igual al valor promedio de la forma de onda. Como tal, la ubicación de activación para la conversión analógica a digital (ATD_TRIGGER) puede estar dada por: ATD_TRIGGEF¡ = (1 - D) 12 + Correction jactor, en la cual D es el ciclo de trabajo calculado y Correction_factor es el factor de ajuste.
Por ejemplo, en la modalidad ¡lustrada en la FIGURA 6, la forma de onda 124 incluye un primer ciclo de trabajo 126 y un segundo ciclo de trabajo 128. La ubicación de activación ATD es actualizada durante el ciclo de trabajo activo 126 (por ejemplo, la porción "ON") por medio del controlador digital (bloque 130). El controlador digital está configurado para ejecutar la conversión ATD (bloque 132) a aproximadamente un medio de la porción "OFF" (bloque 134). Después de ejecutar la conversión ATD (bloque 132) el controlador digital está configurado además para calcular un nuevo ciclo de trabajo y una nueva ubicación de activación para el siguiente período (por ejemplo, ciclo de trabajo 128). Como tal, al muestrear y convertir las señales de retroalimentación aproximadamente en el punto medio de la porción "OFF", el ciclo de trabajo puede ser calculado utilizando valores digitalizados que representan el valor promedio de la forma de onda. Dicho método empleado por medio el controlador digital facilita también el cálculo del siguiente ciclo de trabajo 128 con valores de retroalimentación que representa un estado del suministro de energía de soldadura así como el comando de corriente de referencia deseada, que se puede determinar por el controlador de soldadura, antes del inicio del siguiente ciclo de trabajo porción "ON" 128. Dicha característica puede permitir el suministro de energía de soldadura para responder a cambios o cambios deseados durante la operación de soldadura en tanto que reduce o elimina el retraso de tiempo en comparación con sistemas tradicionales.
Se observará que en ciertas modalidades, puede ser deseable actualizar la ubicación de activación ATD (muestreo) sólo una vez por ciclo de manera que se generan y usan entradas consistentes para calcular el ciclo de trabajo operativo. Además, puede ser ventajoso actualizar la ubicación de activación ATD durante la porción "ON" como se describe en detalle con anterioridad dé manera que la nueva ubicación de activación puede ser ¡mplementada por el controlador digital antes del inicio de la porción "OFF" subsecuente. Se observará también que en ciertas modalidades, el controlador digital puede ser configurado además para leer y convertir señales analógicas a digitales de una manera sincronizada para la forma de onda PWM. Dichas señales adicionales pueden incluir retroalimentación de voltaje, retroalimentación de voltaje de barra, la corriente de referencia indicada por el controlador de soldadura, y así sucesivamente. Las señales adicionales pueden ser usadas por el controlador digital junto con la retroalimentación de corriente para calcular el ciclo de trabajo operativo.
La FIGURA 7 es un diagrama esquemático 138 de un sistema de suministro de energía de soldadura de tipo interruptor periódico o inversor. El diagrama 138 incluye una fuente de energía 140 que incluye una fuente de voltaje de salida 142 controlada por un ciclo de trabajo, el cual es determinado por el controlador digital, y un inductor 144. El inductor 144 es el inductor de nivelación de suministro de energía interno, el cual está configurado para nivelar la corriente de energía. Un inductor 146 y un resistor 148 representan las características eléctricas equivalentes de los cables eléctricos para soldar externos, que pueden incluir el conductor eléctrico (por ejemplo el conductor de conexión a tierra) así como conductores para un alimentador de alambre u otros componentes. El diagrama 138 incluye también un voltaje de arco 150 presente entre una pieza de trabajo y un soplete o electrodo de soldadura. El diagrama 138 incluye también una corriente de salida 152 desde la fuente de energía de soldadura, la cual es la corriente que fluye en el arco de soldadura.
El diagrama 138 incluye además una impedancia de arco 154 que represente la impedancia de arco a una condición arco particular de acuerdo con el voltaje de arco y la corriente de salida. Se observará que el rango de la impedancia de arco 154 puede variar durante una operación y depende de las condiciones de arco particulares presentes en la operación de soldadura. Por ejemplo, antes de la iniciación del arco cuando la corriente aún no está fluyendo, la impedancia de arco 154 puede ser grande debido a que la salida del suministro de energía está en una condición de circuito abierto. Sin embargo, durante el inicio de arco, cuando el electrodo está en contacto con la pieza de trabajo, la impedancia de arco 154 puede ser baja o incluso aproximadamente de cero. Además, durante una condición de soldadura, la impedancia de arco 154 puede variar debido a factores tales como el tipo de proceso de soldadura, la corriente de soldadura, la técnica del operador, el gas protector, y demás. Como tal, el arco de soldadura es dinámico y puede variar entre una condición de corto circuito y una condición de circuito abierto.
Se observará que la caída de voltaje a través de la inductancia equivalente y la resistencia del cable de soldadura agregará a o sustraerá desde el voltaje de arco 150 como se observa en las terminales de salida de la fuente de energía. Dicha característica puede interferir de modo común con la habilidad del controlador de soldadura para controlar el voltaje de salida 150 y/o la corriente de salida 152. Dicha interferencia puede inhibir también la capacidad del controlador de soldadura para detector adecuadamente el voltaje de arco, según sea necesario para ciertos procesos de soldadura, tales como la detección del inicio o liberación de un corto circuito. Dicha interferencia puede impactar también la habilidad del controlador PWM digital para calcular con precisión un término de ciclo de trabajo dependiente de un voltaje de salida debido a que el voltaje representado en la señal de retroalimentación de voltaje, que es derivada a partir de las terminales de salida, puede no representar el verdadero voltaje de arco. Sin embargo, se reconoce que una caída de voltaje a través de la resistencia de cable equivalente 156 es un desfasamiento proporcional a la corriente de salida 152 y no cambia como cambia la configuración de los cables de soldadura. La caída de voltaje a través de la resistencia de cable equivalente 156 es una función de la longitud de cable, el área de sección transversal del cable, y otros.
Se observará que una caída de voltaje ilustrada a través de la inductancia equivalente 158 es una función de la velocidad de cambio de la corriente de salida (por ejemplo, primera derivada de corriente): V_L_cable = L_cable * Al_out / Al, en la cual V_L_cable es la caída de voltaje a través de la inductancia de cable equivalente, L_cable es la inductancia del cable, y Al_out/At es la velocidad de cambio de la corriente de salida. Los efectos de la caída de voltaje a través de la inductancia del cable de soldadura puede variar con la disposición y el valor de la inductancia del cable.
Loa altos niveles de voltaje inducido en los cables de soldadura puede ocasionar oscilación (es decir, inestabilidad) en la corriente de salida del suministro de energía de soldadura. Como tal, las modalidades del controlador digital actualmente descrito puede ser configurado para amortiguar dicha oscilación mediante sujeción del valor máximo de la retroalimentación de voltaje recibida y usada para calcular el ciclo de trabajo, limitando de esta manera el efecto del voltaje inducido. Es decir, las modalidades de la presente invención pueden sujetar el valor del voltaje de retroalimentación usado para calcular el ciclo de trabajo para un valor adecuado. Por ejemplo, en ciertas modalidades, el valor del voltaje de retroalimentación se puede retener para un valor que es un porcentaje preestablecido sobre el voltaje de objetivo o para un nivel preestablecido que es mayor que un nivel de voltaje de arco común que se puede alcanzar durante el proceso de soldadura determinado.
La FIGURA 8 incluye una gráfica de voltaje desconectado ilustrativa 160 y una gráfica de corriente desconectada ilustrativa 162. Como se muestra, la gráfica de voltaje desconectado 160 incluye una forma de onda de señal de retroalimentación de voltaje 164 representativa del voltaje terminal de salida y una forma de onda de voltaje de arco real 166 representativa de un voltaje de arco real escalado ilustrativo. Como se muestra, la gráfica de corriente 162 incluye una forma de onda de corriente 168 que incluye vibración y oscilación 170 en el valor pico. Se observará que el voltaje inducido a través de la inductancia de cable debida al borde creciente de la corriente de salida puede ocasionar que la forma de onda de retroalimentación de voltaje 164 sea sustancialmente mayor que la forma de onda de voltaje real 166 en el arco. En ciertas modaldiades, dicho efecto puede ocasionar la oscilación 170 evidenciada en la forma de onda de corriente de salida 168.
La FIGURA 9 incluye una gráfica de voltaje conectado ilustrativa 172 y una gráfica de corriente conectada ilustrativa 174. Como se muestra, la gráfica de voltaje conectado 172 incluye una forma de onda de señal de retroalimentación de voltaje 176 representativa del voltaje terminal de salida y una forma de onda de voltaje de arco real 178 representativa de un voltaje de arco verdadero escalado ilustrativo. Como se ilustra, la gráfica de corriente 174 incluye una forma de onda de corriente 180, la cual ilustra el efecto del controlador digital que dirige la retención de un valor límite superior del voltaje de retroalimentación que es usada por el controlador digital para calcular el ciclo de trabajo operativo como en la ecuación (4). Se observará que tanto el valor real del voltaje de retroalimentación es aproximadamente igual en las FIGURAS 8 y 9, el controlador digital es configurado para retener el valor usado en la ecuación (4). Como tal, la forma de onda de corriente 180 en la FIGURA 9 no exhibe la vibración u oscilación 170 que es exhibida en el pico de la forma de onda de corriente 168 en la FIGURA 8. En consecuencia, las modalidades del controlador digital actualmente descrito proporcionan la retención del voltaje de retroalimentación.
Las modalidades del controlador digital actualmente descrito puede ser configurado para reducir o eliminar los efectos del voltaje inducido en la señal de retroalimentación de voltaje debida a la inductancia de cable de soldadura. Como tal, se pueden obtener mejoras adicionales para el control PWM digital y/o la señal de retroalimentación de voltaje con las modalidades del controlador digital. De manera específica, las modalidades de la presente invención incluyen un método que puede ser empleado por el controlador digital para medir o estimar la inductancia de cable de soldadura durante una operación de soldadura y usar este valor de inductancia para compensar o corregir la señal de retroalimentación de voltaje.
Haciendo referencia de nuevo al circuito equivalente 138 de la FIGURA 7, se puede observar que hay dos inductores 144 y 146 conectados en serie. La forma de onda de entrada al inductor 144 desde la fuente de voltaje 142 es el voltaje de barra interrumpido 54 con un ciclo de trabajo que es fijado por el controlador PWM digital 32. Como tales, los inductores 144 y 146 forman un circuito divisor de voltaje CA, el cual separa el componente CA de alta frecuencia del voltaje de barra CD interrumpido 54 de acuerdo con sus valores de inductancia relativos, produciendo la siguiente ecuación: lnductance_144 / lnductance_146 = V_144 / V_146, en la cual lnductance_144 es la inductancia del inductor 144, lnductance_146 es la inductancia del inductor 146, V_144 es el voltaje del inductor 144, y V_146 es el voltaje del inductor 146.
Una medición del voltaje CA de alta frecuencia de pico a pico (por ejemplo, la frecuencia de conmutación) presente en las terminales de salida pueden ser usados por las modalidades del controlador digital para calcular o estimar la inductancia de cable equivalente, lnductance_146, si el valor del inductor 144 es conocido y si el valor del voltaje de barra 54 también es conocido o estimado. Se reconoce ahora que la impedancia equivalente de los inductores 144 y 146 a la frecuencia de conmutación puede ser mayor que la impedancia de la resistencia de cable 148 y la impedancia de arco 154 durante alguna o toda la operación de soldadura. Como tales, las modalidades de la presente invención puede proporcionar la impedancia o inductancia de cable que se va a medir o calcular mediante comparación del voltaje CA de pico a pico relativo presente a través de cada inductor de acuerdo con la ecuación (9). Es decir, la entrada al inductor 144 es aproximadamente igual al DC voltaje de barra CD interrumpido. El voltaje pico a pico puede ser medido directamente o estimado en base a el voltaje de barra CD medido, calculado o estimado. Se puede adquirir una medición de la señal de voltaje CA de pico a pico en las terminales de salida de la fuente de energía de soldadura. Dicha . medición puede ser utilizada por el controlador digital para calcular cual porción del voltaje de barra CD interrumpida es descendida a través del inductor interno 144 y que tanto voltaje CA de pico a pico es descendido a través de la inductancia de cable eléctrico de soldadura equivalente 146. Dicha relación de voltaje CA de pico a pico puede ser utilizada por el controlador junto con un valor conocido de la inductancia del inductor 144 para calcular la inductancia del inductor 146. Como tales, las modalidades del controlador PWM digital actualmente descrito pueden permitir que el componente CA de alta frecuencia (es decir, el valor pico a pico) del voltaje de salida sea medido durante la operación de soldadura y puede además permitir que el valor medido sea usado para determinar la inductancia de cable equivalente.
La FIGURA 10 ilustra gráficas de voltaje que pueden ser generadas durante un impulso de corriente, tal como el impulso de corriente mostrado en la FIGURA 9. Las gráficas de voltaje incluyen una forma de onda de retroalimentación de voltaje filtrada ilustrativa 182, una forma de onda de voltaje escalada ilustrativa 184 representativa del voltaje de arco real, y una forma de onda de retroalimentación de voltaje rápido no filtrada 186. Es decir, la forma de onda de retroalimentación de voltaje filtrada 182 es representativa de una señal ilustrativa con un sobreimpulso y un subimpulso ocasionados por el voltaje inducido de la inductancia de cable de soldadura. La forma de onda de voltaje relativamente rápida no filtrada 186 representa una señal no filtrada que puede ser generada durante una primera etapa de amplificador de un circuito que puede ser utilizado para medir el voltaje terminal de salida y proporcionar una señal de retroalimentación escalada para uso por el controlador digital PWM.
Como se ilustra en la FIGURA 10, la forma de onda de voltaje no filtrada 186 incluye una primera región 188, una segunda región 190, una tercera región 192, y una cuarta región 194. La segunda región 190 y la cuarta región 194 representan intervalos de tiempo en donde existe un componente CA de alta frecuencia de pico a pico aproximadamente estable que puede ser leído por el controlador PWM digital configurado y usado para calcular o estimar la inductancia de cable. Se observará que dichas regiones 190 y 194 pueden también ser representativas de regiones en donde el voltaje y la corriente promedio son aproximadamente constantes, de manera que el efecto del voltaje inducido debido a la corriente cambiante puede estar en un límite inferior. Se observará también que dichas regiones 190 y 194 también pueden estar en donde el ciclo de trabajo PWM está en un valor de rango medio aproximado, el cual no está cercano a un valor límite superior o un valor límite inferior. Como tal, la segunda región 190 se muestra en mayor detalle en la FIGURA 1 1 , y la cuarta región se muestra en mayor detalle en la FIGURA 12. Como se ilustra, un valor de voltaje de pico a pico 196 de la segunda región 190 y un valor de voltaje de pico a pico 198 de la cuarta región 194 son aproximadamente ¡guales incluso aunque los valores superior e inferior sean diferentes. Es decir, la segunda región 190 está desfasada hasta un nivel general más elevado debido a que es una región de corriente de salida más elevada y por lo tanto voltaje promedio de arco más elevado. Sin embargo, los valores de voltaje de pico a pico 196 y 198 son aproximadamente iguales.
La primera región 188 y la tercera región 192, por otra parte, representan regiones en donde no hay un componente CA de alta frecuencia de pico a pico válido que pueda ser utilizado por el controlador PWM digital. Es decir, la primera región 188 y la tercera región 192 pueden presentarse durante cambios dinámicos en el punto operativo de salida del sistema, por ejemplo cuando el ciclo de trabajo PWM está operando cerca de valores de límite superior o de límite inferior o cuando el ciclo de trabajo ha llegado a cero y no está ocurriendo la conmutación del semiconductor de energía en el circuito interruptor periódico.
Las modalidades del controlador digital actualmente descrito pueden ser configuradas para medir el componente CA de alta frecuencia de pico a pico mostrado en la segunda región 190 y la cuarta región 194 para calcular un valor de inductancia para el circuito de cable de soldadura de salida en base al componente de poico a pico medido. Como se describió en detalle con anterioridad en relación a la FIGURA 6, el controlador digital está configurado para muestrear y ejecutar una conversión digital en el punto medio de la porción "OFF" para la señal de retroalimentación de corriente y la señal de retroalimentación de voltaje, entre otras señales. Las modalidades del controlador PWM digital pueden ser configuradas además para realizar una muestra y conversión adicional de la forma de onda de voltaje no filtrada 186 aproximadamente en el punto medio de la porción "OFF" y una muestra adicional de la forma de onda 186 aproximadamente en el punto medio de la porción ??" de la forma de onda.
Dichas muestras de la forma de onda de voltaje no filtrada 86 pueden ser adquiridas y usadas por el controlador digital para calcular la inductancia de cable cuando el ciclo de trabajo queda dentro de un rango preestablecido y/o cuando la corriente o voltaje de salida queda dentro de un rango preestablecido. En ciertas modalidades, el controlador digital puede restringir el muestreo de la forma de onda de voltaje no filtrada para regiones de corriente o voltaje promedio aproximadamente constante. Como tal, el controlador digital puede estar configurado para muestrear y calcular la inductancia de cable sólo durante la segunda región 190 y la cuarta región 194 y no durante la primera región 188 y la tercera región 192 como se muestra en la FIGURA 10. Además, el controlador digital puede estar configurado para adquirir dicha medición en pares apropiados. Es decir, si el controlador PWM digital detecta que el ciclo de trabajo queda dentro del rango preestablecido para medir el valor pico del componente CA durante la porción "ON", se adquirirá entonces un valor correspondiente durante la porción "OFF" subsecuente (por ejemplo, aproximadamente en el punto medio de la porción "OFF"). Dichos valore adquiridos pueden ser utilizados después por el controlador digital para calcular una diferencia o valor pico a pico de acuerdo con la ecuación: V_pk-pk = {Unfiltered_V(sample1 :Peak valué) - Unfiltered_V(sample2: valley or mínimum valué)}, en la cual V_pk-pk es el valor pico a pico calculado, el cual es igual al primer valor muestreado menos el segundo valor muestreado.
El controlador digital puede ser configurado además para obtener muestras y cálculos adicionales para el valor pico a pico a fin de obtener un valor promedio o nivelado de operación durante un período adecuado para reducir o eliminar los efectos potenciales de ruido, muestras erróneas, y demás. De manera subsecuente, el controlador digital puede calcular o aproximar la inductancia de cable equivalente (es decir, la inductancia del inductor 146, L_cable) mediante la utilización del valor medido para la retroalimentación de voltaje de barra o cualquier otra señal equivalente adecuada capaz de proporcionar información para la magnitud del voltaje CD interrumpido en la entrada hacia el inductor y el valor conocido de inductancia para el inductor de nivelación de suministro de energía interno 144: L_cable = L_144 * { (V_pk-pk) /(Vbusjeedback - V_pk-pk) }.
Se observará que se pueden emplear métodos alternativos de medición del voltaje CA de pico a pico en las terminales de salida del suministro de energía y que utilizan dicha medición para calcular o estimar la inductancia de cable de soldadura. Por ejemplo, el voltaje CA de pico a pico se puede combinar con un voltaje de barra o voltaje CA de pico a pico medido o estimado para la entrada del inductor 144 para calcular o estimar la inductancia del cable de soldadura. En una modalidad, se puede utilizar una envolvente analógica o un circuito de detección de pico a pico a fin de proporcionar un valor analógico directo representativo del voltaje de pico a pico. Dicho valor puede ser utilizado por el controlador PWM digital o por medio del controlador de soldadura u otros circuitos adecuados para calcular o estimar la inductancia del cable de soldadura 146. Dichos métodos pueden incluir las etapas para emplear de manera selectiva el valor pico a pico analógico durante ciertos períodos, por ejemplo cuando la corriente o voltaje de salida promedio queda dentro de un rango y/o está aproximadamente en un valor fijo.
Se observará que en ciertas modalidades, el voltaje pico a pico así como el valor de inductancia de cable de soldadura estimado o calculado puede ser utilizado por el controlador de soldadura exclusivamente, por el controlador PWM digital exclusivamente, por el controlador de soldadura y el controlador PWM digital, o por otros circuitos adecuados. Es decir, en ciertas modalidades, el controlador PWM puede proporcionar suficiente control de ciclo de trabajo mediante la retención de la señal de retroalimentacion de voltaje. Sin embargo, en otras modalidades, puede ser deseable corregir la señal de voltaje de retroalimentacion que puede ser usada por el controlador PWM digital al utilizar el valor de inductancia calculado. En modalidades adicionales, la inductancia de cable de soldadura estimada o calculada puede ser refinada o ajustada al tomar en cuenta la resistencia del circuito de cable de soldadura y/o la impedancia del arco de soldadura.
El controlador digital puede estar configurado para utilizar la inductancia de cable equivalente calculada (L_cable) para corregir o compensar el voltaje de retroalimentacion durante la operación de soldadura. Es decir, hacienda referencia a la ecuación (9), V_L_cable puede ser calculada entonces por el controlador digital al multiplicar L_cable por la velocidad en de cambio de la corriente de salida. Por ejemplo, el controlador digital puede usar valores de corriente de salida discretos, como se miden una vez por cada ciclo de conmutación, combinados con el período de la forma de onda de conmutación para calcular V_l__cable.
En modalidades adicionales, el controlador digital puede usar cualquier otro método para calcular V_L_cable. Por ejemplo, en otra modalidad, el controlador puede usar una table de búsqueda, la cual proporciona una estimación de la inductancia de cable en base al valor de retroalimentación de voltaje de pico a pico. De modo adicional, en ciertas modalidades, una vez que un valore de inductancia de cable ha sido calculado por el controlador digital, dicho valor puede ser retenido después de que ha terminado una secuencia de soldadura particular y el arco se ha extinguido. El valor retenido puede ser usado como un valor inicial para la siguiente secuencia de soldadura, proporcionando de esta forma un valor de arranque inicial para la inductancia de cable. Valores subsecuentes para la inductancia de cable pueden ser recalculados después por el controlador digital a medida que haya nuevos datos disponibles durante el proceso de soldadura.
En modalidades adicionales, se puede usar una tabla de búsqueda para proporcionar un factor de corrección para el voltaje de retroalimentación en vez de proporcionar un. valor de inductancia. Además, el valor de voltaje de retroalimentación (Vfb_corrected) puede ser calculado de acuerdo con la siguiente ecuación: Vfb_corrected = Vfb + K*L_cable*(lfb - lfb_previous)/At.
Como tal, la corrección para el voltaje de retroalimentación de puede obtener a través de la adición de la primera deriva de la retroalimentación de corriente con un valor de ganancia apropiado en base a la inductancia de cable medida. El valor de inductancia o el valor de corrección de retroalimentación de voltaje, determinado a través de cualquiera de los métodos descritos, puede ser comunicado a otros circuitos y controles de una señal analógica o digital representativa del valor o rango de valores. En ciertas modalidades, el controlador de soldadura puede usar el valor de inductancia medido o calculado de varias maneras a fin de mejorar el control del proceso de soldadura, por ejemplo para mejorar la detección de un corto circuito mediante el uso de una señal de retroalimentación de voltaje corregida, modificación de varios parámetros o formas de onda de control del proceso de soldadura para compensar o corregir la inductancia de cable de soldadura, alertar a un operador a través de una interfaz de usuario de una condición cuando la inductancia esté fuera de un rango aceptable, o de cualquier otra manera. Además, en otras modalidades, el controlador digital puede estar configurado además para corregir o compensar la resistencia de cable de soldadura. Como se describió previamente con respecto a la FIGURA 7, la resistencia de cable de soldadura será exhibida como una caída de CD o de voltaje de desfase 156 proporcional a la corriente de salida 152. Se observará que el valor de resistencia permanece relativamente constante con los cambios en orientación o enfriamiento del cable de soldadura, se puede medir, calcular, estimar un valor de resistencia o ser introducido al sistema de soldadura. El valor de resistencia puede ser utilizado por el controlador digital con el valor de la corriente de salida en cualquier momento dado para corregir la resistencia de cable. Por ejemplo, datos relevantes, tales como la longitud de ciclo de cable de soldadura y el tamaño de cable, pueden ser introducidos por un operador a través de una interfaz de usuario y usados para estimar o calcular la resistencia de cable.
Se observará que el controlador PWM digital puede estar configurado además para proporcionar una variedad de características y beneficios adicionales de los controladores analógicas comunes. Por ejemplo, algunos procesos de soldadura, tales como GTAW, utilizan bajas corrientes de salida en comparación a los demás procesos de soldadura. De modo común, la corriente de salida del suministro de energía de soldadura incluye un valor promedio que corresponde a un nivel de comando de corriente de salida de objetivo y un valor de fluctuación de pico a pico dependiendo de este valor promedio como se describió con anterioridad. Para ciertos procesos en el cual la corriente de salida promedio es baja, existe la posibilidad de que un valor límite inferior de la fluctuación de corriente se convierte en cero, y la corriente de salida es discontinua. Cuando dicha posibilidad es percibida en una operación de soldadura, se puede presentar una interrupción de arco. El controlador PWM digital puede reducir o eliminar esta posibilidad de permitir que la frecuencia de conmutación sea modificada en base al proceso de soldadura seleccionado y/o el nivel de corriente de salida. Por ejemplo, en un proceso GTAW de baja corriente, la frecuencia de conmutación puede ser incrementada por medio de un factor de dos o tres veces aquel de un proceso de mayor corriente para reducir el componente de fluctuación de pico a pico, permitiendo de esta manera que la corriente de salida de promedio menor sin lograr una condición de corriente de salida discontinua. Además, el controlador PWM digital puede ser configurado a fin de permitir la frecuencia de conmutación del interruptor semiconductor de energía para ser reducida de manera selectiva para ciertos procesos de soldadura o cuando operan en ciertos niveles de corriente de salida. Por ejemplo, en ciertos niveles de corriente de salida elevados o en procesos de soldadura tales como FCAW o CAC, puede ser deseable que el controlador digital para reducir la frecuencia de conmutación de los interruptores semiconductores a fin de reducir pérdidas de conmutación.
Además, el controlador PWM digital puede ser configurado para fijar el límite inferior y/o rangos de ciclo de trabajo de límite superior, que pueden depender de una condición de operación, tal como el proceso de soldadura, el nivel de corriente de salida o el nivel de voltaje. Por ejemplo, durante una condición de soldadura dinámica, puede ser deseable controlar el ciclo de trabajo para un valor límite superior preestablecido (por ejemplo, D_max = 0.9) para proporcionar la respuesta dinámica rápida de una corriente o voltaje de salida. Sin embargo, puede ser deseable limitar el ciclo de trabajo hasta un valor más bajo (por ejemplo, D_max = 0.5) para operación de estado estable, de manera que la salida continua máxima del suministro de energía de soldadura está limitada para reducir la tensión térmica en los componentes de energía.
De modo adicional, el controlador digital puede estar configurado para omitir de manera selectiva los ciclos de conmutación en base a una corriente de salida predeterminada, una condición de voltaje predeterminada, o un proceso de soldadura seleccionado. Por ejemplo, el controlador digital puede omitir uno o más ciclos de conmutación durante la corriente y voltajes bajos cuando el ciclo de trabajo puede ser lo suficientemente bajo para enfocarse a los tiempos de retardo de propagación de activación de compuerta, dificultando por tanto el control preciso de la salida. De manera alternativa, el controlador digital puede implementar un método de control en donde el ancho de impulso (por ejemplo, la porción "ON") varía de acuerdo con las demandas del sistema de control hasta que el ancho de impulso alcanza un valor límite inferior. Más allá de este valor límite inferior, el controlador digital puede implementar la modulación de frecuencia.
Además, se pueden configurar modalidades del controlador digital para modificar los términos de ganancia o de coeficiente de ciclo de trabajo (por ejemplo, K1 -K5) en base a varios factores, tales como inductancia y/o resistencia de cable de soldadura, impedancia de arco, el voltaje de barra, y así sucesivamente, lo cual puede impactar la ganancia o respuesta de ciclo de control general. Por ejemplo, el controlador digital puede modificar el valor de K4 o K5 en base a la impedancia de arco equivalente calculada, un proceso de soldadura seleccionado, un nivel de corriente de salida de objetivo o indicado, y otros. De hecho, el controlador digital puede modificar muchos otros factores o coeficientes de una función de compensación o sistema de ciclo de control para mejorar el ciclo ce control para varias condiciones de operación.
En tanto que solo se han ¡lustrado y descrito en la presente ciertas características de la invención, aquellos con experiencia en la técnica idearán varias modificaciones y cambios. Por lo tanto, se comprenderá que las reivindicaciones adjuntas están destinadas a cubrir todas esas modificaciones y cambios según queden dentro del verdadero espíritu de la invención.

Claims (27)

REIVINDICACIONES
1. Un suministro de energía de soldadura, que comprende: circuitos de conversión de energía que comprenden uno o más interruptores semiconductores de energía, en donde los circuitos de conversión de energía están configurados para recibir energía desde una fuente primaria y para conmutar dichos uno o más interruptores semiconductores de energía entre una configuración ENCENDIDA (ON) y una configuración APAGADA (OFF) para convertir la energía recibida a una salida de soldadura; y un controlador digital modulado por ancho de impulso (PWN) acoplado a los circuitos de conversión de energía y configurado para calcular un término de ciclo de trabajo para control de la conmutación de dichos uno o más interruptores semiconductores mediante el cálculo de un término de voltaje de salida.
2. El suministro de energía de soldadura de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque los circuitos de conversión de energía comprenden un suministro de energía tipo inversor que comprende por lo menos un circuito frontal, un inversor de puente completo, un inversor de medio puente, y un circuito de transferencia inversa.
3. El suministro de energía de soldadura de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque los circuitos de conversión de energía comprenden además un circuito pre-regulador.
4. El suministro de energía de soldadura de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque los circuitos de conversión de energía comprenden un circuito interruptor periódico configurado para utilizar un transformador de frecuencia de línea para transformar un voltaje de línea CA a un voltaje de soldadura y una corriente de soldadura.
5. El suministro de energía de soldadura de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el controlador digital PWM está configurado para calcular término de ciclo de trabajo al calcular un término integral configurado para corregir el error de estado estable entre un nivel de corriente indicado y un nivel de corriente de salida real.
6. El suministro de energía de soldadura de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el controlador digital PWM está configurado para calcular el término de ciclo de trabajo al calcular un término de error configurado para corregir una diferencia entre un nivel de corriente indicado y un nivel de corriente de salida real.
7. El suministro de energía de soldadura de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el controlador PWM está configurado para limitar el término de ciclo de trabajo a por lo menos uno de un valor mínimo preestablecido y un valor máximo preestablecido.
8. El suministro de energía de soldadura de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el controlador PWM está configurado además para calcular el término de ciclo de trabajo al calcular un término de retraso variable configurado para corregir una inductancia en un transformador de alta frecuencia de los circuitos de conversión de energía.
9. El suministro de energía de soldadura de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el controlador PWM está configurado además para calcular el término de ciclo de trabajo al calcular un término de desacoplamiento configurado para corregir un retraso de activación de compuerta en un circuito asociado con uno o más interruptores semiconductores de energía.
10. Un suministro de energía de soldadura, que comprende: circuitos de conversión de energía que comprenden uno o más interruptores semiconductores de energía configurados para recibir energía desde una fuente primaria y para conmutar dichos uno o más interruptores semiconductores de energía entre una configuración ENCENDIDA (ON) y una configuración APAGADA (OFF) para convertir la energía recibida a una salida de soldadura; y un controlador digital modulado por ancho de impulso (PWN) que comprende circuitos de activación de compuerta configurados para generar una señal de salida PWM que controla la conmutación de uno o más interruptores semiconductores de energía, en donde la señal de salida PWM comprende un término de ciclo de trabajo que explica una o más variaciones en un voltaje de barra.
11. El suministro de energía de soldadura de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el término de ciclo de trabajo es corregido para una diferencia entre un nivel de corriente indicado y un nivel de corriente de salida real.
12. El suministro de energía de soldadura de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el término de ciclo de trabajo es corregido además para un error de estado estable entre el nivel de corriente indicada y el nivel de corriente de salida real cuando una salida de corriente de soldadura y/o una salida de voltaje de soldadura está dentro de un rango vinculado preestablecido.
13. El suministro de energía de soldadura de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el término de ciclo de trabajo es corregido con un término de caída que corrige la función de transferencia no ideal del suministro de energía de soldadura.
14. El suministro de energía de soldadura de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el término de ciclo de trabajo incluye un término dependiente de un voltaje de salida del suministro de energía de soldadura.
15. El suministro de energía de soldadura de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el término de ciclo de trabajo es corregido para una pérdida dependiente de corriente o energía que comprende por lo menos una de una caída de voltaje de diodo, una pérdida de semiconductor de energía, y una inductancia de fuga.
16. El suministro de energía de soldadura de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el término de ciclo de trabajo es corregido adicionalmente para un retraso de activación de compuerta en un circuito asociado con dichos uno o más interruptores semiconductores de energía.
17. El suministro de energía de soldadura de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque los circuitos de conversión de energía comprenden un circuito interruptor periódico configurado para utilizar un transformador de frecuencia de línea para transformar un voltaje de línea CA a un voltaje de soldadura y una corriente de soldadura.
18. Un controlador modulado por ancho de impulso (PWM) digital para un suministro de energía de soldadura de modo conmutado configurado para: determinar un término de voltaje de salida del suministro de energía de soldadura de modo conmutado; calcular un término de voltaje de barra variable del suministro de energía de soldadura de modo conmutado; calcular un término de error proporcional que corrige una diferencia entre un nivel de corriente indicado y un nivel de corriente de salida real del suministro de energía de soldadura; y calcular un término de ciclo de trabajo al combinar el término de voltaje de salida determinado, el término de voltaje de barra variable calculado, y el término de error proporcional.
19. El controlador digital de conformidad con la reivindicación 18, configurado además para calcular un término de desacoplamiento que corrige un retraso de activación de compuerta en un circuito asociado con uno o más interruptores semiconductores de energía y para calcular el término de ciclo de trabajo mediante la combinación del término de voltaje de salida determinado, el término de voltaje de barra variable calculado, el término de error proporcional, y el término de desacoplamiento.
20. El controlador digital de conformidad con la reivindicación 18, configurado además para calcular un término integral que corrige un error de estado estable entre el nivel de corriente indicada y el nivel de corriente de salida real y para calcular el término de ciclo de trabajo mediante la combinación del término de voltaje de salida determinado, el término de voltaje de barra variable calculado, el término de error proporcional, y el término integral.
21 . El controlador digital de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque el controlador está configurado además para emitir una señal de control PWM para dichos uno o más interruptores semiconductores de energía en base al término de ciclo de trabajo calculado.
22. El controlador digital de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque el controlador digital está configurado además para calcular un término de caída que explica una función de transferencia no ideal del suministro de energía de soldadura y para calcular el término de ciclo de trabajo mediante la combinación del término de voltaje de salida determinado, el término de voltaje de barra variable calculado, el término de error proporcional, y el término de caída.
23. Un suministro de energía de soldadura, que comprende: circuitos de conversión de energía que comprenden uno o más interruptores semiconductores de energía configurados para recibir energía desde una fuente primaria y para conmutar dichos uno o más interruptores semiconductores de energía entre una configuración ENCENDIDA (ON) y una configuración APAGADA (OFF) para convertir la energía recibida a una salida de soldadura; y un controlador digital modulado por ancho de impulso (PWN) configurado para muestrear una forma de onda de corriente y/o voltaje en una ubicación de activación aproximadamente igual a una forma de onda de corriente y/o voltaje promedio y para calcular una señal de salida PWM que controla la conmutación de dichos uno o más interruptores semiconductores de energía en base a los valores de corriente y/o voltaje muestreados.
' 24. El suministro de energía de soldadura de conformidad con la reivindicación 23, caracterizado porque la ubicación de activación es aproximadamente igual a un punto medio de la porción "OFF" de un ciclo de conmutación de dichos uno o más interruptores semiconductores de energía.
25. El suministro de energía de soldadura de conformidad con la reivindicación 23, caracterizado porque el controlador digital PWM está configurado además para recalcular la ubicación de activación una vez por ciclo de conmutación de los interruptores semiconductores de energía.
26. El suministro de energía de soldadura de conformidad con la reivindicación 23, caracterizado porque el controlador digital PWM está configurado además para actualizar la señal de salida PWM una vez por ciclo de conmutación de dichos uno o más interruptores semiconductores de energía después de un punto medio aproximado de la porción "OFF" del ciclo de conmutación.
27. El suministro de energía de soldadura de conformidad con la reivindicación 23, caracterizado porque la ubicación de activación es aproximadamente igual a un punto medio de la porción ??" de un ciclo de conmutación de dichos uno o más interruptores semiconductores de energía.
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