TWI425992B - 電流量測方法及系統 - Google Patents

Description

電流量測方法及系統

本發明是有關於一種電流量測方法及系統，特別是有關於一種可減少對直流變頻式電阻焊接機進行焊接電流量測時之誤差之電流量測方法及系統。

電阻焊技術（resistance welding）是最經濟的材料接合方法之一，最為人知的應用是汽車板金接合的電阻點焊(resistance spot welding)和浮凸焊(projection welding)，也廣泛的應用於金屬製品的接合。其原理如第1圖所示，要接合的兩片金屬工件101用銅製的電極頭102在兩面施加力量，使金屬工件101的接合面貼緊，再以大電流通過電極頭102一段時間，兩片金屬工件101的接合面因接觸電阻(contact resistance)較大，產生大量的焦耳熱(Joule heating)，使金屬工件101的接合面金屬熔融，待冷卻固化後形成焊點(nugget)103，使兩片金屬工件101接合在一起。焦耳熱公式如下：

　　　　　　　　　　　　　　(1)

式(1)中， H為產生的熱量，I為電流(A)，R為電阻。由於電阻R甚小，因此必須供應極大的電流I，才能產生足夠的熱量H，以熔化金屬工件101的接合面。

電阻焊接的品質對焊接條件的變化極為敏感，為保證生產線焊接品質的一致，在焊接過程中量測紀錄焊接電流(welding current)、工件兩端電壓、電極頭施力(electrode force)和電極頭相對位移等訊號，如第2圖所示，然後這些訊號和已知的代表良好焊接品質的標準訊號相比較，藉此判別焊接品質的良窳，是為非破壞性的線上品質監控系統(on-line quality monitoring system)，在生產線檢驗焊接品質極為實用。

提供電流的電源供應器(power supply)是電阻焊接的重要元件，主要型式有交流電源（AC type）、電容放電電源（capacitor discharge）、電晶體電源(transistor)和直流變頻式電源（DC inverter）等，電源供應器輸出的電流波形如第3圖所示，可看出不同的電源供應器有不同的電流波形，也各有不同的適用範圍。交流電源具有耐用與低成本的優點，是目前使用最為廣泛的電阻焊接電源，已經有眾多的文獻探討交流電阻焊接的品質監控系統。電容放電電源和電晶體電源的電流放電時間極短暫，熱影響區小，工件較不會因熱變形，適用於焊接精密的工件，但是價格較昂貴，對於品質監控研究的文獻仍然稀少。直流變頻式電源以優越的電流控制能力著稱，焊接品質因此較不受焊接條件變化的影響，電功率高，較節省電能，但是價格昂貴，目前對於其焊接品質監控之研究則是相當的少。

本發明主要是提出一種用於直流變頻式電阻焊接機之焊接電流量測方法及系統，可應用於直流變頻式電阻焊接機焊接品質之監控。

有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之目的就是在提供一種電流量測方法及系統，以用以量測直流變頻式電阻焊接機之焊接電流，以對其進行焊接品質之監控。

根據本發明之目的，提出一種電流量測方法，係適用於一直流變頻式電阻焊接機，電流量測方法包含下列步驟：藉由一感測單元感測直流變頻式電阻焊接機之一焊接電流，以得到一感應電壓；經由一設定單元設定一取樣頻率，取樣頻率係根據下列條件進行設定： ；其中，f_s 為取樣頻率，f_v 為感應電壓之頻率，感應電壓之頻率為直流變頻式電阻焊接機之切換頻率之兩倍，N為正整數，k和m為大於1之整數，取樣頻率係為感應電壓之頻率之非整數倍；經由一取樣單元根據取樣頻率以對感應電壓進行取樣；以及藉由一處理單元對取樣後之感應電壓進行一數值積分後，以得到焊接電流之一電流值。

進一步地，本發明所述之電流量測方法，係於直流變頻式電阻焊接機設定為一定電流控制模式(constant current control mode)下進行焊接電流之量測。

進一步地，感測單元係為一羅氏線圈(Rogowski coil)。

進一步地，取樣單元係為類比數位訊號擷取卡。

進一步地，數值積分係滿足下列條件： ；其中，I(t)為該電流值，v(t)為該感應電壓，K為常數。

根據本發明之目的，又提出一種電流量測系統，係適用於一直流變頻式電阻焊接機，其包含一感測單元、一設定單元、一取樣單元及一處理單元。感測單元係感測直流變頻式電阻焊接機之一焊接電流，以得到一感應電壓。設定單元係提供設定一取樣頻率，取樣頻率係根據下列條件進行設定： ；其中，f_s 為取樣頻率，f_v 為感應電壓之頻率，N為正整數，k和m為大於1之整數，取樣頻率係為感應電壓之頻率之非整數倍。取樣單元係根據取樣頻率以對感應電壓進行取樣。處理單元用以對取樣後之感應電壓進行一數值積分後，以得到焊接電流之一電流值。

承上所述，依本發明之電流量測方法及系統，可用來對直流變頻式電阻焊接機進行焊接電流之量測，以達焊接品質監控之目的。更經由本發明進一步地設計一取樣頻率之設定值，使得在進行電流量測時，可有效地降低量測焊接電流時之誤差。

請參閱第4圖，其係為本發明之電流量測方法之流程圖，此電流量測方法適用於一直流變頻式電阻焊接機。其步驟為：S11：藉由一感測單元感測直流變頻式電阻焊接機之一焊接電流，以得到一感應電壓；S12：經由一設定單元設定一取樣頻率，取樣頻率係根據下列條件進行設定： ；其中，f_s 為取樣頻率，f_v 為感應電壓之頻率，N為正整數，k和m為大於1之整數，取樣頻率係為感應電壓之頻率之非整數倍；S13：經由一取樣單元根據取樣頻率以對感應電壓進行取樣；S14：藉由一處理單元對取樣後之感應電壓進行一數值積分後，以得到焊接電流之一電流值。其中感測單元係為一羅氏線圈，取樣單元為一類比數位訊號擷取卡。

本發明發展一個對直流變頻式電阻焊接機(變頻電路)的電流量測方法及系統，可應用於直流變頻式電阻焊接機焊接品質之監控。由於直流變頻式電阻焊接機的焊接電流可高達數萬安培以上，以及考慮感測器安裝的便利性，業界通常採用羅氏線圈來量測二次側的焊接電流。羅氏線圈是一環形空心的感應線圈如第5圖所示。線圈掛於通電的導線，電流對線圈的感應電壓正比於電流的時間變化率，感應電壓經積分後得到電流，公式如下：

　　　　　　　　　　　(2)

其中，I(t)為電流，v(t)為羅氏線圈感應電壓，K為比例常數。

羅氏線圈中間沒有鐵蕊，磁場不會飽和，因此適合量測高達數萬安培的焊接電流，羅氏線圈有很高的響應速度，也具有非常良好的線性度。

一般市售的羅氏線圈通常配合一個類比的積分電路，感測器的輸出即為量測的電流，但是量測的電流範圍較低，本發明因此使用不含積分電路的羅氏線圈，再以類比數位(A/D)訊號擷取卡300對線圈的感應電壓取樣，經數值積分後得到量測的電流。

本發明發現直流變頻式電阻焊接機在定電流控制模式(constant current control mode)下，羅氏線圈感應電壓的取樣頻率(sampling frequency)若剛好為感應電壓頻率(直流變頻式電阻焊接機之切換頻率(switching frequency)的兩倍)的整數倍數，則會造成顯著的量測誤差，本發明便對此現象提出一解決的方法，即是控制對取樣頻率的設定。

請參閱第6圖，其係為一直流變頻式電阻焊接機之電路之示意圖，三相交流電源經橋式全波整流成為直流電源，對電容器充電，控制器400控制直流變頻式電阻焊接機的導通與關閉，形成以固定頻率切換的脈波交流電，其頻率稱為直流變頻式電阻焊接機的切換頻率(switching frequency)，並以脈波寬度調變(PWM)方式控制脈波寬度以控制焊接電流的大小。直流變頻式電阻焊接機的脈波交流電再經過變壓器將一次側的高電壓低電流電源轉成二次側的低電壓高電流電源，再經過整流後，成為含有漣波成份的直流電源，漣波的頻率為切換頻率的兩倍，此直流電源供焊接所需。

直流變頻式電阻焊接機有高性能的控制功能，將在變壓器的二次側量測的焊接電流或焊接電壓回授給控制器400，控制輸出的焊接電流，可以達到定電流控制模式、定電壓控制模式和定功率控制模式等，其中定電流控制模式是使用最廣泛的控制模式。

本發明量測切換頻率為1,000Hz的直流變頻式電阻焊接機的焊接電流，控制模式設定為定電流控制模式，首先設A/D訊號擷取卡的取樣頻率為50,000Hz，採用梯形法數值積分，量測得到如第7圖中含有漣波成份的電流訊號曲線，漣波為變頻電路的切換造成，可看到在焊接過程中量測得到的電流訊號持續上升，而不是維持定值，焊接結束後電流也沒有回到零電流，量測得到的電流訊號明顯與實際的電流訊號不符合，因此取樣頻率為50,000Hz之量測結果存在顯著的誤差。

另外，在相同的設定之下，以50,300Hz之取樣頻率量測電流訊號，於第7圖中所示，可看到在焊接過程中量測得到的電流訊號幾乎維持定值，而焊接結束後電流也回到零電流，只有少許的誤差，以上量測結果經多次實驗驗證具有重覆性，因此取樣頻率為50,300Hz之量測結果較精確。

值得注意的是取樣頻率50,300Hz和50,000Hz相差甚小，其量測結果卻有很大差異，而且一般在設定取樣頻率時，若未深入考慮直流變頻式電阻焊接機焊接電流具有的獨特性質，以及羅氏線圈量測電流的原理，通常會傾向於選擇50,000Hz，而不是50,300Hz。

以上量測焊接電流的方法有別於量測其他的焊接訊號，A/D訊號擷取卡並不是直接量測電流訊號，而是量測羅氏線圈的感應電壓訊號，然後再數值積分得到電流訊號，因此必須先了解感應電壓的量測誤差。第8圖為以上取樣頻率為50,300Hz之感應電壓訊號，第9圖為當電流維持定值時之感應電壓放大圖，可觀察到在定電流時，感應電壓近似於一方波的波形，頻率為2,000Hz，雖然變頻電路的切換頻率為1,000Hz，經過變壓器後進行整流，供應的焊接電流因此含有頻率為2,000Hz的漣波成份，感應電壓為焊接電流的微分，其頻率亦為2,000Hz。

在定電流的情況下，羅氏線圈感應電壓幾乎為重覆性的波形，近似於一週期為秒的方波週期函數，感應電壓每週期的積分值必須為零，以使不含漣波成份的平均電流維持定值。由於取樣頻率為有限，因此不管取樣頻率為何，感應電壓一個週期的數值積分都可能存在誤差而不等於零，造成電流的量測誤差，但是取樣頻率越高量測誤差會越小。

感應電壓數值積分一個週期的誤差通常甚小，造成電流一個週期的量測誤差也甚小，但是若取樣頻率剛好為感應電壓頻率的整數倍數，即：

　　　　　　　　　　　　　　　(3)

或

　　　　　　　　　　　　　　 (4)

其中，f_v 為感應電壓頻率，f_s 為取樣頻率，T_v 為感應電壓週期，T_s 為取樣時間，N為整數。感應電壓每週期的取樣點將完全落在相同的位置，感應電壓又為重覆性的波形，因此每週期的數值積分的誤差都相同，量測誤差因此將隨著焊接時間持續累積，造成焊接電流訊號有顯著的量測誤差，如第7圖中所示，取樣頻率50,000Hz剛好為感應電壓頻率2,000Hz的整數倍數。

基於上述，要避免感應電壓每週期數值積分的誤差隨時間持續累積的情況，取樣頻率的設定應避免為感應電壓頻率的整數倍數。由第7圖可得知設定取樣頻率為50,300Hz，可以避免誤差隨時間持續累積的情況。若設定取樣頻率為50,001Hz，雖然不是感應電壓頻率的整數倍數，但是和50,000Hz相當接近，是否也能避免誤差隨時間持續累積的情況。隨機的測試有時也能找到合適的取樣頻率，但是較耗費時間，而且不能提供改進量測誤差的方向。因此，本發明提出一個此電流量測方法中，取樣頻率的設定方法，其方法如下：

設已知設計參數N和k (k>1)為整數，希望找到一個最接近於T_v /N (大於和小於T_v /N)的取樣時間T_s ，使取樣點的位置以kT_v 為最小重覆週期。以第10圖來說明，若k個感應電壓週期剛好為T_s 的整數倍數，則取樣點的位置以kT_v 為重覆週期，表示如下式：

　　　　　　　　　　　　　　(5)

其中，M為整數。

式(5)中，對每個k值，T_s 和M有無窮多解，因此設計：

　　　　　　　　　　　　　　(6)

T_s 成為：

　　　　　　　　　　　　　　(7)

或：

　　　　　　　　　　　　 (8)

由於k值和 為互質(coprime)，所以式(7)之T_s 為以上設計模式之解。

第11圖為以上取樣方法之取樣點之示意圖，每取樣一個感應電壓週期T_v ，最後一個取樣點的位置將比先前的相對位置往前移T_s /k(當式(7)中取負號)，或往後移T_s /k (當式(7)中取正號)，如此感應電壓的波形每隔T_s /k有一個取樣點，而且k個週期的感應電壓的取樣點的相對位置都不會重覆，對量測剛好為k個感應電壓週期時間間隔的電流而言，感應電壓波形的等效取樣時間為T_s /k，雖然實際的取樣時間為T_s ，當k值設定越大，等效取樣時間越小，量測誤差也將越小，但是量測的時間間隔kT_v 就越長。若量測的時間間隔不是剛好為kT_v ，則電流的量測誤差不一定隨著k值增大而降低，若k值設定太大，則 ，取樣頻率近似於感應電壓頻率的整數倍數，當量測的時間間隔不為kT_v 時，可能反而有較大的量測誤差，因此k值設定太大或太小都不適當，可以進行實驗找到最適當的k值。

式(8)的取樣頻率設定公式的N值越大，量測誤差就越小，但是受限於A/D訊號擷取卡的最大取樣頻率，因此在設計取樣頻率時只有k值可以調整，由於可能無法找到適當的k值，使電流的量測誤差滿足要求，因此本發明進一步提出一個式(8)的修正公式如下式：

　　　　　 (9)

其中，f_s 為取樣頻率，f_v 為感應電壓之頻率，N為正整數，k和m為大於1之整數，取樣頻率係為感應電壓之頻率之非整數倍。

式(9)中，設mk和 為互質(coprime)，則以上取樣方法對量測剛好為mkT_v 時間間隔的電流而言，其等效取樣時間為T_s /mk，當mk值設定越大，等效取樣時間越小，量測誤差也越小。若mk>>k，當量測時間間隔為kT_v 時，其量測誤差接近於設定取樣頻率為 的情況，因此式(9)可避免式(8)k值設定太大的問題。

式(9)中k和m值的設定：先由期望的等效取樣時間決定mk值，再進行實驗找到適當的k值。

請參閱第12至14圖，其係為本發明之電流量測方法及系統之實施例之第一波形示意圖、第二波形示意圖及第三波形示意圖。此實施例中，第12圖係為將取樣頻率設為50,000Hz之示意圖，由於f_s =25f_v ，由圖式得知此電流量測有明顯之誤差。第13圖為將取樣頻率設為51,000Hz (k=2 )之示意圖，第14圖為取樣頻率設為49,500Hz (k=3 )之示意圖，由圖式中可看到量測誤差較不明顯，而k=3的結果優於k=2的結果。

綜合上述，本發明之用於量測直流變頻式電阻焊接機電流之電流量測方法及系統，係以常用的羅氏線圈來量測焊接電流，線圈的感應電壓正比於電流的時間變化率，電壓以A/D訊號擷取卡取樣，經數值積分後得到電流。而直流變頻式電阻焊接機在定電流控制模式下，羅氏線圈電壓的取樣頻率若剛好為感應電壓頻率的整數倍數，則會造成顯著的量測誤差，這是因為感應電壓每週期數值積分的誤差都相同，誤差隨著焊接時間持續累積，使量測的焊接電流訊號有顯著的誤差。故本發明之電流量測方法所提出之取樣頻率的設計方法可有效的改善量測直流變頻式電阻焊接機之焊接電流時之誤差，進而達到應用量測的焊接電流訊號做為焊接品質監控之目的。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

101、204‧‧‧金屬工件

102‧‧‧電極頭

103‧‧‧焊點

201‧‧‧氣壓缸或油壓缸

202‧‧‧電極

203‧‧‧電壓感測器

205‧‧‧光學尺

206‧‧‧電流感測器

207‧‧‧遮蔽式雙絞線

208‧‧‧力量感測器

300‧‧‧類比數位訊號擷取卡

400‧‧‧控制器

S11~S14‧‧‧步驟

第1圖係為習知技術之電阻焊接技術之示意圖；
第2圖係為習知技術之焊接品質監控系統感測裝置之示意圖；
第3圖係為習知技術之電源供應器之焊接電流之波形示意圖；
第4圖係為本發明之電流量測方法之流程圖；
第5圖係為一羅氏線圈電流感測器之示意圖；
第6圖係為一直流變頻式電阻焊接機之電路之示意圖；
第7圖係為本發明之電流量測方法及系統之不同取樣頻率下之波形示意圖；
第8圖係為本發明之電流量測方法及系統於一取樣頻率下之感應電壓訊號之示意圖；
第9圖係為第8圖波形放大後之示意圖；
第10圖係為本發明之電流量測方法及系統之感應電壓週期與取樣時間關係之示意圖；
第11圖係為本發明之電流量測方法及系統之取樣方法之取樣點之示意圖；
第12圖係為本發明之電流量測方法及系統之實施例之第一波形示意圖；
第13圖係為本發明之電流量測方法及系統之實施例之第二波形示意圖；以及
第14圖係為本發明之電流量測方法及系統之實施例之第三波形示意圖。

S11~S14‧‧‧步驟

Claims (10)

1. 一種電流量測方法，係適用於一直流變頻式電阻焊接機，該電流量測方法包含下列步驟：
   藉由一感測單元感測該直流變頻式電阻焊接機之一焊接電流，以得到一感應電壓；
   經由一設定單元設定一取樣頻率，該取樣頻率係根據下列條件進行設定：
   　 ；
   
   　 其中，f_s 為該取樣頻率，f_v 為該感應電壓之頻率，N為正整數，k和m為大於1之整數，該取樣頻率係為該感應電壓之頻率之非整數倍；
   經由一取樣單元根據該取樣頻率以對該感應電壓進行取樣；以及
   藉由一處理單元對取樣後之該感應電壓進行一數值積分後，以得到該焊接電流之一電流值。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電流量測方法，係於該直流變頻式電阻焊接機設定為一定電流控制模式下進行該焊接電流之量測。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電流量測方法，其中該感測單元係為一羅氏線圈。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電流量測方法，其中該取樣單元係為類比數位訊號擷取卡。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電流量測方法，其中該數值積分係滿足下列條件：
   　；
   其中，I(t)為該電流值，v(t)為該感應電壓，K為常數。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電流量測方法，其中該直流變頻式電阻焊接機具有一切換頻率，該感應電壓之頻率係為該切換頻率的兩倍。
7. 一種電流量測系統，係適用於一直流變頻式電阻焊接機，其包含：
   一感測單元，係感測該直流變頻式電阻焊接機之一焊接電流，以得到一感應電壓；
   一設定單元，係提供設定一取樣頻率，該取樣頻率係根據下列條件進行設定：
   　 ；
   　 其中，f_s 為該取樣頻率，f_v 為該感應電壓之頻率，N為正整數，k和m為大於1之整數，該取樣頻率係為該感應電壓之頻率之非整數倍；
   一取樣單元，係根據該取樣頻率以對該感應電壓進行取樣；以及
   一處理單元，用以對取樣後之該感應電壓進行一數值積分後，以得到該焊接電流之一電流值。
8. 如申請專利範圍第7項所述之電流量測系統，其中該感測單元係為一羅氏線圈，該取樣單元係為類比數位訊號擷取卡。
9. 如申請專利範圍第7項所述之電流量測系統，其中該數值積分係滿足下列條件：
   　；
   其中，I(t)為該電流值，v(t)為該感應電壓，K為常數。
10. 如申請專利範圍第7項所述之電流量測系統，其中該直流變頻式電阻焊接機具有一切換頻率，該感應電壓之頻率係為該切換頻率的兩倍。