Published： 25 June 2024
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In order to meet the requirements for long-time detection of resistance welding current and simplify the detection circuit, a drift compensation method based on software compensation was explored to address the integral drift problem in the signal conditioning when Rogowski coils were used. Several domestically produced operational amplifiers were used to construct integrators, and the drift rate of the integrator output signal was detected in constant current control mode. The average drift rate was superimposed during data processing to achieve software compensation. The integral drift voltage was treated as an error in current detection, and the accuracy of software compensation during the 2 second process of constant current output was analyzed using relative error. The results show that the drift compensation method based on software compensation performs data correction after signal detection, reducing the dependence on hardware compensation. The average relative error within the measured current range of 1~4 kA does not exceed 1.0%, which can meet the requirements of long-time detection of resistance welding current. This compensation method enriches the current signal processing methods based on Rogowski coils and has good engineering applicability.
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电阻焊是一种在压力作用下利用焦耳热实现金属连接的焊接工艺，在汽车白车身制造、微型器件连接等方面应用广泛，其焊接质量直接影响车身强度等重要的产品性能指标［
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受宏观环境影响，采用国产电子器件替代进口是当前工程领域的发展趋势之一［
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前期工作［
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罗氏线圈的基本工作原理是将被测电流的变化率di（t）/dt转换为与之成正比的感应电势e（t）［
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| （1） |
式中 M为罗氏线圈与载流导体的互感系数。
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在基于罗氏线圈的电阻焊电流检测中，实现精准的、长时间的零漂移积分是较为困难的。这是因为逆变直流的积分检测受到多种因素影响，包括积分器各器件的制造偏差、不同工况下运放性能的变化以及罗氏线圈的制造误差等。因此，在误差可接受范围内实现“接近零积分漂移”的电流信号调理具有较好的工程适用性。
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不考虑积分漂移时，被测电流与积分器输出电压uo（t）具有较好的线性关系，如
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| （2） |
式中 ist、fst、ust与罗氏线圈的灵敏度有关，表示被测电流及其频率分别为ist、fst时，该罗氏线圈的输出电压为ust；Rc、Rs分别为罗氏线圈的内阻和终端电阻；Rg、Cf分别为积分电阻和积分电容。
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| （3） |
式中 VOS和IOS分别为运放失调电压和失调电流，均与运放设计、制造工艺和工作温度等因素有关。
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将漂移电压视为电流信号检测的误差，综合
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| （4） |
当焊接电源采用恒电流控制时，采用最小二乘法将恒流阶段的电流信号拟合为线性函数uo（t）=at+b，其示意图如
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图1 包含漂移电压的电流信号
Fig.1 Current signal including drift voltage
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Low-res image| （5） |
在理想情况下，积分器的漂移电压与被测电流大小无显式关联。因此，可在数据处理方面采用某个固定参数抵消积分漂移率，从而实现“软件补偿”。积分漂移率a和相对误差Err的绝对值越小则越接近“零漂移”。在较宽被测电流范围内，以积分漂移率的均值am作为抵消参数实现软件补偿，则补偿后的恒流阶段电流信号为u'o（t）=at+b-amt。由于电流上升阶段较短，因此忽略该阶段的积分漂移。
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在一定的被测电流范围内，使用软件补偿可减小对漂移硬件补偿的依赖，具有简便灵活、“以软补硬”等特点。使用时需注意被测电流范围，这是因为包含漂移电压的电流信号可能超过模数转换的上下限电压，导致模数转换模块因电压超限而不能正常工作甚至损坏，从而导致无法通过软件补偿来处理超限后的信号。
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搭建的实验平台如
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图2 电阻焊电流检测实验平台
Fig.2 Experimental platform for resistance welding current detection
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Low-res image8249-2、SGM8252A和SGM8255A-2等多个型号的高精密运放，分别建立了电流信号积分器，每个型号的运放均测试4片芯片作为重复实验。
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在恒电流控制模式下进行逆变直流信号的积分测试，通电时间为2 s。由于通电时间较长，恒电流设定值限制在1~4 kA范围内以避免设备过热，并按250 A进行递增，由此得到13组电流值设定值。
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采用软件补偿的方法分别对上述三种电流信号积分器所得的电流信号进行积分漂移补偿。在未进行软件补偿时，信号检测相对误差的绝对值随电流增大而明显减小，被测电流值较小时受漂移影响较大。当恒电流设定为1 kA时，相对误差可超过5%；到2 kA时已有所下降，但仍超过2%；到4 kA时则已下降至2%以下，如
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图3 软件补偿前相对误差随电流的变化
Fig.3 The variation of relative error with current before soft compensation
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Low-res image在1~4 kA内，采用积分漂移率的均值对电流信号的积分结果进行测量后的数据修正，相对误差随之显著下降。进行软件补偿前，相对误差可超过8%；经过软件补偿后，相对误差绝对值的最大值减小至2%以下，其平均值则减小至1%以下。软件补偿前后的相对误差统计情况如
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| 项目 | 编号1 | 编号2 | 编号3 | 编号4 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 最大 | 平均 | 最大 | 平均 | 最大 | 平均 | 最大 | 平均 | ||
|
SGM 8249-2 | 补偿前 | 6.51 | 2.90 | 5.91 | 2.59 | 6.70 | 3.00 | 7.30 | 3.28 |
| 补偿后 | 0.54 | 0.19 | 0.60 | 0.20 | 0.52 | 0.18 | 0.54 | 0.21 | |
|
SGM 8252A | 补偿前 | 5.41 | 2.45 | 6.90 | 2.68 | 5.24 | 2.32 | 8.11 | 3.65 |
| 补偿后 | 0.56 | 0.24 | 1.59 | 0.31 | 0.54 | 0.26 | 0.59 | 0.22 | |
|
SGM 8255A-2 | 补偿前 | 6.86 | 2.91 | 7.08 | 3.21 | 6.69 | 2.99 | 7.99 | 3.61 |
| 补偿后 | 1.01 | 0.32 | 0.38 | 0.16 | 0.59 | 0.22 | 0.58 | 0.20 | |
在恒电流控制模式下，原检测信号曲线受积分漂移影响向下倾斜，补偿后波形较为平直，如
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Low-res image图4 SGM8249-2型运放软件补偿前后的电流信号波形
Fig.4 Current signal waveforms before and after Soft Compensation
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Low-res image图5 SGM8252A型运放软件补偿前后的电流信号波形
Fig.5 Current signal waveforms before and after soft compensation
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Low-res image图6 SGM8255A-2型运放软件补偿前后的电流信号波形
Fig.6 Current signal waveforms before and after Soft Compensation
针对基于罗氏线圈的电阻焊电流检测，讨论了基于软件补偿的积分漂移补偿方法，采用国产运算放大器构建积分器进行了测试，得到以下结论：
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（1）软件补偿方法对电流积分结果进行测量后的数据修正，在1~4 kA的设定范围内信号检测相对误差均值不超过1.0%。
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（2）软件补偿方法以相对简单的硬件电路实现对电阻焊电流的长时间检测，丰富了电流检测的信号处理手段。
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目前基于软件补偿实现了通电时间达2 s的电阻焊电流检测。罗氏线圈综合性能良好，但在信号调理时存在积分漂移的固有问题。进一步克服积分漂移、实现更长时间的准确检测是电阻焊电流测量未来较为重要的研究方向之一。
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