超聲能-電阻熱復(fù)合焊電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何希聰，曹彪，崔曉宇

（華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州　510640）

超聲能-電阻熱復(fù)合焊電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何希聰，曹彪，崔曉宇

（華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州510640）

為滿足超聲能-電阻熱復(fù)合焊接的工藝需求，設(shè)計(jì)了以DSP為核心的復(fù)合焊電源控制系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)兩組四路PWM信號(hào)，分別控制兩個(gè)逆變器，實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)及復(fù)合電流的控制與調(diào)節(jié)。文中介紹了復(fù)合焊電源主電路、控制系統(tǒng)的構(gòu)成以及控制軟件的結(jié)構(gòu)、能量復(fù)合的波形設(shè)計(jì)，并給出了實(shí)際輸出能量波形的測(cè)試結(jié)果。結(jié)果表明，電源輸出波形設(shè)定靈活，能量輸出穩(wěn)定，適用于超聲-電阻熱復(fù)合焊接。

超聲能-電阻熱復(fù)合焊接；電源；控制系統(tǒng)；波形控制

隨著有色金屬微型零件在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)有色金屬微型零件的焊接方法的研究也越來(lái)越多，其中比較常用的兩種焊接方法是超聲金屬焊和電阻焊。超聲金屬焊受到了功率的限制，而電阻焊對(duì)銅鋁等導(dǎo)電導(dǎo)熱性好的材料焊接工藝性能差[1]，這些不足制約了超聲金屬焊及電阻焊在有色金屬焊接方面的應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)外對(duì)超聲金屬焊接原理的研究表明，焊接接觸面氧化膜的破碎去除，界面處金屬在超聲及摩擦熱能作用下發(fā)生的塑性變形量是影響超聲焊接接頭強(qiáng)度的重要因素[2]。針對(duì)有色金屬薄件焊接現(xiàn)狀，結(jié)合超聲金屬焊接及電阻點(diǎn)焊的特點(diǎn)，有研究者提出超聲-電阻熱復(fù)復(fù)合焊接方法，向工件同時(shí)施加超聲振動(dòng)與電流，通過(guò)兩種能量的有機(jī)復(fù)合，來(lái)提高焊接性能。

目前，以相互獨(dú)立的超聲電源與電阻焊電源組合的復(fù)合焊電源系統(tǒng)，存在參數(shù)輸入繁瑣，復(fù)合能量可控性差等不足。為滿足超聲-電阻熱復(fù)合焊接過(guò)程中對(duì)能量復(fù)合時(shí)序以及能量大小的控制需求，設(shè)計(jì)出以DSP為核心的超聲-電阻熱復(fù)合焊電源控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)超聲振幅及復(fù)合電流輸出進(jìn)行協(xié)同控制，提高了復(fù)合能量的可控性，簡(jiǎn)化了復(fù)合焊電源系統(tǒng)，使焊接參數(shù)輸入更加便捷，更好地滿足了超聲-電阻熱復(fù)合焊接的需求。

1　復(fù)合焊電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

超聲-電阻熱復(fù)合焊電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可由圖1表示，主要包括控制系統(tǒng)和主電路兩部分。如圖1所示，復(fù)合焊電源主電路可根據(jù)不同輸出分為超聲主電路和電阻焊主電路，兩者皆采用逆變式，包含整流、濾波、逆變、變壓器、次級(jí)調(diào)理電路等模塊，兩者共用一個(gè)輸入整流濾波模塊。

圖1　復(fù)合焊電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1　System structure of hybrid welding power supply

復(fù)合焊電源工作原理為：工頻交流電經(jīng)整流濾波后形成低紋波直流電壓，供兩路逆變橋使用。直流電壓經(jīng)由4個(gè)MOSFET組成的全橋逆變電路轉(zhuǎn)換為高頻方波電壓，由超聲變壓器升壓后送進(jìn)匹配電路進(jìn)行濾波調(diào)理，最后輸出高頻正弦信號(hào)用以驅(qū)動(dòng)壓電換能器。另外一路，整流濾波后的直流電壓則進(jìn)入到由4個(gè)IGBT組成的全橋逆變電路，經(jīng)過(guò)電阻焊變壓器的降壓后形成中頻交流電，再由次級(jí)整流電路整流成直流電，提供給負(fù)載使用。

超聲逆變橋采用移相控制方式，電阻焊逆變橋則采用有限雙極性控制方式，兩個(gè)逆變橋都工作在軟開關(guān)狀態(tài)，電路損耗小。

2　電源控制系統(tǒng)

電源控制系統(tǒng)如圖2所示。系統(tǒng)以高性能DSP芯片dsPIC33FJ64GS610作為控制核心，包括采樣電路，鑒相電路，以AD9850為核心的DDS電路，以UC3879為核心的移相脈沖產(chǎn)生電路，驅(qū)動(dòng)電路，按鍵及LCD顯示等。通過(guò)按鍵和LCD組成的人機(jī)界面可以方便地設(shè)定各種參數(shù)，顯示電源狀態(tài)等。利用串行通信接口可以方便地向PC發(fā)送數(shù)據(jù)，把測(cè)試結(jié)果保存在PC，也可以接受PC發(fā)送的參數(shù)。

圖2　控制系統(tǒng)框圖Fig.2　Block diagram of control system

2.1采樣電路

為實(shí)現(xiàn)對(duì)電源輸出的閉環(huán)控制，控制系統(tǒng)對(duì)超聲換能器兩端的電壓及電阻焊電流進(jìn)行采樣處理。換能器兩端電壓經(jīng)過(guò)電阻分壓，電阻焊變壓器初級(jí)電流經(jīng)過(guò)霍爾傳感器及采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，兩路信號(hào)經(jīng)隔離后進(jìn)入控制系統(tǒng)，經(jīng)有效值處理后通過(guò)AD采樣通道進(jìn)入DSP。DSP以這兩個(gè)信號(hào)作為控制量，對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，從而調(diào)節(jié)電源的輸出。各路采樣電路均采用隔離電路，使采樣信號(hào)可以共地，避免了高頻干擾對(duì)控制系統(tǒng)造成影響[3]。

2.2鑒相電路

在超聲金屬焊接中，當(dāng)換能器處于諧振狀態(tài)下對(duì)外呈純阻性[4]，此時(shí)，換能器兩端的電流電壓相位差為0，因此可根據(jù)換能器兩端電壓及流經(jīng)電流相位差關(guān)系，對(duì)頻率進(jìn)行控制。換能器兩端的瞬時(shí)電壓信號(hào)U（t）及電流信號(hào)I（t），經(jīng)隔離后由雙電壓比較器LM393轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)，然后進(jìn)入到由D觸發(fā)器及異或門組成的相位檢測(cè)電路，如圖3所示。

澳大利亞汽車維修市場(chǎng)正在以前所未有的速度變化著。保險(xiǎn)公司在市場(chǎng)中非常負(fù)責(zé)，不斷完善其認(rèn)證的維修網(wǎng)絡(luò)，保險(xiǎn)公司更傾向于固定維修價(jià)格。經(jīng)營(yíng)規(guī)模較大的維修實(shí)體，其效率和購(gòu)買力使得小規(guī)模、單一獨(dú)立型維修店經(jīng)營(yíng)困難，近乎閉店。汽車上越來(lái)越復(fù)雜的技術(shù)應(yīng)用，對(duì)于維修廠來(lái)說(shuō)是機(jī)遇，也是挑戰(zhàn)。那些不投資技術(shù)培訓(xùn)、不了解重新校正/車輛診斷等維修步驟的維修廠，將逐漸被市場(chǎng)淘汰。

異或門輸出的正脈寬反映電流電壓相位差大小，D觸發(fā)器輸出的高低電平則代表超前滯后關(guān)系。DSP利用輸入捕捉端口IC2對(duì)異或門輸出的正脈寬進(jìn)行捕捉處理，再根據(jù)電流電壓的超前滯后關(guān)系，計(jì)算出瞬時(shí)電流電壓的相位關(guān)系，進(jìn)而對(duì)頻率進(jìn)行修改。

圖3　相位檢測(cè)電路Fig.3　Phase detecting circuit

2.3DDS電路

DDS（Direct Digital Synthesizer）技術(shù)是一種利用數(shù)字技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的新一代頻率合成方法[5]，主要由可編程DDS電路、高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和低通濾波器（LPF）等組成，具有反應(yīng)速度快，精度高等特點(diǎn)，在125 MHz的參考時(shí)鐘下，其頻率分辨率達(dá)0.0291 Hz。DSP根據(jù)相位差信息向DDS電路輸出相應(yīng)的頻率控制字，DDS合成相應(yīng)頻率的方波信號(hào)為UC3879提供外部時(shí)鐘信號(hào)，從而改變超聲逆變橋的驅(qū)動(dòng)頻率。

2.4PWM產(chǎn)生和驅(qū)動(dòng)

控制系統(tǒng)輸出兩組四路PWM信號(hào)分別控制兩個(gè)全橋逆變器，其中四路由DSP自帶的高速PWM模塊產(chǎn)生，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路的隔離放大后控制電阻焊逆變橋，另外四路則由移相脈沖電路產(chǎn)生，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔離放大后驅(qū)動(dòng)超聲逆變橋。

DSP根據(jù)電阻焊變壓器初級(jí)電流有效值與預(yù)設(shè)值的差量對(duì)PWM占空比進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)復(fù)合電流的穩(wěn)定輸出。

移相脈沖產(chǎn)生電路輸出PWM信號(hào)頻率由DDS電路控制，移相角則由DSP控制。DSP根據(jù)相位差信號(hào)修改頻率控制字，實(shí)現(xiàn)移相PWM的頻率控制，根據(jù)換能器兩端電壓有效值與預(yù)設(shè)值的差量對(duì)移相角進(jìn)行控制，進(jìn)而對(duì)超聲電功率調(diào)節(jié)。

3　控制軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)流程如圖4所示。先由鍵盤輸入預(yù)置的復(fù)合焊波形參數(shù)，焊接過(guò)程開始后在實(shí)現(xiàn)超聲頻率實(shí)時(shí)跟蹤的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)際輸出的超聲電壓及復(fù)合電流進(jìn)行采樣，并與給定值進(jìn)行比較、運(yùn)算，根據(jù)偏差結(jié)果調(diào)整驅(qū)動(dòng)信號(hào)，對(duì)超聲電壓及復(fù)合電流進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制和調(diào)節(jié)。同時(shí)，系統(tǒng)在工作過(guò)程中，一旦發(fā)生電壓或者電流異常，立即關(guān)斷一切驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出，停止焊接，進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)，并顯示故障信息。

超聲-電阻熱復(fù)合焊接并非只是超聲振幅與電阻焊電流的簡(jiǎn)單疊加，在焊接過(guò)程中，有振幅幅值及輸出時(shí)間，復(fù)合電流幅值及輸出時(shí)間4個(gè)焊接參數(shù)，焊接參數(shù)的不同組合，可產(chǎn)生多種能量復(fù)合方式，適應(yīng)不同的焊接工藝。

在諧振狀態(tài)下，換能器輸出的振幅正比于其兩端電壓[6-9]，因此可通過(guò)換能器兩端電壓來(lái)對(duì)超聲振幅進(jìn)行控制。在實(shí)際焊接之前，可通過(guò)鍵盤和液晶屏對(duì)超聲電壓、復(fù)合電流以及對(duì)應(yīng)的輸出時(shí)間進(jìn)行預(yù)設(shè)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合焊波形的設(shè)計(jì)，如圖5所示。

圖4　控制軟件流程圖Fig.4　Flow chart of software system

圖5　復(fù)合焊能量波形設(shè)計(jì)示意圖Fig.5　Diagram of hybrid energy wareform

圖中，P表示壓力，U表示超聲電壓，I表示電阻焊電流，t表示焊接時(shí)間。電源可設(shè)定三段超聲電壓，以及對(duì)應(yīng)的輸出時(shí)間，其中t0為延時(shí)觸發(fā)時(shí)間；可設(shè)定三段復(fù)合電流值，以及對(duì)應(yīng)的輸出時(shí)間，其中t5為延時(shí)觸發(fā)時(shí)間，t7和t9為脈沖間隔時(shí)間。

可通過(guò)設(shè)置t0和t5的來(lái)精確控制超聲振動(dòng)與復(fù)合電流輸出的前后順序，通過(guò)不同幅值和輸出時(shí)間的組合設(shè)置，可設(shè)計(jì)不同的復(fù)合焊能量波形，適應(yīng)不同的超聲-電阻熱復(fù)合焊工藝需求。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

采用自制復(fù)合焊電源，采用YP5015-4Z換能器，諧振頻率約為25 kHz，復(fù)合電流通過(guò)換能器變幅桿及焊接下砧板進(jìn)行復(fù)合，按照?qǐng)D6的連接方式進(jìn)行復(fù)合焊接實(shí)驗(yàn)，利用激光位移傳感器對(duì)超聲振幅進(jìn)行測(cè)量，振幅信號(hào)及復(fù)合電流信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行同步采集測(cè)量。

圖6　焊接系統(tǒng)連接示意圖Fig.6　Diagram of the hybrid welding system

通過(guò)鍵盤設(shè)定一種焊接工藝參數(shù)，并對(duì)電源輸出的實(shí)際能量波形進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量波形如圖7所示。

從圖7可以看出，復(fù)合焊電源可輸出三段復(fù)合電流，可驅(qū)動(dòng)換能器輸出三段超聲振幅，實(shí)際輸出的復(fù)合能量波形與設(shè)計(jì)波形的基本一致，三段電流輸出平穩(wěn)，三段振幅輸出穩(wěn)定。根據(jù)焊接材料、厚度的不同，可以通過(guò)對(duì)超聲電壓、復(fù)合電流以及復(fù)合時(shí)序進(jìn)行調(diào)整，來(lái)獲取不同的能量復(fù)合波形，滿足實(shí)際的工藝需求。

圖7　實(shí)際焊接能量復(fù)合波形Fig.7　Wareform of actual welding current and vibration

根據(jù)超聲振幅和復(fù)合電流輸出的先后順序，可分為復(fù)合電流超前和超聲振動(dòng)超前兩種能量復(fù)合方式。復(fù)合電流超前于超聲振幅輸出，利用電阻熱對(duì)焊件焊點(diǎn)提前進(jìn)行加熱軟化再加入超聲振動(dòng)，有利于加速焊件接觸面氧化膜的破碎去除，能量復(fù)合波形如圖8（a）所示。超聲振動(dòng)超前于復(fù)合電流輸出，在超聲振動(dòng)提前作用在焊件一段時(shí)間，氧化膜破除后接觸面出現(xiàn)新界面，此時(shí)加入復(fù)合電流，則有利于直接提高焊接溫升，增加塑性變形量，能量復(fù)合波形如圖8（b）所示。

圖8　不同的能量復(fù)合波形Fig.8　Wareforms of different energy output

5　結(jié)　論

根據(jù)超聲-電阻熱復(fù)合焊接的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于DSP為控制核心的復(fù)合焊電源控制系統(tǒng)，對(duì)超聲振幅及復(fù)合電流進(jìn)行協(xié)同控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合焊電源輸出穩(wěn)定，能量輸出及復(fù)合時(shí)序靈活可調(diào)，具有參數(shù)設(shè)置方便，能量復(fù)合波形設(shè)計(jì)多樣化等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足不同的焊接工藝需求。

[1]趙錫華.壓力焊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

[2]尹天罡.超聲電阻復(fù)合焊動(dòng)態(tài)信息測(cè)試及過(guò)程行為分析[D].廣州：華南理工大學(xué)，2013.

[3]曾敏，陳小紅，曹彪，等.一種微弧氧化逆變電源控制系統(tǒng)[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，37（2）:40-43.

[4]胡武林，曹彪，楊景衛(wèi).超聲波焊接電源頻率跟蹤與調(diào)節(jié)[J].電焊機(jī)，2014，7（4）:47-51.

[5]朱武，張佳明，許立衡.基于直接數(shù)字合成技術(shù)超聲電源技術(shù)的研究[J].應(yīng)用聲學(xué)，2008，4（27）:299-304.

[6]C.Volsencu.Control System for Ultrasonic Welding devices [C].2008 IEEE International Conference on Automation，Quality and Testing，Robotics，2008:135-140.

[7]金永鎬，鄭培民.基于雙同步斬波模式的LED聲控?zé)趄?qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)[J].電子科技，2015（5）：60-62，67.

[8]張凱，杜云.基于PLC的電源終端控制設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2014（23）:84-86.

[9]吳敏杰，馮起，袁乃昌.TMS320C6678 DSP的電源設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2015（11）:128-131.

Control system of the ultrasonic-resistance hybrid welding power supply

HE Xi-cong，CAO Biao，CUI Xiao-yu
（School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

To meet the requirement of the ultrasonic-resistance hybrid welding，a hybrid welding power supply control system based on DSP was designed，two groups of adjustable PWM signals in four lines respectively drive two inverter circuits to control the ultrasonic vibration and the hybrid current.The main power circuit，control circuit，control software and the ultrasonic vibration-current waveform designed for the hybrid welding are introduced in this paper.Experiments show that the ultrasonic vibration-current waveform can be set flexibly，and the output of the hybrid welding power supply is stable.

ultrasonic-resistance hybrid welding；power supply；control system；waveform control

TN86

A

1674－6236（2016）01-0175-03

2015-03-30稿件編號(hào)：201503450

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51175184）

何希聰（1990—），男，廣東佛山人，碩士。研究方向：數(shù)字化電源裝備及智能控制技術(shù)。