晶體管式電阻點(diǎn)焊電源及其復(fù)合模式控制研究

鐘磊　黃增好　楊凱　江偉　曹彪　朱才青

摘要：為解決精密電阻焊過(guò)程中接觸電阻變化范圍大且難以預(yù)估，并由此產(chǎn)生焊接飛濺、虛焊等焊接質(zhì)量不良的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種晶體管式電阻點(diǎn)焊電源及復(fù)合控制模式。主要介紹了晶體管式電源的主電路結(jié)構(gòu)、工作原理、以dsPIC33FJ64GS610為核心的控制系統(tǒng)及復(fù)合控制方法。電源輸出采用MOSFET開(kāi)關(guān)100 kHz斬波控制，最大輸出電流4 000 A，能夠?qū)﹄妷?、電流反饋快速響?yīng)。復(fù)合控制模式將恒壓控制與恒流控制相結(jié)合，焊接初期采用電壓反饋控制適應(yīng)接觸電阻的變化，在短時(shí)間內(nèi)降低電阻焊過(guò)程中的不確定因素，后期利用恒流模式焊接，保證焊點(diǎn)發(fā)熱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，針對(duì)初期接觸電阻差異大的工件結(jié)構(gòu)，復(fù)合控制模式能夠有效提高其焊接穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：電阻點(diǎn)焊;晶體管式;電源;復(fù)合控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TG434.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）02-0014-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.03

0 前言

電阻點(diǎn)焊過(guò)程中形核時(shí)間極短且存在大量不確定因素，具有高度非線性、多變量耦合并處于封閉狀態(tài)無(wú)法觀測(cè)、焊接特征信號(hào)提取困難等特點(diǎn)[1]，目前缺乏可靠的無(wú)損檢測(cè)方法，只能通過(guò)工藝試樣和破壞性試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)[2]，所以焊接控制方式的科學(xué)性和合理性對(duì)于保證焊接質(zhì)量尤為重要。電阻焊初期接觸示意如圖1所示，由于工件和電極表面都不是絕對(duì)平整，接觸時(shí)只是在凸出點(diǎn)上接觸，且表面情況復(fù)雜，存在氧化層及雜質(zhì)等，導(dǎo)致焊接初期負(fù)載情況復(fù)雜。若采取單一模式焊接，難以得到可靠的焊接效果，并會(huì)伴隨較大的焊接飛濺等不理想情況。此現(xiàn)象降低了焊接質(zhì)量，增加了電極消耗。例如在鋰電池組的有色金屬焊接過(guò)程中，要求極短時(shí)間內(nèi)在電池帽上形成熔核，必須有較高的焊接能量，由于接觸點(diǎn)處電流密度過(guò)大，易出現(xiàn)較大的焊接飛濺。若能在焊接初期較短時(shí)間內(nèi)根據(jù)其負(fù)載情況自動(dòng)調(diào)整電源能量輸出大小，再在達(dá)到合適焊接條件時(shí)用恒流模式焊接，則能大大減小飛濺，提高焊接質(zhì)量。傳統(tǒng)IGBT為功率管的電源開(kāi)關(guān)速度慢，難以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。晶體管開(kāi)關(guān)速度快，可實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的控制[3-5]，多個(gè)晶體管并聯(lián)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均流[6]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大功率輸出。且晶體管式焊接電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，能量控制精度高[7-8]，為極短時(shí)間內(nèi)改善焊接條件提供了技術(shù)基礎(chǔ)。再如汽車(chē)行業(yè)大量應(yīng)用的高強(qiáng)鋼板的焊接[9]，由于高強(qiáng)鋼板強(qiáng)度高，焊接過(guò)程需要較大的焊接壓力使兩鋼板貼合緊密，以保證焊接質(zhì)量。整套加壓裝置成本高昂，且占用空間，若在焊接初期根據(jù)負(fù)載情況輸出合適能量，軟化鋼板接觸點(diǎn)，則只需較小壓力就能使兩鋼板充分接觸，大大節(jié)約成本，減小加壓設(shè)備體積，進(jìn)而提高空間利用率。

本文針對(duì)這一焊接技術(shù)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了復(fù)合控制模式的晶體管式電阻焊電源。復(fù)合控制將焊接過(guò)程分為兩個(gè)階段：第一階段采用恒壓模式，根據(jù)焊接過(guò)程中負(fù)載阻值的變化自動(dòng)調(diào)整輸出焊接功率，使焊件在無(wú)飛濺情況下充分接觸，改善焊接條件，從而保證下一階段的恒流模式焊接時(shí)獲得更好的焊接質(zhì)量?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)對(duì)電流采樣結(jié)果的分析自動(dòng)判斷是否進(jìn)入恒流模式。晶體管式電阻焊電源輸出脈沖電壓24 V，最大輸出電流4 000 A，開(kāi)關(guān)頻率100 kHz，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，電壓范圍廣，紋波小，為該控制模式的使用提供了很好的平臺(tái)。

1 晶體管式電源的設(shè)計(jì)

1.1 主電路及工作原理

研制的4 kA晶體管式電源主電路如圖2所示，主要由開(kāi)關(guān)電源模塊、儲(chǔ)能電容組C1、濾波電容C2、功率MOSFET管、續(xù)流二極管VD2等組成。

工作原理為：220 V市電經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)電源模塊后得到24 V的直流電，給儲(chǔ)能電容組C1充電，開(kāi)關(guān)電源模塊功率750 W，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電容的快速充電，滿(mǎn)足高速焊接需求。電源通過(guò)功率MOSFET的開(kāi)、關(guān)對(duì)輸出電壓斬波，得到100 kHz直流方波。功率管的開(kāi)、關(guān)控制整個(gè)回路的通、斷，PWM信號(hào)的輸出時(shí)間即為焊接時(shí)間，電源系統(tǒng)通過(guò)控制MOSFET導(dǎo)通時(shí)的占空比來(lái)控制輸出電壓、輸出電流大小。

1.2 控制電路

為使控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算能力和控制功能，以Microchip公司的dsPIC33FJ64GS610為核心，它具有MCU控制功能和DSP數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)?？刂葡到y(tǒng)包括DSP最小系統(tǒng)、功率管驅(qū)動(dòng)電路、電壓和電流采樣電路、過(guò)流保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)電路、控制信號(hào)輸入電路和輸出電路、RS485通信電路、控制系統(tǒng)供電電路等?？蓪?shí)現(xiàn)以下功能：（1）為PMW模塊設(shè)定初始占空比。焊接過(guò)程開(kāi)始后，通過(guò)電流和電壓采樣電路對(duì)主電路電壓、電流實(shí)時(shí)采樣，通過(guò)芯片自身集成的ADC模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)增量式PID調(diào)節(jié)后得到新的PWM信號(hào)，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路送回主電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)MOSFET開(kāi)、關(guān)以及占空比的控制，進(jìn)而控制焊接回路的通斷和輸出電流、輸出電壓大小。整個(gè)回路實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。（2）通過(guò)設(shè)計(jì)芯片I/O端口用于開(kāi)關(guān)信號(hào)的處理以及功能模塊的拓展，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源系統(tǒng)的控制。（3）實(shí)現(xiàn)恒流、恒壓、恒功率等多種焊接控制模式。（4）有專(zhuān)門(mén)的保護(hù)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源過(guò)流、過(guò)熱等故障的保護(hù)。（5）具有獨(dú)立的RS485通訊接口，用于與外部通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)外數(shù)據(jù)傳輸以及對(duì)內(nèi)系統(tǒng)控制參數(shù)的獲取。

2 軟件系統(tǒng)及負(fù)載適應(yīng)控制

2.1 電源軟件系統(tǒng)

控制系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)主程序、PWM程序、A/D采樣及其中斷程序、定時(shí)器及其中斷程序、分段增量式PID控制程序、故障保護(hù)中斷服務(wù)程序、LCD顯示屏程序、按鍵板程序、RS485通訊程序等。程序允許中斷嵌套，其中故障處理任務(wù)在整個(gè)控制系統(tǒng)中具有最高優(yōu)先級(jí)，一旦檢測(cè)到故障信號(hào)，其服務(wù)程序可以中斷任何其他正在運(yùn)行的程序而優(yōu)先得到處理。ADC中斷處于次高優(yōu)先級(jí)，用于對(duì)電壓電流信號(hào)采樣以及脈沖數(shù)計(jì)數(shù)。定時(shí)器中斷處于較高優(yōu)先級(jí)，用于在預(yù)壓、保壓等階段計(jì)時(shí)，配合控制焊接過(guò)程。串口通訊任務(wù)及其中斷處理任務(wù)處于較低優(yōu)先級(jí)，可用于設(shè)定焊接參數(shù)以及實(shí)時(shí)導(dǎo)出焊接數(shù)據(jù)。各功能模塊的中斷優(yōu)先級(jí)未連續(xù)分配，方便后續(xù)系統(tǒng)的功能拓展。

2.2 控制模式及切換規(guī)則

復(fù)合控制模式將焊接過(guò)程分為兩個(gè)階段：初期恒壓模式階段和后期恒流模式階段。程序采用模塊化設(shè)計(jì)，便于調(diào)試、維護(hù)和功能拓展。焊接開(kāi)始前，設(shè)置恒壓模式上限時(shí)間tu、恒流焊接時(shí)間ti、電流上升速度臨界值vg、恒壓值Ug和恒流值Ig。

焊接初期采用恒壓模式，系統(tǒng)可根據(jù)負(fù)載情況自動(dòng)調(diào)整輸出功率大小，負(fù)載阻值越大，輸出功率越低，阻值越小，輸出功率越高。此階段可以去除雜質(zhì)和氧化層，使焊件接觸的凸出點(diǎn)在無(wú)飛濺情況下熔化貼合。在恒壓模式過(guò)程中，通過(guò)分析輸出電流值來(lái)判斷負(fù)載狀態(tài)，這是因?yàn)椴蓸又芷诠潭?，相同間距兩次電流采樣值之差即為電流上升速度，若電流上升速度v小于臨界值vg，表明此時(shí)接觸電阻值基本穩(wěn)定;若實(shí)際電流值I達(dá)到恒流模式設(shè)定的電流值Ig，則說(shuō)明工件情況已經(jīng)達(dá)到焊接條件。這兩種情況滿(mǎn)足其一即可自動(dòng)切換為恒流模式實(shí)施焊接。此外，恒壓模式上限時(shí)間為tu，若恒壓過(guò)程中上述兩個(gè)條件均未達(dá)到，則在達(dá)到tu后自動(dòng)切換到恒流模式，在恒流模式焊接至恒流時(shí)間ti結(jié)束。恒壓過(guò)程改善了工件的表面狀態(tài)和接觸狀態(tài)，保證了恒流過(guò)程的初始焊接條件，程序流程如圖3所示。

在恒流模式過(guò)程中，采用分流器采樣輸出電流，采樣值經(jīng)采樣電路處理后傳輸?shù)叫酒腁DC模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，計(jì)算電流采樣值與設(shè)定值的偏差err。當(dāng)err較大時(shí)，增大離散式PID算法中的積分系數(shù)，以獲得較快的電流上升速度;當(dāng)err較小時(shí)，增大比例系數(shù)并減小積分系數(shù)，避免較大超調(diào)量。通過(guò)采用不同的PID參數(shù)，加強(qiáng)對(duì)焊接電流的控制，使電流具有較快上升速度的同時(shí)大大減小超調(diào)量，并且有較為平滑的穩(wěn)態(tài)值。同時(shí)，晶體管式電源較高的脈沖電壓能夠?yàn)楹銐耗Ｊ教峁┹^大的電壓選擇范圍，擴(kuò)大了控制模式的適用范圍。脈沖頻率采用100 kHz，為控制響應(yīng)速度提供硬件支持，使電源輸出功率可緊隨負(fù)載變化迅速調(diào)整，對(duì)焊接過(guò)程的控制效果較好。

3 試驗(yàn)分析

3.1 負(fù)載自適應(yīng)電流波形測(cè)試

試驗(yàn)平臺(tái)由自制的4 kA晶體管式電源、霍爾電流傳感器、精源電子設(shè)備公司的監(jiān)測(cè)儀[10]等組成，該監(jiān)測(cè)儀可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊接電流和焊接電壓，并由此得到焊件的動(dòng)態(tài)電阻和電源的實(shí)時(shí)輸出功率。焊件為厚0.2 mm銅片與直徑2 mm銅線，采用搭接焊接方式，設(shè)定焊接電壓1.4 V，時(shí)間1 ms，電流上升速度臨界值100 A/ms，電流2 000 A，時(shí)間1.5 ms。焊接過(guò)程中的波形變化曲線如圖4所示，其中圖4b忽略焊接結(jié)束階段因電流過(guò)小而導(dǎo)致的電阻值計(jì)算異常。由圖4a可知，系統(tǒng)在0.7 ms時(shí)進(jìn)入恒流模式。整個(gè)焊接過(guò)程中，電源輸出功率隨負(fù)載變化，當(dāng)負(fù)載阻值較大時(shí)輸出功率較低，避免飛濺及損壞工件，負(fù)載阻值較小時(shí)輸出功率較高，保證焊接質(zhì)量。

3.2 焊接工藝試驗(yàn)

3.2.1 鋰電池組焊接

考慮到大型電池組件結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和成本，焊接時(shí)需要高度自動(dòng)化，一般用電阻點(diǎn)焊[11-12]。試驗(yàn)對(duì)象為18650鋰電池專(zhuān)用電池帽及鎳片，電池帽材質(zhì)為201不銹鋼。使用單面雙點(diǎn)焊機(jī)頭，分別用晶體管式電源復(fù)合控制模式和逆變式電阻點(diǎn)焊電源恒流模式焊接。達(dá)到焊接質(zhì)量要求時(shí)，兩種電源焊接參數(shù)對(duì)比如表1所示。

試驗(yàn)表明，傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊電源電流上升速度慢，電流紋波較大，焊接結(jié)束后電池帽背面發(fā)黑，且容易粘電極，不能滿(mǎn)足工程中鋰電池焊接要求，如圖5a所示。晶體管式電阻點(diǎn)焊電源電流上升速度快，且紋波小，能量控制精度高，未出現(xiàn)電池帽背部焊點(diǎn)發(fā)黑以及粘附電極現(xiàn)象，適合工程中鋰電池組焊接，如圖6a所示。使用逆變式電阻點(diǎn)焊電源和晶體管式電阻點(diǎn)焊電源焊接電池帽與鎳片時(shí)的動(dòng)態(tài)電阻曲線分別如圖5b、圖6b所示。

3.2.2 特殊焊接應(yīng)用

實(shí)際工程焊接示意如圖7a所示，焊件為0.4 mm和3 mm厚的不銹鋼板，需手持輸出電極與工件進(jìn)行單面單點(diǎn)電阻點(diǎn)焊，兩焊件無(wú)法通過(guò)加壓裝置夾緊加壓。若采用普通逆變式電源，則只能用夾緊兩板方式點(diǎn)焊，焊接電流1 500 A，時(shí)間20 ms，且需要?dú)鈩?dòng)加壓機(jī)頭施加焊接壓力300 N，否則會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的飛濺和焊點(diǎn)表面發(fā)黑現(xiàn)象。若采用復(fù)合控制模式的晶體管電阻點(diǎn)焊電源，則可在手持焊件和電極的情況下完成焊接，焊接過(guò)程無(wú)飛濺，焊點(diǎn)表面無(wú)發(fā)黑，焊接質(zhì)量較好，達(dá)到焊接要求。其中恒壓值為1.4 V，恒流值1 400 A，恒壓時(shí)間2 ms，恒流時(shí)間7 ms。焊點(diǎn)剝離外觀如圖7b所示，焊點(diǎn)直徑約為2.3 mm。

4 結(jié)論

（1）以dsPIC33FJ64GS610芯片為核心，設(shè)計(jì)了4 kA晶體管式電阻焊電源，其輸出脈沖電壓24 V，最大輸出電流4 000 A，開(kāi)關(guān)頻率100 kHz，電源控制分辨率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。

（2）針對(duì)電阻焊初期因負(fù)載情況復(fù)雜而影響焊接質(zhì)量的問(wèn)題，以及特殊條件下加壓不便的情況，設(shè)計(jì)了負(fù)載自適應(yīng)的復(fù)合控制模式，使焊接初期電源輸出功率自動(dòng)適應(yīng)負(fù)載阻值變化，避免因能量過(guò)高損壞工件，改善焊件表面狀態(tài)和接觸狀態(tài)，減小了焊接飛濺。

（3）經(jīng)驗(yàn)證，該晶體管式電源及復(fù)合控制模式可以適用于精密零件接觸不穩(wěn)定條件的焊接，實(shí)際焊接過(guò)程穩(wěn)定，焊點(diǎn)表面美觀。

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