超聲能-電阻熱復合焊電源控制系統設計

何希聰，曹彪，崔曉宇

（華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州　510640）

超聲能-電阻熱復合焊電源控制系統設計

何希聰，曹彪，崔曉宇

（華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州510640）

為滿足超聲能-電阻熱復合焊接的工藝需求，設計了以DSP為核心的復合焊電源控制系統，通過調節兩組四路PWM信號，分別控制兩個逆變器，實現超聲振動及復合電流的控制與調節。文中介紹了復合焊電源主電路、控制系統的構成以及控制軟件的結構、能量復合的波形設計，并給出了實際輸出能量波形的測試結果。結果表明，電源輸出波形設定靈活，能量輸出穩定，適用于超聲-電阻熱復合焊接。

超聲能-電阻熱復合焊接；電源；控制系統；波形控制

隨著有色金屬微型零件在現代工業生產中的應用越來越廣泛，對有色金屬微型零件的焊接方法的研究也越來越多，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，而電阻焊對銅鋁等導電導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用。

國內外對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生的塑性變形量是影響超聲焊接接頭強度的重要因素[2]。針對有色金屬薄件焊接現狀，結合超聲金屬焊接及電阻點焊的特點，有研究者提出超聲-電阻熱復復合焊接方法，向工件同時施加超聲振動與電流，通過兩種能量的有機復合，來提高焊接性能。

目前，以相互獨立的超聲電源與電阻焊電源組合的復合焊電源系統，存在參數輸入繁瑣，復合能量可控性差等不足。為滿足超聲-電阻熱復合焊接過程中對能量復合時序以及能量大小的控制需求，設計出以DSP為核心的超聲-電阻熱復合焊電源控制系統，通過對超聲振幅及復合電流輸出進行協同控制，提高了復合能量的可控性，簡化了復合焊電源系統，使焊接參數輸入更加便捷，更好地滿足了超聲-電阻熱復合焊接的需求。

1　復合焊電源系統結構

超聲-電阻熱復合焊電源系統結構可由圖1表示，主要包括控制系統和主電路兩部分。如圖1所示，復合焊電源主電路可根據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、次級調理電路等模塊，兩者共用一個輸入整流濾波模塊。

圖1　復合焊電源系統結構圖Fig.1　System structure of hybrid welding power supply

復合焊電源工作原理為：工頻交流電經整流濾波后形成低紋波直流電壓，供兩路逆變橋使用。直流電壓經由4個MOSFET組成的全橋逆變電路轉換為高頻方波電壓，由超聲變壓器升壓后送進匹配電路進行濾波調理，最后輸出高頻正弦信號用以驅動壓電換能器。另外一路，整流濾波后的直流電壓則進入到由4個IGBT組成的全橋逆變電路，經過電阻焊變壓器的降壓后形成中頻交流電，再由次級整流電路整流成直流電，提供給負載使用。

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，兩個逆變橋都工作在軟開關狀態，電路損耗小。

2　電源控制系統

電源控制系統如圖2所示。系統以高性能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生電路，驅動電路，按鍵及LCD顯示等。通過按鍵和LCD組成的人機界面可以方便地設定各種參數，顯示電源狀態等。利用串行通信接口可以方便地向PC發送數據，把測試結果保存在PC，也可以接受PC發送的參數。

圖2　控制系統框圖Fig.2　Block diagram of control system

2.1采樣電路

為實現對電源輸出的閉環控制，控制系統對超聲換能器兩端的電壓及電阻焊電流進行采樣處理。換能器兩端電壓經過電阻分壓，電阻焊變壓器初級電流經過霍爾傳感器及采樣電阻轉換為電壓信號，兩路信號經隔離后進入控制系統，經有效值處理后通過AD采樣通道進入DSP。DSP以這兩個信號作為控制量，對驅動信號進行調整，從而調節電源的輸出。各路采樣電路均采用隔離電路，使采樣信號可以共地，避免了高頻干擾對控制系統造成影響[3]。

2.2鑒相電路

在超聲金屬焊接中，當換能器處于諧振狀態下對外呈純阻性[4]，此時，換能器兩端的電流電壓相位差為0，因此可根據換能器兩端電壓及流經電流相位差關系，對頻率進行控制。換能器兩端的瞬時電壓信號U（t）及電流信號I（t），經隔離后由雙電壓比較器LM393轉換成方波信號，然后進入到由D觸發器及異或門組成的相位檢測電路，如圖3所示。

澳大利亞汽車維修市場正在以前所未有的速度變化著。保險公司在市場中非常負責，不斷完善其認證的維修網絡，保險公司更傾向于固定維修價格。經營規模較大的維修實體，其效率和購買力使得小規模、單一獨立型維修店經營困難，近乎閉店。汽車上越來越復雜的技術應用，對于維修廠來說是機遇，也是挑戰。那些不投資技術培訓、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觸發器輸出的高低電平則代表超前滯后關系。DSP利用輸入捕捉端口IC2對異或門輸出的正脈寬進行捕捉處理，再根據電流電壓的超前滯后關系，計算出瞬時電流電壓的相位關系，進而對頻率進行修改。

圖3　相位檢測電路Fig.3　Phase detecting circuit

2.3DDS電路

DDS（Direct Digital Synthesizer）技術是一種利用數字技術和計算機技術實現的新一代頻率合成方法[5]，主要由可編程DDS電路、高性能模數轉換器（ADC）和低通濾波器（LPF）等組成，具有反應速度快，精度高等特點，在125 MHz的參考時鐘下，其頻率分辨率達0.0291 Hz。DSP根據相位差信息向DDS電路輸出相應的頻率控制字，DDS合成相應頻率的方波信號為UC3879提供外部時鐘信號，從而改變超聲逆變橋的驅動頻率。

2.4PWM產生和驅動

控制系統輸出兩組四路PWM信號分別控制兩個全橋逆變器，其中四路由DSP自帶的高速PWM模塊產生，經驅動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生，經驅動電路隔離放大后驅動超聲逆變橋。

DSP根據電阻焊變壓器初級電流有效值與預設值的差量對PWM占空比進行控制，實現復合電流的穩定輸出。

移相脈沖產生電路輸出PWM信號頻率由DDS電路控制，移相角則由DSP控制。DSP根據相位差信號修改頻率控制字，實現移相PWM的頻率控制，根據換能器兩端電壓有效值與預設值的差量對移相角進行控制，進而對超聲電功率調節。

3　控制軟件設計

軟件系統流程如圖4所示。先由鍵盤輸入預置的復合焊波形參數，焊接過程開始后在實現超聲頻率實時跟蹤的基礎上，對實際輸出的超聲電壓及復合電流進行采樣，并與給定值進行比較、運算，根據偏差結果調整驅動信號，對超聲電壓及復合電流進行實時的控制和調節。同時，系統在工作過程中，一旦發生電壓或者電流異常，立即關斷一切驅動信號輸出，停止焊接，進入報警狀態，并顯示故障信息。

超聲-電阻熱復合焊接并非只是超聲振幅與電阻焊電流的簡單疊加，在焊接過程中，有振幅幅值及輸出時間，復合電流幅值及輸出時間4個焊接參數，焊接參數的不同組合，可產生多種能量復合方式，適應不同的焊接工藝。

在諧振狀態下，換能器輸出的振幅正比于其兩端電壓[6-9]，因此可通過換能器兩端電壓來對超聲振幅進行控制。在實際焊接之前，可通過鍵盤和液晶屏對超聲電壓、復合電流以及對應的輸出時間進行預設，實現復合焊波形的設計，如圖5所示。

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

圖5　復合焊能量波形設計示意圖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表示焊接時間。電源可設定三段超聲電壓，以及對應的輸出時間，其中t0為延時觸發時間；可設定三段復合電流值，以及對應的輸出時間，其中t5為延時觸發時間，t7和t9為脈沖間隔時間。

可通過設置t0和t5的來精確控制超聲振動與復合電流輸出的前后順序，通過不同幅值和輸出時間的組合設置，可設計不同的復合焊能量波形，適應不同的超聲-電阻熱復合焊工藝需求。

4　實驗結果及分析

采用自制復合焊電源，采用YP5015-4Z換能器，諧振頻率約為25 kHz，復合電流通過換能器變幅桿及焊接下砧板進行復合，按照圖6的連接方式進行復合焊接實驗，利用激光位移傳感器對超聲振幅進行測量，振幅信號及復合電流信號通過數據采集卡進行同步采集測量。

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

通過鍵盤設定一種焊接工藝參數，并對電源輸出的實際能量波形進行測量，測量波形如圖7所示。

從圖7可以看出，復合焊電源可輸出三段復合電流，可驅動換能器輸出三段超聲振幅，實際輸出的復合能量波形與設計波形的基本一致，三段電流輸出平穩，三段振幅輸出穩定。根據焊接材料、厚度的不同，可以通過對超聲電壓、復合電流以及復合時序進行調整，來獲取不同的能量復合波形，滿足實際的工藝需求。

圖7　實際焊接能量復合波形Fig.7　Wareform of actual welding current and vibration

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

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

5　結　論

根據超聲-電阻熱復合焊接的特點，設計了基于DSP為控制核心的復合焊電源控制系統，對超聲振幅及復合電流進行協同控制。實驗結果表明，復合焊電源輸出穩定，能量輸出及復合時序靈活可調，具有參數設置方便，能量復合波形設計多樣化等優點，能夠滿足不同的焊接工藝需求。

[1]趙錫華.壓力焊[M].北京:機械工業出版社，1989.

[2]尹天罡.超聲電阻復合焊動態信息測試及過程行為分析[D].廣州：華南理工大學，2013.

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

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

[5]朱武，張佳明，許立衡.基于直接數字合成技術超聲電源技術的研究[J].應用聲學，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聲控燈驅動電源設計[J].電子科技，2015（5）：60-62，67.

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

[9]吳敏杰，馮起，袁乃昌.TMS320C6678 DSP的電源設計[J].電子設計工程，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：201503450

國家自然科學基金項目（51175184）

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