基于STM32的中頻逆變電阻點焊電源的設計

盧喜文

（南京模擬技術研究所，江蘇 南京 210018）

關鍵字：電阻點焊；中頻逆變；增量式PID；保護機制

0 引 言

經過長時間的發展，電阻焊技術已經成為焊接技術的一個重要組成部分，主要是利用焊接電流通過工件時所產生的電阻熱將金屬母材融化，經過冷卻而形成接頭的一種電阻焊的方法[1]。逆變電源由于具備體積小、重量輕、功率因素高、控制精度高等其他電源所不具備的優點，目前已經成為電阻點焊電源的主要研究發展方向。

1 總體結構

中頻逆變電阻點焊電源的基本工作原理為三相交流電經整流濾波電路成為平滑的直流電，再經過IGBT功率開關管組成的全橋電路逆變為中頻方波接入中頻變壓器，降壓后經二極管整流為脈動較小的直流電供給電極對工件進行焊接。由IGBT組成的全橋逆變電路采用經電流、電壓反饋計算得出的脈寬調制（PWM）驅動獲得穩定的恒電流、恒電壓、恒功率或恒脈寬輸出。圖1為中頻逆變電阻點焊電源總體結構圖。

2 關鍵器件選型

在中頻逆變電阻點焊電源中，關鍵器件的選型決定著輸出功率的上限、輸出電流的大小和系統的可靠性工作。

2.1 整流二極管選擇

圖1 中頻逆變電阻點焊電源總體結構

（1）額定電壓Vrrm計算。整流二極管的額定電壓應大于實際承受的最大反向電壓，留有一定安全裕量，通常取額定電壓Vrrm=(2～3)×Vrm，其中Vrm為整流管實際承受的最大反向電壓。三相橋式整流電路中，，其中U為三相電輸入相電壓[2]。考慮系統可能出現的穩態工頻電壓升高以及線路充電電容效應，U一般在輸入相電壓的基礎上再乘以1.1～1.2的系數。因此，相電壓為U=220 V的情況下：

（2）額定平均電流If計算。整流二極管的額定平均電流應大于實際通過的最大平均電流，留有一定安全裕量，通常取額定平均電流If=(1.5～2)×Id，其中Id為整流管實際通過的最大平均電流。三相橋式整流電路中，整流二極管的有效值IN與平均值的關系為IN=2.48×Id，而IN與整流橋輸出平均電流IL的關系為。因此，中頻變壓器初級電流設計為400 A的情況下：

2.2 濾波電容CIN選擇

假設整流濾波后的直流電壓脈動值Vpp為最低交流輸入峰值電壓的10%，即：

在額定容量為100 kVA下的中頻變壓器的一次側電流為：

由于CIN=IN1×t/Vpp，t為電容提供電流時間，三相整流后的紋波頻率為300 Hz，電容周期內提供電流的時間約為半個周期，即t≈T/2≈1.67 ms。因此，可得：

實際選用兩個330 μF/800 V的電解電容器并聯。因電解電容器自身串聯等效電阻和串聯等效電感影響濾波效果，所以在濾波電解電容兩端并聯高頻無極性電容，給高頻交流分量提供通路，通常取2.5 μF或該數量級其他電容。

2.3 IGBT選擇

與整流二極管額定電壓的計算方法相同，IGBT的額定電壓取1 200 V。每只IGBT管上的平均電流II=IN1/2=92.8 A。如果選用IGBT給定電流額定值是在結溫Tc=25 ℃條件下，則IGBT電流值ICS應按照下列條件確定：過載容量系數，1.4為IGBT的IC減小系數[3]。考慮IGBT管的安全等級選400 A。

3 硬件設計

STM32F4系列是意法半導體（ST）發布的基于ARM Cortex-M4內核的微控制器，具有硬件FPU單元以及DSP指令，最高工作頻率168 MHz，非常適合需要浮點運算或者DSP處理的應用[4]。本電源主控板以STM32F405VGT6為控制核心，由電源模塊、存儲電路、母線電壓檢測電路、初/次級電流檢測電路、次級電壓檢測電路、IGBT驅動模塊及RS232/485通信模塊等組成。

要實現焊接過程的穩定控制必須要能實時精確檢測焊接過程中的電流、電壓，這兩個參數是通過羅氏線圈電流微分量和電極電壓差分量饋入控制回路的。圖2是次級電流檢測電路，羅氏線圈輸出表征焊接電流變化的微分量，輸入給積分電路，再經過精密整流電路整流。圖3是次級電壓檢測電路，電極電壓作為差分信號輸入給差分運算放大器。

圖2 次級電流檢測電路

圖3 次級電壓檢測電路

4 軟件設計

本中頻逆變電阻點焊電源焊接過程由基于STM32F405VGT6的主控板進行閉環控制，在電網電壓波動和焊接負載變化的情況下能夠保證焊接電流的恒定與一致性。軟件設計利用MDK KEIL集成開發環境，基于uCOS-Ⅱ實時系統與模塊化結構，設計了4種可編程熱量控制方式（初/次級恒流、次級恒壓、次級恒功率及恒脈寬），可編程128套焊接規范，可編程3段加熱過程（預熱、焊接、回火），具備焊點計數、電流階梯步增、電極修磨及故障報警等功能。

4.1 焊接控制流程設計

一個完整的焊接循環具備3段加熱過程（預熱、焊接、回火），流程如圖4所示。

本電源具有單次點焊和連續點焊的功能。

圖4 完整焊接循環流程圖

（1）單次點焊時，踩下腳踏開關，氣缸帶動電極下壓，在下壓過程中，抬起腳踏開關，電極抬起。焊接循環有下列時間順序：電極預壓→加壓→預熱→冷卻1→焊接→冷卻2→回火→維持→電極抬起。再次踩下腳踏開關，完成下一個焊接循環。

（2）連續點焊時，踩下腳踏開關不動，焊接循環有下列時間順序：電極預壓→預熱→冷卻1→焊接→冷卻2→回火→維持→休止（完成第一個焊點）→預壓→預熱→冷卻1→焊接→冷卻2→回火→維持→休止（完成第二個焊點）→預壓……，只要腳踏開關不松開，第三、四、…、N個焊點一直持續下去，直到腳踏開關松開，才停止焊接。焊點間休止時間可設置。

4.2 增量式PID算法設計

增量式PID控制公式[5]：

其中，Ts為采樣周期，t1為積分時間，tD為微分時間。

由式（7）可以看出，若控制系統采用恒定采樣周期T，一旦確定A、B、C，只需使用前后三次測量的偏差值，就可求出控制增量，與位置式PID算法相比，計算量小得多，因此在實際中得到廣泛使用。參數確定采用工程整定方法中的臨界比例法。

本電源的焊接閉環控制策略是，焊接過程中在逆變周期內每20 μs實時檢測焊接電流、電壓，并在周期結束時計算有效值，代入增量式PID算法計算得出下個周期控制輸入增量，以保持恒流模式下的焊接電流、恒壓模式下的焊接電壓、恒功率模式下的焊接功率的恒定（恒脈寬模式下IGBT驅動脈寬為固定值）。

4.3 保護機制設計

（1）實時監控母線電壓、三相輸入線電壓，當母線電壓超欠壓、三相輸入缺相時報警。

（2）腳踏開關踩下后，利用氣壓傳感器檢測氣缸氣壓與設定值偏差，當偏差超過±20%后不觸發焊接并報警。

（3）實時監控IGBT電流，當IGBT電流超過其1 ms最大電流值時，立即中斷焊接并報警。

（4）利用預埋在中頻變壓器里的溫度開關以及實時監測IGBT內部溫敏電阻阻值變化實現變壓器及IGBT的過熱保護，當達到過熱保護溫度時控制器停止焊接并報警。

（5）恒流模式下焊接電流的實際值與設定值的誤差超過±3%范圍，重復值超差±3%時報警。

（6）具有焊接、調整、修磨功能，當處于調整或修磨功能時，腳踏開關踩下，氣缸下壓但不觸發焊接。必要時，調整功能用于觀察電極壓件情況，修磨功能用于長時間焊接后電極修磨。

（7）具有焊接計數、修磨計數功能，當焊接計數值超過設定值時報警，提醒修磨電極；當修磨計數值超過設定值時報警，提醒更換電極。

（8）具有電流階梯線性步增功能（10個臺階），用于平衡電流密度的變化。當進入最后一步遞增時報警，以提醒準備修磨或更換電極。

（9）當焊接過程出現不可控意外時，拍下急停開關（自鎖）停止焊接，當不主動恢復急停開關抬起狀態時不能再次觸發焊接。

5 結 論

本文以中頻逆變電阻點焊電源為研究對象，對電源的總體結構進行了闡述，具體論述了關鍵器件選型方法、主要硬件電路設計以及軟件實現方式。本文的成果已在某企業小規模生產，經實踐證明，中頻逆變電阻點焊電源運行穩定、控制精度高、焊接質量可靠。