晶體管式電阻點焊電源及其復合模式控制研究

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程中接觸電阻變化范圍大且難以預估，并由此產生焊接飛濺、虛焊等焊接質量不良的問題，設計了一種晶體管式電阻點焊電源及復合控制模式。主要介紹了晶體管式電源的主電路結構、工作原理、以dsPIC33FJ64GS610為核心的控制系統及復合控制方法。電源輸出采用MOSFET開關100 kHz斬波控制，最大輸出電流4 000 A，能夠對電壓、電流反饋快速響應。復合控制模式將恒壓控制與恒流控制相結合，焊接初期采用電壓反饋控制適應接觸電阻的變化，在短時間內降低電阻焊過程中的不確定因素，后期利用恒流模式焊接，保證焊點發熱。實驗結果表明，針對初期接觸電阻差異大的工件結構，復合控制模式能夠有效提高其焊接穩定性。

關鍵詞：電阻點焊;晶體管式;電源;復合控制

中圖分類號：TG434.1 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）02-0014-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.03

0 前言

電阻點焊過程中形核時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無法觀測、焊接特征信號提取困難等特點[1]，目前缺乏可靠的無損檢測方法，只能通過工藝試樣和破壞性試驗來檢驗[2]，所以焊接控制方式的科學性和合理性對于保證焊接質量尤為重要。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平整，接觸時只是在凸出點上接觸，且表面情況復雜，存在氧化層及雜質等，導致焊接初期負載情況復雜。若采取單一模式焊接，難以得到可靠的焊接效果，并會伴隨較大的焊接飛濺等不理想情況。此現象降低了焊接質量，增加了電極消耗。例如在鋰電池組的有色金屬焊接過程中，要求極短時間內在電池帽上形成熔核，必須有較高的焊接能量，由于接觸點處電流密度過大，易出現較大的焊接飛濺。若能在焊接初期較短時間內根據其負載情況自動調整電源能量輸出大小，再在達到合適焊接條件時用恒流模式焊接，則能大大減小飛濺，提高焊接質量。傳統IGBT為功率管的電源開關速度慢，難以實現這一目標。晶體管開關速度快，可實現微秒級的控制[3-5]，多個晶體管并聯時可以實現自動均流[6]，進而實現大功率輸出。且晶體管式焊接電源動態響應速度快，能量控制精度高[7-8]，為極短時間內改善焊接條件提供了技術基礎。再如汽車行業大量應用的高強鋼板的焊接[9]，由于高強鋼板強度高，焊接過程需要較大的焊接壓力使兩鋼板貼合緊密，以保證焊接質量。整套加壓裝置成本高昂，且占用空間，若在焊接初期根據負載情況輸出合適能量，軟化鋼板接觸點，則只需較小壓力就能使兩鋼板充分接觸，大大節約成本，減小加壓設備體積，進而提高空間利用率。

本文針對這一焊接技術問題，設計了復合控制模式的晶體管式電阻焊電源。復合控制將焊接過程分為兩個階段：第一階段采用恒壓模式，根據焊接過程中負載阻值的變化自動調整輸出焊接功率，使焊件在無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獲得更好的焊接質量。控制系統根據對電流采樣結果的分析自動判斷是否進入恒流模式。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，開關頻率100 kHz，動態響應速度快，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。

1 晶體管式電源的設計

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，主要由開關電源模塊、儲能電容組C1、濾波電容C2、功率MOSFET管、續流二極管VD2等組成。

工作原理為：220 V市電經過開關電源模塊后得到24 V的直流電，給儲能電容組C1充電，開關電源模塊功率750 W，可實現對電容的快速充電，滿足高速焊接需求。電源通過功率MOSFET的開、關對輸出電壓斬波，得到100 kHz直流方波。功率管的開、關控制整個回路的通、斷，PWM信號的輸出時間即為焊接時間，電源系統通過控制MOSFET導通時的占空比來控制輸出電壓、輸出電流大小。

1.2 控制電路

為使控制系統具有較強的數字信號處理運算能力和控制功能，以Microchip公司的dsPIC33FJ64GS610為核心，它具有MCU控制功能和DSP數據處理能力強的優點。控制系統包括DSP最小系統、功率管驅動電路、電壓和電流采樣電路、過流保護和過熱保護電路、控制信號輸入電路和輸出電路、RS485通信電路、控制系統供電電路等。可實現以下功能：（1）為PMW模塊設定初始占空比。焊接過程開始后，通過電流和電壓采樣電路對主電路電壓、電流實時采樣，通過芯片自身集成的ADC模塊將模擬信號轉化為數字信號進行處理，經過增量式PID調節后得到新的PWM信號，并通過驅動電路送回主電路，實現對MOSFET開、關以及占空比的控制，進而控制焊接回路的通斷和輸出電流、輸出電壓大小。整個回路實現閉環控制，保證了系統的穩定性和精度。（2）通過設計芯片I/O端口用于開關信號的處理以及功能模塊的拓展，實現對電源系統的控制。（3）實現恒流、恒壓、恒功率等多種焊接控制模式。（4）有專門的保護電路，實現對電源過流、過熱等故障的保護。（5）具有獨立的RS485通訊接口，用于與外部通信，實現對外數據傳輸以及對內系統控制參數的獲取。

2 軟件系統及負載適應控制

2.1 電源軟件系統

控制系統軟件包括系統主程序、PWM程序、A/D采樣及其中斷程序、定時器及其中斷程序、分段增量式PID控制程序、故障保護中斷服務程序、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，其中故障處理任務在整個控制系統中具有最高優先級，一旦檢測到故障信號，其服務程序可以中斷任何其他正在運行的程序而優先得到處理。ADC中斷處于次高優先級，用于對電壓電流信號采樣以及脈沖數計數。定時器中斷處于較高優先級，用于在預壓、保壓等階段計時，配合控制焊接過程。串口通訊任務及其中斷處理任務處于較低優先級，可用于設定焊接參數以及實時導出焊接數據。各功能模塊的中斷優先級未連續分配，方便后續系統的功能拓展。

2.2 控制模式及切換規則

復合控制模式將焊接過程分為兩個階段：初期恒壓模式階段和后期恒流模式階段。程序采用模塊化設計，便于調試、維護和功能拓展。焊接開始前，設置恒壓模式上限時間tu、恒流焊接時間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，系統可根據負載情況自動調整輸出功率大小，負載阻值越大，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和氧化層，使焊件接觸的凸出點在無飛濺情況下熔化貼合。在恒壓模式過程中，通過分析輸出電流值來判斷負載狀態，這是因為采樣周期固定，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，表明此時接觸電阻值基本穩定;若實際電流值I達到恒流模式設定的電流值Ig，則說明工件情況已經達到焊接條件。這兩種情況滿足其一即可自動切換為恒流模式實施焊接。此外，恒壓模式上限時間為tu，若恒壓過程中上述兩個條件均未達到，則在達到tu后自動切換到恒流模式，在恒流模式焊接至恒流時間ti結束。恒壓過程改善了工件的表面狀態和接觸狀態，保證了恒流過程的初始焊接條件，程序流程如圖3所示。

在恒流模式過程中，采用分流器采樣輸出電流，采樣值經采樣電路處理后傳輸到芯片的ADC模塊轉換為數字量，計算電流采樣值與設定值的偏差err。當err較大時，增大離散式PID算法中的積分系數，以獲得較快的電流上升速度;當err較小時，增大比例系數并減小積分系數，避免較大超調量。通過采用不同的PID參數，加強對焊接電流的控制，使電流具有較快上升速度的同時大大減小超調量，并且有較為平滑的穩態值。同時，晶體管式電源較高的脈沖電壓能夠為恒壓模式提供較大的電壓選擇范圍，擴大了控制模式的適用范圍。脈沖頻率采用100 kHz，為控制響應速度提供硬件支持，使電源輸出功率可緊隨負載變化迅速調整，對焊接過程的控制效果較好。

3 試驗分析

3.1 負載自適應電流波形測試

試驗平臺由自制的4 kA晶體管式電源、霍爾電流傳感器、精源電子設備公司的監測儀[10]等組成，該監測儀可實時監測焊接電流和焊接電壓，并由此得到焊件的動態電阻和電源的實時輸出功率。焊件為厚0.2 mm銅片與直徑2 mm銅線，采用搭接焊接方式，設定焊接電壓1.4 V，時間1 ms，電流上升速度臨界值100 A/ms，電流2 000 A，時間1.5 ms。焊接過程中的波形變化曲線如圖4所示，其中圖4b忽略焊接結束階段因電流過小而導致的電阻值計算異常。由圖4a可知，系統在0.7 ms時進入恒流模式。整個焊接過程中，電源輸出功率隨負載變化，當負載阻值較大時輸出功率較低，避免飛濺及損壞工件，負載阻值較小時輸出功率較高，保證焊接質量。

3.2 焊接工藝試驗

3.2.1 鋰電池組焊接

考慮到大型電池組件結構、質量和成本，焊接時需要高度自動化，一般用電阻點焊[11-12]。試驗對象為18650鋰電池專用電池帽及鎳片，電池帽材質為201不銹鋼。使用單面雙點焊機頭，分別用晶體管式電源復合控制模式和逆變式電阻點焊電源恒流模式焊接。達到焊接質量要求時，兩種電源焊接參數對比如表1所示。

試驗表明，傳統電阻點焊電源電流上升速度慢，電流紋波較大，焊接結束后電池帽背面發黑，且容易粘電極，不能滿足工程中鋰電池焊接要求，如圖5a所示。晶體管式電阻點焊電源電流上升速度快，且紋波小，能量控制精度高，未出現電池帽背部焊點發黑以及粘附電極現象，適合工程中鋰電池組焊接，如圖6a所示。使用逆變式電阻點焊電源和晶體管式電阻點焊電源焊接電池帽與鎳片時的動態電阻曲線分別如圖5b、圖6b所示。

3.2.2 特殊焊接應用

實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行單面單點電阻點焊，兩焊件無法通過加壓裝置夾緊加壓。若采用普通逆變式電源，則只能用夾緊兩板方式點焊，焊接電流1 500 A，時間20 ms，且需要氣動加壓機頭施加焊接壓力300 N，否則會出現嚴重的飛濺和焊點表面發黑現象。若采用復合控制模式的晶體管電阻點焊電源，則可在手持焊件和電極的情況下完成焊接，焊接過程無飛濺，焊點表面無發黑，焊接質量較好，達到焊接要求。其中恒壓值為1.4 V，恒流值1 400 A，恒壓時間2 ms，恒流時間7 ms。焊點剝離外觀如圖7b所示，焊點直徑約為2.3 mm。

4 結論

（1）以dsPIC33FJ64GS610芯片為核心，設計了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，開關頻率100 kHz，電源控制分辨率高、動態響應速度快。

（2）針對電阻焊初期因負載情況復雜而影響焊接質量的問題，以及特殊條件下加壓不便的情況，設計了負載自適應的復合控制模式，使焊接初期電源輸出功率自動適應負載阻值變化，避免因能量過高損壞工件，改善焊件表面狀態和接觸狀態，減小了焊接飛濺。

（3）經驗證，該晶體管式電源及復合控制模式可以適用于精密零件接觸不穩定條件的焊接，實際焊接過程穩定，焊點表面美觀。

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