易先軍，周　敏，劉　健，王　振，楊　林

(武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，武漢　430205)

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激光釬焊溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

易先軍，周敏，劉健，王振，楊林

(武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，武漢430205)

針對(duì)在激光釬焊過程中需要高穩(wěn)定度的恒溫環(huán)境這一問題，文章緊密結(jié)合激光釬焊技術(shù)的特性，設(shè)計(jì)了一款基于雙閉環(huán)PID結(jié)構(gòu)的溫度控制系統(tǒng)，分別在硬件和軟件兩方面對(duì)激光器的工作電流和焊點(diǎn)的焊接溫度進(jìn)行控制。內(nèi)環(huán)電流環(huán)采用模擬PI調(diào)節(jié)電路，保障激光器工作電流控制的響應(yīng)速度；外環(huán)溫度環(huán)采用積分分離的數(shù)字PID算法，提高溫度控制的精度。測(cè)試結(jié)果表明，該激光釬焊溫度控制系統(tǒng)超調(diào)量小、控制精度高，滿足激光釬焊各階段的溫度控制要求。

比例積分微分；溫度控制；激光釬焊；雙閉環(huán)控制

0　引言

自從1974年Carl F Bohman首次利用激光釬焊的方法進(jìn)行電子元器件的連接后[1]，激光釬焊技術(shù)不斷的發(fā)展，在微電子封裝和組裝方面得到了廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[2-3]中講述激光釬焊在汽車行業(yè)和表面組裝技術(shù)的應(yīng)用，卻并沒有對(duì)激光釬焊過程中產(chǎn)生的溫度的大小進(jìn)行詳細(xì)說明。溫度是焊接好壞至關(guān)重要的一個(gè)因素。

在激光釬焊過程中，針對(duì)不同焊接對(duì)象的面積、導(dǎo)熱性、結(jié)構(gòu)，要求控制算法不僅能提高溫度控制的精度，而且對(duì)溫度上升速度及下降速度也提出了可控要求，顯而易見常規(guī)儀表加接觸器的斷續(xù)控制難于滿足這些要求。采用微控制器對(duì)溫度進(jìn)行比例積分微分(Proportional Integral Differentia，PID)控制不僅具有控制方便、簡(jiǎn)單和靈活等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。

本文針對(duì)激光釬焊過程中需要高穩(wěn)定度的恒溫環(huán)境這一問題，以STM32F103VC為主控制板，采用雙閉環(huán)PID為核心控溫算法，對(duì)電路板和電子元器件進(jìn)行焊接。本次焊接過程分為三個(gè)階段，預(yù)熱段、焊接段和保溫段，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明雙閉環(huán)PID控制算法的智能化和靈活性，能使溫度迅速上升到預(yù)熱段，并且能有效保證焊接段和保溫段的控溫精度，充分滿足了激光釬焊的工藝要求。

1　激光釬焊溫度控制原理

激光釬焊是以激光為熱源加熱釬料融化的釬焊技術(shù)。激光釬焊的主要特點(diǎn)是利用激光的高能量密度實(shí)現(xiàn)局部或微小區(qū)域快速加熱完成釬焊過程。激光束匯聚在釬料上，釬料溫度過高導(dǎo)致融化過快，而母材溫度不足使釬料不能很好潤(rùn)濕母材，影響填充效果，釬縫成形變差。激光束匯聚在母材上，釬料溫度有可能過低，導(dǎo)致釬料流動(dòng)性或活躍性降低，母材可能過熱融化，導(dǎo)致釬料直接進(jìn)入熔池形成熔化焊，形成的脆性相也影響釬縫性能[4]。因此，激光釬焊過程中對(duì)溫度的控制是焊接能否順利完成的關(guān)鍵因素，既要保證焊絲熔化完成工件間良好的冶金結(jié)合，又要確保母材本身不會(huì)被激光器嚴(yán)重熔化損傷，達(dá)到焊縫外形美觀、質(zhì)量穩(wěn)定的效果。

激光釬焊溫度控制系統(tǒng)原理如圖1所示。系統(tǒng)采用的是內(nèi)外環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，采用模擬PI調(diào)節(jié)電流，由模擬器件構(gòu)成硬件電路，保障電流的響應(yīng)速度；外環(huán)為溫度環(huán)，采用數(shù)字式PID控制激光釬焊過程中的溫度，由軟件程序?qū)崿F(xiàn)，控制靈活、簡(jiǎn)單、方便，可以通過修改PID參數(shù)對(duì)不同的對(duì)象進(jìn)行控制。

圖1　PID雙環(huán)控制原理圖

使焊絲熔化的設(shè)定溫度與紅外溫度檢測(cè)儀測(cè)得的焊盤實(shí)際溫度相比較，將其誤差送入溫度環(huán)進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算，輸出的結(jié)果作為電流環(huán)的給定值與反饋回來的激光器工作電流相比較，將其誤差送入電流環(huán)經(jīng)硬件PI電路調(diào)節(jié)后輸出控制激光器工作。控制電流越大，激光器工作的功率就越大，釬焊過程產(chǎn)生的溫度就越高。

2　激光釬焊溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

激光釬焊溫度控制系統(tǒng)主要由微控制器STM32F103VC、MAX232通信模塊、電壓檢測(cè)模塊、電源模塊、紅外溫度檢測(cè)電路、激光器工作電流PI調(diào)節(jié)電路、控制執(zhí)行模塊和激光器等組成。激光釬焊溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和激光釬焊實(shí)物圖分別如圖2和圖3所示。

圖2　激光釬焊溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

微控制器發(fā)送指令打開電子開關(guān)，激光器開始工作，A/D轉(zhuǎn)換器將紅外溫度檢測(cè)模塊檢測(cè)的溫度采集給控制器進(jìn)行濾波和PID控制。PID控制的輸出量通過D/A轉(zhuǎn)換器發(fā)送出去與TR101電阻采樣的電流進(jìn)行模擬PI調(diào)節(jié)后驅(qū)動(dòng)激光器，完成系統(tǒng)的雙閉環(huán)控制。激光器工作的同時(shí)，微控制器發(fā)送指令使電壓檢測(cè)模塊和控制執(zhí)行模塊開始正常運(yùn)行，以此保證激光器正常工作。

圖3　激光釬焊實(shí)物圖

3　PID算法的實(shí)現(xiàn)

3.1內(nèi)環(huán)電流環(huán)控制

系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)電流環(huán)采用的是模擬PI調(diào)節(jié)電路，如圖4所示。

圖4　模擬PI調(diào)節(jié)電路

被控對(duì)象的溫度變化是由激光器工作功率的大小來決定的，工作功率的大小又與驅(qū)動(dòng)激光器的電流有關(guān)。模擬PI調(diào)節(jié)電路由運(yùn)算放大器OP296、電阻Ri和Rf、電容C以及TR101采樣電阻組成，微控制器的D/A轉(zhuǎn)換器輸出的給定電流與TR101采集的反饋信號(hào)相比較，誤差進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，保證電路的穩(wěn)定運(yùn)行。運(yùn)算放大器OP296具有微功耗特性和軌到軌輸入/輸出范圍，每個(gè)放大器靜態(tài)電流僅為60μA,增益帶寬積450kHz，單電源供電3V～12V。

3.2外環(huán)溫度環(huán)控制

外環(huán)溫度環(huán)的設(shè)計(jì)采用增量式PID控制，設(shè)焊絲的熔點(diǎn)溫度，即設(shè)定溫度為r(n)，激光釬焊過程中焊盤的實(shí)際溫度為y(n)，此時(shí)刻的誤差溫度為e(n)。PID控制算法表達(dá)式[5]為：

(1)

式中，n為采樣序號(hào)，kP、kI和kD分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，e(n-1)和e(n-2)分別為控制系統(tǒng)在前一個(gè)時(shí)刻和前兩個(gè)時(shí)刻采樣的誤差值，u(n)為激光釬焊溫度控制系統(tǒng)所需輸出控制量的絕對(duì)值。

為了減小超調(diào)量，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，又保持積分作用[6-8]，激光釬焊溫度控制中采用了積分分離法，即在系統(tǒng)偏差大時(shí)，取消了積分的作用；當(dāng)偏差減小到某一值時(shí)，再使積分起作用。積分分離表達(dá)式為：

(2)

式中，D/A()為D/A轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)于電流控制激光器的功率。在上位機(jī)上針對(duì)不同的對(duì)象設(shè)置不同的功率上限值POWER_HI，K976D09FN-10.00W激光器的最大功率為10000mW，微控制器STM32F103VC內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器所能表示的數(shù)值范圍為0～4095，所以0

針對(duì)積分作用引起的控制死區(qū)問題，系統(tǒng)采用了抗積分飽和的方法。系統(tǒng)有兩個(gè)極限位置，調(diào)節(jié)閥全開或全關(guān)[9]，0為調(diào)節(jié)閥全關(guān)狀態(tài)，POWER_HI為調(diào)節(jié)閥全開狀態(tài)。為了防止積分飽和，當(dāng)控制量u(n)<0時(shí)PID控制輸出為0，當(dāng)u(n)>POWER_HI時(shí)PID控制輸出POWER_HI。

3.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分以STM32F103VC為處理器，采用PID控制算法，將激光釬焊過程中多個(gè)不同的參數(shù)劃分為系統(tǒng)需要執(zhí)行的不同任務(wù)，通過編程對(duì)不同任務(wù)進(jìn)程進(jìn)行操作與管理。通過對(duì)各個(gè)子任務(wù)的模塊化程序設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)軟件架構(gòu)包含三個(gè)部分：信號(hào)采集與接收部分、STM32處理器部分和控制執(zhí)行任務(wù)部分[10]。系統(tǒng)軟件架構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)軟件架構(gòu)框圖

程序主要實(shí)現(xiàn)激光器的開關(guān)與控制、紅光指示燈的指示、繼電器的正常工作、MOS管的響應(yīng)和散熱風(fēng)扇的運(yùn)行等功能。定時(shí)器決定整個(gè)程序周期和PID算法的控制周期。主程序完成的是系統(tǒng)初始化、溫度采集、溫度數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、溫度數(shù)據(jù)發(fā)送、打開關(guān)閉執(zhí)行機(jī)構(gòu)和超溫保護(hù)等[11]。

4　溫度控制結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)的有效性，文中采用以下實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行測(cè)試：預(yù)熱段溫度設(shè)為200℃、焊接段溫度設(shè)為220℃、保溫段溫度設(shè)為200℃、POWER_HI設(shè)為2000mW，且每個(gè)階段的時(shí)間均為300ms，將設(shè)定溫度曲線和所測(cè)得的控制溫度曲線在上位機(jī)VC界面上顯示，如圖6所示。

圖6　控制溫度曲線圖

圖6中，由于激光釬焊過程中焊絲的熔點(diǎn)溫度在200℃左右，為了便于觀看和分析測(cè)試結(jié)果，上位機(jī)VC界面上能夠顯示的溫度設(shè)計(jì)在100℃以上。由溫度曲線圖可以看出，控制系統(tǒng)在900ms左右即可完成電子元器件的焊接，在30ms左右焊盤實(shí)際溫度上升到100℃，85ms左右實(shí)際溫度逐漸趨于設(shè)定溫度、趨于平穩(wěn)。可見控制系統(tǒng)響應(yīng)快、精度高，能夠快速上升到預(yù)熱段，同時(shí)保障了焊接段和保溫段的控溫精度。

表1　溫度控制系統(tǒng)下樣本檢測(cè)結(jié)果

為了能夠更直觀的分析激光釬焊溫度控制的結(jié)果，表1選取了該溫度控制系統(tǒng)下的8個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，列出其響應(yīng)時(shí)間和超調(diào)量。由圖6和表1可知，在該溫度控制系統(tǒng)下，系統(tǒng)的平均收斂速度為84.8ms左右，平均超調(diào)量為2.5%左右，控制精度可達(dá)98.5%，反應(yīng)了該溫度控制系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文采用雙閉環(huán)PID控制方法對(duì)激光釬焊溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將模擬PI調(diào)節(jié)電路與數(shù)字PID軟件設(shè)計(jì)完美的結(jié)合在一起。通過將實(shí)際溫度曲線與設(shè)定溫度曲線在VC界面上顯示，非常直觀的表明了所設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)響應(yīng)快、超調(diào)量小，能夠有效抑制焊接環(huán)境溫度的劇烈波動(dòng)，抗干擾性強(qiáng)、魯棒性好，并能隨著溫度的變化迅速調(diào)整焊接溫度，實(shí)現(xiàn)了激光釬焊過程中溫度的高穩(wěn)定控制，充分滿足激光釬焊的工藝要求。

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(編輯李秀敏)

Design of Temperature Control System for Laser Brazing

YI Xian-jun, ZHOU Min, LIU Jian, WANG Zhen, YANG Lin

(School of Electrical and Information Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430205, China)

Aiming at the problem of the high stability constant temperature environment in laser brazing processing, the characteristics of laser brazing technology are closely integrated and a temperature control system based on the structure of the double closed loops PID has been advanced in this paper. This system is to control the working current of the laser and the welding temperature of the solder joints in hardware and software. The analog PI regulation circuit has been applied in the inner current loop to ensure the control's response speed of the working current of the laser. The digital PID algorithm with integral separation has been used in the outer temperature loop to improve the accuracy of the solder joint temperature control. The experiment results have shown that the temperature control system had the small overshoot and high control precision, while at each stage the temperature control requirements of laser brazing have been satisfied.

proportional integral differentia; temperature control; laser brazing; double closed loop control

1001-2265(2016)09-0082-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.09.023

2015-11-04；

2015-11-26

中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51207117)

易先軍(1975—)，男，湖北公安人，武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)測(cè)量與控制，(E-mail)xjuny@wit.edu.cn；通訊作者：周敏(1990—)，女，湖北麻城人，武漢工程大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置，(E-mail)ziyuer_min@126.com。

TH39；TG506

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