周磊磊,李遠(yuǎn)波,張 馳

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

基于ARM的精密逆變電阻點(diǎn)焊電源

周磊磊,李遠(yuǎn)波,張 馳

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

微型電子元器件的焊接要求焊接電源響應(yīng)速度快、系統(tǒng)穩(wěn)定性好以及控制精度高。為進(jìn)一步提高微型電子元器件的焊接質(zhì)量，設(shè)計(jì)了一種基于ARM的精密逆變電阻點(diǎn)焊電源，該電源以STM32F103RCT6型ARM芯片為控制核心，通過調(diào)節(jié)脈沖寬度（PWM）調(diào)制占空比并結(jié)合增量式PI控制方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接電流大小的精密控制。詳細(xì)介紹電流采樣電路、真有效值轉(zhuǎn)換電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路及保護(hù)電路。試驗(yàn)證明，該電源控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、控制精度高，在微電子器件的焊接方面有較好的效果。

ARM；電源；電阻點(diǎn)焊；PI控制

0前言

微型電阻焊也叫電阻微焊接，是微連接的一種重要方法，其工作原理與常規(guī)電阻焊相似，是將被焊工件壓緊于兩電極之間，并施以電流，使零件之間形成熔化接頭。具有接頭抗拉力較強(qiáng)、導(dǎo)電性較好、成本低和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)等一系列優(yōu)點(diǎn)，所以微型電阻焊技術(shù)廣泛應(yīng)用于微電子元器件的焊接[1-2]。微型電阻焊與常規(guī)電阻焊相比并非僅僅將設(shè)計(jì)工件尺寸縮小這么簡單，這兩種焊接工藝在焊接電流、焊接時(shí)間、電極壓力及焊件材料等方面也有明顯差異，微型電阻焊對(duì)焊接電源的穩(wěn)定性、精確性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性有更高的要求。

傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊電源，如單相交流式電源、電容儲(chǔ)能式電源、三相低頻式電源和次級(jí)整流式電源雖然在一些場合還在應(yīng)用，但這些電源已經(jīng)不能滿足微電子元器件的焊接要求。逆變式電阻點(diǎn)焊電源熱效率好、焊接時(shí)間短、熱影響少，而且通過逆變式高速回路的控制，保證了較好的焊接品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了超精密焊接，因?yàn)樽儔浩髂苄⌒突m合于自動(dòng)化生產(chǎn)應(yīng)用[3]。

本研究提出了一種基于ARM的精密逆變電阻點(diǎn)焊，STM32F103RCT6型ARM芯片具有運(yùn)行速度快、穩(wěn)定性好、功能強(qiáng)大等一系列優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合數(shù)字化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)逆變電阻點(diǎn)焊電源的數(shù)字化控制，使電源功能更全、性能更好、控制精度更高。通過ARM將采集到的輸出電流實(shí)時(shí)顯示在LCD顯示屏上，進(jìn)一步豐富了電源功能。

1電源電路和工作原理

整個(gè)電源系統(tǒng)基本原理框圖如圖1所示。該電源電路由主電路和控制電路兩部分組成。主電路包括輸入整流濾波電路、IGBT全橋逆變電路、中頻變壓和次級(jí)整流電路?？刂齐娐芬許TM32F103RCT6為控制核心，包括次級(jí)電流采樣電路、有效值轉(zhuǎn)換電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路、人機(jī)界面等。ARM芯片包括PWM模塊、A/D模塊、I/O模塊等。

圖1 電源系統(tǒng)原理框圖

其工作原理如下：220 V工頻交流電經(jīng)過橋式整流和濾波電路變成脈動(dòng)很小的直流電壓，再經(jīng)過IGBT全橋逆變電路將直流電逆變成4 kHz的交流方波，再通過焊接變壓器的變壓，將這種高壓交流方波轉(zhuǎn)換成低壓交流方波，最后經(jīng)過次級(jí)整流電路整流成直流電供焊接負(fù)載使用。同時(shí)使用霍爾電流傳感器對(duì)最終輸出的大電流進(jìn)行采樣，再通過真有效值轉(zhuǎn)換電路對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行有效值處理，處理后的信號(hào)反饋給ARM模數(shù)轉(zhuǎn)換接口，ARM控制器根據(jù)設(shè)定值和反饋值進(jìn)行PI運(yùn)算，通過調(diào)節(jié)PWM的占空比控制IGBT的開關(guān)時(shí)間，從而控制焊接電流的大小，實(shí)現(xiàn)焊接電流的精密控制。

2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1電源控制芯片的選擇

根據(jù)電源的設(shè)計(jì)要求，主控芯片應(yīng)具有PWM模塊、A/D模塊、I/O模塊、定時(shí)器等，同時(shí)為了滿足焊接電源的精確性和穩(wěn)定性，處理器要求可靠性好、運(yùn)行速度快。STM32F103RCT6是32位ARM微控制器，主頻高達(dá)72 MHz，擁有資源包括48 kB SRAM、256 kB的FLASH、2個(gè)高級(jí)定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器、1個(gè)12位DAC、3個(gè)12位ADC、2個(gè)DMA控制器、5個(gè)串口、3個(gè)SPI及51個(gè)通用I/O[4]。因此，控制芯片能夠滿足電源控制系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行速度、控制精度及數(shù)據(jù)處理能力等方面的要求。

2.2電流采樣電路

二次電流采樣主要是對(duì)最終輸出電流進(jìn)行采樣，將該采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)有效值轉(zhuǎn)換電路后反饋給ARM，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接電流的精確控制。能否準(zhǔn)確快速地測量二次電流對(duì)于精確控制電阻點(diǎn)焊電源和保證焊接質(zhì)量起著重要作用。

電阻點(diǎn)焊的二次電流很大，同時(shí)焊接時(shí)間短，使得焊接過程中二次電流信號(hào)的測量有一定的難度。以前對(duì)大電流的測量方法主要有分流器法、電流互感法和羅氏線圈法等。分流器法無法進(jìn)行隔離測量，測量精度較低且不安全；電流互感法雖然能進(jìn)行隔離測量，但是頻率范圍窄，不適用于中高頻電流的檢測；羅氏線圈具有體積小、電流測量范圍寬和線性度好等優(yōu)點(diǎn)，但是制作中很難保證線圈線匝繞制均勻，導(dǎo)致精度和穩(wěn)定性不高。而霍爾傳感器具有測量精度高、頻率范圍寬、線性度好等優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛用于電阻點(diǎn)焊電源、不間斷電源、逆變器等領(lǐng)域。因此，本研究采用閉環(huán)霍爾電流傳感器檢測電阻點(diǎn)焊的二次電流。

閉環(huán)霍爾電流傳感器又叫磁平衡式電流傳感器。其原理是電流If通過導(dǎo)體而產(chǎn)生磁場，霍爾元件輸出的補(bǔ)償電流Im流過二次線圈產(chǎn)生磁場補(bǔ)償，當(dāng)一次側(cè)與二次側(cè)的磁場達(dá)到平衡時(shí)，補(bǔ)償電流Im可精確地反映被測電流If的大小，通過測量負(fù)

載電阻Rm兩端的電壓值Um可間接測量電流大小。霍爾傳感器電流采樣電路如圖2所示。

圖2 電流采樣電路

一次電流采樣電路同二次電流采樣電路相同。一次電流采樣主要是對(duì)變壓器一次電流進(jìn)行采樣，檢測電流是否出現(xiàn)不正常波動(dòng)，以免影響逆變電路的正常工作。如果一次電流波動(dòng)異常，將會(huì)使流經(jīng)IGBT的電流瞬間增大，損壞IGBT。一次電流采樣主要用于過電流保護(hù)，當(dāng)電流過大時(shí)，通過ARM的外部中斷關(guān)斷PWM輸出，有效保護(hù)IGBT。

2.3真有效值轉(zhuǎn)換電路

在微型電子器件的焊接過程中，精確地測量出焊接電流的有效值，對(duì)于輸出電流精確控制及焊接質(zhì)量的監(jiān)控非常關(guān)鍵。設(shè)計(jì)采用AD公司的真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637來計(jì)算電流的真有效值，AD637可直接計(jì)算出任何復(fù)雜波形的真有效值，并將其轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)。真有效值轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。工作原理是：將電流采樣電路的輸出信號(hào)Um輸入到AD637，有效值轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過跟隨器隔離，再輸出給ARM模數(shù)轉(zhuǎn)換接口。在電路的末尾有一個(gè)0～3.3 V電壓箝位，當(dāng)電壓大于3.3 V時(shí)VD1導(dǎo)通，最終輸出電壓為3.3 V，當(dāng)電壓為負(fù)時(shí)VD2導(dǎo)通，最終輸出電壓為0 V。這樣使輸入到ARM模數(shù)轉(zhuǎn)換接口的電壓保持為0～3.3 V，有效保護(hù)了ARM芯片。

圖3 真有效值轉(zhuǎn)換電路

2.4IGBT驅(qū)動(dòng)電路

選用IGBT作為功率開關(guān)器件，IGBT熱穩(wěn)定性好、開關(guān)速度快、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小。由于ARM的PWM模塊輸出的信號(hào)不能直接驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通，所以需設(shè)計(jì)具有功率放大作用的驅(qū)動(dòng)電路。IGBT的正壓驅(qū)動(dòng)約為15 V，驅(qū)動(dòng)電壓的負(fù)壓作用主要是防止關(guān)斷中的開關(guān)管誤導(dǎo)通，同時(shí)增加關(guān)斷的速度，因?yàn)镮GBT關(guān)斷時(shí)具有拖尾電流，并且輸入電容較大，所以驅(qū)動(dòng)電壓負(fù)壓一般為-15～-2 V。

采用光耦隔離式驅(qū)動(dòng)電路，該電路具有很好的隔離效果，驅(qū)動(dòng)信號(hào)上升時(shí)間快，電路結(jié)構(gòu)簡單，沒有感性器件導(dǎo)致的驅(qū)動(dòng)信號(hào)延時(shí)，是較理想的IGBT驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。其工作原理是：采用24V輔助電源對(duì)TLP250供電，將ARM產(chǎn)生的+ 3.3 V、0 V的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換成IGBT需要的+16.5 V、-7.5 V的閾值電壓，以保證IGBT的正常通斷。

圖4 驅(qū)動(dòng)電路

2.5IGBT保護(hù)電路

IGBT承受過電流的時(shí)間僅為幾微秒，耐過流量小，在主電路的設(shè)計(jì)中，功率開關(guān)管損壞就意味著逆變主回路失效，因此IGBT首先要注意過電流保護(hù)。為了保證逆變電阻點(diǎn)焊電源安全可靠運(yùn)行，設(shè)計(jì)了過電流保護(hù)電路如圖5所示。其原理是：首先，由霍爾傳感器采樣到與二次電流相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)送入絕對(duì)值轉(zhuǎn)換電路，絕對(duì)值轉(zhuǎn)換電路對(duì)帶正負(fù)電壓值的波形運(yùn)算并轉(zhuǎn)換為正電壓波形；然后，輸入到電壓比較電路和設(shè)定的電壓值進(jìn)行比較，如果得到的絕對(duì)值小于設(shè)定的電壓值，PWM輸出正常，如果得到的絕對(duì)值大于設(shè)定的電壓值，電壓比較器輸出低電平給ARM外部中斷接口，切斷PWM輸出，對(duì)IGBT進(jìn)行保護(hù)。

3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要內(nèi)容有：系統(tǒng)主程序設(shè)

計(jì)、PI控制算法程序設(shè)計(jì)、A/D采樣程序設(shè)計(jì)、波形顯示程序設(shè)計(jì)、PWM程序設(shè)計(jì)、定時(shí)器中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)和外部中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)。在此主要介紹系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)及PI控制算法程序設(shè)計(jì)。

圖5 IGBT保護(hù)電路

3.1控制系統(tǒng)主程序

控制系統(tǒng)上電后，即開始執(zhí)行主程序。首先對(duì)控制系統(tǒng)初始化，其中包括系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置、按鍵初始化、LCD初始化、定時(shí)器初始化、中斷初始化、參數(shù)初始化、ADC初始化和DAC初始化等。系統(tǒng)初始化完成，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置焊接參數(shù)，通過外部中斷進(jìn)行電源觸發(fā)，同時(shí)開啟定時(shí)器和PWM，電源放電，A/D模塊采集外部電流信號(hào)，定時(shí)時(shí)間到，電源放電完成，PWM停止輸出，LCD將采集到的輸出電流波形進(jìn)行顯示，焊接完成。系統(tǒng)主程序流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)主程序流程

3.2PI控制算法程序

數(shù)字PI控制在生產(chǎn)過程中是最普遍采用的控制方法，尤其在被控對(duì)象的模型未知或難以建立時(shí)，常采用PI控制方法。PI控制器是一種線性控制器，它將給定值與實(shí)際輸出值的偏差的比例（P）和積分（I）通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。PI控制原理簡單、操作方便、控制精度高，非常適用于電源的電壓電流大小控制。本設(shè)計(jì)采用增量式PI控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接電流的閉環(huán)控制，提高了電源控制精度。增量式PI算法程序流程如圖7所示。

圖7 增量式PI程序流程

4調(diào)試及試驗(yàn)

IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形是否正常是電源能否正常放電的關(guān)鍵，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形除了要求其有一定的幅值外，還要求波形不失真。在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)調(diào)試時(shí)，主電路不上電，控制電路上電，通過ARM輸出180°

互補(bǔ)的PWM信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路電壓放大后得到驅(qū)動(dòng)電壓。ARM輸出的兩路PWM信號(hào)波形如圖8所示，為了防止同一橋臂的開關(guān)管直通，PWM輸出設(shè)置了死區(qū)時(shí)間。逆變電路中同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形如圖9所示，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的正電壓約16.5 V，負(fù)電壓約-7.5 V，驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率為4 kHz，其上升下降時(shí)間約為100 ns，驅(qū)動(dòng)波形的電壓、頻率和上升下降速度都符合要求。

圖8 PWM波形

在進(jìn)行電源開環(huán)試驗(yàn)后，對(duì)電源電路進(jìn)行閉環(huán)控制，通過霍爾電流傳感器對(duì)焊接電流進(jìn)行采樣，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)后進(jìn)行有效值處理反饋給ARM，通過PI運(yùn)算調(diào)節(jié)PWM占空比可使輸出電流分辨率達(dá)到1 A，通過內(nèi)部定時(shí)器設(shè)置可使焊接時(shí)間精度達(dá)到0.1 ms。焊接電流為400 A時(shí)的波形如圖10所示，使用的霍爾電流傳感器匝數(shù)比為1∶5 000，測量電阻為15 Ω，所以當(dāng)焊接電流為400 A時(shí)測得的電壓為1.2 V。

圖9 驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形

圖10 焊接電流波形

調(diào)試完成焊接輸出電流波形后，通過焊接試驗(yàn)，檢測電源的實(shí)際焊接效果。圖11為該電源焊接直徑為0.1 mm網(wǎng)絡(luò)濾波器引腳的樣品。樣品焊接接頭美觀，拉力測試發(fā)現(xiàn)接頭抗拉強(qiáng)度高，導(dǎo)電性測試發(fā)現(xiàn)樣品具有較好的導(dǎo)電性，良品率較高。

圖11 網(wǎng)絡(luò)濾波器焊接

5結(jié)論

采用STM32F103RCT6為控制核心，采用增量式PI控制方案設(shè)計(jì)了一臺(tái)逆變頻率為4 kHz、最大輸出電流為1 kA的精密逆變電阻點(diǎn)焊電源。該點(diǎn)焊電源控制精度高，響應(yīng)速度快，電流波形平直且穩(wěn)定，同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果表明該電源可用于微電子元器件的焊接。

[1]李遠(yuǎn)波，楊仕桐，郭鐘寧.基于SOC的精密軟開關(guān)逆變點(diǎn)焊電源[J].電力電子技術(shù)，2010，44（2）：74-76.

[2]李遠(yuǎn)波，楊仕桐，郭鐘寧.嵌入式數(shù)字化精密逆變電阻點(diǎn)焊電源[J].電力電子技術(shù)，2010，44（4）：26-28.

[3]羅景榮，曾敏，陳廣輝.逆變電阻點(diǎn)焊電源研究現(xiàn)狀與趨勢[J].電焊機(jī)，2010，40（7）：7-13.

[4]劉軍，張洋，嚴(yán)漢宇.例說STM32[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2014.

Precise inverter resistance spot welding power supply based on ARM

ZHOU Leilei，LI Yuanbo，ZHANG Chi
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

The welding of micro-electronic components requires the welding power supply to have fast dynamic responsibility，high control accuracy and high system stability.In order to enhance the welding quality，designed a precise inverter resistance spot welding power supply based on ARM.STM32F103RCT6 is the control core of the power supply.Through adjusting the duty ratio of PWM and using incremental PI scheme to control the welding current.The text detailed introduces current sampling circuit，true-RMS transform circuit，IGBT drive circuit and protection circuit.The experiment results show that the power supply control system is stable and has high control accuracy，which results in good performance of welding micro-electronic components.

ARM；power supply；resistance spot welding；PI control

TG434.1

A

1001-2303（2016）11-0055-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.11.10

獻(xiàn)

周磊磊，李遠(yuǎn)波，張馳.基于ARM的精密逆變電阻點(diǎn)焊電源[J].電焊機(jī)，2016，46（11）：55-59.

2016-01-22；

2016-06-20

廣東省微納加工技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（GDMNML2013-05）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012B011300042）

周磊磊（1991—），男，湖南永州人，在讀碩士，主要從事電源及其職能控制方面的研究。