盧喜文

（南京模擬技術(shù)研究所，江蘇 南京 210018）

關(guān)鍵字：電阻點(diǎn)焊；中頻逆變；增量式PID；保護(hù)機(jī)制

0 引 言

經(jīng)過長時(shí)間的發(fā)展，電阻焊技術(shù)已經(jīng)成為焊接技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，主要是利用焊接電流通過工件時(shí)所產(chǎn)生的電阻熱將金屬母材融化，經(jīng)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(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)成為電阻點(diǎn)焊電源的主要研究發(fā)展方向。

1 總體結(jié)構(gòu)

中頻逆變電阻點(diǎn)焊電源的基本工作原理為三相交流電經(jīng)整流濾波電路成為平滑的直流電，再經(jīng)過IGBT功率開關(guān)管組成的全橋電路逆變?yōu)橹蓄l方波接入中頻變壓器，降壓后經(jīng)二極管整流為脈動(dòng)較小的直流電供給電極對(duì)工件進(jìn)行焊接。由IGBT組成的全橋逆變電路采用經(jīng)電流、電壓反饋計(jì)算得出的脈寬調(diào)制（PWM）驅(qū)動(dòng)獲得穩(wěn)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(diǎn)焊電源總體結(jié)構(gòu)圖。

2 關(guān)鍵器件選型

在中頻逆變電阻點(diǎn)焊電源中，關(guān)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(tǒng)的可靠性工作。

2.1 整流二極管選擇

圖1 中頻逆變電阻點(diǎn)焊電源總體結(jié)構(gòu)

（1）額定電壓Vrrm計(jì)算。整流二極管的額定電壓應(yīng)大于實(shí)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(shí)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]?？紤]系統(tǒng)可能出現(xiàn)的穩(wěn)態(tài)工頻電壓升高以及線路充電電容效應(yīng)，U一般在輸入相電壓的基礎(chǔ)上再乘以1.1～1.2的系數(shù)。因此，相電壓為U=220 V的情況下：

（2）額定平均電流If計(jì)算。整流二極管的額定平均電流應(yīng)大于實(shí)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(shí)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(guān)系為IN=2.48×Id，而IN與整流橋輸出平均電流IL的關(guān)系為。因此，中頻變壓器初級(jí)電流設(shè)計(jì)為400 A的情況下：

2.2 濾波電容CIN選擇

假設(shè)整流濾波后的直流電壓脈動(dòng)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(cè)電流為：

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

實(shí)際選用兩個(gè)330 μF/800 V的電解電容器并聯(lián)。因電解電容器自身串聯(lián)等效電阻和串聯(lián)等效電感影響濾波效果，所以在濾波電解電容兩端并聯(lián)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(shù)量級(jí)其他電容。

2.3 IGBT選擇

與整流二極管額定電壓的計(jì)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(jié)溫Tc=25 ℃條件下，則IGBT電流值ICS應(yīng)按照下列條件確定：過載容量系數(shù)，1.4為IGBT的IC減小系數(shù)[3]?？紤]IGBT管的安全等級(jí)選400 A。

3 硬件設(shè)計(jì)

STM32F4系列是意法半導(dǎo)體（ST）發(fā)布的基于ARM Cortex-M4內(nèi)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(diǎn)運(yùn)算或者DSP處理的應(yīng)用[4]。本電源主控板以STM32F405VGT6為控制核心，由電源模塊、存儲(chǔ)電路、母線電壓檢測(cè)電路、初/次級(jí)電流檢測(cè)電路、次級(jí)電壓檢測(cè)電路、IGBT驅(qū)動(dòng)模塊及RS232/485通信模塊等組成。

要實(shí)現(xiàn)焊接過程的穩(wěn)定控制必須要能實(shí)時(shí)精確檢測(cè)焊接過程中的電流、電壓，這兩個(gè)參數(shù)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(jí)電流檢測(cè)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(jīng)過精密整流電路整流。圖3是次級(jí)電壓檢測(cè)電路，電極電壓作為差分信號(hào)輸入給差分運(yùn)算放大器。

圖2 次級(jí)電流檢測(cè)電路

圖3 次級(jí)電壓檢測(cè)電路

4 軟件設(shè)計(jì)

本中頻逆變電阻點(diǎn)焊電源焊接過程由基于STM32F405VGT6的主控板進(jìn)行閉環(huán)控制，在電網(wǎng)電壓波動(dòng)和焊接負(fù)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(shè)計(jì)利用MDK KEIL集成開發(fā)環(huán)境，基于uCOS-Ⅱ?qū)崟r(shí)系統(tǒng)與模塊化結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了4種可編程熱量控制方式（初/次級(jí)恒流、次級(jí)恒壓、次級(jí)恒功率及恒脈寬），可編程128套焊接規(guī)范，可編程3段加熱過程（預(yù)熱、焊接、回火），具備焊點(diǎn)計(jì)數(shù)、電流階梯步增、電極修磨及故障報(bào)警等功能。

4.1 焊接控制流程設(shè)計(jì)

一個(gè)完整的焊接循環(huán)具備3段加熱過程（預(yù)熱、焊接、回火），流程如圖4所示。

本電源具有單次點(diǎn)焊和連續(xù)點(diǎn)焊的功能。

圖4 完整焊接循環(huán)流程圖

（1）單次點(diǎn)焊時(shí)，踩下腳踏開關(guān)，氣缸帶動(dòng)電極下壓，在下壓過程中，抬起腳踏開關(guān)，電極抬起。焊接循環(huán)有下列時(shí)間順序：電極預(yù)壓→加壓→預(yù)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(guān)，完成下一個(gè)焊接循環(huán)。

（2）連續(xù)點(diǎn)焊時(shí)，踩下腳踏開關(guān)不動(dòng)，焊接循環(huán)有下列時(shí)間順序：電極預(yù)壓→預(yù)熱→冷卻1→焊接→冷卻2→回火→維持→休止（完成第一個(gè)焊點(diǎn)）→預(yù)壓→預(yù)熱→冷卻1→焊接→冷卻2→回火→維持→休止（完成第二個(gè)焊點(diǎn)）→預(yù)壓……，只要腳踏開關(guān)不松開，第三、四、…、N個(gè)焊點(diǎn)一直持續(xù)下去，直到腳踏開關(guān)松開，才停止焊接。焊點(diǎn)間休止時(shí)間可設(shè)置。

4.2 增量式PID算法設(shè)計(jì)

增量式PID控制公式[5]：

其中，Ts為采樣周期，t1為積分時(shí)間，tD為微分時(shí)間。

由式（7）可以看出，若控制系統(tǒng)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(cè)量的偏差值，就可求出控制增量，與位置式PID算法相比，計(jì)算量小得多，因此在實(shí)際中得到廣泛使用。參數(shù)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(huán)控制策略是，焊接過程中在逆變周期內(nèi)每20 μs實(shí)時(shí)檢測(cè)焊接電流、電壓，并在周期結(jié)束時(shí)計(jì)算有效值，代入增量式PID算法計(jì)算得出下個(gè)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(qū)動(dòng)脈寬為固定值）。

4.3 保護(hù)機(jī)制設(shè)計(jì)

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)控母線電壓、三相輸入線電壓，當(dāng)母線電壓超欠壓、三相輸入缺相時(shí)報(bào)警。

（2）腳踏開關(guān)踩下后，利用氣壓傳感器檢測(cè)氣缸氣壓與設(shè)定值偏差，當(dāng)偏差超過±20%后不觸發(fā)焊接并報(bào)警。

（3）實(shí)時(shí)監(jiān)控IGBT電流，當(dāng)IGBT電流超過其1 ms最大電流值時(shí)，立即中斷焊接并報(bào)警。

（4）利用預(yù)埋在中頻變壓器里的溫度開關(guān)以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)IGBT內(nèi)部溫敏電阻阻值變化實(shí)現(xiàn)變壓器及IGBT的過熱保護(hù)，當(dāng)達(dá)到過熱保護(hù)溫度時(shí)控制器停止焊接并報(bào)警。

（5）恒流模式下焊接電流的實(shí)際值與設(shè)定值的誤差超過±3%范圍，重復(fù)值超差±3%時(shí)報(bào)警。

（6）具有焊接、調(diào)整、修磨功能，當(dāng)處于調(diào)整或修磨功能時(shí)，腳踏開關(guān)踩下，氣缸下壓但不觸發(fā)焊接。必要時(shí)，調(diào)整功能用于觀察電極壓件情況，修磨功能用于長時(shí)間焊接后電極修磨。

（7）具有焊接計(jì)數(shù)、修磨計(jì)數(shù)功能，當(dāng)焊接計(jì)數(shù)值超過設(shè)定值時(shí)報(bào)警，提醒修磨電極；當(dāng)修磨計(jì)數(shù)值超過設(shè)定值時(shí)報(bào)警，提醒更換電極。

（8）具有電流階梯線性步增功能（10個(gè)臺(tái)階），用于平衡電流密度的變化。當(dāng)進(jìn)入最后一步遞增時(shí)報(bào)警，以提醒準(zhǔn)備修磨或更換電極。

（9）當(dāng)焊接過程出現(xiàn)不可控意外時(shí)，拍下急停開關(guān)（自鎖）停止焊接，當(dāng)不主動(dòng)恢復(fù)急停開關(guān)抬起狀態(tài)時(shí)不能再次觸發(fā)焊接。

5 結(jié) 論

本文以中頻逆變電阻點(diǎn)焊電源為研究對(duì)象，對(duì)電源的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了闡述，具體論述了關(guān)鍵器件選型方法、主要硬件電路設(shè)計(jì)以及軟件實(shí)現(xiàn)方式。本文的成果已在某企業(yè)小規(guī)模生產(chǎn)，經(jīng)實(shí)踐證明，中頻逆變電阻點(diǎn)焊電源運(yùn)行穩(wěn)定、控制精度高、焊接質(zhì)量可靠。