蘇含玉 安純堯 劉建停 李喜峰

(上海大學(xué) 上海 200040)

0 引言

超聲金屬焊接的實現(xiàn)方式是使金屬結(jié)合面在一定壓力和高頻超聲振動下產(chǎn)生劇烈剪切和塑性變形，從而實現(xiàn)連接界面的固相粘連[1-2]。由于其具有焊接時間短、可靠性高和環(huán)保安全等特性，被廣泛應(yīng)用于電器引線、熔斷器片、鋰電池極耳的焊接等領(lǐng)域[3-5]。超聲電源作為金屬焊接時功率信號的發(fā)生裝置，其輸出頻率和振幅的大小對焊接質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響[6-8]。文獻(xiàn)[9]提出了可編程邏輯陣列-直接數(shù)字式頻率合成器(Field programmable gate array-direct digital synthesizer FPGA-DDS)進(jìn)追頻原理，并解決了壓電換能器諧振頻率受焊接工具頭發(fā)熱而產(chǎn)生漂移的問題，但未對實際焊接過程中工況變化導(dǎo)致的負(fù)載變化規(guī)律進(jìn)行探究。本文在文獻(xiàn)[9]的研究基礎(chǔ)上，將FPGA-DDS 步進(jìn)追頻原理與具體工況相結(jié)合，在金屬薄片實際焊接過程中，把電壓電流的相位差信號取出，作為激勵振動系統(tǒng)諧振頻率變化的控制信號[10]，通過研究焊接過程中電流與電壓的相位關(guān)系，進(jìn)行負(fù)載變化追頻邏輯設(shè)計，并對焊接振幅與輸入電流的關(guān)系進(jìn)行研究，將輸入電流大小作為反饋信號進(jìn)行振幅控制。當(dāng)電源檢測到相位差和輸入電流變化過大時，數(shù)字鑒相器和功率調(diào)節(jié)單元對驅(qū)動頻率和占空比進(jìn)行同步調(diào)節(jié)，以保證超聲金屬焊接電源工作的穩(wěn)定性及可靠性。

1 超聲電源系統(tǒng)

超聲電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，分為屏幕、FPGA、主電路模塊和采樣電路模塊。

圖1 超聲電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of ultrasonic power system

屏幕與FPGA 通過UART 協(xié)議進(jìn)行通信，將初始占空比、頻率和焊接時間等焊接參數(shù)傳遞給FPGA 進(jìn)行處理，F(xiàn)PGA 將實時驅(qū)動頻率、功率和溫度回傳給屏幕進(jìn)行顯示。FPGA對采樣電路模塊得到的信號進(jìn)行邏輯運算，并根據(jù)運算結(jié)果對驅(qū)動波形的頻率和相位做出調(diào)整，最后將經(jīng)過反饋控制的驅(qū)動信號輸出給主電路模塊。

主電路模塊包括整流濾波、全橋逆變、驅(qū)動和匹配電路，主電路模塊將220 V 工頻交流電整流濾波后逆變成需要的高頻交流電，并通過匹配電路驅(qū)動換能器。

采樣電路模塊將電流與電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳遞給FPGA進(jìn)行相位差計算，并將采樣得到的溫度信號和輸入電流信號與設(shè)定值比較，以實現(xiàn)電源的過熱和過流保護(hù)以及恒振幅控制。

2 負(fù)載變化對諧振頻率及焊接振幅的影響

超聲金屬焊接過程是動態(tài)加載過程，過程中時變性的焊接參數(shù)減弱了匹配電路調(diào)諧變阻的效果，導(dǎo)致聲學(xué)系統(tǒng)的性能遠(yuǎn)低于空振狀態(tài)[11]。焊接結(jié)果受多個焊接參數(shù)共同影響，常用的焊接參數(shù)為焊接壓力、驅(qū)動頻率、電功率、焊接時間及摩擦系數(shù)。焊接壓力與被焊接材料的可流動性極限、硬度及厚度有關(guān)；超聲波驅(qū)動頻率和功率決定了焊接振幅的大小，對于所需焊接能量一定的被焊件，在諧振頻率點和較大電功率下進(jìn)行焊接，可以減少焊接時間，提高工作效率；摩擦系數(shù)與工具頭和被焊件的表面狀態(tài)有關(guān)。其中任何參數(shù)的改變都會對負(fù)載產(chǎn)生影響，進(jìn)而使動態(tài)加載過程中的諧振頻率發(fā)生變化。在實際超聲焊接過程中，為了保證焊接振幅維持穩(wěn)定且最大，都會對超聲焊接壓力、超聲波頻率、功率及時間進(jìn)行設(shè)定。此時，焊接參數(shù)中僅有摩擦系數(shù)會隨著工件表面變化而變化，若始終以定頻率焊接，摩擦系數(shù)對負(fù)載阻抗及諧振頻率的影響會體現(xiàn)在振幅和負(fù)載端的電流與電壓相位上。

以銅片焊接為實驗研究對象，研究單一因素(摩擦系數(shù))作用下負(fù)載變化對阻抗及諧振頻率的影響，設(shè)定的銅片焊接參數(shù)如表1 所示。以阻抗分析儀所測得的換能器諧振頻率fs作為工作頻率fw進(jìn)行定頻焊接，利用激光測振儀OptoGUI記錄焊接過程中振幅的變化。同時，使用示波器觀測該過程的電流與電壓相位變化情況。

表1 銅片焊接參數(shù)Table 1 Copper sheet welding parameters

焊接振幅如圖2所示，其初始振幅最大，之后呈現(xiàn)非線性下降趨勢，極差為12.5 μm，表明在焊接過程中負(fù)載變化對諧振頻率有影響，諧振頻率fs不斷遠(yuǎn)離實際工作的驅(qū)動頻率導(dǎo)致振幅快速下降。

圖2 設(shè)定參數(shù)下的焊接振幅Fig.2 Weld amplitude under the setting parameters

雖然在焊接過程中無法使用阻抗分析儀對帶載換能器進(jìn)行實時阻抗分析，但阻抗變化規(guī)律可從電流與電壓相位變化情況中得出。如圖3 所示，焊接起始時換能器工作在串聯(lián)諧振頻率上，電流與電壓相位重合，換能器呈現(xiàn)純阻性阻抗，此時對應(yīng)的焊接振幅最大，之后電壓相位逐漸滯后電流相位至最大90°，對應(yīng)焊接振幅逐漸下降至最小的過程。

圖3 焊接過程中電流與電壓相位變化Fig.3 Current and voltage phase changes during welding

綜合上述測試參數(shù)可知，換能器在焊接過程中的負(fù)載呈現(xiàn)容性，實際的諧振頻率fs逐漸升高，且在焊接時間內(nèi)升高速度較快。

3 步進(jìn)追頻及恒振幅控制方案

3.1 步進(jìn)追頻控制方案

負(fù)載變化對諧振頻率的影響(實際諧振頻率增大)與文獻(xiàn)[9]中焊接工具頭發(fā)熱對諧振頻率的影響(實際諧振頻率減小)相反，且變化速度與之相比較快。因此，負(fù)載變化追頻是在溫升追頻的基礎(chǔ)上實現(xiàn)補(bǔ)償。

根據(jù)FPGA-DDS 的步進(jìn)追頻原理[9]，將數(shù)字鑒相器檢測到的電流及電壓信號的相位差轉(zhuǎn)換為對應(yīng)大小的誤差范圍ε。如圖4 所示，設(shè)定兩個誤差范圍ε1與ε2，當(dāng)判定電流與電壓相位差變化超過ε2/2 時，以步進(jìn)量1.01 Hz 向使諧振頻率升高的正方向調(diào)節(jié)實時驅(qū)動頻率，此時負(fù)載追頻補(bǔ)償量Δf負(fù)載變化起主要作用，抵消溫升對頻率的補(bǔ)償(溫升補(bǔ)償步進(jìn)量為0.01 Hz)后，實際步進(jìn)量為1 Hz；當(dāng)判定電流與電壓相位差變化較小時(ε2/2＞ε ＞ε1/2)，溫升補(bǔ)償起主要作用，負(fù)載追頻已補(bǔ)償?shù)寞B加量保持不變，其追頻邏輯如圖4 所示，其中fr為實時驅(qū)動頻率，fi為起始諧振頻率。

圖4 負(fù)載變化追頻邏輯Fig.4 Load change chasing logic

根據(jù)DDS 調(diào)頻原理可知，當(dāng)FPGA 系統(tǒng)時鐘fclk和相位累加器數(shù)字N確定后，輸出頻率fout值由頻率控制字K決定：

負(fù)載變化追頻邏輯下的K值計算如式(2)所示，實時驅(qū)動頻率fr所對應(yīng)的頻率控制字Kr由起始驅(qū)動頻率控制字Ki、補(bǔ)償量ΔK溫升及補(bǔ)償量ΔK負(fù)載變化組成：

3.2 恒振幅控制方案

3.2.1 全橋移相控制原理

根據(jù)全橋逆變拓?fù)潆娐芳耙葡嗫刂圃?，通過控制移相角α的大小，來調(diào)節(jié)輸出電壓Uo的大小。輸出電壓Uo如式(3)和式(4)所示，D為占空比，Uin為輸入電壓，Ton為導(dǎo)通時間，T為開關(guān)周期。由于有死區(qū)時間的設(shè)置，因此半個周期內(nèi)的導(dǎo)通時間Ton小于T/2，最大占空比D小于1。同時，兩組對角開關(guān)管的導(dǎo)通時間Ton不可相同(移相角α不可為0)，否則電路無法續(xù)流，導(dǎo)致占空比D不可調(diào)節(jié)。若占空比D的調(diào)節(jié)精度較高，即可實現(xiàn)功率的連續(xù)可調(diào)。

移相調(diào)節(jié)量的大小由DDS 控制原理中的相位控制字P決定，考慮到死區(qū)及續(xù)流，取最大占空比為0.8。實時相位控制字Pr如式(5)所示：

其中，Pi為起始占空比Di對應(yīng)的相位控制字，ΔP步進(jìn)為功率調(diào)節(jié)時對應(yīng)的相位控制字。

3.2.2 輸入電流與焊接振幅關(guān)系研究

根據(jù)式(6)可知，超聲電源內(nèi)阻r一定的情況下，換能器的動態(tài)支路的阻抗變化與輸入電流Iin存在對應(yīng)關(guān)系，控制輸入電流Iin的大小，即可實現(xiàn)對動態(tài)支路電流的調(diào)節(jié)：

式(6)中，R1為換能器的動態(tài)電阻，C0為換能器的靜態(tài)電容，ωs為換能器的串聯(lián)諧振角頻率。

為進(jìn)一步研究輸入電流與焊接振幅的關(guān)系，分別以占空比0.55、0.60、0.65、0.70、0.75 及0.80 對銅片進(jìn)行焊接，銅片焊接參數(shù)同表1。使用激光測振儀OptoGUI 和功率計PW9800 記錄最大焊接振幅和最大輸入電流。

如圖5 與圖6 所示，最大焊接振幅、最大輸入電流與占空比D之間存在較好的線性對應(yīng)關(guān)系。因此，以焊接振幅作為被控對象，輸入電流作為反饋對象，占空比作為調(diào)節(jié)對象，以此實現(xiàn)對振幅的閉環(huán)調(diào)節(jié)。

圖5 最大焊接振幅和最大輸入電流的關(guān)系Fig.5 The relationship between the maximum weld amplitude and the maximum input current

3.2.3 輸入電流反饋下的步進(jìn)移相控制

在諧振頻率誤差范圍ε1/2內(nèi)，由于相位差變化較小，因此輸入電流變化較小，此時振幅閉環(huán)控制不起作用。當(dāng)相位差大于ε2/2 時，振幅閉環(huán)控制開始作用。若此時檢測到輸入電流減小，為避免步進(jìn)累加追頻滯后對焊接振幅造成過大影響，步進(jìn)移相增大占空比以提高輸出功率。若此時檢測到輸入電流增大，則步進(jìn)移相減小占空比以降低輸入電流。檢測到相位差小于ε1/2時，停止步進(jìn)移相。同時，為防止換能器出現(xiàn)過載和失控等情況，對占空比的動態(tài)調(diào)節(jié)范圍應(yīng)有一定的限制，取占空比的調(diào)節(jié)范圍為±5%。步進(jìn)移相的控制邏輯如圖7 所示，焊接設(shè)定的初始占空比為Di，其增量變化由反饋的輸入電流大小決定。

圖7 步進(jìn)移相的控制邏輯Fig.7 Control logic for step-shift phase shifting

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 負(fù)載變化追頻測試

在負(fù)載變化追頻測試中，對兩片0.2 mm 銅片進(jìn)行焊接(無振幅閉環(huán)控制)，銅片焊接參數(shù)如表2所示。

表2 銅片焊接參數(shù)Table 2 Copper sheet welding parameters

在無振幅閉環(huán)控制邏輯下，所測得的實際焊接振幅如圖8 所示，焊接振幅最大21 μm，最小14.5 μm，振幅極差為6.5 μm，平均振幅為17.5 μm，振幅的相對極差為37.14%。對比無負(fù)載變化追頻控制下的焊接振幅圖2 可知，當(dāng)檢測到電流與電壓相位差變化過大時，負(fù)載變化下的步進(jìn)追頻邏輯開始執(zhí)行，避免了焊接振幅持續(xù)的非線性下降。

圖8 1 s 內(nèi)焊接振幅變化(無振幅閉環(huán)控制)Fig.8 Solder amplitude change within 1 s (no amplitude closed-loop control)

4.2 恒振幅測試

在無振幅閉環(huán)控制的焊接過程中，采用的是步進(jìn)追頻策略，對于諧振頻率誤差的補(bǔ)償為動態(tài)累加補(bǔ)償且存在滯后性，導(dǎo)致焊接振幅的相對極差較大，而恒振幅測試是在負(fù)載變化追頻測試的基礎(chǔ)上加入了振幅閉環(huán)控制邏輯，引入了作為反饋信號的輸入電流，在焊接過程中對驅(qū)動波形的占空比實時調(diào)節(jié)。恒振幅測試設(shè)定的銅片焊接參數(shù)同表2所示。

在恒振幅測試中，所測得的焊接振幅如圖9 所示。焊接振幅最大18 μm，最小16.5 μm，振幅極差為1.5 μm，平均振幅為17 μm，振幅的相對極差為8.82%，相比于無振幅閉環(huán)控制減小了28.32%。對比無振幅閉環(huán)控制下的焊接振幅可知，在相位差產(chǎn)生較大變化時，通過監(jiān)測輸入電流的變化趨勢，步進(jìn)移相調(diào)節(jié)占空比，使得焊接振幅的相對極差穩(wěn)定在了10%以內(nèi)。

圖9 1 s 內(nèi)焊接振幅變化(有振幅閉環(huán)控制)Fig.9 Solder amplitude change within 1 s (with amplitude closed-loop control)

5 結(jié)論

文章研究了超聲金屬實際焊接過程中諧振頻率漂移和振幅失衡問題，其中針對諧振頻率漂移問題，在溫升追頻的基礎(chǔ)上，提出負(fù)載變化追頻邏輯方案。針對振幅失衡問題，增加輸入電流反饋閉環(huán)控制邏輯方案，最終將FPGA-DDS 步進(jìn)追頻原理與實際工況相結(jié)合，通過負(fù)載變化追頻和恒振幅測試。結(jié)果表明該邏輯方案可實現(xiàn)超聲金屬焊接過程中諧振頻率的實時追蹤且實現(xiàn)了焊接振幅相對極差穩(wěn)定在10%以內(nèi)的效果，驗證了此邏輯方案的可行性。此超聲驅(qū)動電源可廣泛應(yīng)用于金屬超聲焊接領(lǐng)域，具有良好的工程應(yīng)用前景。