晶体管式精密电阻点焊电源的设计

0 前言

在电子器件、仪器仪表 医疗器械等行业中涉及大量微型零件(厚度≤0.1 mm，线径≤0.1 mm)的电阻点焊。微型焊件的热惯性小以及焊件内外表层温差小[1]，使得其在焊接时容易造成零件熔毁、不能正常熔合，存在焊接质量不稳定及成品率低等问题[2]。因此，必须对焊接能量、电极压力、电极形状等进行更加精细的控制。目前逆变电阻点焊电源正逐步取代传统的单相工频电源和电容储能电源，成为精密电阻点焊领域的主流设备[3-4]。然而逆变点焊电源在焊接超精密微型零件时存在焊接能量上升慢、能量控制响应速度慢以及单次放电时间长等不足，无法满足其焊接需求。

文中设计的晶体管式电阻点焊电源包含基于半桥逆变拓扑的电容组快速充电电路和基于Buck变换的电容组放电电路，通过采用功率场效应管(MOSFET)作为开关器件将电路工作频率提升至100 kHz，显著提高电源系统的控制精度和响应速度。通过电容组存储的高电压、大能量，实现高空载电压输出，提升电流上升速度，避免了电网的扰动。主要特点有：①动态响应速度快，具有微秒级反馈波形控制；②时间调节分辨率可达0.01 ms；③电流控制精度高，纹波小；④焊接电流上升速度快，电流上升率可达50 A/μs；⑤充电速度快，大电流恒流充电可保证高速焊接需求，生产效率高。

1 电源系统结构

电源系统结构框图如图1所示，主要由主电路和控制系统两部分组成。主电路包含整流滤波电路、半桥逆变电路、高频变压器、电容组、MOSFET管组，控制系统以16位数字信号控制器(Digital Signal Controllers,DSC)dsPIC33FJ64GS610为核心，配备PWM驱动电路、信号采样电路、保护电路、人机接口电路、RS485通信电路、I/O控制电路和供电电路等。

图1 电源系统结构框图

2 主电路设计

2.1 设计要求

电源主要技术指标如下：MOSFET工作频率为100 kHz，电容组最大充电电流为100 A，最高充电电压为30 V，额定焊接电流为1 kA，单脉冲焊接时间为0～9.99 ms，具有电流缓升和缓降功能，具备恒电流、恒电压和恒功率控制模式。

2.2 电路拓扑结构

电源的主电路拓扑结构如图2所示，单相220 V交流电压通过整流模块(VD1～VD4)后经电感L1、电容C1，C2滤波为310 V直流电压；后经电容C1,C2,C3,MOSFET(VT1,VT2),高频变压器T1组成的半桥逆变电路转换成44 V/100 kHz方波交流脉冲输出；快恢复二极管VD5，VD6整流后经电感L2滤波后对电容组C4恒流充电；通过VT3对电容组C4存储的能量进行斩波控制，VT3开通时输出焊接电流至工件，VT3关断时利用二极管VD7对焊接回路中的电流进行续流。

图2 电源主电路拓扑

2.3 充电电路设计

为实现电容组额定电流100 A的快速充电，采用了半桥逆变式充电电路。选取的MOSFET(FMH23N50ES)工作频率为100 kHz、耐压值为500 V、额定电流值为23 A，半桥电路的上下桥臂各采用2只MOSFET并联；采用隔直电容C3抑制高频变压器T1的偏磁现象；高频变压器T1选用EER43磁芯，初级14匝，次级4匝，两只并联；次级整流二极管选用耐压值为200 V，额定电流值为20 A的超快软恢复二极管D92-02；滤波电感L2选用16 μH的环形铁硅铝电感，两只并联使用。

2.4 储能电容组的设计

电源进行焊接所需的能量主要由电容组提供，根据焦耳定律，焊接过程中工件产生的热量QR为：

YANG Qian-qian, GUAN Rui, ZHANG Lan-ling, GU Hang, LIU Yu-huan

QR=I2Rt

(1)

式中,I为焊接电流;R为金属母材与接触面上的电阻;t为焊接时间。取I=1 000 A，R=0.005 Ω，t=10 ms。

电容组存储的能量QC为:

QC=0.5CU2

(2)

其中,C为电容组容量;U为电容组电压，电容组电压最高为30 V，工作时允许电容组电压波动30%。

在市场经济环境下，我国企业数量众多、产业类型不一，而不同领域不同产业有着不同的经营特点，有着各种开展产融结合的实践经验探索。当前在企业多元化的产融结合背景下，主要存在以下三种产融模式。

在理想情况下，由能量守恒定律得：

(3)

解得电容组容量C=0.217 F。

单路径馈线恢复模型是指先以单条转供路径恢复重要负荷的供电，计算其最大恢复负荷量。该模型要求尽最大的能力尽快恢复重要负荷的供电，模型表达建立在以下假设基础上：因为动作时间较短，研究的各停电馈线未来一段时间内的负荷波动是相同的；对于三双接线的馈线认为其停电前的负荷就是其恢复后的负荷，不考虑因送电时间差异所导致的两条馈线间的负荷转移；不考虑停电变电站母线间的运行方式。

考虑到焊接回路的能量消耗，实际电路中选取6个47 000 μF的电容并联作为储能电容组，总容量为0.282 F。

2.5 放电电路设计

放电电路采用MOSFET组对电容组能量进行高频(100 kHz)斩波输出，可精密控制焊接能量。

MOSFET具有负温度系数，适合并联使用，选用10只100 V/130 A的MOSFET并联实现大电流输出。实际使用时还应注意MOSFET自身参数的差异、布线布局和散热对均流的影响。

同时，选用10只同等参数规格的快恢复二极管并联用于对焊接回路电流的续流。

3 控制系统设计

控制系统以DSC为核心实现了电源的全数字化控制，实现以下功能：①电容组充电电流、电压和焊接电流、电压的反馈调理转换；②恒流充电反馈控制和多模式焊接输出控制；③人机交互功能，用于焊接参数的设置和显示以及焊接过程曲线监控；④I/O接口，包含电源启动、保护、完成、故障等信号，方便自动化应用；⑤串口通信，使用RS485总线便于电源的管理。

3.1 控制系统硬件设计

3.1.1 驱动电路设计

MOSFET驱动电路的性能直接影响到电源的正常工作，电源采用了隔离放大式驱动方案，驱动电路如图3所示。6N137隔离电压高达2 500 V，在350 Ω的负载条件下，开关延迟时间最大为75 ns。IXDN614输出电压最大上升与下降时间分别为30 ns，输出峰值电流可达28 A，适合驱动MOSFET并联管组。驱动电路输出PWM脉冲低电平为-5.1 V，高电平为12.9 V，脉冲频率100 kHz。

3.1.2 采样电路设计

为实现对电容组充电和电源输出的闭环控制，控制系统对电容组充电电流、电压、焊接输出电流和焊件两端的电压进行采样处理。①充电电流采用霍尔电流传感器对电感L2处电流进行采样，充电电压采用电阻分压方法对电容组电压进行处理，隔离后的电压电流采样信号经滤波、放大处理后反馈给DSC;②焊接电压直接取电极两端电压，焊接电流采用分流器(500 A/75 mV)测量；焊接电流的反馈调理电路如图4所示。

分流器两端电压经高共模电压差动放大器AD629隔离后采用有源二阶巴特沃斯低通滤波器滤波，后经放大电路调理到合适的电压值输入DSC的ADC模块。

不同温度下水树的生长特性是国内外研究者关注的重点。然而对于在不同的温度下XLPE电缆中水树生长的规律，目前的研究尚未得到统一的结论。有研究认为在高温下水树生长速率提高，但同时也有研究认为随着温度升高，水树生长速率将下降。另有研究表明低温下水树生长速率将增加[9-11]。以往的研究大多集中在研究不同温度下水树形态、生长速率等方面，尚未关注在一个较长的老化时期内低温下的水树生长特征，例如水树生长速率随着老化时间的变化及其原因分析。有关此方面的研究有助于进一步探索水树在低温下的生长规律，此外对于提高局部寒冷地区XLPE电缆的绝缘状态监测及运维管理水平亦有现实的指导价值。

3.2 控制系统软件设计

基于以上主电路结构，需要对前后级电路进行协同控制，才能保证电源稳定高效工作。该电源控制系统软件设计主要包括：主程序设计、充电控制程序设计、焊接控制程序设计和其他功能子程序。

3.2.1 主程序流程图

主程序框图如图5所示，电源开机后系统先进行初始化，然后通过人机交互界面完成电源工作参数的设置，启动焊接指令后，通过充电控制程序先对电容组进行恒流充电，当电容组电压达到设置电压后，通过焊接控制程序输出恒流、恒压或恒功率焊接波形，完成焊接。

五、神矮LS—1锦绣红 华冠的早熟浓红芽变。果实近圆锥形，平均果重225 g，最大果重400 g。底色绿黄，果实全面着鲜红色，果面光洁无锈，果点稀疏，果点小，果肉黄白，肉质细，脆而多汁，酸甜适口，果实带皮硬度18.6 kg/cm2，可溶性固形物含量14.2%。极丰产，耐贮性好，成熟期9月中旬，正值双节前夕，经济效益高。

中国注册会计师协会对每年的执业质量进行检查，出具执业质量检查报告。报告拥有很高的可信度和权威性，作为审计质量的替代衡量指标有较大的现实意义。

3.2.2 增量式数字PID控制算法

电源设计中，采用增量式数字PID算法对焊接电源输出的电流、电压、功率及电容组的充电电流进行控制。

5.农田水利施工机械。按照2011年中央1号文件的部署，今后一个时期，中小河流治理、病险水库水闸除险加固、农村饮水安全、抗旱水源工程、灌区续建配套与节水改造、小型农田水利重点县建设等工程将是“十二五”期间国家水利投资的重点，这类项目普遍强度不大，且大部分项目规模相对较小，所以中小型机械特别是一些衍生机种将在水利机械市场占有更大的份额。在挖掘机、推土机或装载机上研发多种附属装置，以适应小河、灌溉渠道的疏浚清淤、坡面修整等施工需要，将大有市场潜力。同时，为支持和配合节水型、环境友好型农业，应研究开发各种节水灌溉机械，渠道的开挖、修坡和混凝土连续衬砌机械以及节水型喷灌机等设备。

（1）随着经济全球化以及各国工业化、机械化程度的提高，石油资源的需求进一步提升，油气储量甚至成为判断一个国家实力强弱的标准。国际上对石油需求的增加，也为胜利油田走国际化道路提供了便利和机遇。

采用的增量式数字PID算法流程图如图6所示。程序算法中对控制增量Δy(k)进行限幅处理，有效减小了因电流或者电压变化较大导致的系统超调甚至振荡，提高了系统的控制能力，增强其可靠性及稳定性。同时，对输出控制量y(k)限幅，避免输出的控制量超出PWM占空比范围而导致控制系统出现问题。

图3 驱动电路

图4 焊接电流采样电路

图5 主程序流程图

图6 增量式PID控制算法程序流程图

4 试验及结果分析

4.1 充电试验

采用设计的半桥逆变电路对容量为0.282 F的电容组进行恒流充电试验，设定电容组电压U为30 V，充电电流值为25 A，50 A，100 A时获得的充电波形分别如图7a～7c所示(图中曲线1为充电电流曲线，曲线2为电容组电压曲线)。可以明显看出，充电电流越大，电容组达到设定充电电压值的时间越短，见表1。充电电流达到100 A时，电容的完全充电时间小于100 ms，快速的充电过程能满足自动化生产的高速焊接要求。

图7 恒流充电曲线

表1 各电流下的充电时间值

充电电流I/A实测电压U/V充电时间t/ms2529．83625029．918310029．992

4.2 放电波形

4.2.1 恒流放电试验

在恒流控制模式下，用长度为60 cm的75 mm2铜电缆将电源输出端短路，设定放电电流值为1 000 A，放电时间分别为1 ms，9.99 ms，电流曲线分别如图8a和图8b所示。从图8a中可以明显看出，该晶体管式精密电阻点焊电源输出电流纹波小，电流上升速度快，可在1 ms内平稳输出1 000 A的电流，电流上升时间tr为20 us。

图8 电流曲线

4.2.2 恒压放电试验

恒压输出模式下，加长输出电缆，采用直径3 mm的笔状焊嘴，电压设定值1.5 V，放电时间9.99 ms，输出电压曲线如图9所示，电压上升时间tr1为200 μs。恒压模式下焊嘴发热的一致性好，能有效抑制热积累问题。

图9 1.5 V/9.99 ms电压曲线

4.2.3 恒功率放电试验

恒功率输出模式下，加长输出电缆，采用直径3 mm的笔状焊嘴，功率设定值1.1 kW，放电时间9.99 ms，输出电流、电压、功率曲线分别如图10中曲线1,2,M所示。放电过程中，焊嘴的温度不断升高，导致焊嘴的电阻值不断增大，所以恒功率放电过程中焊嘴的电流值不断下降，电压值不断升高。

图10 1.1 kW/9.99 ms恒功率放电曲线

4.3 焊接试验

焊接试验的样品为304不锈钢过滤网，过滤网厚度为0.15 mm。电极压力为45 N，球面形电极工作面直径为1.5 mm，采用恒流控制模式设置焊接电流为870 A，缓升时间为1 ms，焊接时间为2.3 ms，焊接过程电极发热集中，飞溅少。焊点外观如图11a所示，焊点表面无发黑现象，焊点外形美观，无毛刺。图11b为焊点熔核图，由图可知，熔核直径为0.82 mm，拉伸强度为250.06 N，这说明文中设计的焊接电源所获得的焊点具有较高的可靠性。

图11 焊点效果图

5 结论

(1)采用高频半桥逆变电路在额定充电电流(100 A)下，对0.282 F电容组进行完全充电时，充电时间小于100 ms。

从图13中可以看出,在相同的负载电阻的情况下,本文提出电路的输出功率远远大于仅有源整流结构电路和全桥整流结构电路的输出功率。在负载电阻100 kΩ的情况下,所提电路的真正输出功率为291.35 μW,全桥整流电路的输出功率为125.32 μW。与全桥整流电路相比,本文提出的电路将输出功率提高了132%。说明本文提出的电路结构,可大大提高压电能量俘获电路的整流效率和能量俘获能力。

烤烟是我国重要的经济作物之一，其品质和产量主要受遗传(品种)、生态环境(气候因子和土壤养分)及栽培管理措施等三方面因素的影响。其中，土壤养分丰度状况及供应能力与烤烟正常生长发育、产量提升及风格特征形成密切相关[1-2]。对植烟土壤养分状况分析及肥力评价能有效获取土壤质量状况，是土地合理开发利用中的一项重要基础工作，为植烟土壤改良和土壤规划提供科学依据[3-5]。

(2)电容组充电电压可达30 V，极大提高了电流上升速度，电流上升率可达50 A/μs；利用电容组存储的能量进行焊接，能有效抑制网压扰动，进一步提升了电流输出精度。

(3)利用MOSFET高频斩波技术，可将电流(电压或功率)调节频率提升到100 kHz，提高了电源的控制精度和响应速度，可实现1 ms内平稳输出1 000 A的电流，热量集中，实现快速焊接，适合微型件的超精密焊接。

参考文献

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