0 前言

在電子器件、儀器儀表 醫(yī)療器械等行業(yè)中涉及大量微型零件(厚度≤0.1 mm，線徑≤0.1 mm)的電阻點(diǎn)焊。微型焊件的熱慣性小以及焊件內(nèi)外表層溫差小[1]，使得其在焊接時(shí)容易造成零件熔毀、不能正常熔合，存在焊接質(zhì)量不穩(wěn)定及成品率低等問(wèn)題[2]。因此，必須對(duì)焊接能量、電極壓力、電極形狀等進(jìn)行更加精細(xì)的控制。目前逆變電阻點(diǎn)焊電源正逐步取代傳統(tǒng)的單相工頻電源和電容儲(chǔ)能電源，成為精密電阻點(diǎn)焊領(lǐng)域的主流設(shè)備[3-4]。然而逆變點(diǎn)焊電源在焊接超精密微型零件時(shí)存在焊接能量上升慢、能量控制響應(yīng)速度慢以及單次放電時(shí)間長(zhǎng)等不足，無(wú)法滿足其焊接需求。

文中設(shè)計(jì)的晶體管式電阻點(diǎn)焊電源包含基于半橋逆變拓?fù)涞碾娙萁M快速充電電路和基于Buck變換的電容組放電電路，通過(guò)采用功率場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)作為開(kāi)關(guān)器件將電路工作頻率提升至100 kHz，顯著提高電源系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度。通過(guò)電容組存儲(chǔ)的高電壓、大能量，實(shí)現(xiàn)高空載電壓輸出，提升電流上升速度，避免了電網(wǎng)的擾動(dòng)。主要特點(diǎn)有：①動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，具有微秒級(jí)反饋波形控制；②時(shí)間調(diào)節(jié)分辨率可達(dá)0.01 ms；③電流控制精度高，紋波??；④焊接電流上升速度快，電流上升率可達(dá)50 A/μs；⑤充電速度快，大電流恒流充電可保證高速焊接需求，生產(chǎn)效率高。

1 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由主電路和控制系統(tǒng)兩部分組成。主電路包含整流濾波電路、半橋逆變電路、高頻變壓器、電容組、MOSFET管組，控制系統(tǒng)以16位數(shù)字信號(hào)控制器(Digital Signal Controllers,DSC)dsPIC33FJ64GS610為核心，配備PWM驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)采樣電路、保護(hù)電路、人機(jī)接口電路、RS485通信電路、I/O控制電路和供電電路等。

圖1 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 主電路設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

電源主要技術(shù)指標(biāo)如下：MOSFET工作頻率為100 kHz，電容組最大充電電流為100 A，最高充電電壓為30 V，額定焊接電流為1 kA，單脈沖焊接時(shí)間為0～9.99 ms，具有電流緩升和緩降功能，具備恒電流、恒電壓和恒功率控制模式。

2.2 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電源的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，單相220 V交流電壓通過(guò)整流模塊(VD1～VD4)后經(jīng)電感L1、電容C1，C2濾波為310 V直流電壓；后經(jīng)電容C1,C2,C3,MOSFET(VT1,VT2),高頻變壓器T1組成的半橋逆變電路轉(zhuǎn)換成44 V/100 kHz方波交流脈沖輸出；快恢復(fù)二極管VD5，VD6整流后經(jīng)電感L2濾波后對(duì)電容組C4恒流充電；通過(guò)VT3對(duì)電容組C4存儲(chǔ)的能量進(jìn)行斬波控制，VT3開(kāi)通時(shí)輸出焊接電流至工件，VT3關(guān)斷時(shí)利用二極管VD7對(duì)焊接回路中的電流進(jìn)行續(xù)流。

圖2 電源主電路拓?fù)?/p>

2.3 充電電路設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)電容組額定電流100 A的快速充電，采用了半橋逆變式充電電路。選取的MOSFET(FMH23N50ES)工作頻率為100 kHz、耐壓值為500 V、額定電流值為23 A，半橋電路的上下橋臂各采用2只MOSFET并聯(lián)；采用隔直電容C3抑制高頻變壓器T1的偏磁現(xiàn)象；高頻變壓器T1選用EER43磁芯，初級(jí)14匝，次級(jí)4匝，兩只并聯(lián)；次級(jí)整流二極管選用耐壓值為200 V，額定電流值為20 A的超快軟恢復(fù)二極管D92-02；濾波電感L2選用16 μH的環(huán)形鐵硅鋁電感，兩只并聯(lián)使用。

2.4 儲(chǔ)能電容組的設(shè)計(jì)

電源進(jìn)行焊接所需的能量主要由電容組提供，根據(jù)焦耳定律，焊接過(guò)程中工件產(chǎn)生的熱量QR為：

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

QR=I2Rt

(1)

式中,I為焊接電流;R為金屬母材與接觸面上的電阻;t為焊接時(shí)間。取I=1 000 A，R=0.005 Ω，t=10 ms。

電容組存儲(chǔ)的能量QC為:

QC=0.5CU2

(2)

其中,C為電容組容量;U為電容組電壓，電容組電壓最高為30 V，工作時(shí)允許電容組電壓波動(dòng)30%。

在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，我國(guó)企業(yè)數(shù)量眾多、產(chǎn)業(yè)類型不一，而不同領(lǐng)域不同產(chǎn)業(yè)有著不同的經(jīng)營(yíng)特點(diǎn)，有著各種開(kāi)展產(chǎn)融結(jié)合的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)探索。當(dāng)前在企業(yè)多元化的產(chǎn)融結(jié)合背景下，主要存在以下三種產(chǎn)融模式。

在理想情況下，由能量守恒定律得：

(3)

解得電容組容量C=0.217 F。

單路徑饋線恢復(fù)模型是指先以單條轉(zhuǎn)供路徑恢復(fù)重要負(fù)荷的供電，計(jì)算其最大恢復(fù)負(fù)荷量。該模型要求盡最大的能力盡快恢復(fù)重要負(fù)荷的供電，模型表達(dá)建立在以下假設(shè)基礎(chǔ)上：因?yàn)閯?dòng)作時(shí)間較短，研究的各停電饋線未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的負(fù)荷波動(dòng)是相同的；對(duì)于三雙接線的饋線認(rèn)為其停電前的負(fù)荷就是其恢復(fù)后的負(fù)荷，不考慮因送電時(shí)間差異所導(dǎo)致的兩條饋線間的負(fù)荷轉(zhuǎn)移；不考慮停電變電站母線間的運(yùn)行方式。

考慮到焊接回路的能量消耗，實(shí)際電路中選取6個(gè)47 000 μF的電容并聯(lián)作為儲(chǔ)能電容組，總?cè)萘繛?.282 F。

2.5 放電電路設(shè)計(jì)

放電電路采用MOSFET組對(duì)電容組能量進(jìn)行高頻(100 kHz)斬波輸出，可精密控制焊接能量。

MOSFET具有負(fù)溫度系數(shù)，適合并聯(lián)使用，選用10只100 V/130 A的MOSFET并聯(lián)實(shí)現(xiàn)大電流輸出。實(shí)際使用時(shí)還應(yīng)注意MOSFET自身參數(shù)的差異、布線布局和散熱對(duì)均流的影響。

同時(shí)，選用10只同等參數(shù)規(guī)格的快恢復(fù)二極管并聯(lián)用于對(duì)焊接回路電流的續(xù)流。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)以DSC為核心實(shí)現(xiàn)了電源的全數(shù)字化控制，實(shí)現(xiàn)以下功能：①電容組充電電流、電壓和焊接電流、電壓的反饋調(diào)理轉(zhuǎn)換；②恒流充電反饋控制和多模式焊接輸出控制；③人機(jī)交互功能，用于焊接參數(shù)的設(shè)置和顯示以及焊接過(guò)程曲線監(jiān)控；④I/O接口，包含電源啟動(dòng)、保護(hù)、完成、故障等信號(hào)，方便自動(dòng)化應(yīng)用；⑤串口通信，使用RS485總線便于電源的管理。

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的性能直接影響到電源的正常工作，電源采用了隔離放大式驅(qū)動(dòng)方案，驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。6N137隔離電壓高達(dá)2 500 V，在350 Ω的負(fù)載條件下，開(kāi)關(guān)延遲時(shí)間最大為75 ns。IXDN614輸出電壓最大上升與下降時(shí)間分別為30 ns，輸出峰值電流可達(dá)28 A，適合驅(qū)動(dòng)MOSFET并聯(lián)管組。驅(qū)動(dòng)電路輸出PWM脈沖低電平為-5.1 V，高電平為12.9 V，脈沖頻率100 kHz。

3.1.2 采樣電路設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)電容組充電和電源輸出的閉環(huán)控制，控制系統(tǒng)對(duì)電容組充電電流、電壓、焊接輸出電流和焊件兩端的電壓進(jìn)行采樣處理。①充電電流采用霍爾電流傳感器對(duì)電感L2處電流進(jìn)行采樣，充電電壓采用電阻分壓方法對(duì)電容組電壓進(jìn)行處理，隔離后的電壓電流采樣信號(hào)經(jīng)濾波、放大處理后反饋給DSC;②焊接電壓直接取電極兩端電壓，焊接電流采用分流器(500 A/75 mV)測(cè)量；焊接電流的反饋調(diào)理電路如圖4所示。

分流器兩端電壓經(jīng)高共模電壓差動(dòng)放大器AD629隔離后采用有源二階巴特沃斯低通濾波器濾波，后經(jīng)放大電路調(diào)理到合適的電壓值輸入DSC的ADC模塊。

不同溫度下水樹(shù)的生長(zhǎng)特性是國(guó)內(nèi)外研究者關(guān)注的重點(diǎn)。然而對(duì)于在不同的溫度下XLPE電纜中水樹(shù)生長(zhǎng)的規(guī)律，目前的研究尚未得到統(tǒng)一的結(jié)論。有研究認(rèn)為在高溫下水樹(shù)生長(zhǎng)速率提高，但同時(shí)也有研究認(rèn)為隨著溫度升高，水樹(shù)生長(zhǎng)速率將下降。另有研究表明低溫下水樹(shù)生長(zhǎng)速率將增加[9-11]。以往的研究大多集中在研究不同溫度下水樹(shù)形態(tài)、生長(zhǎng)速率等方面，尚未關(guān)注在一個(gè)較長(zhǎng)的老化時(shí)期內(nèi)低溫下的水樹(shù)生長(zhǎng)特征，例如水樹(shù)生長(zhǎng)速率隨著老化時(shí)間的變化及其原因分析。有關(guān)此方面的研究有助于進(jìn)一步探索水樹(shù)在低溫下的生長(zhǎng)規(guī)律，此外對(duì)于提高局部寒冷地區(qū)XLPE電纜的絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)及運(yùn)維管理水平亦有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)價(jià)值。

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于以上主電路結(jié)構(gòu)，需要對(duì)前后級(jí)電路進(jìn)行協(xié)同控制，才能保證電源穩(wěn)定高效工作。該電源控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括：主程序設(shè)計(jì)、充電控制程序設(shè)計(jì)、焊接控制程序設(shè)計(jì)和其他功能子程序。

3.2.1 主程序流程圖

主程序框圖如圖5所示，電源開(kāi)機(jī)后系統(tǒng)先進(jìn)行初始化，然后通過(guò)人機(jī)交互界面完成電源工作參數(shù)的設(shè)置，啟動(dòng)焊接指令后，通過(guò)充電控制程序先對(duì)電容組進(jìn)行恒流充電，當(dāng)電容組電壓達(dá)到設(shè)置電壓后，通過(guò)焊接控制程序輸出恒流、恒壓或恒功率焊接波形，完成焊接。

五、神矮LS—1錦繡紅 華冠的早熟濃紅芽變。果實(shí)近圓錐形，平均果重225 g，最大果重400 g。底色綠黃，果實(shí)全面著鮮紅色，果面光潔無(wú)銹，果點(diǎn)稀疏，果點(diǎn)小，果肉黃白，肉質(zhì)細(xì)，脆而多汁，酸甜適口，果實(shí)帶皮硬度18.6 kg/cm2，可溶性固形物含量14.2%。極豐產(chǎn)，耐貯性好，成熟期9月中旬，正值雙節(jié)前夕，經(jīng)濟(jì)效益高。

中國(guó)注冊(cè)會(huì)計(jì)師協(xié)會(huì)對(duì)每年的執(zhí)業(yè)質(zhì)量進(jìn)行檢查，出具執(zhí)業(yè)質(zhì)量檢查報(bào)告。報(bào)告擁有很高的可信度和權(quán)威性，作為審計(jì)質(zhì)量的替代衡量指標(biāo)有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

3.2.2 增量式數(shù)字PID控制算法

電源設(shè)計(jì)中，采用增量式數(shù)字PID算法對(duì)焊接電源輸出的電流、電壓、功率及電容組的充電電流進(jìn)行控制。

5.農(nóng)田水利施工機(jī)械。按照2011年中央1號(hào)文件的部署，今后一個(gè)時(shí)期，中小河流治理、病險(xiǎn)水庫(kù)水閘除險(xiǎn)加固、農(nóng)村飲水安全、抗旱水源工程、灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造、小型農(nóng)田水利重點(diǎn)縣建設(shè)等工程將是“十二五”期間國(guó)家水利投資的重點(diǎn)，這類項(xiàng)目普遍強(qiáng)度不大，且大部分項(xiàng)目規(guī)模相對(duì)較小，所以中小型機(jī)械特別是一些衍生機(jī)種將在水利機(jī)械市場(chǎng)占有更大的份額。在挖掘機(jī)、推土機(jī)或裝載機(jī)上研發(fā)多種附屬裝置，以適應(yīng)小河、灌溉渠道的疏浚清淤、坡面修整等施工需要，將大有市場(chǎng)潛力。同時(shí)，為支持和配合節(jié)水型、環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)，應(yīng)研究開(kāi)發(fā)各種節(jié)水灌溉機(jī)械，渠道的開(kāi)挖、修坡和混凝土連續(xù)襯砌機(jī)械以及節(jié)水型噴灌機(jī)等設(shè)備。

（1）隨著經(jīng)濟(jì)全球化以及各國(guó)工業(yè)化、機(jī)械化程度的提高，石油資源的需求進(jìn)一步提升，油氣儲(chǔ)量甚至成為判斷一個(gè)國(guó)家實(shí)力強(qiáng)弱的標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際上對(duì)石油需求的增加，也為勝利油田走國(guó)際化道路提供了便利和機(jī)遇。

采用的增量式數(shù)字PID算法流程圖如圖6所示。程序算法中對(duì)控制增量Δy(k)進(jìn)行限幅處理，有效減小了因電流或者電壓變化較大導(dǎo)致的系統(tǒng)超調(diào)甚至振蕩，提高了系統(tǒng)的控制能力，增強(qiáng)其可靠性及穩(wěn)定性。同時(shí)，對(duì)輸出控制量y(k)限幅，避免輸出的控制量超出PWM占空比范圍而導(dǎo)致控制系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路

圖4 焊接電流采樣電路

圖5 主程序流程圖

圖6 增量式PID控制算法程序流程圖

4 試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 充電試驗(yàn)

采用設(shè)計(jì)的半橋逆變電路對(duì)容量為0.282 F的電容組進(jìn)行恒流充電試驗(yàn)，設(shè)定電容組電壓U為30 V，充電電流值為25 A，50 A，100 A時(shí)獲得的充電波形分別如圖7a～7c所示(圖中曲線1為充電電流曲線，曲線2為電容組電壓曲線)?？梢悦黠@看出，充電電流越大，電容組達(dá)到設(shè)定充電電壓值的時(shí)間越短，見(jiàn)表1。充電電流達(dá)到100 A時(shí)，電容的完全充電時(shí)間小于100 ms，快速的充電過(guò)程能滿足自動(dòng)化生產(chǎn)的高速焊接要求。

圖7 恒流充電曲線

表1 各電流下的充電時(shí)間值

充電電流I/A實(shí)測(cè)電壓U/V充電時(shí)間t/ms2529．83625029．918310029．992

4.2 放電波形

4.2.1 恒流放電試驗(yàn)

在恒流控制模式下，用長(zhǎng)度為60 cm的75 mm2銅電纜將電源輸出端短路，設(shè)定放電電流值為1 000 A，放電時(shí)間分別為1 ms，9.99 ms，電流曲線分別如圖8a和圖8b所示。從圖8a中可以明顯看出，該晶體管式精密電阻點(diǎn)焊電源輸出電流紋波小，電流上升速度快，可在1 ms內(nèi)平穩(wěn)輸出1 000 A的電流，電流上升時(shí)間tr為20 us。

圖8 電流曲線

4.2.2 恒壓放電試驗(yàn)

恒壓輸出模式下，加長(zhǎng)輸出電纜，采用直徑3 mm的筆狀焊嘴，電壓設(shè)定值1.5 V，放電時(shí)間9.99 ms，輸出電壓曲線如圖9所示，電壓上升時(shí)間tr1為200 μs。恒壓模式下焊嘴發(fā)熱的一致性好，能有效抑制熱積累問(wèn)題。

圖9 1.5 V/9.99 ms電壓曲線

4.2.3 恒功率放電試驗(yàn)

恒功率輸出模式下，加長(zhǎng)輸出電纜，采用直徑3 mm的筆狀焊嘴，功率設(shè)定值1.1 kW，放電時(shí)間9.99 ms，輸出電流、電壓、功率曲線分別如圖10中曲線1,2,M所示。放電過(guò)程中，焊嘴的溫度不斷升高，導(dǎo)致焊嘴的電阻值不斷增大，所以恒功率放電過(guò)程中焊嘴的電流值不斷下降，電壓值不斷升高。

圖10 1.1 kW/9.99 ms恒功率放電曲線

4.3 焊接試驗(yàn)

焊接試驗(yàn)的樣品為304不銹鋼過(guò)濾網(wǎng)，過(guò)濾網(wǎng)厚度為0.15 mm。電極壓力為45 N，球面形電極工作面直徑為1.5 mm，采用恒流控制模式設(shè)置焊接電流為870 A，緩升時(shí)間為1 ms，焊接時(shí)間為2.3 ms，焊接過(guò)程電極發(fā)熱集中，飛濺少。焊點(diǎn)外觀如圖11a所示，焊點(diǎn)表面無(wú)發(fā)黑現(xiàn)象，焊點(diǎn)外形美觀，無(wú)毛刺。圖11b為焊點(diǎn)熔核圖，由圖可知，熔核直徑為0.82 mm，拉伸強(qiáng)度為250.06 N，這說(shuō)明文中設(shè)計(jì)的焊接電源所獲得的焊點(diǎn)具有較高的可靠性。

圖11 焊點(diǎn)效果圖

5 結(jié)論

(1)采用高頻半橋逆變電路在額定充電電流(100 A)下，對(duì)0.282 F電容組進(jìn)行完全充電時(shí)，充電時(shí)間小于100 ms。

從圖13中可以看出,在相同的負(fù)載電阻的情況下,本文提出電路的輸出功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于僅有源整流結(jié)構(gòu)電路和全橋整流結(jié)構(gòu)電路的輸出功率。在負(fù)載電阻100 kΩ的情況下,所提電路的真正輸出功率為291.35 μW,全橋整流電路的輸出功率為125.32 μW。與全橋整流電路相比,本文提出的電路將輸出功率提高了132%。說(shuō)明本文提出的電路結(jié)構(gòu),可大大提高壓電能量俘獲電路的整流效率和能量俘獲能力。

烤煙是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，其品質(zhì)和產(chǎn)量主要受遺傳(品種)、生態(tài)環(huán)境(氣候因子和土壤養(yǎng)分)及栽培管理措施等三方面因素的影響。其中，土壤養(yǎng)分豐度狀況及供應(yīng)能力與烤煙正常生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量提升及風(fēng)格特征形成密切相關(guān)[1-2]。對(duì)植煙土壤養(yǎng)分狀況分析及肥力評(píng)價(jià)能有效獲取土壤質(zhì)量狀況，是土地合理開(kāi)發(fā)利用中的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)工作，為植煙土壤改良和土壤規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)[3-5]。

(2)電容組充電電壓可達(dá)30 V，極大提高了電流上升速度，電流上升率可達(dá)50 A/μs；利用電容組存儲(chǔ)的能量進(jìn)行焊接，能有效抑制網(wǎng)壓擾動(dòng)，進(jìn)一步提升了電流輸出精度。

(3)利用MOSFET高頻斬波技術(shù)，可將電流(電壓或功率)調(diào)節(jié)頻率提升到100 kHz，提高了電源的控制精度和響應(yīng)速度，可實(shí)現(xiàn)1 ms內(nèi)平穩(wěn)輸出1 000 A的電流，熱量集中，實(shí)現(xiàn)快速焊接，適合微型件的超精密焊接。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱正行, 嚴(yán)向明, 王敏. 電阻焊技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005: 93-95.

[2] 楊景衛(wèi), 曹彪. 微型零件精密電阻點(diǎn)焊技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 焊接, 2009(6): 43-47.

[3] 余文捷. 波控晶體管式電阻點(diǎn)焊電源的研制[D]. 廣州: 華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2012.

[4] 李西恭, 楊錄東, 張亮. 20 kHz電阻焊逆變電源的研制[J]. 焊接學(xué)報(bào), 2006, 27(2): 105-107.

[5] 曹彪, 王曉東, 范豐欣, 等. 高頻晶體管式電阻點(diǎn)焊電源的研制[J]. 焊接學(xué)報(bào), 2009, 30(7): 73-76.

[6] 曾敏, 魏良紅, 馬成, 等. 基于DSP的高頻逆變電阻點(diǎn)焊電源的研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2011, 47(6): 80-85.