钟磊　黄增好　杨凯　江伟　曹彪　朱才青

摘要：为解决精密电阻焊过程中接触电阻变化范围大且难以预估，并由此产生焊接飞溅、虚焊等焊接质量不良的问题，设计了一种晶体管式电阻点焊电源及复合控制模式。主要介绍了晶体管式电源的主电路结构、工作原理、以dsPIC33FJ64GS610为核心的控制系统及复合控制方法。电源输出采用MOSFET开关100 kHz斩波控制，最大输出电流4 000 A，能够对电压、电流反馈快速响应。复合控制模式将恒压控制与恒流控制相结合，焊接初期采用电压反馈控制适应接触电阻的变化，在短时间内降低电阻焊过程中的不确定因素，后期利用恒流模式焊接，保证焊点发热。实验结果表明，针对初期接触电阻差异大的工件结构，复合控制模式能够有效提高其焊接稳定性。

关键词：电阻点焊;晶体管式;电源;复合控制

中图分类号：TG434.1 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）02-0014-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.03

0 前言

电阻点焊过程中形核时间极短且存在大量不确定因素，具有高度非线性、多变量耦合并处于封闭状态无法观测、焊接特征信号提取困难等特点[1]，目前缺乏可靠的无损检测方法，只能通过工艺试样和破坏性试验来检验[2]，所以焊接控制方式的科学性和合理性对于保证焊接质量尤为重要。电阻焊初期接触示意如图1所示，由于工件和电极表面都不是绝对平整，接触时只是在凸出点上接触，且表面情况复杂，存在氧化层及杂质等，导致焊接初期负载情况复杂。若采取单一模式焊接，难以得到可靠的焊接效果，并会伴随较大的焊接飞溅等不理想情况。此现象降低了焊接质量，增加了电极消耗。例如在锂电池组的有色金属焊接过程中，要求极短时间内在电池帽上形成熔核，必须有较高的焊接能量，由于接触点处电流密度过大，易出现较大的焊接飞溅。若能在焊接初期较短时间内根据其负载情况自动调整电源能量输出大小，再在达到合适焊接条件时用恒流模式焊接，则能大大減小飞溅，提高焊接质量。传统IGBT为功率管的电源开关速度慢，难以实现这一目标。晶体管开关速度快，可实现微秒级的控制[3-5]，多个晶体管并联时可以实现自动均流[6]，进而实现大功率输出。且晶体管式焊接电源动态响应速度快，能量控制精度高[7-8]，为极短时间内改善焊接条件提供了技术基础。再如汽车行业大量应用的高强钢板的焊接[9]，由于高强钢板强度高，焊接过程需要较大的焊接压力使两钢板贴合紧密，以保证焊接质量。整套加压装置成本高昂，且占用空间，若在焊接初期根据负载情况输出合适能量，软化钢板接触点，则只需较小压力就能使两钢板充分接触，大大节约成本，减小加压设备体积，进而提高空间利用率。

本文针对这一焊接技术问题，设计了复合控制模式的晶体管式电阻焊电源。复合控制将焊接过程分为两个阶段：第一阶段采用恒压模式，根据焊接过程中负载阻值的变化自动调整输出焊接功率，使焊件在无飞溅情况下充分接触，改善焊接条件，从而保证下一阶段的恒流模式焊接时获得更好的焊接质量。控制系统根据对电流采样结果的分析自动判断是否进入恒流模式。晶体管式电阻焊电源输出脉冲电压24 V，最大输出电流4 000 A，开关频率100 kHz，动态响应速度快，电压范围广，纹波小，为该控制模式的使用提供了很好的平台。

1 晶体管式电源的设计

1.1 主电路及工作原理

研制的4 kA晶体管式电源主电路如图2所示，主要由开关电源模块、储能电容组C1、滤波电容C2、功率MOSFET管、续流二极管VD2等组成。

工作原理为：220 V市电经过开关电源模块后得到24 V的直流电，给储能电容组C1充电，开关电源模块功率750 W，可实现对电容的快速充电，满足高速焊接需求。电源通过功率MOSFET的开、关对输出电压斩波，得到100 kHz直流方波。功率管的开、关控制整个回路的通、断，PWM信号的输出时间即为焊接时间，电源系统通过控制MOSFET导通时的占空比来控制输出电压、输出电流大小。

1.2 控制电路

为使控制系统具有较强的数字信号处理运算能力和控制功能，以Microchip公司的dsPIC33FJ64GS610为核心，它具有MCU控制功能和DSP数据处理能力强的优点。控制系统包括DSP最小系统、功率管驱动电路、电压和电流采样电路、过流保护和过热保护电路、控制信号输入电路和输出电路、RS485通信电路、控制系统供电电路等。可实现以下功能：（1）为PMW模块设定初始占空比。焊接过程开始后，通过电流和电压采样电路对主电路电压、电流实时采样，通过芯片自身集成的ADC模块将模拟信号转化为数字信号进行处理，经过增量式PID调节后得到新的PWM信号，并通过驱动电路送回主电路，实现对MOSFET开、关以及占空比的控制，进而控制焊接回路的通断和输出电流、输出电压大小。整个回路实现闭环控制，保证了系统的稳定性和精度。（2）通过设计芯片I/O端口用于开关信号的处理以及功能模块的拓展，实现对电源系统的控制。（3）实现恒流、恒压、恒功率等多种焊接控制模式。（4）有专门的保护电路，实现对电源过流、过热等故障的保护。（5）具有独立的RS485通讯接口，用于与外部通信，实现对外数据传输以及对内系统控制参数的获取。

2 软件系统及负载适应控制

2.1 电源软件系统

控制系统软件包括系统主程序、PWM程序、A/D采样及其中断程序、定时器及其中断程序、分段增量式PID控制程序、故障保护中断服务程序、LCD显示屏程序、按键板程序、RS485通讯程序等。程序允许中断嵌套，其中故障处理任务在整个控制系统中具有最高优先级，一旦检测到故障信号，其服务程序可以中断任何其他正在运行的程序而优先得到处理。ADC中断处于次高优先级，用于对电压电流信号采样以及脉冲数计数。定时器中断处于较高优先级，用于在预压、保压等阶段计时，配合控制焊接过程。串口通讯任务及其中断处理任务处于较低优先级，可用于设定焊接参数以及实时导出焊接数据。各功能模块的中断优先级未连续分配，方便后续系统的功能拓展。

2.2 控制模式及切换规则

复合控制模式将焊接过程分为两个阶段：初期恒压模式阶段和后期恒流模式阶段。程序采用模块化设计，便于调试、维护和功能拓展。焊接开始前，设置恒压模式上限时间tu、恒流焊接时间ti、电流上升速度临界值vg、恒压值Ug和恒流值Ig。

焊接初期采用恒压模式，系统可根据负载情况自动调整输出功率大小，负载阻值越大，输出功率越低，阻值越小，输出功率越高。此阶段可以去除杂质和氧化层，使焊件接触的凸出点在无飞溅情况下熔化贴合。在恒压模式过程中，通过分析输出电流值来判断负载状态，这是因为采样周期固定，相同间距两次电流采样值之差即为电流上升速度，若电流上升速度v小于临界值vg，表明此时接触电阻值基本稳定;若实际电流值I达到恒流模式设定的电流值Ig，则说明工件情况已经达到焊接条件。这两种情况满足其一即可自动切换为恒流模式实施焊接。此外，恒压模式上限时间为tu，若恒压过程中上述两个条件均未达到，则在达到tu后自动切换到恒流模式，在恒流模式焊接至恒流时间ti结束。恒压过程改善了工件的表面状态和接触状态，保证了恒流过程的初始焊接条件，程序流程如图3所示。

在恒流模式过程中，采用分流器采样输出电流，采样值经采样电路处理后传输到芯片的ADC模块转换为数字量，计算电流采样值与设定值的偏差err。当err较大时，增大离散式PID算法中的积分系数，以获得较快的电流上升速度;当err较小时，增大比例系数并减小积分系数，避免较大超调量。通过采用不同的PID参数，加强对焊接电流的控制，使电流具有较快上升速度的同时大大减小超调量，并且有较为平滑的稳态值。同时，晶体管式电源较高的脉冲电压能够为恒压模式提供较大的电压选择范围，扩大了控制模式的适用范围。脉冲频率采用100 kHz，为控制响应速度提供硬件支持，使电源输出功率可紧随负载变化迅速调整，对焊接过程的控制效果较好。

3 试验分析

3.1 负载自适应电流波形测试

试验平台由自制的4 kA晶体管式电源、霍尔电流传感器、精源电子设备公司的监测仪[10]等组成，该监测仪可实时监测焊接电流和焊接电压，并由此得到焊件的动态电阻和电源的实时输出功率。焊件为厚0.2 mm铜片与直径2 mm铜线，采用搭接焊接方式，设定焊接电压1.4 V，时间1 ms，电流上升速度临界值100 A/ms，电流2 000 A，时间1.5 ms。焊接过程中的波形变化曲线如图4所示，其中图4b忽略焊接结束阶段因电流过小而导致的电阻值计算异常。由图4a可知，系统在0.7 ms时进入恒流模式。整个焊接过程中，电源输出功率随负载变化，当负载阻值较大时输出功率较低，避免飞溅及损坏工件，负载阻值较小时输出功率较高，保证焊接质量。

3.2 焊接工艺试验

3.2.1 锂电池组焊接

考虑到大型电池组件结构、质量和成本，焊接时需要高度自动化，一般用电阻点焊[11-12]。试验对象为18650锂电池专用电池帽及镍片，电池帽材质为201不锈钢。使用单面双点焊机头，分别用晶体管式电源复合控制模式和逆变式电阻点焊电源恒流模式焊接。达到焊接质量要求时，两种电源焊接参数对比如表1所示。

试验表明，传统电阻点焊电源电流上升速度慢，电流纹波较大，焊接结束后电池帽背面发黑，且容易粘电极，不能满足工程中锂电池焊接要求，如图5a所示。晶体管式电阻点焊电源电流上升速度快，且纹波小，能量控制精度高，未出现电池帽背部焊点发黑以及粘附电极现象，适合工程中锂电池组焊接，如图6a所示。使用逆变式电阻点焊电源和晶体管式电阻点焊电源焊接电池帽与镍片时的动态电阻曲线分别如图5b、图6b所示。

3.2.2 特殊焊接应用

实际工程焊接示意如图7a所示，焊件为0.4 mm和3 mm厚的不锈钢板，需手持输出电极与工件进行单面单点电阻点焊，两焊件无法通过加压装置夹紧加压。若采用普通逆变式电源，则只能用夹紧两板方式点焊，焊接电流1 500 A，时间20 ms，且需要气动加压机头施加焊接压力300 N，否则会出现严重的飞溅和焊点表面发黑現象。若采用复合控制模式的晶体管电阻点焊电源，则可在手持焊件和电极的情况下完成焊接，焊接过程无飞溅，焊点表面无发黑，焊接质量较好，达到焊接要求。其中恒压值为1.4 V，恒流值1 400 A，恒压时间2 ms，恒流时间7 ms。焊点剥离外观如图7b所示，焊点直径约为2.3 mm。

4 结论

（1）以dsPIC33FJ64GS610芯片为核心，设计了4 kA晶体管式电阻焊电源，其输出脉冲电压24 V，最大输出电流4 000 A，开关频率100 kHz，电源控制分辨率高、动态响应速度快。

（2）针对电阻焊初期因负载情况复杂而影响焊接质量的问题，以及特殊条件下加压不便的情况，设计了负载自适应的复合控制模式，使焊接初期电源输出功率自动适应负载阻值变化，避免因能量过高损坏工件，改善焊件表面状态和接触状态，减小了焊接飞溅。

（3）经验证，该晶体管式电源及复合控制模式可以适用于精密零件接触不稳定条件的焊接，实际焊接过程稳定，焊点表面美观。

参考文献：

[1] 李海波. 316LVM不锈钢电阻点焊信息检测分析及质量实时控制研究[D]. 广东：华南理工大学，2016.

[2] 路林，张文林. 电阻点焊质量无损检测技术的发展研究[J]. 焊接技术，2018（12）：1-4.

[3] Rubtsov V P. A Study of Ignition，Combustion，and Arc Break in a Direct Current Arc Furnace with a Pulsed Transistor Power Supply[J]. Russian Electrical Engineering，2019，90（4）：295-298.

[4] Krampit N Y，Kust T S，Krampit M A. Specifics of Pulsed Arc Welding Power Supply Performance Based On A Transistor Switch[J]. IOP Conference Series：Materials Science and Engineering，IOP Publishing，2016，142（1）：012013.

[5] 王新，曹彪，杨凯. 晶体管式精密电阻点焊电源的设计[J].焊接，2018（4）：51-56.

[6] López T，Elferich R. Current sharing of paralleled power MOSFETs at PWM operation[C].//2006 37th IEEE Power Electronics Specialists Conference，IEEE，2006：1-7.

[7] 王笑川，刘明宇. 精密点焊电源任意波形控制系统[J]. 焊接学报，1998，19（4）：226-230.

[8] 曹彪，王晓东，范丰欣，等. 高频晶体管式电阻点焊电源的研制[J]. 焊接学报，2009（7）：73-76.

[9] 姚磊，魏庆丰，高海洲，等. 高強钢在车身上的应用及焊接[J]. 现代零部件，2011（12）：58-61.

[10] 管景凯，杨凯，吴敏，等. 电阻点焊焊接监测仪的设计[J].电焊机，2018，48（10）：105-109.

[11] Lee S S，Kim T H，Hu S J，et al. Joining technologies for automotive lithium-ion battery manufacturing：A review[C]//ASME 2010 international manufacturing science and engineering conference. American Society of Mechanical Engineers，2010：541-549.

[12] Brand M J，Schmidt P A，Zaeh M F，et al. Welding techniques for battery cells and resulting electrical contact resistances[J]. Journal of Energy Storage，2015（1）：7-14.