晶体管式电阻焊接电源系统及其控制方法与流程

本发明涉及一种晶体管式电阻焊接电源系统、控制方法、计算机存储介质及电子设备。

背景技术：

现有的电阻点焊电源主要有以下几种：单相工频式电源、三相低频式电源、可控硅次级整流式电源、电容储能式电源、交流/直流逆变式电源和晶体管式电源等，前5种电源在应用于点焊过程中时主要存在以下几个问题：(1)能量输出控制精度和时间控制精度不能满足要求，例如目前主流的交流点焊电源的响应速度为20ms，控制响应速度和调解分辨率不足，时间设定分辨率为1ms；(2)大部分电源采用工频变压器，其缺点有体积大、笨重、效率低和耗材等；(3)大部分系统为开环系统，部分系统带电压和电流反馈控制，电源稳定性不足；(4)交流/直流逆变式电源容易受交流电网波动影响。

从控制电路所使用的电子元器件角度来看，电阻点焊控制系统可分为：分立元件控制系统、集成电路控制系统和微机控制系统等，其中微机控制系统采用的核心器件又可分为单片机、数字信号处理器和可编程逻辑控制器。从质量监控方法角度来看，电阻点焊质量控制方法包括：恒电流控制、恒电压控制、动态电阻监测、超声波法、表面温度与红外线阀等。其中，前面3种方法研究较为成熟，恒电压控制的应用较为广泛，电压信号主要采集接近焊头两端电压，其输出为脉冲信号，需要对输出信号进行处理，计算出最终的有效值。从控制实现方式上看，电阻点焊电源系统广泛采用半桥或者全桥逆变控制方法。现有的晶体管式电阻焊接电源的控制方法具有控制方法操作复杂等缺点，晶体管式电阻焊接电源不能输出较为稳定的能量，包括电压、电流和焊接时间等，晶体管式电阻焊接电源的电压参数、电流参数以及时间参数等控制精度低。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种晶体管式电阻焊接电源系统、控制方法、计算机存储介质及设备，具有使用简单、响应速度快，采用电压、电流闭环控制，输出能量保持高稳定度等优点。

为解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种晶体管式电阻焊接电源系统，所述晶体管式电阻焊接电源系统包括：主控模块，所述主控模块用于控制电容充电、输出放电、通信、io端口以及故障诊断；电容充电模块，所述电容充电模块与所述主控模块连接且用于对电容充电；放电驱动模块，所述放电驱动模块与所述主控模块连接且用于输出电流；通信模块，所述通信模块与所述主控模块连接，所述通信模块用于接收来自所述主控模块的数据输入并向所述主控模块发送数据输出；输入输出模块，所述输入输出模块与所述主控模块连接，所述输入输出模块用于外部控制信号的输入以及系统信号的输出。根据本发明实施例的晶体管式电阻焊接电源系统通过采用主控模块、电容充电模块、放电驱动模块、通信模块和输入输出模块相结合的装置，能量输出控制和时间控制精度能够满足要求，体积小，效率高，耗材少，电源的稳定性高。

根据本发明的一些实施例，所述主控模块通过采集电路采集电容组的电压，所述主控模块在所述电容组的电压小于预设电压时通过pwm信号驱动所述电容充电模块对电容充电以使电容组的电压达到设定值。

根据本发明的一些实施例，所述电容充电模块包括：升降压变换电路，所述升降压变换电路用于要求输出与输入电压反相，其值大于或小于输入电压的直流稳压电源以用于电容充电。

根据本发明的一些实施例，所述主控模块通过采集电路采集放电电压和放电电流，所述主控模块通过pwm信号驱动所述放电驱动模块，并由pid控制算法实现放电电压的稳定输出。

根据本发明的一些实施例，所述放电驱动模块包括：mosfet管组，所述mosfet管组包括多个mosfet管，多个所述mosfet管并联连接以达到预设输出电流；mosfet管组驱动电路，所述mosfet管组驱动电路采用半桥驱动芯片驱动所述mosfet管组。

根据本发明的一些实施例，所述的晶体管式电阻焊接电源系统还包括故障诊断模块，所述故障诊断模块包括：温度检测模块，所述温度检测模块分别与所述电容充电模块和所述放电驱动模块连接以用于检测温度异常；充电异常检测模块，所述充电电路检测模块与所述电容充电模块连接以用于检测充电电路异常；放电异常检测模块，所述放电异常检测模块与所述放电驱动模块连接以用于检测放电电压和放电电流异常；上下限监控模块，所述上下限监控模块与所述放电驱动模块连接以用于对放电过程中的电压/电流上下限进行监控。

根据本发明的一些实施例，所述通信模块包括：rs232/rs485自适应电路，所述rs232/rs485自适应电路能够自适应选择rs232或rs485通信模式；通信协议栈，所述通信协议栈由自定义协议栈和modbus标准协议栈组成。

根据本发明的一些实施例，所述输入输出模块包括：隔离输入、输出电路，所述隔离输入、输出电路由光耦组成以用于将cpu与外部电路电气隔离开；滤波电路，所述滤波电路由限流电阻rl、限幅二极管d、滤波电容c及分流电阻rs组成，所述限流电阻rl、所述限幅二极管d、所述滤波电容c用于消除高频干扰信号，所述分流电阻rs用于在电流未达到一定值时输入光耦不会误动作。

第二方面，本发明实施例提供一种晶体管式电阻焊接电源系统的控制方法，所述控制方法包括：充电流程：当充电使能时，采集充电电压；判断电压是否达到了设定值，如果未达到设定值则驱动电容充电模块对电容组进行充电，当达到了设定值则充电完成；放电流程：当放电使能时，采集放电电压及放电电流；通过pid算法计算输出pwm值；驱动放电驱动模块进行放电，当达到放电时间时，停止放电。

第三方面，本发明实施例提供一种计算机存储介质，包括一条或多条计算机指令，所述一条或多条计算机指令在执行时实现上述任一项所述的方法。

第四方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储一条或多条计算机指令，所述处理器用于调用并执行所述一条或多条计算机指令，从而实现如上述任一项所述的方法。

本发明的上述技术方案至少具有如下有益效果之一：

(1)采用模块化设计思路，将驱动晶体管组与电容组集成为一个标准模块，可以扩充或减少输出功率；

(2)结合恒定电压和恒定电流控制方式，提出并设计电压/电流混合控制方法；

(3)采用动态电阻监控，结合电压和电流控制方式，提出并设计恒定能量控制方法；

(4)晶体管式电阻焊接电源系统的电压、电流参数具有很好的重复性和稳定性，其中时间参数设置分辨率可以精确到0.01ms，控制精度更高；

(5)晶体管式电阻焊接电源系统具有使用简单、响应速度快，采用电压、电流闭环控制，使输出能量保持高稳定度等优点。

附图说明

图1为本发明实施例的晶体管式电阻焊接电源系统的示意图；

图2为本发明的一实施例的晶体管式电阻焊接电源系统的电容充电模块的buck/boost主电路结构图；

图3为本发明的一实施例的晶体管式电阻焊接电源系统的放电驱动模块的mosfet管组的组成结构图；

图4为本发明的一实施例的晶体管式电阻焊接电源系统的放电驱动模块的mosfet管组驱动电路的自举半桥操作电路图；

图5为本发明的一实施例的晶体管式电阻焊接电源系统的放电驱动模块的mosfet管组驱动电路的v1a、v1b引脚的带死区的互补输出的示意图；

图6为本发明的一实施例的晶体管式电阻焊接电源系统的通信模块的rs232/rs485自适应电路示意图；

图7为本发明的一实施例的晶体管式电阻焊接电源系统的通过输入输出模块的通用输入电路图；

图8为本发明的一实施例的晶体管式电阻焊接电源系统的通过输入输出模块的通用输出电路图；

图9为本发明实施例的晶体管式电阻焊接电源系统的控制方法的示意图；

图10为本发明实施例的电子设备的示意图。

附图标记：

晶体管式电阻焊接电源系统100；

晶体管式电阻焊接电源系统的控制方法200；

充电流程210；放电流程220；

电子设备300；

存储器310；操作系统311；应用程序312；

处理器320；网络接口330；输入设备340；硬盘350；显示设备360。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明实施例的晶体管式电阻焊接电源系统100包括主控模块、电容充电模块、放电驱动模块、通信模块和输入输出模块，所述主控模块用于控制电容充电、输出放电、通信、io端口以及故障诊断；所述电容充电模块与所述主控模块连接且用于对电容充电；所述放电驱动模块与所述主控模块连接且用于输出电流；所述通信模块与所述主控模块连接，所述通信模块用于接收来自所述主控模块的数据输入并向所述主控模块发送数据输出；所述输入输出模块与所述主控模块连接，所述输入输出模块用于外部控制信号的输入以及系统信号的输出。

换言之，本发明实施例的晶体管式电阻焊接电源系统100主要由主控模块、电容充电模块、放电驱动模块、通信模块和输入输出模块组成，主控模块分别与电容充电模块、放电驱动模块、通信模块和输入输出模块相连接，主控模块可用于负责电容充电控制、输出放电控制、通信、io端口控制及故障诊断等功能的实现，所述电容充电模块与所述主控模块连接且可在电压不足时通过主控模块驱动电容充电模块对电容进行充电，所述放电驱动模块与所述主控模块连接且用于输出电流，主控模块可通过pwm信号驱动放电驱动模块，由pid控制算法实现放电电压的稳定输出，所述通信模块与所述主控模块连接，所述通信模块可用于接收来自所述主控模块的数据输入并向所述主控模块发送数据输出；所述输入输出模块与所述主控模块连接，所述输入输出模块可用于外部控制信号的输入以及系统信号的输出，也就是说，通过所述通信模块与所述主控模块相配合，以及所述输入输出模块与所述主控模块相配合，能够实现数据输入输出以及控制命令输入输出。

由此，本发明实施例的晶体管式电阻焊接电源系统100采用主控模块、电容充电模块、放电驱动模块、通信模块和输入输出模块相结合的装置，不仅具有使用简单和响应速度快等优点，而且采用电压、电流闭环控制，使输出能量保持高稳定度。

根据本发明的一个实施例，所述主控模块通过采集电路采集电容组的电压，所述主控模块在所述电容组的电压小于预设电压时通过pwm信号驱动所述电容充电模块对电容充电以使电容组的电压达到设定值，也就是说，电容充电控制可通过采集电路采集电容组的电压，当电压不足时所述主控模块通过pwm信号驱动所述电容充电模块，使得电容组的电压达到设定值。

如图2所示，根据本发明的一个实施例，所述电容充电模块包括升降压变换电路(buck-boost)，可以用于负责电容充电的实现，所述升降压变换电路用于要求输出与输入电压反相，其值大于或小于输入电压的直流稳压电源以用于电容充电。

在本发明的一些具体实施方式中，所述电容充电模块包括：升降压变换电路，所述升降压变换电路用于要求输出与输入电压反相，其值大于或小于输入电压的直流稳压电源以用于电容充电。

其中：d为占空比；当d＝0.5时，u0＝ud；当0.5<d<1时，u0>ud，为升压变换；当0≤d<0.5时，u0<ud，为降压变换。

需要说明的是，晶体管式电阻焊接电源系统100的输入电压高于输出电压，因此选择降压变换形式。

根据本发明的一个实施例，所述主控模块通过采集电路采集放电电压和放电电流，所述主控模块通过pwm信号驱动所述放电驱动模块，并由pid控制算法实现放电电压的稳定输出，也就是说，输出放电控制可通过采集电路采集放电电压和放电电流，所述主控模块可通过pwm信号驱动所述放电驱动模块，由pid控制算法实现放电电压的稳定输出。

优选地，所述放电驱动模块包括mosfet管组和mosfet管组驱动电路，所述mosfet管组包括多个mosfet管，多个所述mosfet管并联连接以达到预设输出电流，所述mosfet管组驱动电路采用半桥驱动芯片驱动所述mosfet管组。

需要说明的是，如图3所示，其中，由于焊接电流很高，单一mosfet管难以达到，因此采用多个mosfet管并联的方式达到输出电流，例如，输出电流峰值为1000a，则选择10组100a电流峰值的mosfet管。

如图4所示，所述mosfet管组驱动电路采用半桥驱动芯片驱动mosfet管组，该芯片为磁隔离型并将cpu与mosfet管组电气隔离开，增强系统100的抗干扰能力。

如图5所示，v1a管脚驱动高mosfet管，v1b管脚驱动低mosfet管；v1a、v1b引脚需要输入带死区的互补输出pwm；死区控制保证了高mosfet管和低mosfet管不会同时开启，避免短路情况的发生。

根据本发明的一个实施例，所述的晶体管式电阻焊接电源系统，还包括故障诊断模块，所述故障诊断模块包括温度检测模块、充电异常检测模块、放电异常检测模块和上下限监控模块。

具体地，所述温度检测模块分别与所述电容充电模块和所述放电驱动模块连接以用于检测温度异常，所述充电电路检测模块与所述电容充电模块连接以用于检测充电电路异常，所述放电异常检测模块与所述放电驱动模块连接以用于检测放电电压和放电电流异常，所述上下限监控模块与所述放电驱动模块连接以用于对放电过程中的电压/电流上下限进行监控，也就是说，故障诊断功能包括内部温度过高检测、充电电路异常和放电电压/电流异常，并且对放电过程中的电压/电流上下限进行监控。

如图6所示，在本发明的一些具体实施方式中，所述通信模块包括rs232/rs485自适应电路和通信协议栈，所述rs232/rs485自适应电路能够自适应选择rs232或rs485通信模式，所述通信协议栈由自定义协议栈和modbus标准协议栈组成，可以适应多种通信要求。

需要说明的是，所述rs232/rs485自适应电路在同一时间内只能够选择一路通信模式，不能同时选择。

如图7和图8所示，根据本发明的一个实施例，所述输入输出模块包括隔离输入、输出电路以及滤波电路，所述隔离输入、输出电路由光耦组成以用于将cpu与外部电路电气隔离开，增强系统100的抗干扰能力，所述滤波电路由限流电阻rl、限幅二极管d、滤波电容c及分流电阻rs组成，所述限流电阻rl、所述限幅二极管d、所述滤波电容c用于消除高频干扰信号，所述分流电阻rs用于在电流未达到一定值时输入光耦不会误动作。

总而言之，根据本发明实施例的晶体管式电阻焊接电源系统100可由电容充电模块、主控模块、驱动模块以及电气结构件等组成，需要说明的是，精密压力机头和运动平台、晶体管式电阻焊接电源等可共同构成微点焊系统，微点焊系统可实现0.02mm-0.2mm线径导线(漆包线、铜线等)的自动电阻焊接，其中晶体管式电阻焊接电源的核心功能是输出稳定的能量，包括电压、电流及焊接时间。晶体管式电阻焊接电源系统100的电压、电流及焊接时间等控制参数与微点焊系统的电阻焊接质量密切相关，根据本发明实施例的晶体管式电阻焊接电源系统100的电压、电流参数具有很好的重复性和稳定性，其中时间参数设置分辨率可以精确到0.01ms，控制精度更高，还具有使用简单、响应速度快，采用电压、电流闭环控制，使输出能量保持高稳定度等优点。

如图9所示，本发明实施例的所述的晶体管式电阻焊接电源系统的控制方法200，所述控制方法200包括充电流程210和放电流程220。

当充电使能时，采集充电电压；判断电压是否达到了设定值，如果未达到设定值则驱动电容充电模块对电容组进行充电，当达到了设定值则充电完成；当放电使能时，采集放电电压及放电电流；通过pid算法计算输出pwm值；驱动放电驱动模块进行放电，当达到放电时间时，停止放电。

也就是说，在充电流程210时：当充电使能时，先采集充电电压，然后判断是否达到了设定值；如果未达到设定值则驱动充电模块对电容组进行充电，当达到了设定值则充电完成；在放电流程220时：当放电使能时，先采集放电电压及放电电流，通过pid算法计算输出pwm值；然后驱动放电模块进行放电，当达到放电时间时，系统停止放电。

另外，本发明实施例还提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质包括一条或多条计算机指令，所述一条或多条计算机指令在执行时实现上述任一所述的晶体管式电阻焊接电源系统的控制方法200。

也就是说，所述计算机存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时，使得所述处理器执行上述任一所述的晶体管式电阻焊接电源系统的控制方法200。

如图10所示，本发明实施例提供了一种电子设备300，包括存储器310和处理器320，所述存储器310用于存储一条或多条计算机指令，所述处理器320用于调用并执行所述一条或多条计算机指令，从而实现上述任一所述的控制方法200。

也就是说，电子设备300包括：处理器320和存储器310，在所述存储器310中存储有计算机程序指令，其中，在所述计算机程序指令被所述处理器运行时，使得所述处理器320执行上述任一所述的控制方法200。

进一步地，如图10所示，电子设备300还包括网络接口330、输入设备340、硬盘350、和显示设备360。

上述各个接口和设备之间可以通过总线架构互连。总线架构可以是可以包括任意数量的互联的总线和桥。具体由处理器320代表的一个或者多个中央处理器(cpu)，以及由存储器310代表的一个或者多个存储器的各种电路连接在一起。总线架构还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其它电路连接在一起。可以理解，总线架构用于实现这些组件之间的连接通信。总线架构除包括数据总线之外，还包括电源总线、控制总线和状态信号总线，这些都是本领域所公知的，因此本文不再对其进行详细描述。

所述网络接口330，可以连接至网络(如因特网、局域网等)，从网络中获取相关数据，并可以保存在硬盘350中。

所述输入设备340，可以接收操作人员输入的各种指令，并发送给处理器320以供执行。所述输入设备340可以包括键盘或者点击设备(例如，鼠标，轨迹球(trackball)、触感板或者触摸屏等。

所述显示设备360，可以将处理器320执行指令获得的结果进行显示。

所述存储器310，用于存储操作系统运行所必须的程序和数据，以及处理器320计算过程中的中间结果等数据。

可以理解，本发明实施例中的存储器310可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(rom)、可编程只读存储器(prom)、可擦除可编程只读存储器(eprom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(ram)，其用作外部高速缓存。本文描述的装置和方法的存储器310旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。

在一些实施方式中，存储器310存储了如下的元素，可执行模块或者数据结构，或者他们的子集，或者他们的扩展集：操作系统311和应用程序312。

其中，操作系统311，包含各种系统程序，例如框架层、核心库层、驱动层等，用于实现各种基础业务以及处理基于硬件的任务。应用程序312，包含各种应用程序，例如浏览器(browser)等，用于实现各种应用业务。实现本发明实施例方法的程序可以包含在应用程序312中。

上述处理器320，当调用并执行所述存储器310中所存储的应用程序和数据，具体的，当充电使能时，采集充电电压；判断电压是否达到了设定值，如果未达到设定值则驱动电容充电模块对电容组进行充电，当达到了设定值则充电完成；当放电使能时，采集放电电压及放电电流；通过pid算法计算输出pwm值；驱动放电驱动模块进行放电，当达到放电时间时，停止放电。

本发明上述实施例揭示的方法可以应用于处理器320中，或者由处理器320实现。处理器320可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器320中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器320可以是通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现成可编程门阵列(fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件，可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器310，处理器320读取存储器310中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

可以理解的是，本文描述的这些实施例可以用硬件、软件、固件、中间件、微码或其组合来实现。对于硬件实现，处理单元可以实现在一个或多个专用集成电路(asic)、数字信号处理器dsp)、数字信号处理设备(dspd)、可编程逻辑设备(pld)、现场可编程门阵列(fpga)、通用处理器、控制器、微控制器、微处理器、用于执行本申请所述功能的其它电子单元或其组合中。

对于软件实现，可通过执行本文所述功能的模块(例如过程、函数等)来实现本文所述的技术。软件代码可存储在存储器中并通过处理器执行。存储器可以在处理器中或在处理器外部实现。

具体地，处理器320还用于读取所述计算机程序，执行上述任一所述的方法。

上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述收发方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-onlymemory，简称rom)、随机存取存储器(randomaccessmemory，简称ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。