晶体管电阻焊电源及其焊接波形控制方法与流程

本发明涉及一种晶体管电阻焊电源以及该晶体管电阻焊电源的焊接波形控制方法。

背景技术

电阻焊接电源的工作原理包括电容储能式、逆变式以及晶体管式等，其中基于晶体管式的电阻焊接电源由多只并联的nmos晶体管同步开启和关闭以实现焊接能量输出，nmos晶体管具备导通内阻小、响应速度快等优点，但这对放电波形控制策略和方法提出了极大的挑战，将针对电容储能式、逆变式等电阻焊接电源的控制策略及方法直接应用至基于晶体管式的电阻焊接电源，会导致基于晶体管式的电阻焊接电源无法凸显其独特性能。

电阻焊接电源的单次放电包含放电启动、放电持续和放电结束三个阶段，放电持续阶段典型数值在亚毫秒至几十毫秒范围内，放电的理想需求是在放电启动瞬间微点焊头获得预期的放电电压，在放电持续时间内微点焊头的放电电压维持不变，在放电结束瞬间微点焊头无放电电压。常规的电阻焊接电源采用的波形控制方法是：在设定的焊接持续时间t内，主控模块采集微点焊头的实时电压，将该实时电压作为反馈信号，由主控模块控制晶体管组实现设定电压的焊接能量输出。上述方法存在的缺陷包括：放电启动时，微点焊头达到设定的焊接电压所需的时间为毫秒级；放电持续时间内，微点焊头焊接电压呈现较大波动，严重降低微点焊头寿命。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明提出一种晶体管电阻焊电源，可以由晶体管组接收主控模块发出的波形控制信号，晶体管组从焊接能量池传输电能至微点焊头，在微点焊头的毫欧级阻抗尖端产生低电压高电流放电能量。

本发明还提出一种晶体管电阻焊电源的焊接波形控制方法，该焊接波形控制方法能够实现微点焊头焊接能量的精准控制。

根据本发明第一方面实施例的晶体管电阻焊电源的拓扑结构包括：主控模块，所述主控模块发出波形控制信号；晶体管组，所述晶体管组接收所述波形控制信号；焊接能量池，所述焊接能量池与所述晶体管组连接，所述焊接能量池内蓄有电能；微点焊头，所述微点焊头与所述晶体管组连接，所述晶体管组从所述焊接能量池传输所述电能至所述微点焊头，所述微点焊头接收所述电能并产生焊接能量以加热焊接待焊工件。

根据本发明实施例的晶体管电阻焊电源的拓扑结构采用主控模块、晶体管组、焊接能量池和微点焊头相结合的装置，可以由晶体管组接收主控模块发出的波形控制信号，晶体管组从焊接能量池传输电能至微点焊头，在微点焊头的毫欧级阻抗尖端产生低电压高电流放电电能，通过在微点焊头通有大电流，并通过电热转换实现焊接，不仅能够增大焊接能量，提高焊接效果，还能够稳定微点焊头焊接电压，延长微点焊头的使用寿命。

根据本发明一个实施例，所述焊接能量池为电容器组，所述焊接能量池为电容器组，所述微点焊头具有毫欧级阻抗尖端，所述毫欧级阻抗尖端将低电压高电流电能转化为热能，通过接触加热方式焊接待焊工件。

根据本发明一个实施例，所述晶体管电阻焊电源内置有：变压整流模块，所述变压整流模块与供电电网连接，所述变压整流模块能够将电网电能降压至所需的直流电压，所述变压整流模块与所述主控模块交互；充电电路模块，所述充电电路模块分别与所述主控模块和所述变压整流模块连接以持续为所述电容器组充电至设定的直流电压；罗氏线圈，所述罗氏线圈在执行放电时从放电链路感应放电电流的变化并变送输出信号；放电电压电流检测模块，所述放电电压电流检测模块在执行放电时接收所述微点焊头放电电压信号并进行预处理，接收所述罗氏线圈的输出信号并进行预处理，所述放电电压电流检测模块与所述主控模块交互，所述放电电压电流检测模块能够将预处理的信号传输给主控模块；人机交互模块，所述人机交互模块与所述主控模块交互，所述人机交互模块能够向所述主控模块输入参数和指令，显示所述主控模块的工作状态及参数。

根据本发明一个实施例，所述晶体管电阻焊电源外部连接有：两根柔性铜缆，两根所述柔性铜缆的一端分别与所述晶体管电阻焊接电源的正极和负极的铜制连接端子连接；焊头夹，所述焊头夹的两个电极端的一端分别与两根所述柔性铜缆的另一端连接，所述焊头夹的两个电极端的另一端连接放电电压反馈线缆至所述放电电压电流检测模块，所述焊头夹安装有所述微点焊头。

根据本发明一个实施例，所述晶体管电阻焊接电源内的负极铜制连接端子穿过所述罗氏线圈，由所述罗氏线圈从所述负极的铜制连接端子流过的放电电流感应出与放电电流的变化趋势一致的感应电压信号，并将该电压信号传输至所述放电电压电流检测模块。

根据本发明第二方面实施例的晶体管电阻焊电源的焊接波形控制方法，在单次放电时间内，所述主控模块包括以下环节进行放电波形控制：放电波形控制环节ⅰ，将微点焊头达到设定的焊接电压所需的时间提升为百微秒级，能够实现放电电压的快速爬升；放电波形控制环节ⅲ，放电持续时间内启动自适应pid算法精准控制微点焊头的焊接能量，能够实现放电电压或放电电流的稳定控制。

根据本发明一个实施例，所述的晶体管电阻焊电源的焊接波形控制方法还包括：放电波形控制环节ⅱ，所述放电波形控制环节ⅱ能够实现放电波形控制环节ⅰ和放电波形控制环节ⅲ的自适应衔接，实现放电波形控制环节ⅲ中自适应pid算法的快速启动，能够实现爬升至目标电压时的快速整定。

根据本发明一个实施例，所述放电波形控制环节i包括：a1、所述主控模块从t0时刻输出波形控制信号，控制所述晶体管组以全功率输出方式实现放电能量输出，同时从所述放电电压电流检测模块连续采集并预处理检测信号，由主控模块提取出实时放电电流和放电电压，计算出所述微点焊头的电阻值和放电电压爬升速率；a2、所述主控模块将所述微点焊头的电阻值和放电电压爬升速率与放电波形数据库进行匹配运算，计算出合适的目标电压vmax的具体数值，全功率输出直至所述微点焊头的放电电压达到vmax，该环节的持续时间为(ta-t0)。

根据本发明一个实施例，所述放电波形控制环节ii包括：b1、由所述主控模块从ta时刻停止波形控制信号，同时从所述放电电压电流检测模块连续提取出实时放电电流和放电电压，计算出所述微点焊头的放电电压和电流下降速率；b2、所述主控模块将所述微点焊头的放电电压和电流下降速率与放电波形数据库进行匹配运算，计算出合适的无功率输出持续时间(tb-ta)。

根据本发明一个实施例，所述放电波形控制环节iii包括：由所述主控模块启动自适应pid控制算法，实现所述微点焊头放电电压的自适应控制，其持续时间为(t1-tb)。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的晶体管电阻焊电源的拓扑结构；

图2是根据本发明实施例的晶体管电阻焊电源的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的晶体管电阻焊电源的焊接波形控制方法示意图。

附图标记：

晶体管电阻焊电源100；

主控模块1；晶体管组2；焊接能量池3；微点焊头4；变压整流模块5；充电电路模块6；罗氏线圈7；放电电压电流检测模块8；人机交互模块9；柔性铜缆10；焊头夹11；

焊接波形控制方法200。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面参考附图具体描述根据本发明实施例的晶体管电阻焊电源100。

如图1和图2所示，根据本发明实施例的晶体管电阻焊电源100的拓扑结构包括主控模块1、晶体管组2、焊接能量池3和微点焊头4。

具体而言，主控模块1发出波形控制信号，晶体管组2接收波形控制信号，焊接能量池3与晶体管组2连接，焊接能量池3内蓄有电能，微点焊头4与晶体管组2连接，晶体管组2从焊接能量池3传输电能至微点焊头4，微点焊头4接收电能并产生焊接能量以加热焊接待焊工件。

换言之，根据本发明实施例的晶体管电阻焊电源100的拓扑结构主要由主控模块1、晶体管组2、焊接能量池3和微点焊头4组成，主控模块1与晶体管组2连接，主控模块1发出波形控制信号，晶体管组2接收该波形控制信号，焊接能量池3与晶体管组2连接，微点焊头4与晶体管组2连接，焊接能量池3蓄有电能，焊接能量池3持续储存着焊接所需能量，晶体管组2可以将焊接能量池3内的能量传送至微点焊头4，微点焊头4接收电能，在微点焊头4的尖端上可以产生焊接能量，从而可以实现对于待焊工件的加热焊接。

如图1所示，需要说明的是，可以由绕组比为n1:n2的变压器将电能(ac)降压至几十伏后全桥整流出所需的直流电压，在焊接时，可以由脉冲宽度调制信号(pwm信号)控制晶体管组2(q)从焊接能量池3传输能量至微点焊头4，微点焊头4可通有大电流，通过电热转换实现焊接，pwm信号的波形特性影响甚至决定着微点焊头4的焊接能量和最终的焊接效果。

由此，根据本发明实施例的晶体管电阻焊电源100的拓扑结构采用主控模块1、晶体管组2、焊接能量池3和微点焊头4相结合的装置，可以由晶体管组2接收主控模块1发出的波形控制信号，晶体管组2从焊接能量池3传输电能至微点焊头4，在微点焊头4的毫欧级阻抗尖端产生百微秒级响应的低电压高电流放电电能，通过在微点焊头4通有大电流，并通过电热转换实现焊接，通过焊接电压的快速爬升、整定和稳定控制，最大程度地发挥晶体管组的快速响应特性，提高焊接效果。

如图1所示，根据本发明的一个实施例，焊接能量池3可为电容器组，电容器组可为大容量电容器组(c)，电容器组内蓄有电能，微点焊头4可具有毫欧级阻抗尖端，毫欧级阻抗尖端将低电压高电流电能由其毫欧级阻抗实现电热转换，直接发热以接触加热方式焊接待焊工件。

如图2所示，可选地，晶体管电阻焊电源100内置有变压整流模块5、充电电路模块6、罗氏线圈7、放电电压电流检测模块8和人机交互模块9。

具体地，变压整流模块5与供电电网连接，变压整流模块5能够将电网电能降压至所需的直流电压，变压整流模块5与主控模块1交互，充电电路模块6分别与主控模块1和变压整流模块5连接以持续为电容器组充电至设定的直流电压，罗氏线圈7在执行放电时从放电链路感应放电电流的变化并变送输出信号，放电电压电流检测模块8在执行放电时接收微点焊头4放电电压信号并进行预处理，接收罗氏线圈7的输出信号并进行预处理，放电电压电流检测模块8与主控模块1交互，放电电压电流检测模块8能够将预处理的信号传输给主控模块1，人机交互模块9与主控模块1交互，人机交互模块9能够向主控模块1输入参数和指令，显示主控模块1的工作状态及参数。

也就是说，变压整流模块5可以与供电电网连接，变压整流模块5可以为绕组比为n1:n2的环形变压器，变压整流模块5能够将电网电能降压至几十伏后全桥整流出主控模块1、充电电路模块6和放电电压电流检测模块8所需的直流电压，充电电路模块6可以受控于主控模块1，充电电路模块6可以持续为电容器组充电至设定的直流电压，晶体管组2可以受控于主控模块1，执行放电时从电容器组将电能搬运至放电链路，罗氏线圈7可作为大电流感应元件，在执行放电时从放电链路感应出放电电流的变化并将该其感应信号变送至放电电压电流检测模块8，在执行放电时，放电电压电流检测模块8可以接收微点焊头4的放电电压信号并进行滤波等预处理，接收罗氏线圈7的输出信号并进行积分等预处理，将预处理的信号传输给主控模块1，人机交互模块9可以包括按键、指示灯和显示屏等，通过人机交互模块9不进可以向主控模块1输入参数和指令，还可以显示主控模块1的工作状态及相关参数。

需要说明的是，主控模块1可以与各子模块进行交互，并实现波形控制。

进一步地，晶体管电阻焊电源100外部连接有两根柔性铜缆10和焊头夹11。

具体地，两根柔性铜缆10的一端分别与晶体管电阻焊接电源的正极和负极的铜制连接端子连接，焊头夹11的两个电极端的一端分别与两根柔性铜缆10的另一端连接，焊头夹11的两个电极端的另一端连接放电电压反馈线缆至放电电压电流检测模块8，实现放电电压实时检测，焊头夹11安装有微点焊头4，由微点焊头4的尖端可以实现整个焊接回路的闭合。

在本发明的一些具体实施方式中，晶体管电阻焊接电源内的负极铜制连接端子穿过罗氏线圈7，由罗氏线圈7从放电电流的变化感应出电压信号，也就是说，由罗氏线圈7从负极的铜制连接端子流过的放电电流感应出与放电电流的变化趋势一致的感应电压信号，并将该电压信号传输至放电电压电流检测模块8，实现放电电流实时检测。

如图3所示，根据本发明实施例的晶体管电阻焊电源的焊接波形控制方法200，在单次放电时间内，主控模块1包括放电波形控制环节ⅰ和放电波形控制环节ⅲ进行放电波形控制。

具体地，在放电波形控制环节ⅰ中，将微点焊头4达到设定的焊接电压所需的时间提升为百微秒级，能够实现放电电压的快速爬升，在放电波形控制环节ⅲ中，放电持续时间内启动自适应pid算法精准控制微点焊头4的焊接能量，能够实现放电电压或放电电流的稳定控制。

根据本发明的一个实施例，主控模块1还包括放电波形控制环节ⅱ，放电波形控制环节ⅱ能够实现放电波形控制环节ⅰ和放电波形控制环节ⅲ的自适应衔接，实现放电波形控制环节ⅲ中自适应pid算法的快速启动，能够实现爬升至目标电压时的快速整定。

也就是说，在单次焊接过程中，主控模块1可以分三个环节进行放电波形控制，可解决常规波形控制缺陷。

进一步地，放电波形控制环节i包括：

a1、主控模块1从t0时刻输出波形控制信号，控制晶体管组2以全功率输出方式实现放电能量输出，同时从放电电压电流检测模块8连续采集并预处理检测信号，由主控模块1提取出实时放电电流和放电电压，计算出微点焊头4的电阻值和放电电压爬升速率。

a2、主控模块1将微点焊头4的电阻值和放电电压爬升速率与放电波形数据库进行匹配运算，计算出合适的目标电压vmax的具体数值，全功率输出直至微点焊头4的放电电压达到vmax，该环节的持续时间为(ta-t0)。

也就是说，设定单次放电的放电参数，包括放电电压vset、放电持续时间(t1-t0)等，在放电波形控制环节i中，在微点焊头4上的瞬时电压一直增大至超过vset，并最终达到目标电压vmax，由主控模块1从t0时刻输出波形控制信号，控制晶体管组2以全功率输出方式实现放电能量输出，同时从放电电压电流检测模块8连续采集并预处理检测信号，由主控模块提取出实时放电电流和放电电压，计算出当前所用微点焊头4的电阻值和微点焊头4的放电电压爬升速率，主控模块1将微点焊头4的电阻值和微点焊头4的放电电压爬升速率与放电波形数据库进行匹配运算，计算出合适的目标电压vmax的具体数值，全功率输出直至微点焊头4的放电电压达到vmax，该环节的持续时间为(ta-t0)。

在本发明的一些具体实施方式中，放电波形控制环节ii包括：

b1、由主控模块1从ta时刻停止波形控制信号，同时从放电电压电流检测模块8连续提取出实时放电电流和放电电压，计算出微点焊头4的放电电压和电流下降速率。

b2、主控模块1将微点焊头4的放电电压和电流下降速率与放电波形数据库进行匹配运算，计算出合适的无功率输出持续时间(tb-ta)。

根据本发明的一个实施例，放电波形控制环节iii包括由主控模块1启动自适应pid控制算法，实现微点焊头4放电电压的自适应控制，其持续时间为(t1-tb)。

总而言之，根据本发明实施例的晶体管电阻焊电源的焊接波形控制方法200在单次放电持续时间内，采用波形控制方法，晶体管电阻焊接电源实现放电电压的快速爬升、爬升至目标电压时的快速整定和其后的放电电压平稳控制，从放电链路实时采集放电电压和放电电流，并分析其变化特性，将放电波形控制划分为三个环节，根据上述信息自适应计算各个环节的晶体管组2波形控制参数，实现微点焊头4焊接能量的精准控制，采用本发明实施例的焊接波形控制方法200不仅可以将放电波形划分为三个环节，针对各个环节进行精准波形控制，并且可以提升微点焊头4达到设定的焊接电压所需的时间至百微秒级，在放电开始瞬间设置无功率输出环节，保证自适应pid算法的快速启动，还能够在放电持续时间内启动自适应pid算法精准控制微点焊头4的焊接能量。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。