中频电源

发表于 2018-12-5 14:43

逆变电源由于具有许多其他电源所不具备的优点，如:电源的体积小、重量
轻，功率因素高，控制精度高等，目前已经成为电阻点焊电源的主要研究发展方
向。随着工业生产规模的不断扩大，设备之间的信息传递问题已经越来越突出，
大大的限制了车间的自动化程度。CAN总线的出现，很好的解决了信息孤岛问
题。本文将CAN总线引入到点焊控制系统中，解决点焊控制器和上位机之间的
数据通信问题，以实现点焊过程的自动化控制及多参数信息检测和处理，最终实
现点焊车间网络化生产，对实现逆变点焊机的焊接过程及焊点质量的智能控制有
一定的理论价值和工程实用价值。
经过对点焊控制系统的分析，设计了基于插值算法的模糊控制器，以实现点
焊恒流控制，以MATLAB软件进行仿真，仿真结果表明，本文设计的控制器具
有相应速度快、稳态精度高、超调量小等优点，比传统的模糊控制器具有更好的
控制效果。
本控制系统软件的设计是采用模块化设计思想，主要分为三个模块:
STM32F 103ZET6的在片CAN控制器的初始化及节点报文的接收与发送程序;
上位机CAN接口卡PCI-6820适配卡的程序设计及PC机可视化操作界面;焊接
电流的检测及数据处理等程序。

发表于 2018-12-5 14:43

电阻点焊技术经过长时间的发展积累已经成为了焊接技术的一个重要组成部
分，它是利用焊接电流通过工件时产生的电阻热将金属母材熔化，经过冷却之后
而形成接头的一种电阻焊的方法。点焊技术和其他的焊接方法相比较，其优势在
于点焊形成的接头质量高、焊接过程的辅助程序少、焊接过程不需要添加别的焊
接材料、焊接过程操作简单等，尤其在对机械化、自动化生产要求比较高的行业，
其优势特别突出，这就使得点焊技术在汽车制造、工程机械、航空航天等众多领
域得到了大量的应用[‘〕;近年来，随着材料的不断更新，网络通信技术、信息采集
技术、电力电子技术及智能控制技术的快速发展，这些技术的迅猛发展对点焊机
提出了更高的要求。因此，对点焊设备控制技术和点焊电源的研究越来越重要。
点焊电源的发展主要经历了电容储能、直流脉冲、三相次级整流及工频交流
过程。在20世纪80年代，由于电力电子技术和智能控制技术的大力发展，一些发
达国家推出了逆变式电阻焊机和柔性化的电阻焊成套设备，进而推进了点焊设备
的自动化、智能化的发展[[a];逆变技术具有许多优势:它可以减少供电设备的体积
和重量，节省材料;高效节能、减小功率损失，同时有较大的功率因数;动态响
应快、控制性能和电气性能好等。将逆变技术引用到点焊电源，为点焊机的发展
带来了前所未有的变化，逆变电源相比于工频交流电源可以节省约27%的电能，整
套设备的重量和材料能够得到大幅度减少[[3];另外，其良好的响应和控制性能为点
焊过程的智能控制提供了良好的基础，具有巨大的发展空间和市场潜力。
电阻点焊过程是一个温度场和电磁场之间相互藕合的时变非线性系统，对焊
接接头质量产生影响的因素非常多，并且整个焊接过程很难用精确的数学模型进
行描述，另外，焊核的形成是封闭不可见的，这不利于焊点质量信息的提取。由
于焊接车间复杂多变，在实际的焊接过程中经常会出现由电磁、网压变化、焊接
回路阻抗变化等带来的干扰，会引起点焊接头质量不稳定，因此，必须对整个点
焊过程进行合理的控制。

发表于 2018-12-5 14:44

随着我国制造业对自动化程度的要求越来越高，对点焊接头的质量和可靠性
也提出了更高的要求，因此，如何采用精确的控制方法来监控点焊过程，以满足
现代化生产的需要已经成为点焊质量监控研究的重点[[4];在点焊质量监控研究中，
控制方法由传统的比例一积分一微分(PID)到模糊控制(Fuzzy)控制、Fuzzy-PI
控制和模型参考Fuzzy自适应控制、模糊神经网络控制等，这些控制方法的实现
对控制系统中的控制芯片提出了更高的要求。单片机在其所控制的系统中只完成
信号的给定，它的数据处理能力较弱，不能实时有效地处理质量监控中的大量数
据，因而其焊接工艺过程控制实时性差，远远不能满足当代点焊现场质量控制的
要求。犯位微控制器已成为了当今主流的工控处理器，将犯位微控制器应用到点
焊控制中，不仅可以提高速度，还可以提高运算精度，因此随着半导体技术的发
展，不断的将新型的微处理器应用到点焊控制领域中来，一直以来都是热门的研
究课题。
近年来，在现代工业生产中，随着电子技术的飞速发展和计算机的应用，犯
位微控制器在点焊控制中得到更加广泛的应用。但随着生产规模的扩大，“信息孤
岛”问题越来越严重;同时，网络技术飞速的发展，这使得人们对居于网络的监
控系统呼声越来越高，因此，进一步深入研究基于现场总线的电阻点焊监控系统
对发展和完善点焊技术有着非常重要的意义。

发表于 2018-12-5 14:44

在点焊机供电装置中，逆变式电源和其他形式的电源相比较，优点比较突出，
因此，逆变式点焊机越来越受国内外学者的关注。对于逆变点焊机来说，逆变频
率是一个非常重要的参数，逆变式点焊机的变压器的通常工作频率在SOOHZ}-
SOOOHz之间，在实际的工业生产中，大多数的逆变式点焊机的工作频率都在
1000Hz}2000Hz之间。如果逆变频率过高，则会对制造变压器所需的材料性能要
求比较严格，另外，过高的频率并一定能有效的减小逆变变压器的体积;若逆变
频率过低，则点焊机的动态响应能力较差，同时也会增大逆变变压器的体积，不
能完全发挥逆变技术的优势。基于以上分析，本文所设计的逆变频率为1KHzo
为了解决点焊机微控制器与测试仪器之间的通信问题，以前是通过RS-232或
者RS-45 8总线进行实时数据的传输，最终实现对焊接现场控制[}s}，这样构成的通
信网络存在许多缺点:均为主从结构，对主节点的要求比较高，一旦主节点发生
故障，整个系统将会处于瘫痪的状态;通信方式为点对点，不能形成点对面的广
播式通信方式;它采用奇偶校验进行错误检测，误码率高，通信效率低，总线利
用率低，很难满足实时性的要求。由于点焊过程对实时性要求比较高，并且焊接
车间的干扰因素比较多，因此，这种总线不适合用于点焊过程的数据传输。CAN
总线的出现，就很好的解决了以上等问题。

发表于 2018-12-5 14:44

现场总线是生产现场设备之间的通信桥梁，实现设备间的双向串行数据通信，
完成对现场设备测量控制任务的一种系统;同时，它也是一种开放性的网络，使
测控仪器随生产现场设备而分散，在自动控制领域称其为局域网。它被越来越广
泛的应用于制造业、交通等众多自动化系统。
现场总线突破了数据通信由专用网络封闭系统而造成的缺陷，把基于封闭、
专用的解决方案变成了基于公开化、标准化去的解决方案，使集散系统结构变成
了分布式结构，从而把控制功能彻底下放到生产现场，依靠生产现场的节点就可
以实现检测和控制功能。另外，将现场总线引入到工业控制系统中，可以提高系
统的准确度和可靠性、节省硬件的数量和投资、节省维护开销及用户具有高度的
系统集成主动权。
现场总线由于有以上的优点，而得到国内外许多学者的关注。目前，国内已
经把现场总线应用到不同的控制领域，如:汽车、交通、制造加工、楼宇等，并
且在市场上已经出现了成熟的产品;同时，国内已有不少学者对将现场总线用于
焊接领域了大量的研究，胡德安[[6]等人对现场总线在焊接自动化中的应用做了一定
的分析，并在现场总线的前提下提出了焊接过程质量控制模型，为实现焊接生产
过程的智能集成，最终实现与企业CIM S的综合集成提供了技术支撑;陈树君[f}l
等人以工GM机器人作为现场主站，制定机器人与变极性等离子焊接电源通信的上
下行数据协议，成功实现了工GM焊接机器人系统通过现场总线对变极性等离子焊
接电源的控制;王健强[fgl等人以KUKA机器人为例，设计并构建了基于SoftPLC
和现场总线的点焊机器人工作站系统集成。
现阶段，在工业控制领域中，通常是采用近年来发展比较迅速的现场总线，
以完成生产现场自动化设备之间的数据通信，最终实生产现场设备与数据管理层
之间的网络通信。其中，CAN总线借助于其优良的实时性、灵活性及突出的可靠
性等优点，迅速成为现场总线中的佼佼者，其应用范围十分广泛从高速网络通信
到低成本的多线路网络。

发表于 2018-12-5 14:45

在国内，将CAN总线应用到焊接中还处于探索中。北京航空航天大学利用CAN
总线技术，解决了对航空发动机壳体进行自动化焊接时空间焊接轨迹的行走及自
动跟踪控制问题，开发了我国第一代直角坐标式弧焊机器人[“〕;济南天辰机械有
限公司研制的基于CAN总线的塑窗焊接清理生产线[12];张春宇[13〕等人针对电焊机
焊接时的电磁强干扰影响，设计了用于监控电机焊接系统的CAN总线数据通信控
制系统，该系统能方便地对多台电机进行监控并达到良好的控制性能，提高了焊
接质量和控制精度;陈书锦[‘“〕等人设计了一种基于CAN总线焊接现场气体检测报
警系统，详细介绍了其工作原理和系统结构、软件模块设计;王倩[is〕等人针对CAN
总线在数据传输中的优点，设计了以CAN总线为通信，以ARM为控制芯片的数
字化CO:焊接电源系统;罗贤星，杨场，张晨曙[ 16]利用模糊推理技术为焊点提供
质量参考并分析产生不合格焊点的原因，以CAN总线为数据通信媒介，同时管理
多台焊机，建立了电阻点焊多机在线质量管理监控系统。
目前，CAN总线仅在弧焊中得到少部分的应用，在电阻焊领域仍处于研制阶
段。由此可见，将CAN总线技术应用到电阻点焊监控系统中，它将在点焊过程中
的焊接系统分布式控制、数据采集及实时控制等方面发挥非常重要的作用。

发表于 2018-12-5 14:45

逆变技术由于其具有很多优势而得到广泛的应用，将其应用到焊接领域不仅
可以改变焊接电源的体积与重量，还可以减少功率损耗，提高电能的利用率及功
率因素;另外，经过逆变后的电流频率由原来的SOHz提高到1 KHz或者更高的频率，
这样在很大程度上提高了对焊接过程控制的精度，使得焊接电源的电气性能、控
制性能和动态响应快都得到了提高[m}
自从逆变技术出现到逆变焊机问世以来，逆变点焊电源得到迅猛发展，逆变
点焊电源已经成为当今点焊电源的主流发展方向。在逆变技术方面，一些发达国
家起步比较早，先后研发出了一系列的逆变式电阻焊机，并将这些产品投入到航
空航天、电子、汽车等众多领域，其中最具有代表性的是以点焊机器人为主的汽
车生产线的建立，这也标志着逆变电源点焊机正式进入大规模应用阶段。
近年来，随着电力电子技术的不断发展，其中主要以工GBT和MOSFET的发
展为代表，给逆变技术及其应用带来了前所未有的变化。在国外，逆变技术用于
电阻焊晚于弧焊，但随后在电阻焊领域发展的非常快。自从TOA SEIK工研制出第
一台逆变式点焊机以来，到目前为止，逆变式点焊机的数量已可以和次级整流焊
机进行媲美;宫地研发了IP和IS型两大系列的逆变式电阻焊机，其中IS型在控
制技术方面突出了更高的水平;木村生产了较大容量的与TD工一1200T型控制器配
套的逆变式悬挂电焊钳[18-25]，这些产品的逆变频率大部分在600Hz}1200Hz之间，
主力电源功率器件以GTR和工GBT为主，控制器选用的是微机控制，具有焊接接
头质量控制、故障自诊断功能和可以存储IS套以上的不同焊接规范[26];韩国的
TAESUNG电子公司生产的精密逆变点焊机系列产品TST-105 , TST-300和
TST-5000，主电路采用的是工GBT全桥逆变电路，对焊接电流的控制采用恒流控制
技术，界面采用4行LCD进行显示，键盘输入法，对焊接电流的上升及下降斜率
可以进行调节，其中S丁一105的逆变频率为4KHz，最大输出电流1500A;丁S丁一300
逆变频率为2KHz，最大输出电流3000A;丁S丁5000逆变频率1KHz，最大输出电流
5000A }2'} 2a];澳大利亚Amada Oceania Pty Ltd公司研发的ID40ST型逆变式电阻焊
机采用软件编程，可以存储16套不同类型的焊接程序，进而对焊接电流、焊接时
间进行调节;美国WTC焊接技术公司研发的Medweld4000s型逆变式点焊机可以
存储31套焊接程序，具有连网、恒流控制模式以及网压自动补偿等功能，可分别
设定预热、焊接及焊后热处理三种不同的电流。

发表于 2018-12-5 14:46

电阻焊是一个温度场、电磁场相互藕合时变非线性系统，并且焊核的形成过
程是不可见的，因而焊核信息的提取难度非常大。主要影响点焊质量的因素有电
极压力、焊接时间和焊接电流，以这三个焊接参数为监控对象的控制方法主要有:
电极间电压控制、动态电阻控制、能量监控、恒流控制等，这些控制方法虽然各
自存在优点，但是每种控制方法都存在一定的局限性，难以达到预期的目标，许
多科研工作者都在不断的努力探索。另外，可以作为电阻焊质量监控信息的参数
必须满足以下几个条件[f3gl.
   }1)控制参量必须与点焊熔核的质量有密切关系，并且可以呈一定的函数关
系，另外还要具有一定的准确度;
   (2)控制参量必须足够大，不至于被焊接现场的干扰因素所埋没;
   (3)控制参量必须可再现，一般为连续;
   (4)控制参量被取出时，不可以影响到正常的生产;
   (5)采用的监控方法比较容易实现，生产成本不宜过高。

发表于 2018-12-5 14:46

焊接电流在点焊过程中相比较于其他焊接参数对焊核的形成影响是最大的，
这在理论及实践方面都已经得到证明。在焊接的过程中，对焊接电流进行控制即
对焊接区的热输入进行控制，进而可以获得合格的焊点质量，传统的控制方法有
很多种，但是以恒流控制为主。
恒流控制是指焊接过程中焊接电流有效值在允许的范围内波动，而不是指焊
接电流在整个焊接过程中恒定不变。它能够对由网压波动、焊件厚度变化、次级
回路中阻抗变化而引起的焊接电流变化给予一定的补偿作用，但是对于由焊件表
面处理不够充分、电极磨损及分流等因素引起的电流变化，进行的补偿作用较差。
恒流控制法是目前比较理想的一种控制方法，它是一种间接点焊质量控制方
法。理论及实践表明，在焊接时间(T)和电极压力(F)都保持不变的情况下，
焊核的大小与焊接电流有效值存在非常密切的关系，一般与焊接电流的最大值无
关。在实际生产中，焊接时间和电极压力在焊接过程中并不调节，因此人们根据
焊接电流和熔核尺寸的关系，设计了可测量并控制焊接电流有效值为恒定的控制
器，已达到控制点焊熔核尺寸大小，并获得稳定的焊点质量。
恒流控制器在国内已有不少企业已经完成了采用微处理器机实现数据的处理
和过程控制，目前航空航天、电子及汽车等企业均已采用。实践表明，恒流控制
器的控制效果良好，设计成本较低，对其进行操作也比较方便，该控制方法特别
是对电源电压容易波动的场合具有明显的补偿效果。
除了恒流控制，还有下面几种控制方法:电极间电压控制法简单易行，但在
焊接过程中存在分流或者电极端部不良清况下，其输出的特性值与焊核直径之间
的对应关系会变差，因此，不适用于大批量生产;应用动态电阻进行监控的点焊
控制器只适用于电阻曲线上各区域特征值比较明显的材料和电流密度易变的场
合，如:低合金钢、钦合金，不适用于不锈钢等电阻曲线单调变化的材料;能量
控制是一种很有发展前途的控制方法，由于它采用电流和电压的信息，可以避免
只接收单一信号的缺点，如只接收电流信号，对电极磨损、电流密度、电流分流
的影响都不够敏感，而采用能量法则可以克服这一缺点。但是能量的确定需要在
一定的假设条件下，做大量的实验和分析计算，因而限制了它的使用及推广。

发表于 2018-12-5 14:47

发表于 2018-12-5 14:47

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发表于 2018-12-5 14:48

发表于 2018-12-5 14:48

本系统选用ARM系列的STM32控制芯片作为点焊控制器的核心，为了调
试的方便，本系统采用的是模块化设计。整个系统主要分两部分:第一部分是逆
变主电路，为整体系统提供电源;第二部分是控制电路设计及上下位机焊接参数
的实时传输。本文主要负责第二部分的设计，根据设定的焊接参数产生和调节驱
动脉冲，控制电子功率开关的通断，决定逆变点焊电源的输出，实现在线质量监
控，确保焊接电流的稳定。图3.1为系统的整体硬件组成，主要包括上下位机
CAN通信电路、电流检测及处理电路、工GBT及PWM驱动电路及水压信号与焊
接启动申L路等组成。

发表于 2018-12-5 14:49

下位机通信硬件电路主要由STM32在片CAN控制器与CAN总线驱动器两部
分组成，本系统协议控制器选用了STM32F 103ZET6的在片CAN控制器，收发驱
动器选用TJA 1040 o CAN控制器的主要功能是负责CAN总线与微处理器之间的信
息交换，并且还要承担网络通信的控制任务。微控制器STM32在片CAN控制器
兼容规范2.0A和2.0B，位速率高达1 M/s，它可以接收和发送11位标识符的标准
帧，也可以接收和发送29位标识符的扩展帧。TJA 1040是控制器局域网协议控制
器和物理总线之间的接口，为CAN总线提供差动的发送功能，为CAN控制器提
供差动的接受功能。
(1)STM32F 103ZET6在片CAN控制器
bxCAN是STM32内置的CAN控制器，它可以实现用最少的CPU负荷来有
效的管理大量传入传出的报文。其结构包含3个发送邮箱用于发送报文，发送调
度器决定哪个邮箱的报文被发送;2组各包含3个接受邮箱的FIFO，每个FIFO
都可以存放3个完整的报文，都是由硬件来管理;14个可变位宽的过滤器组，
软件通过对它们编程，从而在引脚收到的报文中选择它所需要的报文，而把其他
报文丢掉。报文的发送与接收都是由CAN内核自动实现。

发表于 2018-12-5 14:49

发表于 2018-12-5 14:50

TJA1040硬件电路

发表于 2018-12-5 14:50

将PC机作为点焊机的上位机，主要是利用PC机的软件资源及可视化操作
系统，一般通用的PC机本身是不带CAN接口，所以PC机是不能直接与CAN
总线进行连接，但是大部分的计算机控制系统都离不开CAN-bus，因此必须使用
PC机现有的通讯接口(如PCI, USB, ISA等)，转换为CAN-bus接口，那么
CAN接口卡的作用就是给PC机增加CAN-bus现场总线接口，从而实现PC机
与CAN总线之间的通信任务，其中包括PC机向下位机传输命令和下位机数据
的返回，以完成对下层设备的监控，图为系统结构框图。

发表于 2018-12-5 14:51

发表于 2018-12-5 14:51

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