雙金屬帶鋸條精密焊接電源的研制

陳 龍 ，李遠(yuǎn)波 ，曹 陽 ，劉國躍 ，余 暢

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006；2.湖南泰嘉新材料科技股份有限公司，湖南 長沙 410200）

0 前言

1933年美國杜爾（DOALL）公司發(fā)明了帶鋸床和帶鋸條，其原理是使用一條環(huán)形鋸帶來切割金屬。鋸條材質(zhì)歷經(jīng)32年的不斷改進(jìn)，從起初用碳素工具鋼到1963年改用合金工具鋼來制造帶鋸條，1964年首個(gè)雙金屬帶鋸條誕生，背材采用碳素工具鋼，鋸條齒尖采用高速鋼，開創(chuàng)了帶鋸切割的新紀(jì)元[1]。雙金屬帶鋸條按原材料分為高速合金鋼帶鋸條、硬質(zhì)合金鋼帶鋸條、金剛砂帶鋸條等[2]，焊接工藝是其關(guān)鍵制造技術(shù)之一。

目前國內(nèi)外雙金屬鋸條焊接普遍采用電子束焊接、激光焊接等[3]，采用電阻焊焊接雙金屬帶鋸條尚不多見。本研究研制了一臺(tái)精密電阻焊接電源，適用于高速鋼帶鋸條以及硬質(zhì)合金帶鋸條的焊接制造。焊接電源主要分為主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電源控制系統(tǒng)及軟硬件設(shè)計(jì)3個(gè)部分。該電源最大輸出電流5 000 A，輸出頻率10 kHz，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、電流精準(zhǔn)穩(wěn)定等特點(diǎn)，且滿足雙金屬帶鋸條焊接工藝的嚴(yán)格要求。

1 電源主電路

電源主電路主要包括：三相橋式整流電路、濾波電路、全橋逆變電路、焊接變壓器、次級(jí)全波整流等。電源主電路如圖1所示。

圖1 電源主電路

工作原理：三相380 V交流輸入經(jīng)大功率整流二極管VD1～VD6整流后得到直流電壓，再經(jīng)過濾波電容得到較平滑的直流電壓。該電容容量較大且需并聯(lián)一個(gè)電阻，當(dāng)電源斷開時(shí)可形成放電回路起到保護(hù)元器件的作用。直流電壓經(jīng)過IGBT全橋逆變電路后變成交流電，由于ARM輸出PWM信號(hào)電壓較小，不足以驅(qū)動(dòng)IGBT通斷，故通過驅(qū)動(dòng)電路提高驅(qū)動(dòng)電壓來控制功率開關(guān)管IGBT1～I(xiàn)GBT4交替導(dǎo)通關(guān)斷。改變其PWM脈沖的占空比來改變輸出電流大小，通過PI運(yùn)算進(jìn)行反饋控制，之后經(jīng)過焊接變壓器T1降壓輸出。焊接變壓器輸出電流較大，選取大功率二極管MMF1000Y010DK1模塊，其反向電壓100 V，單管整流為500 A，經(jīng)過多個(gè)功率二極管模塊VD7、VD8整流后變?yōu)橹绷鬏敵鲞M(jìn)行焊接。

2 電源控制系統(tǒng)及硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源控制系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)鋸條的精密焊接，控制系統(tǒng)采用ST公司的STM32F106RCT6芯片，其芯片以及外圍電路功能如下：①LCD可顯示參數(shù)界面，按鍵輸入焊接所需電流、電壓、時(shí)間，通過程序控制ARM輸出所需4路PWM信號(hào)。②輸出PWM信號(hào)經(jīng)過IGBT驅(qū)動(dòng)電路控制功率開關(guān)管IGBT1～I(xiàn)GBT4導(dǎo)通關(guān)斷。IGBT逆變是整個(gè)高頻交流電源主電路的核心，通過采集原邊電流進(jìn)行有效快速過流保護(hù)[4]。③整個(gè)控制采用閉環(huán)控制，通過對(duì)二次側(cè)電流電壓采樣進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，達(dá)到輸出電流的精準(zhǔn)穩(wěn)定[5]。采用CHB-5KB型霍爾電流傳感器對(duì)輸出電流進(jìn)行采樣。④真有效值轉(zhuǎn)換電路，采用高精度真有效值轉(zhuǎn)換器AD637將焊接電流進(jìn)行有效值轉(zhuǎn)換后通過放大器進(jìn)行信號(hào)放大最后反饋給ARM芯片。總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 總體設(shè)計(jì)方案

2.2 IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路需要足夠的驅(qū)動(dòng)電壓，基于其電路簡(jiǎn)單、開關(guān)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、輸出阻抗低等優(yōu)點(diǎn)，采用TLP250光耦合器驅(qū)動(dòng)IGBT。將ARM輸出的PWM信號(hào)輸入到TLP250光耦合器中，光耦合器外接一個(gè)7.5 V/1 W的穩(wěn)壓管，將24 V供電電壓轉(zhuǎn)化成IGBT驅(qū)動(dòng)電壓，正向?qū)ㄩ撝惦妷?16.5 V，反向關(guān)斷閾值電壓-7.5 V。驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

2.3 電流采樣電路設(shè)計(jì)

霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器。其工作原理是：電流In通過霍爾傳感器時(shí)產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)，霍爾傳感器的初級(jí)和次級(jí)磁場(chǎng)達(dá)到平衡時(shí)會(huì)輸出補(bǔ)償電流Im，補(bǔ)償電流Im與輸入電流In成一定比例，補(bǔ)償電流Im經(jīng)過電阻Rm生成電壓Um，通過測(cè)量電壓Um可間接測(cè)得電流大小[6]。電流采樣電路如圖4所示。

圖3 IGBT驅(qū)動(dòng)電路

圖4 電流采樣電路

2.4 有效值轉(zhuǎn)換電路

采用高精度的真有效值轉(zhuǎn)換芯AD637對(duì)焊接電流波形進(jìn)行有效值處理。它能夠?qū)崟r(shí)獲取焊接電流的有效值，利用AD637對(duì)采樣焊接電流進(jìn)行有效值轉(zhuǎn)換，既能保證測(cè)量精度還節(jié)省CPU占有率。真有效值轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。將電流采樣信號(hào)輸入到AD637處理后通過運(yùn)放再經(jīng)電壓箝位輸入到ARM，保護(hù)ARM芯片。

圖5 有效值轉(zhuǎn)化電路

3 電源控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)包括主程序、中斷服務(wù)程序和子程序。主程序按子程序邏輯順序?qū)崿F(xiàn)焊接，中斷服務(wù)程序起輔助作用。系統(tǒng)上電后自檢是否正常，正常后系統(tǒng)初始化，再通過按鍵設(shè)置焊接參數(shù)。焊接開始時(shí)，機(jī)頭施加適當(dāng)?shù)牧ν苿?dòng)合金顆粒前進(jìn)直到觸碰到鋸條齒托，通過外部中斷觸發(fā)電源開啟PWM程序控制4個(gè)IGBT的開通與關(guān)斷。通過PI反饋調(diào)節(jié)以恒定電流輸出，焊接完成后機(jī)頭回退。系統(tǒng)主程序流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)主程序流程

3.2 PWM輸出

脈寬調(diào)制是逆變電源中的重要部分，通過改變脈沖信號(hào)的占空比供給驅(qū)動(dòng)電路，以控制逆變電源的輸出。將橋臂IGBT1和IGBT4作為一對(duì)，橋臂IGBT2和IGBT3作為一對(duì)，成對(duì)的兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩對(duì)交替各導(dǎo)通180°由定時(shí)器TIM1產(chǎn)生兩路180°互補(bǔ)的脈沖信號(hào)PWM1和PWM3來控制橋臂IGBT1和IGBT3的開通與關(guān)斷，同理定時(shí)器TIM2產(chǎn)生互補(bǔ)脈沖信號(hào)PWM2和PWM4來控制全橋逆變后橋臂IGBT2和IGBT4的開通與關(guān)斷。PWM生成原理如圖7所示。

圖7 PWM生成原理

3.3 PI控制算法

PI控制算法原理：根據(jù)給定值r（t）與實(shí)際輸出c（t）構(gòu)成控制偏差，此偏差通過比例（P）、積分（I）計(jì)算后得到控制量，從而對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。位置式PI計(jì)算要對(duì)偏差進(jìn)行累計(jì)，運(yùn)算量大，占用存儲(chǔ)空間過多，因此采用增量式PI控制算法。其輸出為控制量的增量，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)誤差影響較小，不會(huì)影響系統(tǒng)工作，提高控制的安全性。增量式PI經(jīng)公式推導(dǎo)得出

式中 uk為第k次采樣運(yùn)算輸出值；ek為第k次采樣系統(tǒng)偏差值；Kp為比例放大系數(shù)；T為采樣周期；TI為積分時(shí)間常數(shù)。

4 試驗(yàn)

試驗(yàn)采用自主研制的精密焊接電源。電源能否正常工作取決于控制系統(tǒng)輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，因此在主電路上電前必須調(diào)試驅(qū)動(dòng)信號(hào)，保證驅(qū)動(dòng)信號(hào)正確。

ARM輸出180°互補(bǔ)PWM波形如圖8所示，輸出的PWM波形設(shè)置有一定的死區(qū)時(shí)間，防止同一橋臂的開關(guān)管發(fā)生直通。IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形如圖9所示輸出頻率為5 kHz，PWM1～PWM4分別作為功率開關(guān)管IGBT1～I(xiàn)GBT4的控制信號(hào)。PWM1、PWM4的波形與PWM2、PWM3一樣。IGBT驅(qū)動(dòng)波形是否正常是放電的關(guān)鍵，因此驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形除要求具有一定的電壓幅值外還要求波形不失真。由圖9可知，IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形正向?qū)妷簽?6.5 V，反向關(guān)斷電壓為-7.5 V，且脈沖信號(hào)上升下降速度快，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 PWM波形

圖9 IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形

在實(shí)際焊接過程中會(huì)存在電網(wǎng)波動(dòng)、焊接回路阻抗變化等因素干擾，為了達(dá)到較好的焊接工藝效果，現(xiàn)設(shè)定兩段焊接電流參數(shù)，第一段進(jìn)行預(yù)熱，第二段焊接電流為實(shí)際焊接參數(shù)，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集輸出電流，通過PI控制器調(diào)節(jié)PWM占空比實(shí)現(xiàn)恒電流輸出，系統(tǒng)同時(shí)采樣電極輸出兩端的電壓。

設(shè)定輸出頻率10 kHz，預(yù)熱電流300 A，時(shí)間20 ms，焊接電流900 A，時(shí)間20 ms，對(duì)高速鋼顆粒與鋸條背材進(jìn)行焊接。焊接輸出電流電壓波形如圖10所示。由圖10可知，預(yù)熱電流緩慢上升到電流300 A、電壓約為1 V，預(yù)熱20 ms后，焊接電流上升到900 A，焊接電壓約為2 V。焊接樣品如圖11所示，齒尖部分從背材處斷裂（見圖11b），高速鋼顆粒與鋸條背材焊接牢固，焊接效果良好。

5 結(jié)論

（1）通過STM32脈沖調(diào)制模塊經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路生成IGBT控制信號(hào)，同時(shí)結(jié)合采樣電路和增量式PI算法實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接電源輸出大小的精準(zhǔn)控制。

（2）雙金屬帶鋸條精密焊接電源輸出電流最大可達(dá)5 000 A，輸出頻率10 kHz，在焊接過程中響應(yīng)速度快，輸出波形穩(wěn)定、可靠，焊接樣品良好，滿足雙金屬帶鋸條焊接工藝要求。

圖10 焊接波形（10 kHz，900 A）

圖11 焊接樣品

參考文獻(xiàn)：

[1]劉年紅.中國雙金屬帶鋸條行業(yè)研究[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2010，29（12）：125-127.

[2]袁丹.雙金屬帶鋸條切削仿真研究及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].湖南：湖南大學(xué)，2012.

[3]許璐，李玉祥，王濤，等.雙金屬鋸條激光焊接機(jī)系統(tǒng)理論與應(yīng)用研究[J].激光雜志，2014（8）：74-77.

[4]李遠(yuǎn)波，張馳，周磊磊，等.交流逆變電阻縫焊電源的研制[J].焊接學(xué)報(bào)，2016，37（10）：101-104.

[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]周磊磊，李遠(yuǎn)波，張馳.基于ARM的精密逆變電阻點(diǎn)焊電源[J].電焊機(jī)，2016，46（11）：55-59.