點(diǎn)焊逆變電源的現(xiàn)狀與發(fā)展 (2007年發(fā)表)
點(diǎn)焊逆變電源的現(xiàn)狀與發(fā)展 (2007年發(fā)表)
張 勇 馬鐵軍 楊思乾 劉金合
（西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 陜西西安 710072）
摘 要：采用逆變技術(shù)的點(diǎn)焊電源是目前發(fā)展的重要方向。本文綜述了點(diǎn)焊逆變電源的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和國(guó)內(nèi)外點(diǎn)焊逆變電源的發(fā)展現(xiàn)狀，指出了我國(guó)點(diǎn)焊逆變電源存在的主要問(wèn)題，詳細(xì)介紹了提高我國(guó)點(diǎn)焊逆變電源可靠性和控制性能的軟開(kāi)關(guān)及智能控制技術(shù)。（廣州藍(lán)能電子點(diǎn)焊機(jī)，最先進(jìn)的中頻逆變點(diǎn)焊機(jī)廠家）
關(guān)鍵詞：點(diǎn)焊；逆變；軟開(kāi)關(guān)；智能控制
焊接電源作為焊接生產(chǎn)的能源供給裝置，其性能直接影響到焊接質(zhì)量，因此對(duì)焊接電源的研究長(zhǎng)期以來(lái)受到人們的高度重視。逆變技術(shù)在焊接電源中的應(yīng)用為焊接電源的發(fā)展帶來(lái)了革命性的變化。隨著科技的迅猛發(fā)展，為適應(yīng)新材料、新工藝不斷提出的應(yīng)用要求，點(diǎn)焊電源也在不斷的發(fā)展與完善之中，經(jīng)歷了從單相到三相，從不整流到整流的演變。采用逆變技術(shù)的次級(jí)整流點(diǎn)焊電源是目前發(fā)展的重要方向[1]。
（廣州藍(lán)能電子點(diǎn)焊機(jī)，最先進(jìn)的中頻逆變點(diǎn)焊機(jī)廠家）
1點(diǎn)焊逆變電源的技術(shù)優(yōu)勢(shì)
傳統(tǒng)的點(diǎn)焊電源重量大、耗料多、效率低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢。相對(duì)于傳統(tǒng)的點(diǎn)焊電源，逆變點(diǎn)焊電源顯示出了很多優(yōu)點(diǎn)。首先，焊接變壓器小型輕量化。因此，可將焊鉗和變壓器連同二次整流器一體化，用于點(diǎn)焊機(jī)器人。這種點(diǎn)焊機(jī)器人所需驅(qū)動(dòng)的功率和裝配重量都比較小，從而使其焊接工作循環(huán)周期縮短，裝置壽命延長(zhǎng)。應(yīng)用這種逆變點(diǎn)焊機(jī)器人焊接復(fù)雜的板金裝配工件時(shí)，因無(wú)二次電纜，故一個(gè)機(jī)器人可以分別使用2~3把焊鉗，提高了投資效率，工位面積也縮小了[2]。其次，逆變點(diǎn)焊電源可進(jìn)行高速精密控制。傳統(tǒng)的交流點(diǎn)焊機(jī)，輸入電源頻率為50～60HZ，限制了響應(yīng)速度，控制分解能力也低。而逆變點(diǎn)焊機(jī)，由于逆變頻率是工頻的數(shù)倍至幾十倍，故整個(gè)反饋控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制分解能力較工頻點(diǎn)焊機(jī)優(yōu)越得多，從而有利于焊接質(zhì)量的控制。此外，逆變點(diǎn)焊電源功率因數(shù)高，節(jié)能經(jīng)濟(jì)性好[3,4]。
在焊接工藝方面，逆變點(diǎn)焊更具有形成穩(wěn)定熔核的電流范圍擴(kuò)大、電極壽命長(zhǎng)、電磁影響小、無(wú)交流“集膚”作用以及可以廣泛點(diǎn)焊異種金屬等優(yōu)勢(shì)[5,6]。（廣州藍(lán)能電子點(diǎn)焊機(jī)，最先進(jìn)的中頻逆變點(diǎn)焊機(jī)廠家）
2逆變點(diǎn)焊電源發(fā)展現(xiàn)狀及存在的主要問(wèn)題
2.1 逆變點(diǎn)焊電源的發(fā)展現(xiàn)狀
逆變點(diǎn)焊電源所具有的上述突出優(yōu)點(diǎn)，從其誕生之日起就一直是焊接設(shè)備領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外的企業(yè)、高校和研究所投入極大的熱情和精力進(jìn)行研究、開(kāi)發(fā)，并取得了許多令人矚目的成果。（廣州藍(lán)能電子點(diǎn)焊機(jī)，最先進(jìn)的中頻逆變點(diǎn)焊機(jī)廠家）
自從上世紀(jì)80年代中期，美、日兩國(guó)分別推出第一臺(tái)逆變式點(diǎn)焊樣機(jī)以來(lái)，逆變點(diǎn)焊電源已有了長(zhǎng)足的發(fā)展，其應(yīng)用主要集中在汽車(chē)、家電、電子等行業(yè)的中小功率焊機(jī)及點(diǎn)焊鉗上。國(guó)外主要汽車(chē)制造公司均已建立起以逆變點(diǎn)焊機(jī)器人為主的汽車(chē)車(chē)身焊裝線，而小功率的逆變點(diǎn)焊機(jī)在電子行業(yè)中更是成為不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備[7]。
目前，在逆變電阻點(diǎn)焊機(jī)領(lǐng)域，日本、德國(guó)和美國(guó)處于領(lǐng)先地位，各自均有多家公司推出了多種實(shí)用機(jī)型，并且在某些領(lǐng)域部分地取代了傳統(tǒng)的單相點(diǎn)焊機(jī)和懸掛式交流點(diǎn)焊機(jī)[8,9,10,11]。日本AVIONICS株式會(huì)社生產(chǎn)的NRW-IN8000A型逆變點(diǎn)焊機(jī)，逆變頻率2000Hz，配備標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口，可記憶保存15種焊接條件，具有0.4～8000A恒電流調(diào)節(jié)范圍以及恒電壓和恒功率（電壓×電流）控制方式，該公司的NRW-IN4000A型逆變點(diǎn)焊機(jī)通過(guò)使用焊接變壓器切換器可使一臺(tái)焊機(jī)最大對(duì)應(yīng)8臺(tái)焊接變壓器。日本米亞基公司生產(chǎn)的系列逆變點(diǎn)焊機(jī)，具有多種控制方式，功率和電流自動(dòng)觸發(fā)2種監(jiān)測(cè)內(nèi)容可選，時(shí)間可以ms和 CYC（周波）為單位設(shè)定，逆變頻率可選擇 600Hz、800Hz和1000Hz，可存儲(chǔ)7~15種焊接規(guī)范。日本木村制作所開(kāi)發(fā)了TD1-1200T型逆變控制器等產(chǎn)品，并將其用于懸掛式點(diǎn)焊機(jī)和固定式焊機(jī)；日本宮地美國(guó)分公司生產(chǎn)的精密逆變點(diǎn)焊機(jī)電源和配套的焊接變壓器，采用恒功率控制，保證焊接質(zhì)量，通過(guò)1個(gè)名為WELDCARD的RAM系統(tǒng)與PC機(jī)相連，分析處理焊接程序和數(shù)據(jù)，采用MA-600A的4個(gè)焊接變壓器；韓國(guó)的TAESUNG電子公司生產(chǎn)的精密逆變點(diǎn)焊機(jī)系列產(chǎn)品TST-105、TST-300和TST-5000，采用IGBT全橋逆變式主電路，恒流控制，4行LCD顯示，鍵盤(pán)輸入，可調(diào)節(jié)電流的上升、下降斜率，其中TST－105逆變頻率為4000HZ，最大輸出電流1500A；TST-300逆變頻率為2000Hz，最大輸出電流3000A；TST5000逆變頻率1000Hz，最大輸出電流5000A[12,13,14,15,16]。（廣州藍(lán)能電子點(diǎn)焊機(jī)，最先進(jìn)的中頻逆變點(diǎn)焊機(jī)廠家）
在歐洲，也正在致力于逆變一體式機(jī)器人點(diǎn)焊鉗的推廣應(yīng)用，以號(hào)稱(chēng)世界最大的中頻電阻焊接系統(tǒng)制造商——德國(guó)Rexroth Bosch公司為代表的阻焊中頻逆變電源及控制技術(shù)，其典型產(chǎn)品為多功能中頻焊接控制器PSI63S，這款中頻控制器已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義的中頻控制器，而是集成了普通中頻控制器PSI6300，焊接監(jiān)測(cè)控制器PSQ6000（IQR恒功率控制技術(shù)和UQR超聲波控制技術(shù)）和伺服運(yùn)動(dòng)控制器（氣動(dòng)元件或電子馬達(dá)）的全能控制器，它可以對(duì)焊接電流、焊接時(shí)間、焊接功率、焊接熔核大小、焊接的位置、焊接的位移、焊接的壓力等進(jìn)行全閉環(huán)控制，這是世界上首套可以對(duì)全部焊接參數(shù)進(jìn)行控制的焊接控制器，是電阻焊接控制系統(tǒng)的發(fā)展方向之一[17]。
近年來(lái)，逆變點(diǎn)焊機(jī)的功率也在逐步的提高，其發(fā)展與電力電子技術(shù)和器件的發(fā)展密切相關(guān)。米亞基公司的IS-120B型逆變點(diǎn)焊機(jī)最大焊接電流達(dá)到20000A。而美國(guó)的WTC焊接技術(shù)公司和RoMan變壓器制造公司已使額定容量170KVA的中頻逆變電阻焊機(jī)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化。德國(guó)NIMAK公司生產(chǎn)的X和C型中頻逆變直流懸掛點(diǎn)焊機(jī)，額定功率已經(jīng)達(dá)到250KVA。逆變點(diǎn)焊機(jī)功率的提高有利于擴(kuò)大其應(yīng)用范圍[18,19,20]。
在國(guó)內(nèi)，開(kāi)展逆變點(diǎn)焊研究工作較早的單位有上海交通大學(xué)、華南理工大學(xué)、吉林大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、上海工程技術(shù)大學(xué)、天津707所和成都電焊機(jī)研究所等等。現(xiàn)已見(jiàn)報(bào)道的有上海交通大學(xué)研制的GTR阻焊逆變電源；華南理工大學(xué)開(kāi)發(fā)研制的作為國(guó)家“七五”攻關(guān)項(xiàng)目的“DN6-26”型機(jī)器人用CMOS逆變式點(diǎn)焊機(jī)；吉林大學(xué)研制的IGBT逆變式點(diǎn)焊機(jī)；成都電焊機(jī)研究所研制的懸掛式逆變次級(jí)整流點(diǎn)焊鉗；哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件的新型零電壓軟開(kāi)關(guān)逆變點(diǎn)焊機(jī)，等等[21,22,23,24,25,26]。（廣州藍(lán)能電子點(diǎn)焊機(jī)，最先進(jìn)的中頻逆變點(diǎn)焊機(jī)廠家）
盡管我國(guó)開(kāi)展逆變點(diǎn)焊電源的研究工作起步不算太晚，但大多還停留在樣機(jī)階段，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程緩慢，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)并實(shí)現(xiàn)批量化產(chǎn)品制造的企業(yè)更是不多。由華南理工大學(xué)曹彪教授等創(chuàng)辦的廣州市精源電子設(shè)備有限公司(廣州市藍(lán)能電子科技有限公司為精源電子銷(xiāo)售公司)，經(jīng)過(guò)多年的潛心研究，自主開(kāi)發(fā)成功可量產(chǎn)的JY系列逆變直流電阻焊電源。該電源采用IGBT逆變技術(shù)和單片微機(jī)控制技術(shù)，其中JYD-04額定容量12KVA，最大輸出電流4000A，代表了目前我國(guó)逆變點(diǎn)焊電源產(chǎn)品的最高水平，并在珠江三角洲占領(lǐng)了部分市場(chǎng)[27]。在長(zhǎng)江三角洲，南京新研科技有限公司也自主研發(fā)了逆變頻率2000Hz、最大焊接電流2000 A的微機(jī)控制逆變點(diǎn)焊機(jī)；上海梅達(dá)、上海永志以及鎮(zhèn)江精工、鎮(zhèn)江清華等公司，分別與美、德、日等國(guó)公司合資，開(kāi)始了逆變點(diǎn)焊電源的引進(jìn)生產(chǎn)工作。上海梅達(dá)公司引進(jìn)美國(guó)WTC焊接技術(shù)公司和RoMan變壓器制造公司的先進(jìn)技術(shù)，生產(chǎn)TDM-170等型中頻逆變電阻焊機(jī)，配套的Medweld4000S型控制器可設(shè)定31套焊接程序，具有電網(wǎng)電壓自動(dòng)補(bǔ)償，恒電流觸發(fā)模式，連網(wǎng)等功能，可設(shè)定預(yù)熱電流、焊接電流和焊后熱處理電流，并可設(shè)置額定電網(wǎng)電壓，以達(dá)到最佳電網(wǎng)電壓補(bǔ)償效果等。日本精工也在鎮(zhèn)江全額投資新建了（日本）鎮(zhèn)江精工焊接設(shè)備公司，主要生產(chǎn)小功率逆變點(diǎn)焊機(jī)。鎮(zhèn)江清華焊接設(shè)備有限公司結(jié)合日本、韓國(guó)技術(shù)，生產(chǎn)采用定電流控制的系列中頻逆變電阻焊機(jī)[28,29,30,31]。（廣州藍(lán)能電子點(diǎn)焊機(jī)，最先進(jìn)的中頻逆變點(diǎn)焊機(jī)廠家）
2.2存在的主要問(wèn)題
綜觀國(guó)內(nèi)外逆變點(diǎn)焊機(jī)的發(fā)展及現(xiàn)狀，可以看出，國(guó)外逆變點(diǎn)焊機(jī)的研究較成熟，商品化程度也較高。國(guó)內(nèi)目前基本上都處于研究探索階段，仍有待于進(jìn)一步的研究和開(kāi)發(fā)。
造成國(guó)內(nèi)外逆變點(diǎn)焊機(jī)存在較大差距的原因是多方面的。眾所周知，功率開(kāi)關(guān)器件是焊接逆變器的核心器件，對(duì)逆變電源的電路設(shè)計(jì)、性能有很大的影響。在國(guó)內(nèi)進(jìn)行逆變點(diǎn)焊機(jī)早期的研究工作中，由于國(guó)內(nèi)功率開(kāi)關(guān)器件的發(fā)展水平和受?chē)?guó)際貿(mào)易的限制，使功率開(kāi)關(guān)器件的性能得不到保障，這在客觀上影響了點(diǎn)焊逆變電源研究工作。在逆變點(diǎn)焊電源研究經(jīng)費(fèi)的投入方面，國(guó)外主要是依托應(yīng)用企業(yè)的大量投入，經(jīng)費(fèi)充足，而國(guó)內(nèi)的多數(shù)單位則都是自籌資金研發(fā)，資金的缺乏常常導(dǎo)致研究工作的中斷。此外，國(guó)內(nèi)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究與產(chǎn)品化研究相對(duì)脫節(jié)，加之我國(guó)大功率開(kāi)關(guān)器件國(guó)產(chǎn)化很低，致使電源工作的可靠性及穩(wěn)定性問(wèn)題長(zhǎng)期得不到根本解決，制約了產(chǎn)業(yè)化的實(shí)現(xiàn)[32]。
應(yīng)該說(shuō)上述的幾點(diǎn)因素，只是存在的外在表面現(xiàn)象。從本質(zhì)上看，由于點(diǎn)焊焊接熱源屬于內(nèi)部熱源，焊接所需電流小則幾百安培，大則幾千甚至達(dá)數(shù)萬(wàn)安培，這種低電壓、大電流的特點(diǎn)使逆變點(diǎn)焊電源的研究在技術(shù)上面臨著許多尖銳的問(wèn)題[33,34]：
1）可靠性問(wèn)題。導(dǎo)致逆變點(diǎn)焊機(jī)可靠性問(wèn)題的主要因素有幾點(diǎn)：
（1）目前，市場(chǎng)上的逆變點(diǎn)焊機(jī)其功率開(kāi)關(guān)管基本為硬開(kāi)關(guān)工作方式，功率開(kāi)關(guān)管在開(kāi)關(guān)工作過(guò)程中承受較高的電壓應(yīng)力、電流應(yīng)力。功率回路存在寄生器件導(dǎo)致的寄生振蕩，使得電壓應(yīng)力、電流應(yīng)力進(jìn)一步增高，隨著功率的增大，這些消極作用益發(fā)明顯；
（2）在大功率、高頻逆變的情況下，功率器件的發(fā)熱增加，降低了器件工作的安全裕度，增加了設(shè)計(jì)的難度；
（3）逆變焊機(jī)自身產(chǎn)生的電磁干擾，會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性構(gòu)成威脅。
2）諧波干擾。工作在硬開(kāi)關(guān)方式的逆變電源，不僅使開(kāi)關(guān)管在開(kāi)關(guān)工作過(guò)程中承受較高的電壓、電流應(yīng)力，而且在開(kāi)關(guān)工作過(guò)程中產(chǎn)生的諧波會(huì)回饋給電網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)造成污染。（廣州藍(lán)能電子點(diǎn)焊機(jī)，最先進(jìn)的中頻逆變點(diǎn)焊機(jī)廠家）
3）效率問(wèn)題。在硬開(kāi)關(guān)工作方式下的逆變電源，開(kāi)關(guān)管在工作過(guò)程中存在較大的開(kāi)關(guān)損耗，加上采用緩沖吸收電路的損耗，降低了電源的效率。
4）焊機(jī)的控制性能。點(diǎn)焊過(guò)程具有高度的非線性、時(shí)變性和不確定性，存在大量隨機(jī)不確定因素，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。目前逆變點(diǎn)焊機(jī)幾乎仍舊局限于傳統(tǒng)的經(jīng)典控制理論模式，缺乏自適應(yīng)能力。
3點(diǎn)焊逆變電源的主要技術(shù)發(fā)展
逆變點(diǎn)焊電源的研究涉及焊接、電力電子、磁性材料、計(jì)算機(jī)、控制理論等相關(guān)學(xué)科，其發(fā)展更是與電力電子學(xué)科的逆變電源技術(shù)息息相關(guān)。近年來(lái)，功率開(kāi)關(guān)器件的多樣化發(fā)展為開(kāi)發(fā)各種容量、特性的逆變電源提供了豐富的選擇。磁性材料的發(fā)展為研究更高頻率的逆變器提供了保證。功率開(kāi)關(guān)器件和磁性材料的技術(shù)支撐，使得電源技術(shù)的關(guān)注重點(diǎn)從單純的注重器件和電路單元的保護(hù)研究，逐漸轉(zhuǎn)向更深層次的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、電磁兼容、智能控制及計(jì)算機(jī)仿真等技術(shù)的研究成為可能[35,36]。（廣州藍(lán)能電子點(diǎn)焊機(jī)，最先進(jìn)的中頻逆變點(diǎn)焊機(jī)廠家）
軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)和智能控制技術(shù)的興起，為解決逆變點(diǎn)焊機(jī)的諸多問(wèn)題提供了新的思路。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以降低功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)應(yīng)力和損耗，降低電磁干擾，改善器件和控制系統(tǒng)的工作環(huán)境等等，是近10年來(lái)國(guó)際電力電子領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[37,38]。而智能控制技術(shù)更是在許多領(lǐng)域包括焊接行業(yè)得到了充分的重視、研究和應(yīng)用，如將其引入到逆變點(diǎn)焊機(jī)的控制系統(tǒng)中，必將極大的提高逆變點(diǎn)焊機(jī)的整體控制水平和性能[39,40]。
3.1軟開(kāi)關(guān)技術(shù)
在目前使用的絕大多數(shù)逆變式電阻焊機(jī)的逆變電路中，通常采用保持功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率固定，而靠改變功率開(kāi)關(guān)管接通時(shí)間長(zhǎng)短（即脈沖的寬度）的方法，來(lái)調(diào)節(jié)焊機(jī)的輸出能量，這種控制方法被稱(chēng)為脈寬調(diào)制法（PWM）[41]。在這種情況下，由于功率開(kāi)關(guān)管按照外加的控制脈沖寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)通斷，而控制脈沖的發(fā)出又與功率開(kāi)關(guān)管上流過(guò)的電流、兩端所加的電壓無(wú)關(guān)，因此稱(chēng)為“硬開(kāi)關(guān)”[42]。
采用硬開(kāi)關(guān)控制的逆變電路，由于在功率開(kāi)關(guān)管上同時(shí)存在電流與電壓的交疊，因而產(chǎn)生了很高的開(kāi)關(guān)損耗。同時(shí)，電路的寄生電感和功率器件的寄生電容在高頻工作時(shí)將產(chǎn)生嚴(yán)重的電壓尖峰和浪涌電流，為消除其影響，通常在開(kāi)關(guān)兩側(cè)設(shè)置緩沖電路。但是緩沖電路會(huì)消耗能量，逆變器工作頻率越高，能量消耗越大，因而會(huì)使整個(gè)逆變器的整體效率變低[43]。（廣州藍(lán)能電子點(diǎn)焊機(jī)，最先進(jìn)的中頻逆變點(diǎn)焊機(jī)廠家）
鑒于硬開(kāi)關(guān)逆變電源存在的問(wèn)題，在20世紀(jì)80年代以后，人們開(kāi)始了軟開(kāi)關(guān)逆變電源的研制工作。所謂軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，實(shí)質(zhì)是在主電路上增加儲(chǔ)能元件電感和電容，利用諧振原理與合適的控制方法，使功率開(kāi)關(guān)在其兩端電壓為零或使流過(guò)功率開(kāi)關(guān)的電流為零時(shí)開(kāi)通或關(guān)斷。諧振參數(shù)中吸收了高頻變壓器的漏抗、電路中寄生電感和功率器件的寄生電容，可以消除高頻產(chǎn)生的電壓尖峰和浪涌電流，降低器件的開(kāi)關(guān)應(yīng)力，從而可大大地提高逆變焊接電源的可靠性，功率器件的開(kāi)通、關(guān)斷損耗理想值為零[44,45,46]。
移相PWM控制變換器由于具有電壓過(guò)零（或電流過(guò)零）控制的軟開(kāi)關(guān)和恒頻調(diào)寬的優(yōu)點(diǎn)，近20年來(lái)，吸引了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。這種變換器將器件的換流過(guò)程和控制過(guò)程區(qū)別處理，使變換器在一個(gè)周期內(nèi)的功率器件換流期間按零電流開(kāi)關(guān)（ZCS，Zero-Current-Switching）或者零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS，Zero-Voltage-Switching）準(zhǔn)諧振變換器工作，其余時(shí)間按PWM變換器工作，前者稱(chēng)為ZCS-PWM變換器，后者稱(chēng)為ZVS-PWM變換器。在移相零電壓開(kāi)關(guān)全橋電路的基礎(chǔ)上，發(fā)展了移相控制的全橋零電壓零電流（ZVZCS）軟開(kāi)關(guān)，這種軟開(kāi)關(guān)的超前橋臂采用零電壓開(kāi)關(guān)，滯后臂換流時(shí)通過(guò)原邊電流的復(fù)位實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)關(guān)。
逆變點(diǎn)焊電源軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的研究有其特殊性。由于電源輸出電流大及工作頻率為1000Hz左右的中頻，因而利用阻斷電容實(shí)現(xiàn)原邊電流快速?gòu)?fù)位的ZVZCS軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是不適用的，目前已見(jiàn)報(bào)道的文獻(xiàn)均采用ZVS技術(shù)。王清等研制了基本移相零電壓開(kāi)關(guān)全橋點(diǎn)焊電源，得出了實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通的條件[47]。華南理工大學(xué)采用變壓器初級(jí)串聯(lián)飽和電感的方法，研究了移相零電壓開(kāi)關(guān)全橋點(diǎn)焊電源 [48]。西北工業(yè)大學(xué)和吉林大學(xué)根據(jù)點(diǎn)焊特點(diǎn)，采用輔助網(wǎng)絡(luò)移相控制零電壓開(kāi)關(guān)全橋變換器，既保證了零電壓開(kāi)關(guān)，又最大限度地減小了副邊占空比丟失[49,50]。此外，南昌航空工業(yè)學(xué)院也在開(kāi)展軟開(kāi)關(guān)逆變點(diǎn)焊電源的研究工作[51]。
（廣州藍(lán)能電子點(diǎn)焊機(jī)，最先進(jìn)的中頻逆變點(diǎn)焊機(jī)廠家）
3.2控制技術(shù)
3.2.1 常規(guī)控制
逆變電源的控制技術(shù)是功率電子學(xué)的重要組成部分。脈沖寬度調(diào)制（PWM）相對(duì)脈沖頻率調(diào)制（PFM）而言，可以簡(jiǎn)化控制補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，降低功率變壓器和輸出濾波器的體積，已成為逆變電源控制技術(shù)的主流。帶變壓器的中大功率全橋DC/DC變換器的PWM控制技術(shù)可以分成四類(lèi)，即電壓型同步式、電流型同步式、電壓型移相式和電流型移相式。電壓型控制僅采用單電壓環(huán)進(jìn)行校正，容易實(shí)現(xiàn)，常用在性能要求不高的場(chǎng)合。電流型控制也稱(chēng)為雙閉環(huán)控制，含有電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)兩個(gè)控制環(huán)路，可使開(kāi)關(guān)管的瞬態(tài)電流峰值跟隨誤差信號(hào)的變化，從而保證全橋變換器保持動(dòng)態(tài)磁平衡，是比較理想的新型控制方法。同步式控制保持橋臂兩條對(duì)角線上的功率開(kāi)關(guān)器件分別同步開(kāi)通和截止，在硬開(kāi)關(guān)場(chǎng)合應(yīng)用。移相控制時(shí)，固定橋臂（領(lǐng)先橋臂）開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的上升和下降時(shí)刻保持恒定不變，調(diào)節(jié)移動(dòng)橋臂（滯后臂）開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的上升和下降時(shí)刻，同一橋臂的上下兩只開(kāi)關(guān)管的換相時(shí)間恒定，這一特點(diǎn)保證了實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)諧振的時(shí)間條件，因此，在ZVS和ZVZCS全橋變換器中全都采用的是移相PWM控制技術(shù)[52]。
在早期的控制電路研究中，多以分離元件構(gòu)成，完成程序控制和PWM調(diào)節(jié)，但它們的抗干擾性能和控制的靈活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求[53]。集成模塊式控制國(guó)內(nèi)的研究主要是用集成電路控制逆變輸出及焊接過(guò)程，由數(shù)字集成電路構(gòu)成焊接過(guò)程控制和PWM控制電路，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化逆變電阻焊控制。隨著專(zhuān)用PWM集成模塊的出現(xiàn)，使得PWM的控制更穩(wěn)定、更可靠。目前商品化的專(zhuān)用模塊(如：TL494、SG3524、TDA4718、UC2875、UC3846、UC3875、UC3879等)，除具有PWM控制功能外，還有過(guò)流、過(guò)壓、欠壓保護(hù)和軟啟動(dòng)等功能。而UC3879等芯片除具有上述功能外，還有電流PWM的功能，用它來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊逆變電源的電流型控制，可以彌補(bǔ)電壓型控制的不足。這些專(zhuān)用集成模塊的出現(xiàn)和應(yīng)用，使得逆變點(diǎn)焊電源的控制穩(wěn)定性和可靠性得到提高，逆變器的保護(hù)措施更完善。（廣州藍(lán)能電子點(diǎn)焊機(jī)，最先進(jìn)的中頻逆變點(diǎn)焊機(jī)廠家）
3.2.2 計(jì)算機(jī)控制
計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在點(diǎn)焊控制方面已表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，將計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算特點(diǎn)與逆變點(diǎn)焊高的動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，不僅可以實(shí)現(xiàn)電流的精確計(jì)算，而且可以實(shí)現(xiàn)輸出電流的緩升、緩降和波形調(diào)整，從而滿足不同材料、不同厚度零件的點(diǎn)焊工藝要求。目前，微機(jī)在逆變點(diǎn)焊控制中的研究可以分成兩個(gè)層次：一是部分控制，只利用微機(jī)進(jìn)行焊接程序、恒流、保護(hù)和焊接電流顯示等方面的控制，充分發(fā)揮微機(jī)控制的靈活性，擴(kuò)大焊機(jī)的應(yīng)用范圍，但PWM調(diào)制仍采用集成芯片，這使得電流控制的靈活性和電流波形變換受到限制。二是全控系統(tǒng)，采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)主電路逆變過(guò)程和焊接時(shí)序等全部控制要求，通過(guò)軟件編程產(chǎn)生兩組相差180°的PWM控制信號(hào)，用以控制焊接電流，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了逆變點(diǎn)焊焊接電流遞增、衰減控制，并能獲得多種焊接波形，且易于擴(kuò)展，這樣充分發(fā)揮了微機(jī)控制的廣泛性，擴(kuò)大了點(diǎn)焊機(jī)的應(yīng)用范圍[54,55]。
與工頻阻焊相同，逆變點(diǎn)焊的質(zhì)量控制研究和成功應(yīng)用也主要集中在恒流控制方面。恒流控制技術(shù)在焊接過(guò)程中保證焊接電流峰值或有效值在一定的控制精度內(nèi)變化，從而保持焊接區(qū)熱輸入量基本不變，確保焊點(diǎn)的質(zhì)量。以恒流控制為基礎(chǔ)，利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)恒功率控制，通過(guò)對(duì)次級(jí)電流和次級(jí)電壓進(jìn)行監(jiān)控，調(diào)整焊接時(shí)間和焊接電流保證每一個(gè)焊接熔核的輸入功率相等，它可以有效補(bǔ)償焊接分流、焊接裝配不良、焊接母材成分變化等非機(jī)器擾動(dòng)因素。超聲波控制技術(shù)在德國(guó)Rexroth Bosch公司多功能中頻焊接控制器中也得到了應(yīng)用，該技術(shù)通過(guò)超聲波發(fā)射和接收裝置對(duì)焊接時(shí)熔核成長(zhǎng)的狀況檢測(cè)來(lái)自動(dòng)調(diào)整焊接電流，它是完全對(duì)焊接熔核大小的監(jiān)控，超越了焊接電參數(shù)調(diào)整的研究，是真正的焊接熔核閉環(huán)控制。超聲波監(jiān)控精度高，但設(shè)備復(fù)雜、價(jià)格昂貴，探頭易損。
3.2.3 智能控制
近年來(lái)，以模糊邏輯控制（Fuzzy Logic Control—FLC）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network—ANN）、專(zhuān)家系統(tǒng)（Expert System—ES）為標(biāo)志的人工智能技術(shù)的應(yīng)用研究方興未艾。智能控制技術(shù)在解決高度非線性和嚴(yán)重不確定性系統(tǒng)的控制方面顯示出巨大的潛力，為許多難以建立精確數(shù)學(xué)模型的控制對(duì)象帶來(lái)了新的希望。電阻點(diǎn)焊過(guò)程是一個(gè)高度非線性、有多變量耦合作用和大量隨機(jī)不確定因素的過(guò)程，其焊點(diǎn)核心的形成過(guò)程極短且處于封閉狀態(tài)，無(wú)法觀測(cè)，特征信號(hào)提取比較困難，因此，點(diǎn)焊質(zhì)量的監(jiān)控難度較大。原有的點(diǎn)焊質(zhì)量控制方法大多數(shù)都是基于一定的假設(shè)條件下建立數(shù)學(xué)模型的控制，難以達(dá)到滿意的適應(yīng)效果，這是基于數(shù)學(xué)模型控制方法本身的局限性所決定的。人工智能技術(shù)可在不作任何假設(shè)條件的情況下完成對(duì)過(guò)程的建模和控制，且具有自學(xué)習(xí)功能。因此，開(kāi)展點(diǎn)焊質(zhì)量控制和檢測(cè)的智能技術(shù)研究異常活躍[56]。華南理工大學(xué)應(yīng)用模糊理論研究了逆變點(diǎn)焊的恒流控制[57]。（廣州藍(lán)能電子點(diǎn)焊機(jī)，最先進(jìn)的中頻逆變點(diǎn)焊機(jī)廠家）
但是，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及模糊理論的研究逐漸深入的情況下，它們各自的缺點(diǎn)也顯現(xiàn)出來(lái)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雖有學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織、容錯(cuò)和修正等能力的優(yōu)點(diǎn)，但很難實(shí)現(xiàn)邏輯思維，無(wú)法把形象思維轉(zhuǎn)化為語(yǔ)言表達(dá)；模糊理論雖以模糊邏輯為基礎(chǔ)，能實(shí)現(xiàn)人類(lèi)思維的模糊性，但無(wú)學(xué)習(xí)能力。目前，單純使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的研究有停滯不前的趨勢(shì)[58]。究其原因，除了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本身的問(wèn)題（如泛化能力不能夠達(dá)到控制系統(tǒng)魯棒性的要求）之外，最主要的原因就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的黑箱式的知識(shí)表達(dá)方式使其不能夠利用先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)。同時(shí)，模糊邏輯的應(yīng)用也遇到了模糊規(guī)則難于確定的問(wèn)題[59,60]。因此，把具有學(xué)習(xí)能力和容錯(cuò)能力的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，與具有形象思維和邏輯推理的模糊理論結(jié)合起來(lái)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了模糊邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，避免了二者的缺點(diǎn)，既可以具有模糊邏輯的不確定信息處理能力，又可以有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力，因此在控制領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用前景。在逆變點(diǎn)焊領(lǐng)域，西北工業(yè)大學(xué)已開(kāi)展了這一新的探索性研究方向，以期提高逆變點(diǎn)焊機(jī)的控制性能和自適應(yīng)能力[61]。（廣州藍(lán)能電子點(diǎn)焊機(jī)，最先進(jìn)的中頻逆變點(diǎn)焊機(jī)廠家）
4結(jié)論
逆變點(diǎn)焊電源有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，是點(diǎn)焊電源重要的發(fā)展方向。我國(guó)的逆變點(diǎn)焊電源受可靠性和控制性能等問(wèn)題的困擾，目前與國(guó)外存在較大的差距。深入開(kāi)展逆變點(diǎn)焊電源軟開(kāi)關(guān)和智能控制技術(shù)的研究，是有效的解決途徑。
注：現(xiàn)我司“精源牌逆變直流焊接電源”穩(wěn)定性有顯著提高，已在眾多行業(yè)得到了客戶(hù)的首選，可代替日本米亞基等品牌。在標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化焊接設(shè)備比較成熟的電光源、電容器、智能卡、微型電機(jī)、電感等行業(yè)，已經(jīng)得到了自動(dòng)化設(shè)備企業(yè)高度認(rèn)可，首選配套電源。（廣州藍(lán)能電子點(diǎn)焊機(jī)，最先進(jìn)的中頻逆變點(diǎn)焊機(jī)廠家）
標(biāo)簽：點(diǎn)焊機(jī) 碰焊機(jī) 中頻逆變直流點(diǎn)焊機(jī) 氣動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)