CN100431762C - 电烙铁温度快速补偿方法及可快速进行温度补偿的电烙铁 - Google Patents

电烙铁温度快速补偿方法及可快速进行温度补偿的电烙铁 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电烙铁温度快速补偿方法以及可快速补偿温度的电烙铁，包括静态温度控制回路和动态温度控制回路，其中，静态温度调节量主要取决于温度给定信号、实时温度检测信号和温度附加信号，动态温度调节是根据卡尔曼数字滤波原理，对差分放大的温度调控信号进行烙铁头热传导传输函数特征识别，只有在符合烙铁头热传导函数时才计算输出附加温度补偿量。实施本发明，可以做到快速检测和响应烙铁头热负载的变化而不受外部干扰噪音影响，并据此对电发热元件进行快速有效的控制保证烙铁头工作时运行在设定温度上。从而彻底避免因焊接过程中焊料温度变化造成的假焊和虚焊，有效提高焊接的速度和质量，同时，节省电能并延长烙铁头寿命。

Description

电烙铁温度快速补偿方法及可快速进行温度补偿的电烙铁
技术领域
本发明涉及温度控制技术，更具体地说，涉及一种电烙铁温度快速补偿方法及可快速进行温度补偿的电烙铁。
背景技术
无铅焊料符合环保，但要求烙铁热稳定性好。普通电烙铁大多采用线性变压器作为供电电路，输出电压固定，在高温下输出功率不足，温度控制采用单一的绝对值温度控制，焊接时，回温速度慢，非常容易产生假焊、虚焊现象。也有电烙铁对电发热元件的温度-功率控制采用绝对的温度，即只对发热元件的绝对温度值进行采样和控制，而无法判断发热元件的工作状态和被加热物体对热量的需求和对温度的影响，在温度下降时，发热元件的瞬态响应差，温度回升慢，不能适用于发热元件热传递快速变化的场合，例如，电烙铁在没有接触到被焊接金属时，温度较高，一旦接触到较大被焊接金属或焊接接触时间较长时，由于热量被快速传导，使得电烙铁温度迅速下降，在被焊接金属的表面积较大或环境温度较低时尤其容易造成假焊和虚焊。为实时精确检测烙铁头负载变化情况，就要在最短的时间里检测到温度细微的差异，检测越早，控制越早，温度响应就越快；但检测得越早，检测到的信号越微弱，而且要保证这种检测不受外部干扰噪音的影响；由于烙铁头里同时安装有加热元件和温度传感元件，温度传感元件输出的电信号与烙铁头实际发生温度变化的时间可能有一个延迟，改变加热元件功率的时间与烙铁头实际温度变化本身也会有延迟，如何考虑好延迟因素、干扰因素、响应时间要求是设计一个好用的电烙铁的关键。
发明内容
本发明的目的是提供一种电烙铁温度快速补偿方法，能够考虑到电烙铁在工作时，烙铁头温度检测点与烙铁头焊点部位实际温度之间热传导的延迟及其热传输规律，及时快速地检测到烙铁头焊点部位的温度变化，以便在最短时间内对电烙铁电功率进行补偿，同时要兼顾到非焊点引起的信号变化例如环境噪音等不会引起功率补偿的误动作。
本发明的另一目的是提供一种可快速进行温度补偿的电烙铁，对烙铁头温度的任何细微焊点变化能够快速精确地检测，并根据检测信号对烙铁头电功率进行快速精确的控制而不受外部噪音影响。
本发明上述发明目的这样解决，构造一种电烙铁温度快速补偿方法，烙铁头内设置有感温元件和发热芯，包括以下步骤：
产生对应于烙铁头内感温元件温度相对数值的温度检测信号；
根据电烙铁设定温度产生温度给定信号；
在时刻t，根据温度调控信号产生温度附加信号；
在时刻t+Δt，进行差分计算，产生温度调控信号，其中差分计算的输入信号包括温度检测信号、温度给定信号和在时刻t所产生的温度附加信号；
对所述温度调控信号进行积分比较放大处理；
将积分比较放大处理后的温度调控信号进行阻尼处理并光电耦合到受控开关电源；
由受控开关电源根据耦合输入的调控信号输出对应的电功率到烙铁头内的发热芯。
在按照本发明提供的电烙铁温度快速补偿方法中，所述根据温度调控信号产生温度附加信号包括对温度调控信号进行微分处理的步骤。
在按照本发明提供的电烙铁温度快速补偿方法中，所述根据温度调控信号产生温度附加信号包括以下步骤：
对温度调控信号进行差分放大；
根据卡尔曼数字滤波原理，对差分放大的温度调控信号进行烙铁头热传导传输函数特征识别，如果符合烙铁头热传导函数则判断出现一个焊点并计算输出附加温度补偿量；如果不符合烙铁头热传导函数则设置附加温度补偿为零，其中，烙铁头热传导函数为ΔA(t)＝(A0-A1)(1-e-t/τ)，其中，ΔA(t)是t时刻传感器检测到的温度变化量，A0是传感器检测到的静止平衡状态下的温度，A1是烙铁头焊接部分接触到焊点瞬间下降到的最低温度，τ是烙铁头热传导时间常数。
在按照本发明提供的电烙铁温度快速补偿方法中，差分计算输入信号中的温度给定信号是这样产生的，当在一定时间内没有检测到焊点时产生一个使烙铁头保持在待机温度的待机温度信号。
在按照本发明提供的电烙铁温度快速补偿方法中，所述差分计算的输入信号还包括关机控制信号，所述关机信号是这样产生的，检测到烙铁头处于待机温度状态超过规定时间则产生关机控制信号。
本发明另一目的这样实现，构造一种可快速进行温度补偿的电烙铁，包括电源单元、烙铁头、给烙铁头加热的电热芯8、对烙铁头温度进行设定的温度给定单元6、装在烙铁头内传感烙铁头温度的温度传感器8、连接在电源单元与电热芯8之间的受控开关电源7，以及根据传感器9传感温度和温度给定单元6的设定温度对受控开关电源7进行控制的控制单元，所述控制单元包括：附加温度给定单元22、积分比较放大器12、输入端分别连接积分比较放大器12输出端和受控开关电源7输出端而输出端连接所述受控开关电源7控制端的阻尼光电耦合单元10、输入端与热敏元件9连接的精密电阻放大器13，以及多路差分单元，多路差分单元的输入端分别连接温度给定单元6、附加温度给定单元22和带恒流源的精密电阻放大器13，多路差分单元的输出端连接所述积分比较放大器12的输入端。
在上述按照本发明提供的可快速进行温度补偿的电烙铁中，所述附加温度给定单元是一个连接在多路差分单元输入端的微分单元。
在上述按照本发明提供的可快速进行温度补偿的电烙铁中，所述附加温度给定单元是通过以下过程的焊点检测及回温控制回路产生附加温度的：根据卡尔曼数字滤波原理，对差分放大的温度调控信号进行烙铁头热传导传输函数特征识别，如果符合烙铁头热传导函数则判断出现一个焊点并计算输出附加温度补偿量；如果不符合烙铁头热传导函数则设置附加温度补偿为零，其中，烙铁头热传导函数为ΔA(t)＝(A0-A1)(1-e-t/τ)，其中，ΔA(t)是t时刻传感器检测到的温度变化量，A0是传感器检测到的静止平衡状态下的温度，A1是烙铁头焊接部分接触到焊点瞬间下降到的最低温度，τ是烙铁头热传导时间常数。
在上述按照本发明提供的可快速进行温度补偿的电烙铁中，所述焊点检测及回温控制回路包括CPU单元19、待机温度给定单元21、差分放大单元15、脉宽调制单元17、锯齿波发生单元18，所述多路差分单元24的多路输入端分别连接所述温度给定单元6、附加温度给定单元22和精密电阻放大器13，所述多路差分单元的输出端连接所述积分比较放大器12的输入端，所述CPU单元19的输出端分别连接并提供控制信号所述附加温度给定单元20、待机温度给定单元21和锯齿波发生单元18，所述脉宽调制单元17的输入端分别连接所述差分放大单元15和所述锯齿波发生单元18而输出端连接所述CPU单元19，所述差分放大单元15的输入端连接所述多路差分单元24的输出端。
在上述按照本发明提供的可快速进行温度补偿的电烙铁中，所述控制单元还包括由所述CPU单元19输出单元提供驱动信号的工作状态指示单元16以及连接在所述CPU单元19与所述多路差分单元24之间的关机控制单元23，所述工作状态指示单元16是两个不同颜色的发光二极管。
实施本发明提供的电烙铁温度快速补偿方法及可快速进行温度补偿的电烙铁，可以做到快速检测和响应烙铁头热负载的变化而不受外部干扰噪音影响，并据此对电发热元件进行快速有效的控制保证烙铁头工作时运行在设定温度上，待机时，保持在设定的待机温度上，并可检测出长时间待机状态而进入睡眠状态。从而彻底避免因焊接过程中焊料温度变化造成的假焊和虚焊，从而有效提高焊接的速度和质量，同时，节省电能并延长烙铁头寿命。
附图说明
图1是本发明电烙铁温度快速补偿方法所使用的电烙铁的结构示意图；
图2是本发明可快速进行温度补偿的电烙铁的第一实施例的逻辑框图；
图3是本发明可快速进行温度补偿的电烙铁的第二实施例的逻辑框图；
图4是本发明可快速进行温度补偿的电烙铁的第一实施例的电路原理示意图；
图5是本发明可快速进行温度补偿的电烙铁的第二实施例的电路原理示意图；
具体实施方式
如图1所示，在本发明的电烙铁的烙铁头结构示意图中，包括陶瓷发热芯101、包围发热芯101的烙铁头受热部分102、与受热部分102一体但与被焊接物体接触的烙铁头焊接部分103，在烙铁头焊接部分103内端与陶瓷发热芯101之间有一个热传感器104，显然，从图上来看，在使用烙铁焊接过程中，陶瓷发热芯101的表面的温度最高，与被焊物体接触的烙铁头焊接部分103的温度最低，而热传感器104检测到的温度应该处于烙铁头焊接部分103与发热芯101温度之间。在一般情况下，发热芯101发热时，可将热能传到烙铁头受热部分102，烙铁头受热部分102再将热能传送到烙铁头焊接部分103。理想状况下，陶瓷发热芯101的温度很稳定，此时。烙铁头受热部分102和烙铁头焊接部分103的温度变化也不大，热传感器104不能感受到这种温度的变化。在焊接过程中，烙铁头焊接部分103接触到被焊接物体时，其温度首先下降，由于存在温差，烙铁头受热部分102将热能传递到烙铁头焊接部分103，同样，陶瓷发热芯也将热能传送到烙铁头受热部分102，从而导致陶瓷发热体101的温度也下降。普通电烙铁或电焊台都是在热传感器的感受到温度变化达到某一定阀值时才有温度的调节，但此时，烙铁头的温度可能已经下降了几十度，甚至使得焊接无法进行。这样，实际焊接温度于设定温度之间有很大波动，对焊接效果产生各种不良影响。只有迅速、准确地判断烙铁头接触被焊物体的时刻称为焊点的出现，才能对烙铁头消耗的热能进行预先补偿，进而达到烙铁头焊接部分的温度在焊接过程中下降很小且能够迅速回到设定温度。
在图2示出的本发明可快速进行温度补偿的电烙铁的第一实施例中，包括电源单元(未示出)、表示为受热部分和焊接部分的烙铁头、装在烙铁头内给烙铁头加热的电热芯8以及装在烙铁头内传感烙铁头温度的温度传感器9，为实现烙铁头温度控制，还包括用于设定烙铁头期望温度的温度给定单元6、、连接在电源单元与电热芯8之间的受控开关电源7，以及根据传感器9传感温度和温度给定单元6的设定温度对受控开关电源7进行控制的控制单元，作为一种快速的温度检测补偿的控制回路，该实施例中的控制单元包括：微分单元(相当于附加温度给定单元)22、积分比较放大单元12、输入端分别连接积分比较放大单元12输出端和受控开关电源7输出端而输出端连接所述受控开关电源7控制端的阻尼光电耦合单元10、输入端与热敏元件9连接的精密电阻放大器13，以及多路差分单元24，多路差分单元24的输入端分别连接温度给定单元6、作为附加温度给定单元的微分单元22和带恒流源25的精密电阻放大器13，多路差分单元24的输出端连接所述积分比较放大器12的输入端。其中，多路差分单元24用于产生温度调节量，该调节量取决于三个量，由带恒流源25的精密电阻放大器13提供的与绝对温度无关的温度变化量、由温度给定单元6提供设定温度信号和由包括微分环节的附加温度给定单元22提供的反映调节量变化的反馈信号，将由多路差分单元24的输出量送去积分比较放大器12，将经过积分比较放大的信号通过阻尼光电耦合单元10控制受控开关单元7，进而控制电热芯8的电功率。
由于通过精密电阻放大器13检测到的信号可能很多，怎样从中选出反映焊点变化的信号是及时准确识别焊点的关键。焊点的出现，对于静止系统而言，相当于一个扰动，而使平衡系统受到破坏，显然只要能够检测出该扰动并在测出扰动后立即在反方向施加一个大小相同的扰动，该扰动信号就是由附加温度给定单元22提供给多路差分单元24作为计算调节信号的依据，这样可使系统恢复到原先的平衡状态。毫无疑问，检测到扰动的时间越早，系统平衡受到的破坏也越小，在反方向施加附加温度的补偿时间就越短，系统恢复平衡就越快。
在图3示出的本发明可快速进行温度补偿的电烙铁的第二实施例中，除了具有第一实施例中的控制环路外，还包括对焊点温度信号进行卡尔曼数字滤波处理的控制回路，具体说，产生附加温度给定的方式发生了改变，在本实施例中，附加温度给定单元22是通过以下过程的焊点检测及回温控制回路产生附加温度的，该控制回路包括差分放大器15、脉宽调制器17、锯齿波发生器18、CPU19、附加温度给定单元22等组成，其原理是这样的：根据卡尔曼数字滤波原理，对差分放大的温度调控信号进行烙铁头热传导传输函数特征识别，如果识别出当前信号的变化特性符合烙铁头热传导函数，则判断出现一个焊点并计算输出附加温度补偿量；如果识别出当前信号变化不符合烙铁头热传导函数则设置附加温度补偿为零，其中，烙铁头热惯性系统公式为ΔA(t)＝(A0-A1)(1-e-t/τ)，其中，ΔA(t)是t时刻传感器检测到的温度变化量，A0是传感器检测到的静止平衡状态下的温度，A1是烙铁头焊接部分接触到焊点瞬间下降到的最低温度，τ是烙铁头11的热传导时间常数，只要烙铁头确定了，就可以通过实验预先得知时间常数τ。由于预先得到烙铁头温度传导的规律，就能够通过卡尔曼数字滤波处理方法，检测出属于焊点的温度变化，具体而言，在时间常数τ确定前提下，可以通过查表的方法，将传感器检测到的静止平衡状态下的温度A0、烙铁头焊接部分接触到焊点瞬间下降到的最低温度A1以及时间常数τ，作为自变量，查找一张预先设定的表，根据得出的数值确定是否属于焊点，例如，如果不属于焊点，查表输出可以是零或可忽略的数值；如果滤波得到当前出现一个焊点的结论，则输出一个对应的调节量，将这个调节量作为附加温度设定信号提供给多路差分单元24。结合本发明的方法，说明焊点识别及补偿的具体过程。在某一时刻出现一个焊点扰动时，热传感器9检测到的温度变化一定符合如上所列的热惯性公式。其中，焊点检测和附加温度回路中的多路差分单元24是以积分比较放大器为基准电压的，也就是说，多路差分单元24的基准电压正比于上一时段的温度值，那么，经过差分放大后，剔除了系统本身的温度，也就剔除了系统本身温度的干扰，放大的是温度的变化值。其中的脉宽调制器17、锯齿波发生器18(相当于A/D转换器)将放大的温度变化值传送给CPU19，显然送到CPU19的数值也包含了各种干扰，CPU19利用卡尔曼数字滤波原理消除干扰而提取出反映温度变化的特征值，如频率、幅值、相角等，如果提取出的特征值与热惯性公式相符，计算补偿值，无论是识别还是补偿量均可通过查表方式实现。
在本实施例中的多路差分单元中，与第一实施例相比，还增加了关机控制单元23和待机温度给定单元21。其中，待机温度用于设置烙铁头11处于准备工作时的温度，一般低于设定温度；关机控制用于计算处于待机温度的连续时间，如果超过规定时间长度，则控制电烙铁关机。图3中还给出了电源部分，包括EMI滤波桥式整流功率因数校正单元1、多路DC-DC隔离电源2、+23V电压单元3、+18V稳压单元4、+5V电压单元5和+6V电压单元14。
图4和图5分别示出了对应本发明可快速进行温度补偿的电烙铁的第一和第二实施例的电路原理示意图。
本发明公开的可快速补偿温度的电烙铁，包括静态温度控制回路和动态温度控制回路，其中，静态温度调节量主要取决于温度给定信号、实时温度检测信号和温度附加信号，动态温度调节是根据卡尔曼数字滤波原理，对差分放大的温度调控信号进行烙铁头热传导传输函数特征识别，只有在符合烙铁头热传导函数时才计算输出附加温度补偿量。本发明公开的实施例属于说明性而非限制性的；本领域普通技术人员，依据本发明可以有不同的实现形式，但不脱离本发明权利要求书记载的保护范围。

Claims (10)

1、一种电烙铁温度快速补偿方法，烙铁头内设置有感温元件和发热芯，其特征在于，包括以下步骤：
产生对应于烙铁头内感温元件温度相对数值的温度检测信号；
根据电烙铁设定温度产生温度给定信号；
在时刻t，根据温度调控信号产生温度附加信号；
在时刻t+Δt，进行差分计算，产生温度调控信号，其中差分计算的输入信号包括温度检测信号、温度给定信号和在时刻t所产生的温度附加信号；
对所述温度调控信号进行积分比较放大处理；
将积分比较放大处理后的温度调控信号进行阻尼处理并光电耦合到受控开关电源；
由受控开关电源根据耦合输入的调控信号输出对应的电功率到烙铁头内的发热芯。
2、根据权利要求1所述电烙铁温度快速补偿方法，其特征在于，所述根据温度调控信号产生温度附加信号包括对温度调控信号进行微分处理的步骤。
3、根据权利要求1所述电烙铁温度快速补偿方法，其特征在于，所述根据温度调控信号产生温度附加信号包括以下步骤：
对温度调控信号进行差分放大；
根据卡尔曼数字滤波原理，对差分放大的温度调控信号进行烙铁头热传导传输函数特征识别，如果符合烙铁头热传导函数则判断出现一个焊点并计算输出附加温度补偿量；如果不符合烙铁头热传导函数则设置附加温度补偿为零，其中，烙铁头热传导函数为ΔA(t)＝(A0-A1)(1-e-t/τ)，其中，ΔA(t)是t时刻传感器检测到的温度变化量，A0是传感器检测到的静止平衡状态下的温度，A1是烙铁头焊接部分接触到焊点瞬间下降到的最低温度，τ是烙铁头热传导时间常数。
4、根据权利要求3所述电烙铁温度快速补偿方法，其特征在于，差分计算输入信号中的温度给定信号是这样产生的，当在一定时间内没有检测到焊点时产生一个使烙铁头保持在待机温度的待机温度信号。
5、根据权利要求3所述电烙铁温度快速补偿方法，其特征在于，所述差分计算的输入信号还包括关机控制信号，所述关机信号是这样产生的，检测到烙铁头处于待机温度状态超过规定时间则产生关机控制信号。
6、一种可快速进行温度补偿的电烙铁，包括电源单元、烙铁头、给烙铁头加热的电热芯(8)、对烙铁头温度进行设定的温度给定单元(6)、装在烙铁头内传感烙铁头温度的温度传感器(8)、连接在电源单元与电热芯(8)之间的受控开关电源(7)，以及根据传感器(9)传感温度和温度给定单元(6)的设定温度对受控开关电源(7)进行控制的控制单元，其特征在于，所述控制单元包括：附加温度给定单元(22)、积分比较放大器(12)、输入端分别连接积分比较放大器(12)输出端和受控开关电源(7)输出端而输出端连接所述受控开关电源(7)控制端的阻尼光电耦合单元(10)、输入端与热敏元件(9)连接的精密电阻放大器(13)，以及多路差分单元，多路差分单元的输入端分别连接温度给定单元(6)、附加温度给定单元(22)和带恒流源(25)的精密电阻放大器(13)，多路差分单元的输出端连接所述积分比较放大器(12)的输入端。
7、根据权利要求6所述可快速进行温度补偿的电烙铁，其特征在于，所述附加温度给定单元是一个连接在多路差分单元输入端的微分单元。
8、根据权利要求6所述可快速进行温度补偿的电烙铁，其特征在于，所述附加温度给定单元是通过以下过程的焊点检测及回温控制回路产生附加温度的：根据卡尔曼数字滤波原理，对差分放大的温度调控信号进行烙铁头热传导传输函数特征识别，如果符合烙铁头热传导函数则判断出现一个焊点并计算输出附加温度补偿量；如果不符合烙铁头热传导函数则设置附加温度补偿为零，其中，烙铁头热传导函数为ΔA(t)＝(A0-A1)(1-e-t/τ)，其中，ΔA(t)是t时刻传感器检测到的温度变化量，A0是传感器检测到的静止平衡状态下的温度，A1是烙铁头焊接部分接触到焊点瞬间下降到的最低温度，τ是烙铁头热传导时间常数。
9、根据权利要求8所述可快速进行温度补偿的电烙铁，其特征在于，所述焊点检测及回温控制回路包括CPU单元(19)、待机温度给定单元(21)、差分放大单元(15)、脉宽调制单元(17)、锯齿波发生单元(18)，所述多路差分单元(24)的多路输入端分别连接所述温度给定单元(6)、附加温度给定单元(22)和精密电阻放大器(13)，所述多路差分单元的输出端连接所述积分比较放大器(12)的输入端，所述CPU单元(19)的输出端分别连接并提供控制信号所述附加温度给定单元(20)、待机温度给定单元(21)和锯齿波发生单元(18)，所述脉宽调制单元(17)的输入端分别连接所述差分放大单元(15)和所述锯齿波发生单元(18)而输出端连接所述CPU单元(19)，所述差分放大单元(15)的输入端连接所述多路差分单元(24)的输出端。
10、根据权利要求9所述可快速进行温度补偿的电烙铁，其特征在于，所述控制单元还包括由所述CPU单元(19)输出单元提供驱动信号的工作状态指示单元(16)以及连接在所述CPU单元(19)与所述多路差分单元(24)之间的关机控制单元(23)，所述工作状态指示单元(16)是两个不同颜色的发光二极管。
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