CN103264244B - 热压焊电源 - Google Patents

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Abstract

一种热压焊电源，包括：输出直流/脉冲电流至热压焊头的主电路、控制器、以及分别连接在所述热压焊头的电流采样电路、电压采样电路以及温度检测电路；主电路根据PWM信号调节输出电流的大小；电流采样电路采集主电路的输出电流获得反馈电流值；电压采样电路采集热压头两端的电压获得反馈电压值；温度检测电路检测热压焊头的焊接部位的温度获得热电势信号；控制器用于根据预设的温度曲线控制热压焊头的温度过程，根据热电势信号获得反馈温度值，并根据反馈电流值、反馈电压值以及反馈温度值控制PWM信号的占空比。本发明的热压焊电源，实现对感温滞后时间进行辨识，根据滞后时间对温度进行前馈控制，避免了温度反馈滞后而导致温度过冲现象，提高了温度控制的稳定性。

Description

热压焊电源
技术领域
本发明涉及热压焊技术领域，特别是涉及一种热压焊电源。
背景技术
近年来，在电子器件、医疗器械、传感器等产品的制造中，涉及较多细同轴电线、PCB基板和FPC、FFC的焊锡焊接，LCD和TCP的ACF连接，各种线圈部品的绝缘漆包线和端子的直接连接，塑料的压铆接合等问题。
目前，用于此类问题的焊接工艺主要有电烙铁锡焊、回流焊、热压焊等，热压焊电源由于具有以下优点而得到业界广泛使用：
（1）对温度、时间等参数能高精度地灵活控制；
（2）局部瞬间加热方式能够良好地抑制对周围元件的热影响；
（3）焊头的温度上升、下降迅速，温度的再现性好；焊点在压力作用下凝固成形，接头均匀，外观好；
（4）容易实现多种形式的温度曲线，实现最佳焊接过程；
（5）可以多点同时加热焊接；
（6）节能；
（7）易于实现自动化。
在《焊接学报》第30卷、第6期发表了题为《波控逆变式精密回流焊接电源的研制》的学术论文，在该公开的论文中，提出了通过测量焊头的温度并采用PID算法来控制温度曲线的方案，其波形控制的示意图，如论文中的图3所示，在实际焊接过程的4个阶段中，针对温度曲线的变化形状，可以分为上升段和平稳段，所述上升段，即温度处于上升的阶段，所述平稳段，即温度处于平稳的阶段。通过针对具体的焊料和不同的工作环境，综合考虑各种因素来设置不同的参数，使得焊头的温度跟随温度曲线进行变化，以达到理想回流焊接效果。
但在实践中，申请人通过对温度曲线变化的研究发现，在该技术波形控制方案中，由于焊头产生的热量需要通过一定时间传导才能作用在测温反馈回路测温器件的有效位置，因此，测温反馈回路自身会存在较大的滞后，而且滞后时间与热电偶端头烧球和焊接相关，存在不确定性。
因此，在加热速度较快时，焊头温度已经很高，但热电偶没有及时响应，当温度曲线从上升段转换至平稳段时，控制器获得延迟的反馈信息使控制失误，没能及时从加热升温控制转换至温度平稳控制，导致出现温度过冲现象，参见图1所示，图1为温度过冲示意图，在曲线1为设定的温度曲线，而由于存在温度过冲现象，实际的曲线如曲线2所示，从图1可以看出，上述热压焊电源技术，温度控制波形波动大，稳定性差、准确性低。
发明内容
基于此，有必要提供一种温度控制稳定性更好、控制准确性更高的热压焊电源。
一种热压焊电源，包括：用于输出直流/脉冲电流至热压焊头的主电路、控制器、以及分别连接在所述热压焊头的电流采样电路、电压采样电路以及温度检测电路；
所述主电路根据所述控制器输出的PWM信号调节主电路输出电流的大小；
所述电流采样电路采集所述主电路的输出电流获得反馈电流值输出至所述控制器；
所述电压采样电路采集所述热压焊头的电压获得反馈电压值输出至所述控制器；
所述温度检测电路检测热压焊头的焊接部位的温度获得热电势信号反馈至所述控制器；
所述控制器用于根据预设的温度曲线控制热压焊头的加热，根据所述热电势信号获得反馈温度值，并根据所述反馈电流值、反馈电压值以及反馈温度值控制所述PWM信号的占空比；
所述控制PWM信号的占空比的过程包括：
在温度曲线的上升段，采用所述温度曲线对应的加热升温模式控制PWM信号的占空比，对所述热压焊头进行加热升温，并根据所述反馈电流值、反馈电压值计算热压焊头的实际功率值；
根据所述实际功率值以及预先建立的功率-温升对应关系计算温度反馈的滞后时间△t；其中，所述功率-温升对应关系为热压焊头进行加热升温过程中实测的反馈功率值和反馈温度上升率之间的对应关系；
在温度曲线由上升段距离平稳段的时间差等于△t之前，采用所述温度曲线对应的平稳控温模式控制PWM信号的占空比。
上述热压焊电源，采用多参数反馈控制方式，除了温度反馈，还反馈流过热压焊头的电流及两端的电压，计算热压焊头的加热功率，结合到加热功率与温度上升率之间的对应关系，建立热压焊头的功率-温升对应关系，获取控制调节过程中实际温度上升率对比反馈温度上升率之间变化的时间差，实现对感温滞后时间进行准确的辨识，根据滞后时间对温度进行前馈控制，避免了温度反馈滞后而导致温度过冲现象，提高了温度控制稳定性。
附图说明
图1为温度过冲示意图；
图2为一个实施例的热压焊电源的结构示意图；
图3为本发明的热压焊电源的反馈控制方式的示意图；
图4为温度曲线的示意图；
图5为较优实施例的主电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的热压焊电源的具体实施方式作详细描述。
图2示出了一个实施例的热压焊电源的结构示意图，包括：用于输出直流/脉冲电流至热压焊头的主电路、控制器、以及分别连接在所述热压焊头的电流采样电路、电压采样电路以及温度检测电路。
所述主电路根据所述控制器输出的PWM信号调节主电路输出电流的大小。
所述电流采样电路采集所述主电路的输出电流获得反馈电流值输出至所述控制器。
所述电压采样电路采集所述热压焊头两端的电压获得反馈电压值输出至所述控制器。
所述温度检测电路检测热压焊头的焊接部位的温度获得热电势信号反馈至所述控制器。
所述控制器用于根据预存的温度曲线控制热压焊头的加热，根据所述热电势信号获得反馈温度值，并根据所述反馈电流值、反馈电压值以及反馈温度值控制所述PWM信号的占空比，控制热压焊头的加热。
所述控制PWM信号的占空比的过程包括：
在温度曲线的上升段，采用所述温度曲线对应的加热升温模式控制PWM信号的占空比，对所述热压焊头进行加热升温，并根据所述反馈电流值、反馈电压值计算热压焊头的实际功率值；具体的，加热升温模式即连续输出加热方式，根据设定的温度曲线对应的温度上升速率，控制PWM信号的脉宽值，调节加热使实际温度上升率达到并稳定在设定的温度上升率。
根据所述实际功率值以及预先建立的功率-温升对应关系计算温度反馈的滞后时间△t；其中，所述功率-温升对应关系为热压焊头进行加热升温过程中实测的反馈功率值和反馈温度上升率之间的对应关系。
具体的，在对热压焊头进行加热升温时，温度上升率是由初始的零值开始增加，从开始加热升温到感应到热压焊头有温度上升之间存在时间差，当功率产生变化后，直至检测到温升变化之间也存在时间差，综合这些时间差的分析可以准确地获得滞后时间△t。
在温度曲线由上升段距离平稳段的时间差等于△t之前，采用所述温度曲线对应的平稳控温模式控制PWM信号的占空比。所述平稳控温模式即保温加热方式，维持热压焊头的加热温度在一个平稳水平上。
本发明的热压焊电源，采用多参数反馈控制方式通过反馈温度，使得热压焊头的温度可以跟随温度曲线的规律变化，同时，考虑到测温反馈回路存在较大的滞后，通过反馈流过热压焊头的电流及热压焊头两端的电压，计算热压焊头的加热功率，结合到加热功率与温度上升率之间内在的对应关系，根据开始阶段建立的功率-温升对应关系，获取控制调节过程中实际温度上升率对比反馈温度上升率之间变化的时间差，从而实现对感温滞后时间进行准确的辨识，得到温度反馈的滞后时间△t，在通过反馈温度值检测到热压焊头的温度距离由温度曲线的上升段进入平稳段还相差滞后时间△t时，进行前馈控制，避免了温度反馈滞后导致控制失误而出现温度过冲的现象，提高了温度控制稳定性。
参见图3所示，图3为本发明的热压焊电源的反馈控制方式的示意图，图中Tg为设定的温度曲线，包含上升段和平稳段，Tf为反馈温度，受热压焊头产热、材料比热容和散热影响，在散热条件变化时调节产热热量加以补偿，使得加热温度跟随Tg的规律变化。I为流过热压焊头的电流，直接影响热压焊头加热，U为热压焊头两端的电压，与热压焊头的电阻和流过热压焊头的电流直接相关，根据上述I、U计算实时功率P（P=UI），根据功率P以及功率-温升对应关系计算得到滞后时间△t，在温度曲线Tg实际由上升段进入到平稳段之前时间△t的时刻进行前馈控制。
在一个实施例中，为了避免温度过冲问题，进一步改善对热压焊头进行加热的均匀稳定，可以采用基于斜率变化的平滑温度控制技术，在设定的温度曲线上预设平滑过渡时间△t1，并设置平滑过渡时间△t1的温升变化率，当热压焊头的温升由所述温度曲线由上升段上升至距离平稳段的时间差等于△t+△t1时，根据所述△t1段的温升变化率控制PWM信号的占空比，使得主电路输出对应的加热功率对所述热压焊头进行加热。其中，平滑过渡模式为根据预设的温升变化率控制温度曲线的由平稳段过渡到上升段的加热升温。
参见图4所示，图4为温度曲线的示意图。在上升段，为实现升温速度的调节，采用连续输出加热方式，PWM信号的脉宽值根据预设的温度上升率进行增大，此时主电路输出电流处于较大的连续上升状态，如快速加热段（t0～t1时间段），温度由T1增加至T2。
为了防止快速加热造成温度过冲，在由快速加热段（t0～t1时间段）向保温段（t1～t2时间段）转换前，采用了基于斜率变化对热压焊头进行平滑控温，设置平滑过渡阶段，时间为△t1，在距离t1时刻△t1时间，根据预设的加热规律减小PWM信号的脉宽值，使得主电路的输出电流规律减小，热压焊头的温度规律减小，考虑到滞后时间在内，则在检测到温度曲线的上升段与平稳段还相差△t+△t1时，开始执行平滑过渡控制模式，经过平滑过渡时间△t1后，进入平稳控温模式控制PWM信号。PWM信号控制PWM信号的脉宽值，使得主电路输出电流对热压焊头进行稳定加热保温。
同理，在由保温段（t1～t2时间段）向焊接段（t3～t4时间段）转换时，温度由T2增加至T3，转换过程也采用相同方式进行平滑过渡处理。
通过上述基于斜率变化的方式对热压焊头进行平滑控温，可以有效抑制温度过冲，使得热压焊头的温度能够由上升段平滑地进入平稳段，实现对热压焊头进行均匀稳定的加热。
对于功率-温升对应关系，在加热前期通过相关数据建立。具体的，对应不同的热压焊头，其功率和温度上升率规律不同，因此，可以针对于每种不同的热压焊头实时测试建立其功率-温升对应关系。
在开始加热阶段，调节电流使温度上升率达到给定值，在这个过程中，电流在变化（即功率变化），温度也产生相应变化，检测变化过程中的检测点的数据，利用这些数据点的对应关系进行辨识，获得相应的功率-温升对应关系规律，然后拟合得到功率-温升对应关系。
对于功率-温升对应关系，可以通过实测来获取，其过程可以包括如下：
获取所述设定的温度曲线在上升段的斜率。
控制所述主电路持续提升输出电流。
检测所述热压焊头的实际温度上升率，当实际温度上升率与所述设定的温度曲线上升率有偏差时，调整电源的输出电流，使得实际温度上升率与设定的温度曲线上升率一致。
检测所述热压焊头的实际功率，根据所述实际功率与所述实际温度上升率获取热压焊头的功率-温升对应关系。
需要说明的是，本专利中的功率-温升对应关系获取方式包括但并不限定上述实施例的方式。
参见图5所示，图5为较优实施例的主电路结构示意图；包括：依次连接的PWM驱动电路、逆变电路、中频变压器和输出整流滤波电路。
所述逆变电路连接直流电源，所述PWM驱动电路接入所述控制器输出的PWM信号，输出整流滤波电路连接所述热压焊头。另外，主电路还可以包括连接所述逆变电路的输入整流滤波电路，用于将电网的交流电进行整流和滤波得到直流电源输出至所述逆变电路。
具体的，由工频单相（220V）或三相电网的电压（380V）经输入整流滤波电路整流滤波后得到平稳的直流，再经全桥式的逆变电路得到中频交流电，经中频变压器降压后再通过输出整流电路得到低电压、大电流的直流或直流脉冲电流，对热压焊头进行加热。
在一个实施例中，所述控制器为DSP控制器，实现所述温度信号、电流信号、电压信号的快速采样，实际功率实时计算，平滑过渡加热功率规划和温度过程的快速反馈控制。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种热压焊电源，其特征在于，包括：用于输出直流/脉冲电流至热压焊头的主电路、控制器、以及分别连接在所述热压焊头的电流采样电路、电压采样电路以及温度检测电路；
所述主电路根据所述控制器输出的PWM信号调节主电路输出电流的大小；
所述电流采样电路采集所述主电路的输出电流获得反馈电流值输出至所述控制器；
所述电压采样电路采集所述热压焊头的电压获得反馈电压值输出至所述控制器；
所述温度检测电路检测热压焊头的焊接部位的温度获得热电势信号反馈至所述控制器；
所述控制器用于根据预设的温度曲线控制热压焊头的加热，根据所述热电势信号获得反馈温度值，并根据所述反馈电流值、反馈电压值以及反馈温度值控制所述PWM信号的占空比；
所述控制PWM信号的占空比的过程包括：
在温度曲线的上升段，采用所述温度曲线对应的加热升温模式控制PWM信号的占空比，对所述热压焊头进行加热升温，并根据所述反馈电流值、反馈电压值计算热压焊头的实际功率值；
根据所述实际功率值以及预先建立的功率-温升对应关系计算温度反馈的滞后时间△t；其中，所述功率-温升对应关系为热压焊头进行加热升温过程中实测的反馈功率值和反馈温度上升率之间的对应关系；
在温度曲线由上升段距离平稳段的时间差等于△t时，采用所述温度曲线对应的平稳控温模式控制PWM信号的占空比。
2.根据权利要求1所述的热压焊电源，其特征在于，在采用所述温度曲线对应的平稳控温模式控制PWM信号的占空比前还包括：
在设定的温度曲线上预设平滑过渡时间△t1，并设置平滑过渡时间△t1的温升变化率，当热压焊头的温度由所述温度曲线的上升段上升至距离平稳段的时间差等于△t+△t1时，根据所述温升变化率控制PWM信号的占空比，使得主电路输出对应的加热功率对所述热压焊头进行加热。
3.根据权利要求1所述的热压焊电源，其特征在于，建立功率-温升对应关系的过程包括：
获取设定的温度曲线在上升段的斜率；
控制所述主电路持续提升输出电流；
检测所述热压焊头的实际温度上升率，当实际温度上升率与设定的温度曲线上升率有偏差时，调整电源的输出电流，使得热压焊头的实际温度上升率与设定的温度曲线上升率一致；
检测所述热压焊头的实际功率，根据所述实际功率与所述实际温度上升率获取热压焊头的功率-温升对应关系。
4.根据权利要求1至3任一项所述的热压焊电源，其特征在于，所述控制器为DSP控制器。
5.根据权利要求1至3任一项所述的热压焊电源，其特征在于，所述主电路采用PWM控制的逆变电路，所述逆变电路工作在中高频状态。
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