CN114448036B - 一种电阻-mosfet调控的焊接电源电容快速充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电阻‑MOSFET调控的焊接电源电容快速充电方法，包括：启动焊接电源，确定充电电阻R和电容临界电压U1；当焊接电源收到触发焊接信号后，通过电压检测电路对电容电压进行实时检测，并将电容电压经ADC采样后反馈给控制系统，比较电容电压和电容临界电压U1的关系，根据比较结果设计控制策略；根据所述控制策略对控制系统中的驱动电路进行控制，进而控制MOSFET晶体管Q1的开通和关断，实现电容充电模式的转换；本发明通过选择合理的电阻阻值，并设计控制策略控制MOSFET的开通和关断来加快电容充电速度，提高了充电效率，有效地降低了电阻热损耗。

Description

一种电阻-MOSFET调控的焊接电源电容快速充电方法

技术领域

本发明涉及焊接电源电容充电的技术领域，尤其涉及一种电阻-MOSFET调控的焊接电源电容快速充电方法。

背景技术

晶体管式电阻点焊电源因精度高，控制灵活，电流上升速度快，输出电流平滑，易实现自动化等特点得以快速发展，并能够满足多种焊接工艺的需要，特别是在精密电子元件、仪器仪表、医疗器械、航空航天等领域微型件焊接中的应用，此类电源有效的提高了工件连接的可靠性和工艺性，促进了相关产业的发展。晶体管式点焊电源在其发展历程中，主电路结构主要有焊接变压器前置式、后置式和开关电源式等拓扑结构。其中，开关电源复合式晶体管电源是结合电容储能技术，以开关电源作为恒压源为储能电容提供能量，具有电路结构简单、可靠性高、成本低等特点。

现如今，电容器作为绿色环保的能量存储装置，因具有充放电速度快，功率密度高以及使用寿命长等特点，而备受青睐。随着电力电子技术的不断发展，电容器的快速充电技术也得到了长足进步。为了防止电容充电时出现过流和过压问题，目前相对成熟的电容充电技术主要是恒压式、恒流式以及二者混合模式充电，以实现对电容器充电电流和充电电压的控制，但是存在共同的问题，电路结构复杂，增加了控制难度，降低了电源的稳定性。

目前，开关电源复合式晶体管电源通常采用传统的“RC”充电方式给电容充电，充电电阻的加入是为了避免电容在充电时出现电流过冲现象，以防有损电容和其他电路元件。电容本身在充电时，充电电流会随着电容两端电压升高而降低，而电阻的加入又减缓了电容的充电速度，降低了充电效率，进而导致电源负载持续率下降。而且，电阻还会因发热造成电源功率的消耗，产生的热损耗会辐射到整个机箱内，增加机箱温度，不利于其他元器件的散热，影响焊接电源的使用性能。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明提供了一种电阻-MOSFET调控的焊接电源电容快速充电方法，能够解决晶体管电源电容充电时，造成充电电流过冲，电阻热损耗高，充电效率低，无法提升负载持续率的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案，包括：启动焊接电源，确定充电电阻R和电容临界电压U1；当所述焊接电源收到触发焊接信号后，通过电压检测电路对电容电压进行实时检测，并将所述电容电压经ADC采样后反馈给控制系统，比较所述电容电压和电容临界电压U1的关系，根据比较结果设计控制策略；根据所述控制策略对控制系统中的驱动电路进行控制，进而控制MOSFET晶体管Q1的开通和关断，实现电容充电模式的转换。

作为本发明所述的电阻-MOSFET调控的焊接电源电容快速充电方法的一种优选方案，其中：所述充电电阻R为：储能电容C在电阻充电模式下，电容电压由0V充至24V时，开关电源不故障所允许的最小电阻阻值。

作为本发明所述的电阻-MOSFET调控的焊接电源电容快速充电方法的一种优选方案，其中：电容临界电压U1为：储能电容C由开关电源经MOSFET晶体管Q1恒压直充模式下，开关电源不出现永久故障所需的最低起始电容电压值。

作为本发明所述的电阻-MOSFET调控的焊接电源电容快速充电方法的一种优选方案，其中：检测电容电压包括：在电源工作过程中，对主电路中储能电容C两端的电压进行检测，检测频率为100kHz，放电结束后，电容电压实时检测频率变为1kHz。

作为本发明所述的电阻-MOSFET调控的焊接电源电容快速充电方法的一种优选方案，其中：所述焊接电源包括主电路和控制系统；所述主电路包括开关电源，充电电阻R、MOSFET晶体管Q1、MOSFET晶体管Q2、滤波电容C1、储能电容C和负载；所述滤波电容C1和储能电容C并联连接，所述负载与所述储能电容C并联连接，所述负载与所述MOSFET晶体管Q2串联连接，所述MOSFET晶体管Q1与所述充电电阻R并联连接，充电电阻R的两端分别与所述开关电源和滤波电容C1连接。

作为本发明所述的电阻-MOSFET调控的焊接电源电容快速充电方法的一种优选方案，其中：所述控制系统包括控制芯片、驱动电路、电压检测电路、电流检测电路、人机界面、通信模块；选用触摸屏作为所述人机界面，可根据焊接工艺要求设置焊接电流、焊接电压、焊接功率和焊接时间，并实时显示焊接曲线；所述触摸屏通过232模块和所述控制芯片进行通信，所述通信模块由232和485通信模块及外围电路组成；通过控制芯片比较所述电容电压和电容临界电压U1的关系，而后通过驱动电路对控制芯片输出的PWM信号进行隔离、功率放大，以控制主电路工作状态，实现对MOSFET晶体管Q1的控制。

作为本发明所述的电阻-MOSFET调控的焊接电源电容快速充电方法的一种优选方案，其中：控制策略包括：储能电容C放电时，检测到电容电压大于电容临界电压U1时，判断焊接电源是否放电结束，若放电结束，MOSFET晶体管Q1保持开通状态，储能电容C直接经MOSFET晶体管Q1充电，当检测到储能电容C两端的电压大于或等于24V时，储能电容C充电完成；若放电未结束，则继续检测电容电压，并比较电容电压和电容临界电压U1的关系。

作为本发明所述的电阻-MOSFET调控的焊接电源电容快速充电方法的一种优选方案，其中：控制策略包括：储能电容C放电时，检测到电容电压小于电容临界电压U1时，需断开MOSFET晶体管Q1，储能电容C进行第一阶段充电，充电电阻R接入充电回路，储能电容C经充电电阻R充电，当充至电容临界电压U1时，开通MOSFET晶体管Q1，切换充电模式，储能电容C经MOSFET晶体管Q1开始进行第二阶段充电，至充电完成，等待下一次焊接。

本发明的有益效果：本发明通过选择合理的电阻阻值，并设计控制策略控制MOSFET的开通和关断来加快电容充电速度，提高了充电效率，有效地降低了电阻热损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明第一个实施例所述的电阻-MOSFET调控的焊接电源电容快速充电方法的流程示意图；

图2为本发明第一个实施例所述的电阻-MOSFET调控的焊接电源电容快速充电方法的主电路结构示意图；

图3为本发明第一个实施例所述的电阻-MOSFET调控的焊接电源电容快速充电方法的晶体管焊接电源电容快速充电电路结构示意图；

图4为本发明第二个实施例所述的电阻-MOSFET调控的焊接电源电容快速充电方法的不同临界电压值电容充放电过程电容电压变化曲线示意图；

图5为本发明第二个实施例所述的电阻-MOSFET调控的焊接电源电容快速充电方法的充电电阻温度变化曲线示意图；

图6为本发明第二个实施例所述的电阻-MOSFET调控的焊接电源电容快速充电方法的开关电源故障信号示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1～3，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种电阻-MOSFET调控的焊接电源电容快速充电方法，包括：

S1：启动焊接电源，确定充电电阻R和电容临界电压U1。

启动焊接电源，此时储能电容C两端的电压为零，220V交流电经过开关电源降压后通过充电电阻R充电，当储能电容C两端的电压达到开关电源额定电压时，储能电容C停止充电，充电完成，等待触发焊接信号。

其中，充电电阻R的确定方法为：储能电容C在电阻充电模式下，电容电压由0V充至24V时，开关电源不故障所允许的最小电阻阻值。

电容临界电压U1的确定方法为：储能电容C由开关电源经MOSFET晶体管Q1恒压直充模式下，开关电源不出现永久故障所需的最低起始电容电压值。

电容临界电压U1的选取将会直接影响储能电容C的充电时间和电阻热损耗的产生，如果取值不合理，还会导致储能电容C在充电电阻R充电切换至MOSFET晶体管Q1充电时造成开关电源因电流过冲产生故障，进而需重启电源。

S2：当电压采样电路收到触发焊接信号后，检测电容电压，并将电容电压经ADC采样后反馈给控制系统，比较电容电压和电容临界电压U1的关系，根据比较结果设计控制策略。

电源焊接过程是电容不断充电和放电的过程，当焊接电源收到触发焊接信号后，通过电压检测电路对电容电压进行实时检测，具体的，在电源工作过程中，对主电路中储能电容C两端的电压进行检测，检测频率为100kHz，放电结束后，电容电压实时检测频率变为1kHz；进一步的，通过电压检测电路获取检测的电容电压，并将电容电压经ADC采样后反馈给控制系统。

其中需要说明的是，焊接电源包括主电路和控制系统；通过主电路实现储能电容C的充电和放电，参照图2，主电路包括开关电源，充电电阻R、MOSFET晶体管Q1、MOSFET晶体管Q2、滤波电容C1、储能电容C和负载；

滤波电容C1和储能电容C并联连接，负载与储能电容C并联连接，负载与MOSFET晶体管Q2串联连接，MOSFET晶体管Q1与充电电阻R并联连接，充电电阻R的两端分别与开关电源和滤波电容C1连接。

具体的，控制系统包括控制芯片、驱动电路、电压检测电路(电压反馈)、电流检测电路(电流反馈)、人机界面、通信模块；本实施例选用触摸屏作为人机界面，可根据焊接工艺要求设置焊接电流、焊接电压、焊接功率和焊接时间，并实时显示焊接曲线；触摸屏通过232模块和控制芯片进行通信，通信模块由232和485通信模块及外围电路组成；通过控制芯片比较电容电压和电容临界电压U1的关系，而后通过驱动电路对控制芯片输出的PWM信号进行隔离、功率放大，以控制主电路工作状态(如图3所示)，实现对MOSFET晶体管Q1的控制。

具体的，设计的控制策略为：

(1)储能电容C放电时，检测到电容电压大于电容临界电压U1时，判断焊接电源是否放电结束，若放电结束，MOSFET晶体管Q1保持开通状态，储能电容C直接经MOSFET晶体管Q1充电，当检测到储能电容C两端的电压大于或等于24V时，储能电容C充电完成；

若放电未结束，则继续检测电容电压，并比较电容电压和电容临界电压U1的关系。

(2)储能电容C放电时，检测到电容电压小于电容临界电压U1时，需断开MOSFET晶体管Q1，储能电容C进行第一阶段充电，充电电阻R接入充电回路，储能电容C经充电电阻R充电，当充至电容临界电压U1时，开通MOSFET晶体管Q1，切换充电模式，储能电容C经MOSFET晶体管Q1开始进行第二阶段充电，至充电完成，等待下一次焊接。

S3：根据控制策略对控制系统中的驱动电路进行控制，进而控制MOSFET晶体管Q1的开通和关断，实现电容充电模式的转换。

实施例2

为了对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例以单极性晶体管式电阻点焊电源为应用对象，以科学论证的手段进行测试，以验证本方法所具有的真实效果。

开关电源的型号为SE-1000-24明纬开关电源，额定功率1000W，24V直流输出；储能电容C为江海CD29L系列储能电容，由24个并联而成，总容量为1.128F，额定电压35V；选用STM32H745芯片作为控制芯片，触摸屏选用XG080SMN30C电容屏，二者通过232、485通信某块实现信息交互；采用霍尔电流传感器和电压采样电路采集电容充电电流值和储能电容C两端的电压值，经ADC采样反馈至控制芯片；选用1mΩ电阻负载；经实验测试，晶体管焊接电源选用充电电阻阻值为0.1667Ω，电容临界电压U1为16V。

焊接电源启动，电容经充电电阻充电，充至24V。

焊接过程，在触摸屏上设置焊接工艺参数，焊接时间9.99ms，焊接电流3500A，分别设置电容临界电压U1为16V和22V，进行100次连续焊接。

焊接时，电容电压降迅速下降并低于所设临界电压值，因此，电容充电分为两个阶段：第一段MOSFET晶体管Q1关断，经充电电阻R分别充至临界电压U1，后控制MOSFET晶体管Q1开通，进入第二阶段经MOSFET充电；对比在不同临界电压U1下，储能电容C充电所需时间、储能电容C充电电压变化如图4所示，在电容临界压U1为16V时，储能电容C充电速度明显加快，有效的提升了负载持续率；而电容临界电压U1为22V时，两次焊接时间约为1.35秒，负载持续率明显降低；由此可知，当电容临界电压U1值越高，所需电阻充电时间越长，储能电容C充电速度越慢；当U1值为开关电源额定电压时，即充电电阻R一直保持在充电回路中，即为传统式“RC充电”。

充电电阻R在充电过程中，会产生热量损耗，通过热像仪观测电阻温变化，绘制温升曲线；电容临界电压U1在16V和22V时，连续焊接100次后，电阻温度变化过程如图5所示，仅20秒的时间温度增幅5摄氏度；在相同焊接次数下，电容临界电压值越低所需焊接时间越短，流经充电电阻R的充电电流时长越短，产生的热量越少，损耗越少。

由上述可知，较低的电容临界电压值会加快电容充电速度，产生较少的电阻热损耗，但是，电容临界电压U1值不能无限降低，在该焊接电源中当低于16V，在电容有充电电阻R充电切换至MOSFET充电时，会产生过冲电流，导致开关电源故障，如图6所示，在同样焊接参数下，当电容临界电压U1设置为15.5V[图6坐标点(x：0.68，y：15.85)]时，电容双阶段充电电流接近100A，超过开关电源所承受的电流值导致开关电源故障，停止电压输出，电容无法充电。

由图4、5可知，电容的充电速度得到了有效提升，减少了充电电流流经充电电阻的时间，从而提高了充电效率，有效地降低了电阻热损耗，而且本方法的电路简单可靠，成本较低。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

如在本申请所使用的，术语“组件”、“模块”、“系统”等等旨在指代计算机相关实体，该计算机相关实体可以是硬件、固件、硬件和软件的结合、软件或者运行中的软件。例如，组件可以是，但不限于是：在处理器上运行的处理、处理器、对象、可执行文件、执行中的线程、程序和/或计算机。作为示例，在计算设备上运行的应用和该计算设备都可以是组件。一个或多个组件可以存在于执行中的过程和/或线程中，并且组件可以位于一个计算机中以及/或者分布在两个或更多个计算机之间。此外，这些组件能够从在其上具有各种数据结构的各种计算机可读介质中执行。这些组件可以通过诸如根据具有一个或多个数据分组(例如，来自一个组件的数据，该组件与本地系统、分布式系统中的另一个组件进行交互和/或以信号的方式通过诸如互联网之类的网络与其它系统进行交互)的信号，以本地和/或远程过程的方式进行通信。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种电阻-MOSFET调控的焊接电源电容快速充电方法，其特征在于，包括：

启动焊接电源，所述焊接电源包括主电路和控制系统，所述主电路包括开关电源，充电电阻R、MOSFET晶体管Q1、MOSFET晶体管Q2、滤波电容C1、储能电容C和负载，所述滤波电容C1和储能电容C并联连接，所述负载与所述储能电容C并联连接，所述负载与所述MOSFET晶体管Q2串联连接，所述MOSFET晶体管Q1与所述充电电阻R并联连接，充电电阻R的两端分别与所述开关电源和滤波电容C1连接，确定充电电阻R和电容临界电压U1，所述充电电阻R为：储能电容C在电阻充电模式下，电容电压由0V充至24V时，开关电源不故障所允许的最小电阻阻值，电容临界电压U1为：储能电容C由开关电源经MOSFET晶体管Q1恒压直充模式下，开关电源恒压充电模式下，开关电源不出现永久故障所需的最低起始电容电压值；

当所述焊接电源收到触发焊接信号后，通过电压检测电路对电容电压进行实时检测，并将所述电容电压经ADC采样后反馈给控制系统，比较所述电容电压和电容临界电压U1的关系，根据比较结果设计控制策略，储能电容C放电时，检测到电容电压大于电容临界电压U1时，判断焊接电源是否放电结束，若放电结束，MOSFET晶体管Q1保持开通状态，储能电容C直接经MOSFET晶体管Q1充电，当检测到储能电容C两端的电压大于或等于24V时，储能电容C充电完成，若放电未结束，则继续检测电容电压，并比较电容电压和电容临界电压U1的关系，储能电容C放电时，检测到电容电压小于电容临界电压U1时，需断开MOSFET晶体管Q1，储能电容C进行第一阶段充电，充电电阻R接入充电回路，储能电容C经充电电阻R充电，当充至电容临界电压U1时，开通MOSFET晶体管Q1，切换充电模式，储能电容C经MOSFET晶体管Q1开始进行第二阶段充电，至充电完成，等待下一次焊接；根据所述控制策略对控制系统中的驱动电路进行控制，进而控制MOSFET晶体管Q1的开通和关断，实现电容充电模式的转换。

2.如权利要求1所述的电阻-MOSFET调控的焊接电源电容快速充电方法，其特征在于，检测电容电压包括：

在电源工作过程中，对主电路中储能电容C两端的电压进行检测，检测频率为100kHz，放电结束后，电容电压实时检测频率变为1kHz。

3.如权利要求2所述的电阻-MOSFET调控的焊接电源电容快速充电方法，其特征在于，控制系统包括控制芯片、驱动电路、电压检测电路、电流检测电路、人机界面、通信模块；

选用触摸屏作为所述人机界面，可根据焊接工艺要求设置焊接电流、焊接电压、焊接功率和焊接时间，并实时显示焊接曲线；

所述触摸屏通过232模块和所述控制芯片进行通信，所述通信模块由232和485通信模块及外围电路组成；

通过控制芯片比较所述电容电压和电容临界电压U1的关系，而后通过驱动电路对控制芯片输出的PWM信号进行隔离、功率放大，以控制主电路工作状态，实现对MOSFET晶体管Q1的控制。

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