WO2006136094A1

WO2006136094A1 - Procédé rapide de compensation en température pour un fer à souder électrique et fer à souder électrique compensable rapidement en température

Info

Publication number: WO2006136094A1
Application number: PCT/CN2006/001385
Authority: WO
Inventors: Xiaogang Liu
Original assignee: L Lab Corporation
Priority date: 2005-06-24
Filing date: 2006-06-19
Publication date: 2006-12-28
Also published as: CN100431762C; US8106328B2; CN1883863A; US20100224598A1; JP2008546537A

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，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 06 001385 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，同时要兼顾到非悍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悍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；

根据温度调控信号产生温度附加信号；

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、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；

由受控幵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 A A(t)=(A0-Al)(l-_e^),其中， A A(t)是 t时刻传感器检测到的温度变化量， AO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 9、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出端与微分单元。

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悍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 Δ Α(ί)=(Α0-Α1)(1-^^τ)，其中， Δ A(t)是 t时刻传感器检测到的温度变化量， AO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，从而有效提高悍接的速度和质量，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—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，在使用烙铁悍接过程中，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,显然只要能够捡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 Δ Α(ΐ)=(Α0-Α1)(1-^^τ )，其中， A A(t)是 t时刻传感器检测到的温度变化量， AO 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 Α0、烙铁头焊接部分接触到焊点瞬间下降到的最低温度 Al以及时间常数 τ，作为自变量，査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悍点扰动时，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査表方式实现。

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 ΕΜΙ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

权利要求

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：

根据电烙铁设定温度产生温度给定信号；

根据温度调控信号产生温度附加信号；

对所述温度调控信号进行积分比较放大处理；

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 AA^ AO-AlXl-e'^),其中， Δ Α(ί)是 t时刻传感器检测到的温度变化量， AO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（9)、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出端与微分单元。

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捡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 A AW AO-AlXl-e )，其中， Δ Α(ΐ)是 t时刻传感器检测到的温度变化量， AO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,所述悍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。