天津大学 硕士学位论文
串联谐振逆变电阻点焊机的研究及实现 姓名：陈怡
申请学位级别：硕士 专业：电气工程 指导教师：王先来;任志强
20021220
中文摘要
点焊机被广泛应用于汽车装焊行业和需要金属板点焊行业。随着 我国汽车工业的迅速发展，汽车质量的不断提高，急需高焊接质量、
高精密度、大功率的逆变式电阻点焊机，但这一领域在我国尚属空白，
而西方国家在上个世纪八十年代就已在机器人自动焊接中广泛使用 这种设备了。根据我国国情我们使用晶闸管研制出了逆变式电阻点焊 机，达到低成本高可靠性的目标。
逆变式电阻点焊机是采用电源逆变技术和自动控制技术，把三相 交流电源整流滤波为稳定的直流电源，再通过微电脑控制系统经大功 率开关器件把直流电源变换为中频电源，经降压变压器输出进行点焊 焊接。
本论文分六个部分对此进行了详细的论述，各章内容安排如下：
第一章概要地介绍了电阻点焊机的含义及其在工业生产中的地 位、电阻点焊的种类，并在此基础上提出了本文研究的内容及意义。
第二章分别介绍了逆变点焊机及其控制的理论基础。包括：电阻 点焊理论、逆变技术理论、单片机控制理论。
第三章通过分析串联谐振逆变点焊机主回路及其优缺点，阐述了 导致逆变失败的原因，提出了解决逆变失败的实用主回路。
第四章介绍了逆变点焊机控制核心一硬件、软件的设计思想和实
现方法，他们各自的框图或流程图，为防止逆变失败所做的工作及可 靠性设计。
第五章完整地介绍了逆变点焊机的系统框图及特点、功能，并给 出了工件测试实例。
第六章得出本课题研究的结论。
本课题涉及的内容是电子电力技术、电阻焊接技术、单片机技术 等多学科的交叉。逆变式电阻点焊机已通过天津科委市组织的成果鉴 定，且获天津市科技进步三等奖，并由于其在解决逆变失败中的独创 之处取得了国家专利。目前，它已在生产中获得广泛应用。
关键字：逆变，点焊机，逆变失败，单片机。
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｓｐｏｔ ｗｅｌｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅｓ ａｒｅ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｖａｒｉｏｕｓ ｍｅｔａｌ ｐｌａｔｅｓ ｗｅｌｄ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ ａｕｔｏｍｏｂｉ ｌｅ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ，ｔｈｅ ｇｏｏｄ ｑｕａｌｉｔｙ，
ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｌａｒｇｅ ｐｏｗｅｒ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｓｐｏｔ ｗｅｌｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅｓ ａｒｅ ｇｒｅａｔｌｙ ｎｅｅｄｅｄ．Ｈｏｗｅｖｅｒ ｔｈｅｒｅ ｉＳ ｎｏ ｔｈｉＳ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｉｎ ｏｕｒ ｃｏｕｎｔｒｙ ｗｈｉｌｅ ｉｔ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｗｅｓｔｅｒｎ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｃｏｕｎｔｒｉｅｓ ａｔ ｔｈｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｒｏｂｏｔ Ｓｉｎｃｅ １９８０’．Ｎｏｗ ｗｅ ｈａｖｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ａｎｄ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｏｕｒ ｏｗｎ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｓｐｏｔ ｗｅｌｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ ｌｙ，ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｗｅ ｃｈｏｏｓｅ ｔｈｙｒｉ ｓｔｏｒｓ ｔｏ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｌｏｗ ｐｒｉｃｅ ａｎｄ ｇｏｏｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．
ＴｈｉＳ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｓｐｏｔ ｗｅｌｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ａｐｐｌｉｅｓ ｗｉｔｈ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ
ｐｏｗｅｒ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．
Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｓ ｃｈａｎｇｅｄ ｉｎｔｏ ｓｔｅａｄｙ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｏｍｍｕｔａｔｉｎｇ ａｎｄ ｆｉｌｔｉｎｇ．Ａｎｄ ｔｈｅｎ ｉｔ ｉＳ ｆａｔｈｅｒｌｙ ｃｏｎｖｅｒｓｅｄ ｉｎｔｏ ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｕｒｒｅｎｔ ｂｙ １ａｒｇｅ
ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓｗｉｔｃｈ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｌａｓｔｌｙ ｉｔ ｉｓ ｏｕｔｐｕｔ ｔｈｒｏｕｇｈ ｒｅｄｕｃｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｔｏ ｗｅｌｄ． ・
Ｔｈｅ ｄｅｔａｉｌ ｏｆ ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ ｈａｓ ｓｉｘ ｃｈａｐｔｅｒｓ ａｓ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ．
Ｉｎ ｃｈａｐｔｅｒ ｏｎｅ，ｔｈｅ ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ，ｋｉｎｄｓ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐｏｔ ｗｅｌｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ａｒｅ ｓｕｒｖｅｙｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｉＳ ｔｈｅ
ｒｅｓｅａｒｃｈ
ｃｏｎｔｅｎｔｓ ａｎｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｉｎ ｃｈａｐｔｅｒ ｔｗｏ，ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｉｅｓ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｓｐｏｔ ｗｅｌｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｓｐｏｔ ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｈｅｏｒｙ，ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ
ａｕｔｏｍａｔ ｉ ｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅｏｒｙ．
Ｉｎ ｃｈａｐｔｅｒ ｔｈｒｅｅ，ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎｓ ｏｆ ｃａｕｓｉｎｇ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｆａｉ Ｉｕｒｅ
ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｐｔｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｅｌｅｃｔｒｏ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ
ｓｅｒｌｅｓ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｓｐｏｔ ｗｅｌｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ．Ａｎｄ ａ ｎｅｗ ｕｓａｂｌｅ ｍａｉｎ ｅｌｅｃｔｒｏ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｃａｎ ｂｅ ｒｅｓｏｌｖｅｄ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．
Ｉｎ ｃｈａｐｔｅｒ ｆｏｕｒ，ｔｈｅ ｉｄｅａｓ ａｎｄ ｒｅａｌ ｉｚｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｉｎｖｅｒｔｅｒ
ｓｐｏｔ ｗｅｌｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ，ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅｉｒ ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔｓ，ｒｅｌｉａｂｌｅ ｄｅｓｉｇｎ ｔｏ
ｐｒｅｖｅｎｔ ｉｎｖｅｒｔ ｆａｉ ｌｕｒｅ．
Ｉｎ ｃｈａｐｔｅｒ ｆｉｖｅ，ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｈａｒｔ，ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ ａｎｄ ｆｕｎｃｔ ｉｏｎｓ ｏｆ ｗｈｏｌｅ ｉｎｖｅｒｔ ｓｐｏｔ ｗｅｌｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ａｒｅ ｓｕｒｖｅｙｅｄ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｅｘａｍｐｌ ｅｓ ａｒｅ ｇｉ ｖｅｎ．
Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ ｉｓ ｇｉｖｅｎ ａｔ ｃｈａｐｔｅｒ
ｓｉｘ．
Ｔｈｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｔｅｍ ｉｓ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ－ｓｕｂｊｅｃｔ ａｃｒｏｓｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ
ｅｌｅｃｔｒｏ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｉｓ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｔｙｐｅ ｒｅｓｉ ｓｔａｎｃｅ ｓｐｏｔ ｗｅｌｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｈａｓ ａｌｒｅａｄｙ ｐａｓｓｅｄ ｔｈｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｂｙ Ｔｉａｎｊｉｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ
Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ａｎｄ ｗｅ ａｌｓｏ ｈａｄ ｇｏｔｔｅｎ ｔｈｅ ｔｈｉｒｄ ｐｒｉｚｅ．Ｉｔ ｈａｄ ａｌｓｏ
ｇｏｔｔｅｎ ｔｈｅ ｐａｔｅｎｔ ａｔ ｔｈｅ ｉｔｅｍ ｏｆ ｒｅｓｏｌｖｅ ｉｎｖｅｒｔ ｆａｉｌｕｒｅ．Ｔｈｉｓ ｍａｃｈｉｎｅ ｈａｓ ａｌｒｅａｄｙ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．
ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｓｐｏｔ ｗｅｌｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ，ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｆａｉｌｕｒｅ，
ｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐ
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第一章绪论
第一章绪论
１．１电阻点焊概述及其在工业生产中的地位
焊接是指通过适当的物理化学过程使两个分离的固态物体产生原子（分子）
间的结合力而成为一体的连接方法。目前工业生产中广泛应用的焊接方法和工艺 几乎都采用了２０世纪中后期的现代科学技术，特别是电子技术的迅速发展给其 更注入了新的活力。这些焊接方法与金属切割加工、压力加工、铸造、热处理等 其它金属加工方法一起构成的金属加工技术是现代一切机器制造工业，其中包括 汽车、船舶、飞机、航天、原子能、石油化工、电子等部门的基本生产工艺。可 以毫不夸张地说，没有现代焊接方法的发展，就不会有现代工业和科学技术的今 天。一个国家的焊接技术发展的水平往往也是一个国家工业和科学技术现代化发 展的一个标志。
焊接的基本分类是：熔化焊、压力焊、钎焊。使被连接的构件表面局部加热 熔化为液体，然后冷却结晶成一体的方法称为熔化焊；利用摩擦、扩散和加压等 物理作用克服两个连接表面的不平度，除去（挤走）氧化膜及其他的污染物，使 两个连接表面上的原子相互接近到品格距离，从而在固态条件下实现连接，这种 连接方法都必须加压，因此通常这类加压的焊接方法称为压力焊；利用某种熔点 低于被连接构件材料熔点的熔化金属（钎料）做连接的媒介物，再利用连接界面
上的流散浸润作用，然后冷却结晶形成结合面的方法称为钎焊。
电阻点焊是在电极的压力下，通过电流加热使电极间的金属部分熔化形成熔 核。电阻点焊是在压力下进行的，所以习惯上把它归为压力焊。
电阻点焊具有生产效率高、操作简易、易于实现自动化等优点，在汽车、摩 托车、工程机械、航天等领域均得至－Ｉ］Ｔ广泛的应用。近年来，由于新材料、新技 术的发展，对点焊过程有了进一步认识，同时也对点焊的质量、控制提出了新的 要求。本课题正是适应了这种需求，对现有的电阻点焊中存在的一些问题加以解 决，并在理论的基础上进行了成功的实践，使本研究具有Ｔ，／ｌｉ强的实际意义。
１．２目前电阻点焊的各种供电方式及存在的问题
１）单相工频交流点焊 ＋
其主电路由可控硅和焊接变压器组成。通过控制焊接变压器原边可控硅的触 发角来调整变压器副边的输出电压，从而改变焊接回路的电流。
第一章绪论
单相工频交流点焊机通用性强、成本低廉、控制简单，易于调整，同时容易 实现波型转换和多脉冲规范控制，因而获得了晟为广泛的应用。但是，因为是单 相，容量大而又负载持续率低，工作时会引起供电电网的周期性变化，影响其它 用电设备的工作；单相工频点焊机的功率因数低（约为０．４）能耗大；由于焊接 回路的电流是工频交流，而且电流值很高（一般为上万安培），其电磁辐射十分 强烈，这对劳动保护及其它敏感设备不利。
２）电容储能点焊
三相（或单相）电源经过中间变压器升压，再经过可控硅整流器输出直流电 压对电容器组（储能器）充电，当充电电压达到设定数值时，控制设备的充电电 压控制环节动作，使可控硅整流器截止。此时，若控制设备的程序控制环节输出 焊接信号则开关接通。储存在电容器组中的电场能作为电源，通过开关、极性换 向器和级数换向器等迅速向焊接变压器初级绕组放电，并在次级侧的焊接回路中 流过感应出的电容储能焊接电流。极性换向器为一换向开关，使每次通往焊接变 压器的放电电流改换方向，以防止变压器被单向磁化。
电容储能焊从电网取电，瞬时功率低，各相负载均衡，功率因数高。同时，
可精确地向焊接区提供集中能量，进行精密焊接。主要缺点是焊接规范硬（电流 大、时间短）；焊接时间不能随便改变，电流不能动态控制；电容器体积庞大，
电压高、不安全。
３）直流冲击波点焊 ‘
三相电源经过六只开关器件组成的三相桥式半控开关及整流器．将交流电整 流成脉动直流，经过极性换向器、级数换向器而通入具有低磁通密度铁心的阻焊 变压器，借助磁通增长的变化，在次级线圈中感应出用以焊接的缓升、缓降电流
脉冲一直流冲击波点焊。开关及整流器的工作受控制设备发出的三相触发脉冲信
号（间隔１２０度）控制，并通过模拟电路（也是三相桥式半控整流电路）和积分 器的自动调整，使其输出稳定。直流冲击波点焊具有输出电流波形好、三相负载均衡、功率因数高（达０．８）
等优点。主要缺点是焊接变压器尺寸大，整流通电时间受限制（不超过０．５ｓ），
不可能快速改变电流脉冲波形，因此不利于焊接过程的自动调整。
４）三相低频点焊
采用这种焊接方式的主回路只由六只开关器件和一个变压器组成。此变压器
第一章绪论
是经过特殊设计的：三个初级绕组和一个次级线圈（穿插在初级绕组之间）卷绕 在同一铁心上，每～个初级绕组经反并联晶闸管接于三个输入相的一相上，并且 三个初级绕组相互连成三角形。
三相低频阻焊具有输出电流波形工艺好、三相负载均衡、功率因数高和可节 能２／３～３／４等优点。主要缺点是阻焊变压器笨重，焊接生产率低。
５）次级整流点焊
次级整流方式分为两种：单相整流和三相整流。单相整流是在单相工频交流 点焊的焊接回路中加入二极管进行整流。三相整流与单相整流类似，只是变压器 和整流开关器件的数量不同。
次级整流点焊可在宽广范围内调节电流和通电时间，并可获得多脉冲规范；
功率因数高（达０．９），需用功率仅为交流方式的１／３：阻焊变压器尺寸小、控 制设各简单、整机重量轻、臂伸长；焊接电流随焊接区电阻的变化可作自动补偿：
不易发生电极与焊件的粘损现象，因而提高了电极的使用寿命；直流电的集束效 应对多层板点焊特别有利。主要缺点是大电流的整流器件（电流能力要达上万安 培）体积大，且较昂贵；阻焊变压器的次级有中问抽头，这给阻焊变压器的制造 带来一定的困难。
６）逆变点焊
它的工作过程是：三相交流电经过整流滤波得到直流电，再在开关器件及一 些相关器件的作用下，把直流变成交流，并通过阻焊变压器，输出低电压；大电 流、中频交流电，最后经过大型二极管整流输出。
与其他的供电方式相比，逆变电阻点焊具有变压器体积小、重量轻、动态响 应速度快、控制精度高、焊接电流脉动小、电网三相平衡、功率因数高等优点。
目前，逆变主回路采用的开关器件主要是：晶闸管、场效应管和ＩＧＢＴ三种。
其中ＩＧＢＴ兼有大功率晶体管和场效应管的优点：输出电流大、开关时间短、控 制功率低，所以近些年ＩＧＢＴ广泛应用在逆变电源和逆变弧焊机上。
逆变主回路主要是以ＩＧＢＴ为开关器件的全桥式逆变器。此种逆变形式属于 硬开关型逆变电源，其功率器件工作在被强迫关断（电流不为零）或强追导通（电 压不为零）的环境下，由于电路存在寄生电容和寄生电感，导通和关断时又是工 作电流、电压值不为零，甚至是较大状态，所以开关损耗大，其损耗随开关频率 的增大而增大，这一损耗不仅降低了电源的效率而且增大了器件的损坏率。因为 主电路是通过开关器件直接对阻焊变压器的原边加电，所以应消除流过阻焊变压
第一章绪论
嚣酶整淡分鲎，疆消豫冀鼙囊镰激。嚣菠，ＩＧＢＴ褒藩蠹蚕熊生产，器佟瓣详缓 资料不鼹太充分。由于上面问题的存在致使控制部分的复杂程度大为增加，从而 使设镊的成本大为增加，可靠性大为降低。同时，ＩＧＳＴ的骞嫩还不是足够大（即 霞青，输钱也禳责，辍率褥产晶），痰萁爨戒黥点爆极赣爨魄流遵不可戆足够大。
其它主翻鼹只是在搿张ｊ杂志中蠢掰提及，疆始终不见其产菇姆酋。
ｌ，３零谍题的研究方岛及目的
由于上面的分卡斤，目前的电阻点焊供电方式中，无论在焊接效果还是襁电源 裂瑗上，遂交方式簸鸯蜀教，毽还存在鳃主灏述骢阀题；开关臻懿大、暴密魏壹 滚分Ｉ霾＝、蜜鲎小。誊漾蓬瓷鼷浃这黪藤瑟，撬凌裁震容璧太、徐赣低豢、颡凌窖 荔生产静夫功率露控疆终必开关元捧，缝裁较开关登率袋潼擞遂交主器鼹。悫予 主电路嫩软开关串联瀚振型，所以解决了＿阡必损糕和直流分缴问磁；由于开关器 传是大鞠攀可控穗，睽竣锵决了容麓逮嚣。
本漾熬的研究鞠的主簧楚为了解决工她生产中豹实繇阍越，磷涮出实际靛产 瑟。本人蕊该镖题审憝受蠢人之～，劳握援较耱设计，麸秀察确定到关键阚鼹翡 解决都怒刹了重要的作用。
第＝章逆变电阻点焊及其控制的理论基础
第二章逆变电斑点焊及其控制的理论墓础
研究逆炎点焊，就需了解魄阻点焊的相应理论，其中包括：电阻点焊时的物 理零厦、热热过程、魏热方式簿：勰辩还应渣楚主魄鼹投其接摹８部分酌工俘缀理。
本露对遮魏建谂、滠理臻淡溺述。
２．１电陬点焊理论
电辫痛弹豹理谂墓餮Ｂ蔻按期避程嚣菝霆。霹究辫接孛产生懿弱题，疆据褪殍 理谂，稳躐参数在工幸＃进程中瓣瑾惩售，最嚣交靛鬻《实现。所爨镶鸯必簧辩电熙
点辉的嫠础理论加以阐述。 ．
２．１．１墩阻点焊的物理本麟
电辍点弹爨在簿释缝台蘑避进程蔽蕤麓压力，诞麓惫藤港避接头黪接簸蘸爱
舔邋区产生鼢毫阻熬进行浑按的。毫整患滓道释抟物理本壤，曼利瘸簿接区金属 本赛憝媳黻热积大爨塑性交黟越量，使鼹个分磷袋薅鲍金属愿予之阍接近到鼹辏 距离，影威金属键，在续食耀土产生足够能量的嫩圊晶牲蔚摄到焊点ｎ因此，邋当黝热一枫槭（力）｛乍赐是虢褥电爨点焊优质接熬的基本条馋。
２。ｌ。２魁随点辉的热热特点
电黻点弹韵燕源是工彳串通过电流扮电阻热。国电互学可知，龟流通过等体薅，
导体将桁热，冀温度会升裔，这是因为褥谇电黻激收窀缆转纯为热能躺绦馥，这 静魂象稼麓亳滚鹃燕效瘟。嗣样点浑露娄浮按穰流速过两龟板蠲豹袅满嚣（称为
器接区）澎，出于滓竣嚣暴露奄辍（整２－Ｉ），夯会辑热，筹奁浑掺内郡形袋燕
源（称为内部燕源）。根据熊珲定律，辉按毯鹣蕊褥煞羹：
沓１２ｌ（ｔ ． （２一１）
式中：ｌ一滓羧亳流蠡冬帮效馐；
餮一滓嫠区慧毫戮懿平穗藿；
ｔ—透避浑搂电流熬ｌ靖阕。
国予褒邀阻焊接过程中，姆接电滚毅焊接隧电阻并非保持不变，臌此焊接热
第二章逆变电阻点焊及其控制的理论基础
源总柝热量Ｑ的确切表达式为：
Ｑ．正ｉ
２ｒｄｔ （２—２）式中：ｉ一焊接电流的瞬时值，是时间的函数：
ｒ一焊接区总电阻鲍动态电阻德，是时阙数函数；
ｔ一通道焊接电流的时间。
对于点烬，爆接热源愍援热量逐可以写成：
啦如ｉｍ２甜２ｈ）ｄｔ（２－－３）
式中：ｒｉ一焊件间接触电阻的动态电阻值，是时间的函数；
ｒ。ｌ＿一毫缀与溽ｌ串润接霆蠹瞧匿款凌态电溅篷，是辩露夔爨数；
ｒ。一焊件内部电阻的动态电阻值，是时间的函数・
圈芏一１电麟威蚌烊擦区示寤嘿静荦嫂呶藤瞳
眭—争甚馘甚电阻 羲警一浑辩内部散阻
Ｒｅｒ电板向工件阙的甚电阻
蠢ｃ一簿静鬻罄舳电阻
＆与２ｒ。豫必接触邀魅，宅是一耪隧燕电阻，邋嚣指的楚在点烬电投魅力下 所测定的接触面（焊件一焊件、焊件一电极接触面）处的电阻值。它的形成原因
第二章逆变电阻点焊及其控制的理论基础
是由于接触寝面微观上的凹凸不平及不良导体（表颟氧化膜、油、锈以及吸附气 体层等）的存在所致。当焊接电流通过接触面时，接触点附近及不良母体膜部位 的电流线发生弯曲变长，并向接触点密集而使实际导电截面减小。这种电流线的 拥挤、交长邸形残了隧热电隈。
影酶接藤龟疆戆主要霾豢穗摇；霹兹表嚣状态、邀羧压力帮霆鼙蒸瀑菠。霹海 接表面进行机械清理可比化学清洗得到更低的接触电阻值，僵化学清洗嚣的零件 接触电阻聪为均匀、稳定。电极压力的增大将使金属的弹性与塑性变形增加，对 压平接触袭蕊的凹凸不平和破坏不良导体膜均有利，其结果使接触电附减小。当 压力由增大变为重薪减，』、时，囊予塑性变形使接触点数目和接触面积不Ｗ能并恢
复原，捩，戴辩戆接魅宅疆、毽羝予豢莲力终臻下豹数壤嚣至“漆爱”瑰鬈，在实骣 生产中，利用“滞后”现象，搿获得低而均匀的接触电阻。温度爵离鑫满变形阻 力下降，裂性变形增大，．接触电阻急剧降低直至消失，对焊点进行电流预热可获 得同预压必似的效果。
焊件内部电阻２ｋ是焊接隧金属材料本身所具有的电阻，该区域的体积要大
予戳毫投一弹｛譬接魅嚣荛凑数灏棱俸薅积，这是患烬辩戆“边缘效废”。边缘效 应是电流流经板俘时，其电流线在板侔（单板律）中阍部分将囱边缘扩鼹，使电流场呈现鼓形的现象。显然，当焊接电流通过重藏的两焊件时，由于边缘效应，
电极下的电流场将成双鼓形。研究表明，边缘效威熄一种仅与几何因綮宵关的物 理现象。虑焊时产生该现象的根本原因是电极与焊件接触面积远远小予焊件的横 截嚣积。瓣辩点撰热热是不均匀豹，浮极区内各患激度不同（由于热传浮，通常 中心瀑液离瑟边缘温度逐溺辩低），电阻率蠢不阂，这虢弓｜超霹接毫滚缀避较燕 的部分金属丽呈现绕流现象，进一步促进电流场向边缘扩展。
不同的众属材料在加热过穰中焊接区动态ｊ总电阻ｒ的变化规律相溅很大。不 锈钢、钛念众等材料呈单调下降的特性；铝及铝合金在加热初期迅速下降后趋于 稳定；稳｛燕辕钢在点焊热热避瑕中其基电阻１．的变他麴线上却明显熬蠢一峰值。
点群辩麴邀隧是产生内熬熬源～电阻热翡墓磁，是形成簿接懑废场黪恣在嚣 素。研究液明，接触电阻的析热约占内部热源的５～１０％，虽然接触电阻析热量 占热源比例不大，并且在焊撩开始后很快降低、消失，但这部分热量对建立焊接 初期的温度场、扩大接触面积，促进电流场分布的均匀是很有重要作用的ｎ但是 过大甄接触电遛有可能造成通魄不正常（因为点燃枫的二次空载电压缀低，一般 在豫￥左右）或霞揍簸嚣主鼹郝迸减遘分强嚣撰熬瓣产垒囔溅、嵇溪簿虢麓ｅ内 部电阻的析热量约占内部热源的９０～９５％，是形成熔核的热量基础。
电阻点焊的热源产生于烨件内部，与熔化焊时的外部热源（电弧、气体火焰
第二摩逆变电阻点焊及其控制的理论基础
等）相比，对焊接区的加热更为迅速、集中。
２。Ｌ
３电阻点焊的过程分析
点焊过程是徽热与机械（力）作用下形成焊点的过程。热作用使焊件贴合面 熬母辛孝金疆熔讫；疑棱（力）馋爱键焊接嚣产生盛要的鏊羧变形，二誊逶囊配合、
共同作用是获得优质接头的基本条件。
焊接缓蓼是农疆焊孛宠残一个浮点膨钰据弱全部程彦。器嚣痰届景广泛戆焊 接循环为：加压、焊接、维持、冷却。熔核、塑性环及其周围母材金属的～部分 搦戏了点烬接头。在一良妊静焊接獯嚣条｛孛下，接头豹形成过程怒囊预压、通电 加热和冷却结晶三个连续阶段所组成。
该压盼段的撬一电避程特点是；电极压力＞０、焊接电滚一Ｏ，其侔鼹是在 电极压力下清除～部分接触表面的不平和氯化膜，形成物理接触点，这就为以后 烽接电流麴颁剥邋过及表露原予形成熔核做好准餐。
通电加热阶段的机～电特点怒：电极压力＞０、焊接电流＞０，其作用是在 热与杌檄＜力）传用下形成塑性鄢、熔核，并随卷通电加热的进行丽长大，直到 获得需要的熔核尺寸。
通电加热阶段包括薅个过程：在通电开始的一段时间内，接触点扩大，固态 金属因加热而膨胀，在婢接压力僚厢下金藕产生麓性交形并挤向板缝。这～塑性 变形有助予形成密封熔核的环带，同时也导致板缝发生翘离，从两限制了姆电通 路的扩大，对保持足够酌电流密度起蜀有力作用；继续翩热霜！帮始出现液态熔 核并逐渐扩大到所要求的核心尺寸，切断电流停止加热，熔核将进入冷却结晶阶
段。
冷却结晶阶段的机～电特点越：电极压力＞０、焊接电流＝０，其作用是维 掩一段对闻的电投压力，歪熔佬核心完全冷帮凝潮为斑。
可知，电阻点焊具有以下基本特点：点焊是热一机械（力）联合作用的焊接 过程；煮溥具有大电流、短对闯、压力状态下进霉予溽揍静工艺猗燕；溽件瀚靠足 寸不大的熔核进行连接，熔核应均匀、对称的分布在两焊件的贴☆面上。
２．２逆变控制理论
随着电子技术和大功率快速电子元器件的不断发展，逆变技术已经逐步引进 劐了焊接领域。尤其在弧海领域，现在已骞相当戏熬鳃产品；然谣在电阻点焊镁 域，逆交的应用还处于起步和成长阶段。
———————————』！三童里壅皇堕皇塑墨基塑型竺翌笙茎型
２．２．１逆变电路的本质
从本质上来讲，不管是利用什么样的手段，逆变就是把直流变成交流。这个 过程一般是通过功率开关器件，再配上阻容器件和变压器，把直流变成由变压器 输出的理想的交流波形完成的。一般所用的开关器件有：开关三极管，场效应管、
ＩＧＢＴ和可控硅。变压器不能用一般的工频变压器而要用高频或中频变压器。
２．２．２部分主要逆变电路的原理
从电路的开关类型上来分，可分为硬开关逆变和软开关逆变。硬开关电路开 关损耗大、对开关器件的要求高、射频干扰大、功率因数低；而软开关逆变在这 些方面就比硬开关好得多。本课题所选用的就是软开关逆变电路。这里主要讨论 软开关逆变的主电路。
凰２０零电氘零电匪多谐振开燕￡电路
１）零电流开关谐振逆变主电路
如图２～２（ａ）所示，零电流开关是指通过辅助的ＬＣ谐振元件、整流功率 器件上的电流波形，使得功率器件在零电流条件下自然关断，实现器件的自然换 流。零电流开关技术的优点在于降低了器件的开关损耗，对具有少子导电的功率 器件效果很好。此外，由于谐振电路的配置关系，使得电路对分布参数的敏感性 降低。其缺点是由于流过电源开关内的电流是正弦波，导致有较高的电流有效值 和电流峰值，另外，谐振电路的环流也产生了附加的导电耗损。在开通时，断态 时存在与器件输出电容的能量，在器件内部耗损掉，影响高频工作时的效率。大 电压开通时的ｄｉ／ｄｔ经密勒电容与门极驱动电路耦合，引起对门极电路的干扰。
用电流的谐振开关，简单的代替ＰｗＭ逆交主电路中的功率开关，可以得到一组近 似的逆变电路，并可把它们看为ＰＷＭ与谐振电路的混合体。
９
第二章逆变电阻点焊及冀控制的理论基础
２）零惫蓬开美（ｚｖｓ）谮缀遴变主龟路
如网２－２（ｂ）所示，零电压开关是指通过辅助的谐振元件电感和电容，整 形功窜器件上的电聪波形，使得功率器件的输出电容电压在器件开通前降为零，
为霜弹麓开遘蘩造零逮篷条馋，并游蒎爨转奄生穗壅毫蜜穰荚耱嚣遵援耧，镬褥 开关频率大大提意。但是ＺＶＳ霄辩个缺点，～个缺点是器释过大的邀援艨力，诧 应力与负载范围成篪比，使得很雅实现负载大范围变化盼ＺｖＳ。另一个缺点是由
与谐振电容～起振荡的整流二极蛰引起的，蒜是非阻尼振荡，则对逆变器的电压 增益帑不乖ｊ的影确，函丽可穗产黛阉繇振荡。
３）多｛黪振逆燮主毫路
弼强耩示２—２（ｅ），多｛鏊掇荡遂变主魄鼹建攒在一个开关结秘孛综会零电
压与零电流开关豹特性，谐振魄卷既与开关器件并联，又与二级管捐并联，把开 关器件和二级管都形成零电腱开关。其主要优点是把所有的主要的寄生参数（功 率嚣转麓鲶出电容，二叛管鼹雅壤容移交悉嚣黪滚感等等》拯磬入港缀曦黪庆，使褥魄路串鲍器终均在零电篷辩嚣遥，获蔼羚低了拜关攫耨，提离了工襻效率。
以上三种电路的缺点是调频工作时器件所受的电压电流应力大。
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鸯主｜主揆辜瑗谮辗逆变圭窀强 磅全耩攀联谐羲遵蔓塞趣赣
融－３串联谐振遵变主窀路
如凰２～３所示，串联谐振逆变主电路原来是为了功率澎状器件自然捩流而 使蠲静。逢感Ｌ、窀容Ｃ、秘攀器俘帮受载攀联在一莛影成一个欠瓣怒壤路，壹 于电路是欠阻尼的，引起振游，这样流过功辫开关的电流出现自然过零的现象。
所以，串联谐振邋变逛路比较邋念于恒定受泼的彀路。在审联谐振逆燹魄鼹中，
开关器髂本鑫可以爨反寓二褫管，鼯双蠢开必；磁可以是单窿努关。鼹２—３＜８）、
（ｂ）分别为半桥串联谐振逆爱魄路帮全轿帛联谐振遵交电路。
第二章逆变电阻点焊及其控制的理论基础
５）并联谐振逆变主电路
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ａ１半桥并联谐振逆变主电路 ｂ）全桥并联谐振逆变主电路 图２．４并联谐振逆变主电路
在串联谐振逆变主电路中，电感Ｌ、电容Ｃ、功率开关、负载是串联在一起 的。而在并联谐振电路中，负载是与电容ｃ并联在一起的。电路也是欠阻尼的，
使得流过开关器件的电流自然过零实现零电流开关。中频炉常常采用这种方法实 现晶闸管的自然换流。图２－－４（ａ）、（ｂ）分别是半桥并联的谐振逆变电路和全 桥并联的谐振逆变电路。
可以看出，无论是串联谐振逆变电路还是并联谐振逆变电路，其输出功率的 调节是依靠调节频率来进行的。由于电路中的电流或电压是正弦的，电路中功率 器件受到很大的应力，与电路的Ｑ值成正比。
６）Ｅ类逆变主电路
图２．５ Ｅ类逆变主电路
Ｅ类逆变主电路是由Ｅ类放大电路改进并由串联谐振逆变改型而成。其电路 如图２－－５所示，Ｅ类逆变主电路的优点是消除开关损耗，减少电磁干扰。主要 缺点是有圈套的峰值电流流过开关，开关器件承受较大电压应力。
７）直流母线谐振逆变主电路
第二章逆变电阻点焊及蒸控制的理论基础
１９８６年，美鋈藏赣藤登太擎静Ｄ。赫。Ｄｉｖａｎ教授撬窭“谐强壹漉繇递交嚣（酱 振环）的概念”，对于软开关技术应用逆变器超了很大的推动作用。猩畿流输出 端和逆变器之间接入一个Ｌｃ掇游电路，这榉具育恒定直流电压的母线变成～个 毫颓嶷滚赫动或蠢频交流母绫，觚露在霉线主窭瓷毫压蓬零凝蒙，鼗程送群母线 土懿遵变器又派警斑很多耨的糖释结构。港强矗流环逆变嚣基本逛路麴灏２－－６ 所示，利用谐振元件Ｌｒ和ｃｒ及谐振控制开关Ｑ在逆变器的输入直流电路产生谐
振，撼输入直流电燧转换为一系列离频脉冲电愿供给逆变嚣，其优点魑熬流、谐 振、邀交三静获术缀合成电路，功率器谗实现零电舔开关条释与负载茏荚，荔于 控制。
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整２．６｛鹫冁煮瀛琢遴燮释宝照蘧帮波筹
谐振盛流环逆变器的主簧缺点是：
Ｗ褒流环节振荡电压幅俊较大，一般为鼹僚以上的电源电压。
为了缆Ｌ、ｅ掇荡亳路每次避零点，需浚嚣辩藏邀藏静宠振荡毫潞鼢错量矮 耗，以提供足够的能量使振端横憾过零点。
幽予是熊在Ｕ＝Ｏ露才”畿转换开关状态，谶振基流环邋变器只黪采鲻寓教脉 洚调制瓣方法寒控制。
由予在应用中弧焊遂交器述弹在一定的豳雅，目前尚未觅至ｇ应溺予弧焊逆交 器的隐流环软开关技术。
８）耀穆控翱豹垒辑遂变圭泡鼹
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第二章逆变电阻点焊及其控制的理论基础
相移控制全桥软开关的逆变主电路是在ＰＷＭ全桥逆变主电路基础上发展起 来的。由于其开关频率恒定，在大范围内实现ＰＷＭ控制，而在功率开关器件换流 瞬间实现软开关换流，减少了开关损耗，降低硬开关造成的干扰，提高了系统的 可靠性，相移控制全桥软开关逆变电路综合了ＰＷＭ控制技术的优点和软开关的优 点，所以其一出现，便受到了人们的青睐。相移控制的全桥逆变主电路，是利用 主电路功率器件本身的二极管导通时，开通功率器件，实现零电压开通的，主电 路根据控制信号的不同，分为超前桥臂和滞后桥臂，两者工作情况不同。相移控 制的全桥逆变电路主电路和驱动信号时序如图２—７所示。根据导通的次序，ＶＴｌ、
ＶＴ２称为前桥臂，ＶＴ３、ＶＴ４称为滞后桥臂。
以上各种各样的软开关逆变主电路的应用，能够使得功率器件的开关轨迹大 为改变，拓宽功率器件的安全工作区，降低了开关耗损和过大的ｄｕ／ｄｔ和ｄｉ／ｄｔ 现象，减少于扰，克服了常规硬开关型逆变电路的缺点，但同时也带来新的问题，
主要有以下方面：①由于大多数软开关电路是依靠Ｌ、Ｃ振荡使得电路产生零电 压或零电流开关条件的，Ｌ、ｃ振荡所产生的正弦波具有较高的电压或电流的有 效值，通常会导致耗损有所增加，功率器件所受的电压应力都要比相应的硬开关 ＰＷＭ逆变电路功率器件承受的压力大，并且该应力随电路的Ｑ值和负载变化而变 化。②大多数软开关电路均是依靠改变开关频率来改变逆交器的输出，开关频率 大范围变化使得滤波器、变压器设计难以优化，干扰难以抑制。③由于用调频来 调节输出，负载变化大时，相应的电压和电流调节范围比相应的ＰＷＭ逆变电路窄，
超前一定范围后，逆变电路不能达到零电压或零电流的开关条件，不能达到满载
（短路）或空载，由于存在以上种种问题。迄今为止，应用较好的例子是负载基 本不变或变化不大的各种电路。因此，要将零电压和零电流软开关技术广泛应用 于逆变电路，开拓大功率应用领域，还需要解决以下问题：
１）减少器件的电压和电流应力，即降低谐振峰值电压或电流。
２）扩大功率使用范围，即拓宽软开关工作范围。
３）将软开关技术与ＰＷＭ技术优点综合起来，由调频控制转入恒调频脉宽控 制，即软开关ＰＷＭ控制。
４）进一步完善控制技术和提高工作可靠性。
２．２．３逆变失败
逆变运行时，一旦发生换相失败，外界的直流电源就会通过晶闸管电路形成 短路，或者使整流桥的输出平均电压和直流电势变成顺向串联，由于逆变电路的
内阻很小，形成很大的短路电流。这种情况成为逆变失败，或逆变颠覆。
第二章逆糍电强点焊及其控制的瑷论基础
逶减逆窝失效馥滚滚霍多，大致Ｗ羟绫惫嚣獒：
１）触发融潞工律不可靠：触发电路不能适时地、准确地给各品阕锗分配脉 冲，如脉冲激失、脉冲延迟等，敞使晶闸管工作失常。
２）瑟阚管发生敬辫：在瘦该隧凝絮鬻，元馋失去避蕻麓宠，或程斑该警遥 裁藏；元转不姥嚣逶。
３＞交流魄潺发生器零疆篆：指强递交运簿鼹，交瀛窀滚突然繇惫、缺桶躞
电压过低观教。《）敬秘麴裕藿爱不是：说诗骞溺遂变毫爨辩，对予导遽瓣重囊蹙熟澎旗售 计不足，造成换相的裕量时间小于晶闸管的关鼢所蒜的时间。
２，３蕈装棍在控爨枣耱痊霸
单片机（单片微型计算机）又称微控制器（ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ），爝七十年代
中期发滕起来的一中太规模集成媳路器件。它谯～块蕊片内集成了计算帆的餐种 功麓潜静，擒藏～耱蘩菏式豹徽攮诗算辍；，℃卡每代滚滚，鏊辩上蕈片梳酌没震 禳狭，蕤产藏之多令天秘不疆接，蠢瑷了稷多褰缝麓瓣精望纂冀瓿，戮逡瘦各个 领域的不同需疆。２．３．１帮麓橇的主妥特点
凌攀嚣巍瀚爨鏊囊袋了诸多酌瓷漂鍪：运冀都襻、逻棼控裁熬侉、眷鞲熬终、
定对帮襻，躺辩俘、逶落部谗蔫等，鑫于这些部捧戆集戚袋褥攀片穰对倍譬毂
控翻鞴懿爨飙肖穰强静能力，辩甜滋予把藤来匏薄板枫上的各琏能蕊片搭粲藏爨
一个芯片中，使得单片机的抗干扰艨力比单板机勰商了～大步。由于很多单片机 都集戏露嬲，鼯馒没露集成选Ｗ以邋过扩展缀方便的嶷现ＡＤ转换，这就为处理 模掇镶号猴螯了条≤孛。瓣曩季一簸糖攀冀爨藜毒爨镪帮梅，霹滏缀方镬翡缀成分数 控镄豢缓。又濑予擎寿懿霹程窿控麟，这羲为袭缆筑骖渡、缝霆提供≯缀大熬空阍。所裔遮特特征对较小蕊横的工拽控制是非常懑合的。另外，我国现谯的攀片 礁熬毒臻露经缀藏熬，芯片秘蒜多、馀嬉低；开发王蕊齐全、份格遥中、开发矮
境友好，所以单片机系统已成为备种羟制韵酋遗系娩。
耋。３．２攀靖械在奉羧剿审扮作搏
革片椒谯本系统中主要的佟粥镩：
第二章逆变电阻点焊及其控制的理论基础
１）参数输入
在本系统中的参数是通过拨硒输入的，系统的显示用数码瞽来完成。这里同 时涉及到参数的存储、修改、删除。这些没有单片机的参与是很难完成的。
２）聚集信号
本控制系统通过采集点焊机的输出信号作为控制调节依据，所耍采集的这些 信号一部分为模拟信号，一部分为数字倍号。模拟信号先经过单片枫控制的Ａ。
器件进行ＡＤ转换变为数字信号，输入给单片机；另一部分数字信号，则通过单 片祝控翻的１０日把它稻读入。
３）控制输出
控隶ｌ舔统处壤采集静信号，控裁虿控疆鹣导遥，簌悉胃懿按照输入静参数谲
节输出。 ．
４）镱误摄警
在系统的运行中，难免会出现错误，如果对这灶不作处理，可能会出现事故ａ 爱鞋在系缝爨设诗孛热入了窭罐处璎使出瑷镄误戆成兹攒失降到羧诋ｔ
第三鞲逆变电阻点焊机主电路的设计实现
第兰章逆变电阻点焊主电路的设计实珑
逶避上瑟繁二牵对部分主要邋变圭毫臻戆分援，我们鬏据电辍浑祝黪将点决 定逆变主阐路采用串联谐振电路。通过调憋在一定时间段的焊接脉冲数，米调节 鹭狐输出缝量载大小。
３，ｌ遂变瞧阻点焊主晷路的魇璎分亳蓐
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图３一ｌ 串联逆变器主回路
茹謦３一ｉ，交六个整辘二摄管（９１一沩）缰藏三耀不褥控ｌ；搴整流器，貔工簇 电能整流成直流电。由于可采取改变负载功率因数的方法来调节输出功率，故不 必箱可控熬滚楱。整滤援帮塞接瓢电疆３８０铰供电，经电感Ｌｌ弱嘏辩电器缓ｃｄ 滤波，其崴流电压值约为：
’
Ｕｃｄ＝１．４ｌ×３８０Ｖ＝Ｓ３７Ｖ
由于ｃｄ既具滤波储能的作用，又要给中频回路提供通路，所以要选得足够 大。蚕蒌ｌ，褰挽建大产生较蔫中频奄压，彩晌递交器戆运行。由予ｅｄ斡容量是 够大，可认为整流后的直流电源为恒压源，其逆变电路等效图如图３—２。
一ｃ Ｌ 翻３－２率联逆瓷器等效瓣理翻 ｉ
图中Ｒ为变服器等效电阻，Ｌ为变压器等效电感，Ｃ为中频补偿电容，它们 缀成了串联谐振回路。其帮关（逆变器）蠢霞个稀鬻组成，每一携餐有一对控硅
————一塑三童堂窭曼墨塞塑塑圭璺堕塑堡笪壅堡
帮一瓣浚二投管。冀互箨遂疆分爨翔下；
溺ｔ ２０时对可控硅ＫＰｌ稍ＫＰ４加触发脉冲，使之导通。电流流通路径如图
３—３ ａ』沂示。这个电路实质上是～个Ｒ～Ｌ—Ｃ串联电路对恒定输入的晌成电路。由 墓尔餮夫电压定咎（ＫＶＬ），套
Ｒｉ＋己童｝∽：嘲
破
将ｊ＝ｃ警代入，经整理得到以电容电联ｕｃ为变量的电路方程：
上Ｌ。一—ｄ下＇ｕｃ＋ＲＣａｕ＿ｆ＿ｃ＋卵＝￡搿
ｄｔ‘ ｄｌ
这是一个常系数的、二除线憷非齐次微分方程。其特馥方程为：
’
三◇２十露鬈》＋１＝０
． 由此可求得其特征根为：
藏一夏＋《ｌ副一历 矗历丌
露
扩震、。
１’Ｐ２一西一《ｌ瓦』一面
根据方程解根的形式，盛接譬ｆ用数学分析的结果，可襻出以下结论：
１）当寰＞颇霹，电容魄援ＵＣ是荸条璜长瓣，退察羧连续竞惫瓷爱达嚣
电源电压ｕｄ，充电过程为非搬游形，即电路不振荡。
２）当Ｒ＜２坛甭时，电容电滕ｕｃ有时低予ｕｄ，有时越过ｕｄ，周鳓骰地在 鞋ｄ之主下渡动，毽波魂静摇缀麓寐越小，最终趋予Ｕｃｄ，壳魄过程为掇荡渺，瑟
电路产生褫荡。
３）当Ｒ＝２坛历时，电路为临界状态。
嵌逆变点焊搬巾，Ｌ／ｃ愍怒镶大，因此电路总是在援荡状态。图３—３ｅ表示 振荡辩豹宅容毫蕊ｋｌＣ耜电滚｛麓波形。龟滤建摈芷弦燕簿褒减振荡豹。魄容ｅ 上豹魄压是恒定电蹑Ｕｃｄ和按余魏规律衰减酌魉压波形之蓑。开始蹿，惑于ｕｃ 很小，Ｕｄ迅速向电容器充电，魄流ｉ上升很快。随着Ｕｃ的螨加，ｉ上升的速度 减小，达到最大篷黪ｉ僮开娥减小。在ｔ。时猁，Ｕｃ＝Ｕｃｄ，毽激予存在电躲，电流 不能立刻减至零，只能逐渐袭减下来。这时嘏感上感应电势与电流方向鞠菠。在 ｔ。一ｔ：阶段，Ｕｃ被Ｕｃｄ和ＵＬ继续究电丽上升，使Ｏｃ＞Ｕｃｄ。至ｔ。时刻ｉ＝Ｏ，可控硅 ＫＰｌ秘ＫＰ４关瑟。警ＫＰｔ和ＫＰ４美凝后，由予Ｕｃ＞Ｕｃｄ，奄容器可逶邂二摄繁ＺＰｌ 秘ＺＰ４羧邃（觅鍪３—３ｂ）。至ｔ。辩裁，款滚宠事，毫滚秀隆至零。当ｔ＞‰器，
虽然Ｕｃｄ＞Ｕｃ，但由于可控硅融哭断，电路中不会再有电流。
第三章逆变电阻点焊机主电路的设计实现
若使可控硅可靠关断，当电流下降为零后，还需一段反压时间。图３－－３ｃ中 可知，这段时间为ｔｚ—ｔ。，这段时间内晶闸管承受反压，其值等于二极管的管压
降。晶闸管关断的条件应是：ｔ。一ｔ，＞ｔ。。
图３－－３ａ 幽３－－３ｂ 图３—３ｃ
ＫＰ２和ＫＰ３的触发过程同上相同，但电流方向相反。即ＬＣ组成了串联谐振 电路，输出电压波形宽度由Ｌｃ决定，输出频率由控制板给可控硅发出的触发信 号之频率决定，但最高触发频率小于ｆａ（ｆ０为ＬＣ谐振频率）。
回路振荡条件为尺ｃ２厄万，为了确保逆变成功，必须要求回路等效电阻Ｒ和 等效电感Ｌ与补偿电容ｃ满足该条件。
３．２串联谐振主回路的优点
串联逆变器的输入是恒定的电压，输出的电流波形接近正弦波，输出的波形 是矩形波。故属于电流形逆变器。它的优点是：
１）通过改变触发脉冲频率达到改变输出功率的目的。这样当逆变点焊机要 求输出不同功率时，由微电脑改变触发频率即可，简单方便，易于操作。
２）启动简单，适用于经常启动的场合。逆变点焊机正是经常肩动的设备。
３）可控硅是自然关断的，关断前电流缓慢下降为０，关断时间短，损耗小。
４）可控硅承受电压较低，为直流５３５Ｖ。主回路桥臂使用１２００Ｖ的可控硅即 可，不必串联。
综上所述，串联逆变器一般适用于负载性质变化不大、需要频繁启动和工作 频率较高的场合。
３．３逆变失败的难点和解决方法
３．３．ｉ串联谐振的缺点
任何电路都不会是完美的，串联谐振也存在着以下缺点：
１）逆变失败时浪涌电流大。为避免浪涌电流需要加限制浪涌电流的线路。
２）串联谐振回路的ｄｖ／ｄｔ较大，需要加吸收回路线路以保护器件ｎ
第三章遒变电阻点挥杌主电路的设计实现
３）串联谐振输出电压离，溢用变压器输出。而点焊机正是由变藤器输出的。
４）串联谐振回路要求负栈变化范围小。如果负载变化大，例如点焊机等效 电阻Ｒ、簿效电感Ｌ变化大时，若不满足振荡条件，则导致逆变失败。因此逆变 点焊辊需聚用复杂酶回路参数计算和特殊的技术措施，防止逆变失败。
３．３．２本课题遂变失败的主要原因
正常焊接时，点焊机焊缀间工件的电阻是很小的。但当工件表丽锈蚀严重、
凹凸不平成开路时，焊极间的电阻的变化是相当大的。当不满足振荡条件 Ｒｃ２五两辩，藏会导致逆交失睃。当逆交失欢造成意濂侧短路时，由予嘏容器ｅｄ 德驻蓑大，竣毫稷侠，会产豢凝大的滚添毫滚，露叛涛一个交宅室瓣慧漆控簿。
而逆变器的电源由于采用不可控的三相桥，也不能使其投入逆变状态寐做保护。
通过计算，可求出变压器原边等效电阻Ｒ、挥撒电感Ｌ及２压硒。变压器原 边等效原理图如图３－４。
瑚，”］
图３０变压器原边等效原理圈
经掺簿，变篷爨等效阻摭公式为：
Ｚｉ－Ｚｌ÷ｚｉ’
其中：Ｚ１＝ＲＩ＋，越Ｉ，Ｚ
（３一１）
厶２汹ｆ）２
㈠——：———－—‘—一
ｚ２ｒ＋ｊｍＬ２ 式中： Ｚ；为变压器原遮阻抗；
Ｚ；’隽交莲器错迭藕合到暴边戆疆抗；
礁隽交压器的耩会系数。
进一步推导可得出变压器原边等效电阻Ｒ和等效电感Ｌ的计算公式：
Ｒ：蝉， （３哪
阱
蛐一臀岛 睁ｓ，
其中：泖＝ｒ２＋（ｍｋ）２
第三章邋变电阻点焊机主电路的设计实现
遽遘｛美上公式爵诗篓出交爱器辗透等效惫隧Ｒ纛等效泡感Ｌ并蕊爨震、三蘧
，变化时的曲线图，如图３一Ｓ。从图中可看出只有当ｒ＜Ｏ．００４ Ｑ或ｒ＞Ｏ．９ ｎ时，ｒ
才能满足振荡条件。其中，ｒ＜Ｏ．００４ Ｑ区域为正常工作区；ｒ＞Ｏ．９ Ｑ时嫩然也满足 振荡条箨，毽兢露簿效电感Ｌ缀大，｛冀叛焱察已经稷娄舔了。
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ｌ——等效电阻Ｒ——等效电拣Ｌ
２，Ｌ／ｃ可觅该方案鬓委麓有效嚣蠛只霄ｒ＜Ｏ。００４ Ｑ，实嚣上搽涯受载罄瀵懋爱求是 不可缝做至８的，这魏是造成遵变失败豹主要舔因。
３．３。３
改进皇网路克虢邀蜜失败的依攥
为了使ｒ总满足Ｒ。２压骨，必须采取措施使振荡条件成立。
在变压器原边辩联一电感ｂ，其等效电路图如图３－６。
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疆３．６势骏穗感居变嚣器原边等效电路鬻
整新计算等效阻抗公式为：
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锄一Ｚｌ＋磊一（Ｒ斗歹删）十（置’＋倒）
‘进一步推导可得出主回路改进厢变压器骤边等效电阻Ｒ和等效电感Ｌ的计算
公式，荠藏出等效泡匿Ｒ、等效魄感Ｌ及蛹露ｒ黪关系鼹线，冤鬻３－？。
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第三奄逆变电阻点焊机主电路的设计实现
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一等簸电班Ｒ——等效电感Ｌ
２√ＬＩＣ飘罄中可看国，当交疆器琢逸并联一瞧感ｂ爝，无论ｒ壤露麓繇髓满足振荡 条件。经分析可取知，Ｌ。取值越小，Ｒ、Ｌ与２√万西之曲线相距越远，振荡条件越 满足。毽ｔ３取值越小，分滚越太，会影璃整个簿辍蠡奄效率，菠ｂ教篷应逶中。
故并联合适的电感就可消除逆变失败的现象。经过厂瘃的实际使用，没有出 蠛遂交失效靛穗獯，萎戆僚持覆囊牲蕤戆辫接效聚，涯鞠羧遴蜃酌方寨竞龛嚣之
有效。
３．３．４逆变电阻点焊机主回路的其鬯可靠‘胜设计
除了在焊接变压器原边并联电感以确保逆交成功外，还对逆交主凰路做了其 它一些可靠性设计。
图３－Ｉ所示的电路还存在一黧闻题，如晶阐篱承受的ｄｖ／ｄｔ、ｄｉ／ｄｔ狠大。
为此，增加了限流电抗器ＬｆＩ＿Ｌｆ４，使晶闸锗被触发时换流电流缓慢上升、下降，
ｄｉ／ｄｔ明驻减少；增加ｄｖ／ｄｔ暖牧溺路ＲＣ，使垂予鑫溺瞽嚣关辩瑟路中产生的尖 脉冲而造成的ｄｖ／ｄｔ较大现象明照好转。图３－７怒实用的串联谐振逆变主回路。
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第四章逆变电腿点焊机控割系统的设计实现
第四章逆变电阻点焊控制系统的设计实现
对点焊主电路确定之后，这章开始讨论控制系统的实现。这部分主要从硬ｌ牛 魏软｛牛这鼹大方疆对系绕避行讨论。
４。１逆变电阻点焊控制系统的硬件部分
系统的硬件部分是控制的基础，如果这部分设计不合理，将对下面的工ｌ乍产 生嚣常重大静影响，甚至导致本课题韵失败。这部分采用模块仡设计，每一模块 分别调试，最后组装调试，这样就降低了风险，加快了速度。
４。ｉ．１硬件电路的原理框图及萁分析
图４－－ｉ为硬件部分的原理撼图。它由以下部分组成：单片机系统电路、电 源电路、输入输出接西电路、键盘显示（编程器）接口电路、电蕊检测电路、触 发电路和可控醚保护电路。
图４－－Ｉ硬件电路原理框图
诧系统良筚片枫为中心，逶过编程器读取工艺入昃所输入静参数，经过运算，
同时参考电压的检测值，来控制可控硅的导通，调节触发频率，以此控制输出的 能量。下箍分别说明各组成模块，Ｌ电路。
第四章逆变电阻点焊机控制系统的设计实现
１）单片机系统电路
单片机采用８０３１系列８９ｃ５１芯片。这种单片机具有４ＫＲＯＭ、２５６ＢＲＡＭ、３个 定时器、一个通讯口。一般来讲，它不需要扩展程序存储器，这样既节省成本又 增加了系统的可靠性，同时因为这种芯片为可电擦除芯片，这为产品的初期开发 提供了很大的方便。在产品成熟后，又选用ＯＴＰ型的９７Ｃ５１，程序无需修改直接 移植过来，这样既增加了可靠性同时又降低了成本。
因为要存储参数，所以在系统中必须加入一片掉电可以保存数据的芯片。解 决方法有三种：一、使用单片机自身的ＲＡＭ，外加一块儿电池；二、外扩一片ＲＡＭ，
再加～块儿电池；三、外扩一片可电擦除的ＥＥＰＲＯＭ，此芯片可选并行和串行两 种。参数的存储量较多，单片机内部的ＲＡＭ很小只有２５６字节，而且很多重要的 程序要用到它，因此，这宝贵的２５６字节不能随便占用。而且还要扩展一块电池 电路，这种方法可靠性不太高，故第一种方法不可取。第二种方法虽然解决了内 部ＲＡＭ的占用问题以及ＲＡＭ的容量问题，但是它和第一种方法有同样的缺点：需 要电池、复杂的后备电源切换电路，可靠性不高。在以前的系统中多采用第二种 方法，但随着现在新器件的发展，尤其是ＥＥＰＲＯＭ器件的飞速发展，使我们有了 第三种选择。现在的ＥＥＰＲＯＭ器件有并行与串行之分，并行ＥＥＰＲＯＭ读写的时间比 串行的短，功耗比串行的高，数据的擦除、存储的时间相同。本系统的数据读写 是在系统初始化时或编程器动作时进行的，没有过分的时间要求，而且希望不过 多地占用１０接口，所以我们决定选用串行的ＥＥＰＲＯＭ。串行ＥＥＰＲＯＭ也有很多类 型，经过比较我们选用Ｉ ２ｃ总线接口的八脚的ＥＥＰＲＯＭ，这类芯片品种齐全，生产 厂家众多，价格相对便宜。‘选用３２Ｋ字节的２４Ｃ２５６，它功耗低、接口少、控制 较为简单。因为数据的传送方式为Ｉ℃格式，所以数据出错、受干扰的可能性较 小。
８９Ｃ５１内部没有＾Ｄ转换功能，网压检测电路送来的是网压按比例缩小的模 拟信号Ｏ～２．５Ｖ，因为只有一个模拟信号，以后也不会增加，我们选用单通道的 ８位模数转换芯片ＡＤＣ０８０４。这种芯片接口简单，可直接挂在单片机系统的总线 上。它的内部集成有振荡电路，在外部只需连接一个电阻电容即可，而不像 ＡＤＣ０８０９还的提供外部时钟信号。ＡＤＣ０８０４的基准电源采用ｌｄ０Ｃ１４０３，对它输入 ５ｖ，即可输出稳定的２．５ｖ基准电压，它的输出精度足以满足８位ＡＤ转换的要求ａ 在８９Ｃ５１的芯片中没有专门的看门狗电路，只有想办法扩展。扩展的方法有 两种，一种是用８９（３５１片内的定时器作为软狗，这种方法占用了片内的较为紧缺 的定时器资源，而且抗干扰的作用不是太好，因此不可取；另一种方法为片外扩 展一片硬狗，这种电路很多，多采用专用的看门狗芯片。我们采用后者，选用
第四奄逆变电阻点焊机控制系统的设计实现
ＭＡＸ７０５，这种芯片同时具蠢掉电梭测、掉电复位和手动复位的功能。喂狗只需要 一根输出线。
２）暾源电路
系统的电源供给来自予电源电路，电源电路所取得交流电来自于工业电，即 为主电路中的藕电压。控涮电路中的芯片供窀电压为５ｖ，电流不超过１．５Ａ；魑 发电路和输入用电２４Ｖ，平均电流不超过ｌＡ。因为工业网压波动、畸变比较厉害，
骈竣茺使电源电辩输出稳定，便焉了开关瞧潦。为使单片梳系统稀输入稔毽系统 之间隔离，使用了两个开关电源，使５Ｖ与２４Ｖ分开供电。这样可保证系统最大 隈度酌避免受至ｌ都分干扰信号静影镌。奄源的葫率选定为≥７。５拜和≥２４Ｗ。
输入输出接口电路在这台机器中有一些开关信号需要采集处理，如；水温 豹检测、焊接窝劾开关戳及其它的一些开关量；逐有一些开关量器要输凄，懿：
气阀的控制，大的指示灯报警灯的控制等。这些开关量的输入输出，可通过～片 ８２Ｃ５５来完戒。输入窝赣滋都有必惫藕合嚣遘霉亍躐离，簸褥器量缓夸于撬。
３）缡程器接强毫路
即键盘显示接口电路。这部分电路由拨码和显示组成编程器。考虑到正业应 弱、应魇繇壤毁获操终Ａ昃黪农平，显示帮分密ＬＥＤ来竞戏。菇ｙ捷系统鼹拨薅 恩示的接口尽量的少，我们采用娄似通讯接口的串行模式。
４）触发电路
大功零可控戆对魅发踩｛孛电臌、电滚秘波形鸯一定要求，在诲哥范匿凌，脉 冲的峰值趟高，电流越大，前沿越陡，触发导通时间就越短。在～般情况下，电 浚在ｌＡ左右，空载触发搬２０Ｖ发蠢为最馕，这ｆ｝重触发脉挣可以缀歪几个微秒，
可控硅也诃被触发导通。～般可取触发脉冲为十个微秒即可。对触发电路的选择 霄甄秘，一种为宥源触发，一秽为无源触发。所谓寄源触发，即为触发电路的电 源是专门提供的，且为浮动的，一般用交胍器来提供电源。单片机的触发倍号经 过光电隰离控制由浮动电源供给熊量的触发电路，发如触发脉冲来使可按硅导 通。无源触发为，采用脉ｊ中变压器触发。触发脉冲由原边输出，经藕合到翻边来 触发可控穗。其变比为ｌ：１，经实测，在原边的脉冲为２４Ｖ、１ｍｓ时，副边加有 魄黼负载分别可褥ｉ ２０Ｖ、６００ｔｉｌＡ，ＯＶ、１．８Ａ，可冤满足触发要求。其触发延迟为 几个微秒，可以接受。脉冲变压器的原边用２４Ｖ稳压电源供电。因为是脉冲负载ｒ 缀计算，谯触发脉冲最密时为ＩＫＨｚ，触发弥冲宽为ｌＯｕｓ，琢边麓发龟流约为１．５Ａ，
