專利名稱：電烙鐵溫度快速補償方法及可快速進行溫度補償的電烙鐵的制作方法
技術領域：
本發明涉及溫度控制技術，更具體地說，涉及一種電烙鐵溫度快速補償方法及可快速進行溫度補償的電烙鐵。
背景技術：
無鉛焊料符合環保，但要求烙鐵熱穩定性好。普通電烙鐵大多采用線性變壓器作為供電電路，輸出電壓固定，在高溫下輸出功率不足，溫度控制采用單一的絕對值溫度控制，焊接時，回溫速度慢，非常容易產生假焊、虛焊現象。也有電烙鐵對電發熱元件的溫度-功率控制采用絕對的溫度，即只對發熱元件的絕對溫度值進行采樣和控制，而無法判斷發熱元件的工作狀態和被加熱物體對熱量的需求和對溫度的影響，在溫度下降時，發熱元件的瞬態響應差，溫度回升慢，不能適用于發熱元件熱傳遞快速變化的場合，例如，電烙鐵在沒有接觸到被焊接金屬時，溫度較高，一旦接觸到較大被焊接金屬或焊接接觸時間較長時，由于熱量被快速傳導，使得電烙鐵溫度迅速下降，在被焊接金屬的表面積較大或環境溫度較低時尤其容易造成假焊和虛焊。為實時精確檢測烙鐵頭負載變化情況，就要在最短的時間里檢測到溫度細微的差異，檢測越早，控制越早，溫度響應就越快；但檢測得越早，檢測到的信號越微弱，而且要保證這種檢測不受外部干擾噪音的影響；由于烙鐵頭里同時安裝有加熱元件和溫度傳感元件，溫度傳感元件輸出的電信號與烙鐵頭實際發生溫度變化的時間可能有一個延遲，改變加熱元件功率的時間與烙鐵頭實際溫度變化本身也會有延遲，如何考慮好延遲因素、干擾因素、響應時間要求是設計一個好用的電烙鐵的關鍵。
發明內容
本發明的目的是提供一種電烙鐵溫度快速補償方法，能夠考慮到電烙鐵在工作時，烙鐵頭溫度檢測點與烙鐵頭焊點部位實際溫度之間熱傳導的延遲及其熱傳輸規律，及時快速地檢測到烙鐵頭焊點部位的溫度變化，以便在最短時間內對電烙鐵電功率進行補償，同時要兼顧到非焊點引起的信號變化例如環境噪音等不會引起功率補償的誤動作。
本發明的另一目的是提供一種可快速進行溫度補償的電烙鐵，對烙鐵頭溫度的任何細微焊點變化能夠快速精確地檢測，并根據檢測信號對烙鐵頭電功率進行快速精確的控制而不受外部噪音影響。
本發明上述發明目的這樣解決，構造一種電烙鐵溫度快速補償方法，烙鐵頭內設置有感溫元件和發熱芯，包括以下步驟產生對應于烙鐵頭內感溫元件溫度相對數值的溫度檢測信號；根據電烙鐵設定溫度產生溫度給定信號；根據溫度調控信號產生溫度附加信號；進行差分計算，產生溫度調控信號，其中差分計算的輸入信號包括溫度檢測信號、溫度給定信號、溫度附加信號；對所述溫度調控信號進行積分比較放大處理；將積分比較放大處理后的溫度調控信號進行阻尼處理并光電耦合到受控開關電源；由受控開關電源根據耦合輸入的調控信號輸出對應的電功率到烙鐵頭內的發熱芯。
在按照本發明提供的電烙鐵溫度快速補償方法中，所述根據溫度調控信號產生溫度附加信號包括對溫度調控信號進行微分處理的步驟。
在按照本發明提供的電烙鐵溫度快速補償方法中，所述根據溫度調控信號產生溫度附加信號包括以下步驟對溫度調控信號進行差分放大；根據卡爾曼數字濾波原理，對差分放大的溫度調控信號進行烙鐵頭熱傳導傳輸函數特征識別，如果符合烙鐵頭熱傳導函數則判斷出現一個焊點并計算輸出附加溫度補償量；如果不符合烙鐵頭熱傳導函數則設置附加溫度補償為零，其中，烙鐵頭熱傳導函數為ΔA(t)＝(A0-A1)(1-e-t/τ)，其中，ΔA(t)是t時刻傳感器檢測到的溫度變化量，A0是傳感器檢測到的靜止平衡狀態下的溫度，A1是烙鐵頭焊接部分接觸到焊點瞬間下降到的最低溫度，τ是烙鐵頭熱傳導時間常數。
在按照本發明提供的電烙鐵溫度快速補償方法中，差分計算輸入信號中的溫度給定信號是這樣產生的，當在一定時間內沒有檢測到焊點時產生一個使烙鐵頭保持在待機溫度的待機溫度信號。
在按照本發明提供的電烙鐵溫度快速補償方法中，所述差分計算的輸入信號還包括關機控制信號，所述關機信號是這樣產生的，檢測到烙鐵頭處于待機溫度狀態超過規定時間則產生關機控制信號。
本發明另一目的這樣實現，構造一種可快速進行溫度補償的電烙鐵，包括電源單元、烙鐵頭、給烙鐵頭加熱的電熱芯8、對烙鐵頭溫度進行設定的溫度給定單元6、裝在烙鐵頭內傳感烙鐵頭溫度的溫度傳感器8、連接在電源單元與電熱芯8之間的受控開關電源7，以及根據傳感器9傳感溫度和溫度給定單元6的設定溫度對受控開關電源7進行控制的控制單元，所述控制單元包括附加溫度給定單元22、積分比較放大器12、輸入端分別連接積分比較放大器12輸出端和受控開關電源7輸出端而輸出端連接所述受控開關電源7控制端的阻尼光電耦合單元10、輸入端與熱敏元件9連接的精密電阻放大器13，以及多路差分單元，多路差分單元的輸入端分別連接溫度給定單元6、附加溫度給定單元22和帶恒流源的精密電阻放大器13，多路差分單元的輸出端連接所述積分比較放大器12的輸入端。
在上述按照本發明提供的可快速進行溫度補償的電烙鐵中，所述附加溫度給定單元是一個連接在多路差分單元輸出端與微分單元。
在上述按照本發明提供的可快速進行溫度補償的電烙鐵中，所述附加溫度給定單元是通過以下過程的焊點檢測及回溫控制回路產生附加溫度的根據卡爾曼數字濾波原理，對差分放大的溫度調控信號進行烙鐵頭熱傳導傳輸函數特征識別，如果符合烙鐵頭熱傳導函數則判斷出現一個焊點并計算輸出附加溫度補償量；如果不符合烙鐵頭熱傳導函數則設置附加溫度補償為零，其中，烙鐵頭熱傳導函數為ΔA(t)＝(A0-A1)(1-e-t/τ)，其中，ΔA(t)是t時刻傳感器檢測到的溫度變化量，A0是傳感器檢測到的靜止平衡狀態下的溫度，A1是烙鐵頭焊接部分接觸到焊點瞬間下降到的最低溫度，τ是烙鐵頭熱傳導時間常數。
在上述按照本發明提供的可快速進行溫度補償的電烙鐵中，所述焊點檢測及回溫控制回路包括CPU單元19、待機溫度給定單元21、差分放大單元15、脈寬調制單元17、鋸齒波發生單元18，所述多路差分單元24的多路輸入端分別連接所述溫度給定單元6、附加溫度給定單元22和精密電阻放大器13，所述多路差分單元的輸出端連接所述積分比較放大器12的輸入端，所述CPU單元19的輸出端分別連接并提供控制信號所述附加溫度給定單元20、待機溫度給定單元21和鋸齒波發生單元18，所述脈寬調制單元17的輸入端分別連接所述差分放大單元15和所述鋸齒波發生單元18而輸出端連接所述CPU單元19，所述差分放大單元15的輸入端連接所述多路差分單元24的輸出端。
在上述按照本發明提供的可快速進行溫度補償的電烙鐵中，所述控制單元還包括由所述CPU單元19輸出單元提供驅動信號的工作狀態指示單元16以及連接在所述CPU單元19與所述多路差分單元24之間的關機控制單元23，所述工作狀態指示單元16是兩個不同顏色的發光二極管。
實施本發明提供的電烙鐵溫度快速補償方法及可快速進行溫度補償的電烙鐵，可以做到快速檢測和響應烙鐵頭熱負載的變化而不受外部干擾噪音影響，并據此對電發熱元件進行快速有效的控制保證烙鐵頭工作時運行在設定溫度上，待機時，保持在設定的待機溫度上，并可檢測出長時間待機狀態而進入睡眠狀態。從而徹底避免因焊接過程中焊料溫度變化造成的假焊和虛焊，從而有效提高焊接的速度和質量，同時，節省電能并延長烙鐵頭壽命。
圖1是本發明電烙鐵溫度快速補償方法所使用的電烙鐵的結構示意圖；圖2是本發明可快速進行溫度補償的電烙鐵的第一實施例的邏輯框圖；圖3是本發明可快速進行溫度補償的電烙鐵的第二實施例的邏輯框圖；
圖4是本發明可快速進行溫度補償的電烙鐵的第一實施例的電路原理示意圖；圖5是本發明可快速進行溫度補償的電烙鐵的第二實施例的電路原理示意圖；具體實施方式
如圖1所示，在本發明的電烙鐵的烙鐵頭結構示意圖中，包括陶瓷發熱芯101、包圍發熱芯101的烙鐵頭受熱部分102、與受熱部分102一體但與被焊接物體接觸的烙鐵頭焊接部分103，在烙鐵頭焊接部分103內端與陶瓷發熱芯101之間有一個熱傳感器104，顯然，從圖上來看，在使用烙鐵焊接過程中，陶瓷發熱芯101的表面的溫度最高，與被焊物體接觸的烙鐵頭焊接部分103的溫度最低，而熱傳感器104檢測到的溫度應該處于烙鐵頭焊接部分103與發熱芯101溫度之間。在一般情況下，發熱芯101發熱時，可將熱能傳到烙鐵頭受熱部分102，烙鐵頭受熱部分102再將熱能傳送到烙鐵頭焊接部分103。理想狀況下，陶瓷發熱芯101的溫度很穩定，此時。烙鐵頭受熱部分102和烙鐵頭焊接部分103的溫度變化也不大，熱傳感器104不能感受到這種溫度的變化。在焊接過程中，烙鐵頭焊接部分103接觸到被焊接物體時，其溫度首先下降，由于存在溫差，烙鐵頭受熱部分102將熱能傳遞到烙鐵頭焊接部分103，同樣，陶瓷發熱芯也將熱能傳送到烙鐵頭受熱部分102，從而導致陶瓷發熱體101的溫度也下降。普通電烙鐵或電焊臺都是在熱傳感器的感受到溫度變化達到某一定閥值時才有溫度的調節，但此時，烙鐵頭的溫度可能已經下降了幾十度，甚至使得焊接無法進行。這樣，實際焊接溫度于設定溫度之間有很大波動，對焊接效果產生各種不良影響。只有迅速、準確地判斷烙鐵頭接觸被焊物體的時刻稱為焊點的出現，才能對烙鐵頭消耗的熱能進行預先補償，進而達到烙鐵頭焊接部分的溫度在焊接過程中下降很小且能夠迅速回到設定溫度。
在圖2示出的本發明可快速進行溫度補償的電烙鐵的第一實施例中，包括電源單元(未示出)、表示為受熱部分和焊接部分的烙鐵頭、裝在烙鐵頭內給烙鐵頭加熱的電熱芯8以及裝在烙鐵頭內傳感烙鐵頭溫度的溫度傳感器9，為實現烙鐵頭溫度控制，還包括用于設定烙鐵頭期望溫度的溫度給定單元6、、連接在電源單元與電熱芯8之間的受控開關電源7，以及根據傳感器9傳感溫度和溫度給定單元6的設定溫度對受控開關電源7進行控制的控制單元，作為一種快速的溫度檢測補償的控制回路，該實施例中的控制單元包括微分單元(相當于附加溫度給定單元)22、積分比較放大單元12、輸入端分別連接積分比較放大單元12輸出端和受控開關電源7輸出端而輸出端連接所述受控開關電源7控制端的阻尼光電耦合單元10、輸入端與熱敏元件9連接的精密電阻放大器13，以及多路差分單元24，多路差分單元24的輸入端分別連接溫度給定單元6、作為附加溫度給定單元的微分單元22和帶恒流源25的精密電阻放大器13，多路差分單元24的輸出端連接所述積分比較放大器12的輸入端。其中，多路差分單元24用于產生溫度調節量，該調節量取決于三個量，由帶恒流源25的精密電阻放大器13提供的與絕對溫度無關的溫度變化量、由溫度給定單元6提供設定溫度信號和由包括微分環節的附加溫度給定單元22提供的反映調節量變化的反饋信號，將由多路差分單元24的輸出量送去積分比較放大器12，將經過積分比較放大的信號通過阻尼光電耦合單元10控制受控開關單元7，進而控制電熱芯8的電功率。
由于通過精密電阻放大器13檢測到的信號可能很多，怎樣從中選出反映焊點變化的信號是及時準確識別焊點的關鍵。焊點的出現，對于靜止系統而言，相當于一個擾動，而使平衡系統受到破壞，顯然只要能夠檢測出該擾動并在測出擾動后立即在反方向施加一個大小相同的擾動，該擾動信號就是由附加溫度給定單元22提供給多路差分單元24作為計算調節信號的依據，這樣可使系統恢復到原先的平衡狀態。毫無疑問，檢測到擾動的時間越早，系統平衡受到的破壞也越小，在反方向施加附加溫度的補償時間就越短，系統恢復平衡就越快。
在圖3示出的本發明可快速進行溫度補償的電烙鐵的第二實施例中，除了具有第一實施例中的控制環路外，還包括對焊點溫度信號進行卡爾曼數字濾波處理的控制回路，具體說，產生附加溫度給定的方式發生了改變，在本實施例中，附加溫度給定單元22是通過以下過程的焊點檢測及回溫控制回路產生附加溫度的，該控制回路包括差分放大器15、脈寬調制器17、鋸齒波發生器18、CPU19、附加溫度給定單元22等組成，其原理是這樣的根據卡爾曼數字濾波原理，對差分放大的溫度調控信號進行烙鐵頭熱傳導傳輸函數特征識別，如果識別出當前信號的變化特性符合烙鐵頭熱傳導函數，則判斷出現一個焊點并計算輸出附加溫度補償量；如果識別出當前信號變化不符合烙鐵頭熱傳導函數則設置附加溫度補償為零，其中，烙鐵頭熱慣性系統公式為ΔA(t)＝(A0-A1)(1-e-t/τ)，其中，ΔA(t)是t時刻傳感器檢測到的溫度變化量，A0是傳感器檢測到的靜止平衡狀態下的溫度，A1是烙鐵頭焊接部分接觸到焊點瞬間下降到的最低溫度，τ是烙鐵頭11的熱傳導時間常數，只要烙鐵頭確定了，就可以通過實驗預先得知時間常數τ。由于預先得到烙鐵頭溫度傳導的規律，就能夠通過卡爾曼數字濾波處理方法，檢測出屬于焊點的溫度變化，具體而言，在時間常數τ確定前提下，可以通過查表的方法，將傳感器檢測到的靜止平衡狀態下的溫度A0、烙鐵頭焊接部分接觸到焊點瞬間下降到的最低溫度A1以及時間常數τ，作為自變量，查找一張預先設定的表，根據得出的數值確定是否屬于焊點，例如，如果不屬于焊點，查表輸出可以是零或可忽略的數值；如果濾波得到當前出現一個焊點的結論，則輸出一個對應的調節量，將這個調節量作為附加溫度設定信號提供給多路差分單元24。結合本發明的方法，說明焊點識別及補償的具體過程。在某一時刻出現一個焊點擾動時，熱傳感器9檢測到的溫度變化一定符合如上所列的熱慣性公式。其中，焊點檢測和附加溫度回路中的多路差分單元24是以積分比較放大器為基準電壓的，也就是說，多路差分單元24的基準電壓正比于上一時段的溫度值，那么，經過差分放大后，剔除了系統本身的溫度，也就剔除了系統本身溫度的干擾，放大的是溫度的變化值。其中的脈寬調制器17、鋸齒波發生器18(相當于A/D轉換器)將放大的溫度變化值傳送給CPU19，顯然送到CPU19的數值也包含了各種干擾，CPU19利用卡爾曼數字濾波原理消除干擾而提取出反映溫度變化的特征值，如頻率、幅值、相角等，如果提取出的特征值與熱慣性公式相符，計算補償值，無論是識別還是補償量均可通過查表方式實現。
在本實施例中的多路差分單元中，與第一實施例相比，還增加了關機控制單元23和待機溫度給定單元21。其中，待機溫度用于設置烙鐵頭11處于準備工作時的溫度，一般低于設定溫度；關機控制用于計算處于待機溫度的連續時間，如果超過規定時間長度，則控制電烙鐵關機。圖3中還給出了電源部分，包括EMI濾波橋式整流功率因數校正單元1、多路DC-DC隔離電源2、+23V電壓單元3、+18V穩壓單元4、+5V電壓單元5和+6V電壓單元14。
圖4和圖5分別示出了對應本發明可快速進行溫度補償的電烙鐵的第一和第二實施例的電路原理示意圖。
本發明公開的可快速補償溫度的電烙鐵，包括靜態溫度控制回路和動態溫度控制回路，其中，靜態溫度調節量主要取決于溫度給定信號、實時溫度檢測信號和溫度附加信號，動態溫度調節是根據卡爾曼數字濾波原理，對差分放大的溫度調控信號進行烙鐵頭熱傳導傳輸函數特征識別，只有在符合烙鐵頭熱傳導函數時才計算輸出附加溫度補償量。本發明公開的實施例屬于說明性而非限制性的；本領域普通技術人員，依據本發明可以有不同的實現形式，但不脫離本發明權利要求書記載的保護范圍。
權利要求
1.一種電烙鐵溫度快速補償方法，烙鐵頭內設置有感溫元件和發熱芯，其特征在于，包括以下步驟產生對應于烙鐵頭內感溫元件溫度相對數值的溫度檢測信號；根據電烙鐵設定溫度產生溫度給定信號；根據溫度調控信號產生溫度附加信號；進行差分計算，產生溫度調控信號，其中差分計算的輸入信號包括溫度檢測信號、溫度給定信號、溫度附加信號；對所述溫度調控信號進行積分比較放大處理；將積分比較放大處理后的溫度調控信號進行阻尼處理并光電耦合到受控開關電源；由受控開關電源根據耦合輸入的調控信號輸出對應的電功率到烙鐵頭內的發熱芯。
2.根據權利要求1所述電烙鐵溫度快速補償方法，其特征在于，所述根據溫度調控信號產生溫度附加信號包括對溫度調控信號進行微分處理的步驟。
3.根據權利要求1所述電烙鐵溫度快速補償方法，其特征在于，所述根據溫度調控信號產生溫度附加信號包括以下步驟對溫度調控信號進行差分放大；根據卡爾曼數字濾波原理，對差分放大的溫度調控信號進行烙鐵頭熱傳導傳輸函數特征識別，如果符合烙鐵頭熱傳導函數則判斷出現一個焊點并計算輸出附加溫度補償量；如果不符合烙鐵頭熱傳導函數則設置附加溫度補償為零，其中，烙鐵頭熱傳導函數為ΔA(t)＝(A0-A1)(1-e-t/τ)，其中，ΔA(t)是t時刻傳感器檢測到的溫度變化量，A0是傳感器檢測到的靜止平衡狀態下的溫度，A1是烙鐵頭焊接部分接觸到焊點瞬間下降到的最低溫度，τ是烙鐵頭熱傳導時間常數。
4.根據權利要求3所述電烙鐵溫度快速補償方法，其特征在于，差分計算輸入信號中的溫度給定信號是這樣產生的，當在一定時間內沒有檢測到焊點時產生一個使烙鐵頭保持在待機溫度的待機溫度信號。
5.根據權利要求3所述電烙鐵溫度快速補償方法，其特征在于，所述差分計算的輸入信號還包括關機控制信號，所述關機信號是這樣產生的，檢測到烙鐵頭處于待機溫度狀態超過規定時間則產生關機控制信號。
6.一種可快速進行溫度補償的電烙鐵，包括電源單元、烙鐵頭、給烙鐵頭加熱的電熱芯(8)、對烙鐵頭溫度進行設定的溫度給定單元(6)、裝在烙鐵頭內傳感烙鐵頭溫度的溫度傳感器(8)、連接在電源單元與電熱芯(8)之間的受控開關電源(7)，以及根據傳感器(9)傳感溫度和溫度給定單元(6)的設定溫度對受控開關電源(7)進行控制的控制單元，其特征在于，所述控制單元包括附加溫度給定單元(22)、積分比較放大器(12)、輸入端分別連接積分比較放大器(12)輸出端和受控開關電源(7)輸出端而輸出端連接所述受控開關電源(7)控制端的阻尼光電耦合單元(10)、輸入端與熱敏元件(9)連接的精密電阻放大器(13)，以及多路差分單元，多路差分單元的輸入端分別連接溫度給定單元(6)、附加溫度給定單元(22)和帶恒流源(25)的精密電阻放大器(13)，多路差分單元的輸出端連接所述積分比較放大器(12)的輸入端。
7.根據權利要求6所述可快速進行溫度補償的電烙鐵，其特征在于，所述附加溫度給定單元是一個連接在多路差分單元輸出端與微分單元。
8.根據權利要求6所述可快速進行溫度補償的電烙鐵，其特征在于，所述附加溫度給定單元是通過以下過程的焊點檢測及回溫控制回路產生附加溫度的根據卡爾曼數字濾波原理，對差分放大的溫度調控信號進行烙鐵頭熱傳導傳輸函數特征識別，如果符合烙鐵頭熱傳導函數則判斷出現一個焊點并計算輸出附加溫度補償量；如果不符合烙鐵頭熱傳導函數則設置附加溫度補償為零，其中，烙鐵頭熱傳導函數為ΔA(t)＝(A0-A1)(1-e-t/τ)，其中，ΔA(t)是t時刻傳感器檢測到的溫度變化量，A0是傳感器檢測到的靜止平衡狀態下的溫度，A1是烙鐵頭焊接部分接觸到焊點瞬間下降到的最低溫度，τ是烙鐵頭熱傳導時間常數。
9.根據權利要求8所述可快速進行溫度補償的電烙鐵，其特征在于，所述焊點檢測及回溫控制回路包括CPU單元(19)、待機溫度給定單元(21)、差分放大單元(15)、脈寬調制單元(17)、鋸齒波發生單元(18)，所述多路差分單元(24)的多路輸入端分別連接所述溫度給定單元(6)、附加溫度給定單元(22)和精密電阻放大器(13)，所述多路差分單元的輸出端連接所述積分比較放大器(12)的輸入端，所述CPU單元(19)的輸出端分別連接并提供控制信號所述附加溫度給定單元(20)、待機溫度給定單元(21)和鋸齒波發生單元(18)，所述脈寬調制單元(17)的輸入端分別連接所述差分放大單元(15)和所述鋸齒波發生單元(18)而輸出端連接所述CPU單元(19)，所述差分放大單元(15)的輸入端連接所述多路差分單元(24)的輸出端。
10.根據權利要求9所述可快速進行溫度補償的電烙鐵，其特征在于，所述控制單元還包括由所述CPU單元(19)輸出單元提供驅動信號的工作狀態指示單元(16)以及連接在所述CPU單元(19)與所述多路差分單元(24)之間的關機控制單元(23)，所述工作狀態指示單元(16)是兩個不同顏色的發光二極管。
全文摘要
本發明公開了一種電烙鐵溫度快速補償方法以及可快速補償溫度的電烙鐵，包括靜態溫度控制回路和動態溫度控制回路，其中，靜態溫度調節量主要取決于溫度給定信號、實時溫度檢測信號和溫度附加信號，動態溫度調節是根據卡爾曼數字濾波原理，對差分放大的溫度調控信號進行烙鐵頭熱傳導傳輸函數特征識別，只有在符合烙鐵頭熱傳導函數時才計算輸出附加溫度補償量。實施本發明，可以做到快速檢測和響應烙鐵頭熱負載的變化而不受外部干擾噪音影響，并據此對電發熱元件進行快速有效的控制保證烙鐵頭工作時運行在設定溫度上。從而徹底避免因焊接過程中焊料溫度變化造成的假焊和虛焊，有效提高焊接的速度和質量，同時，節省電能并延長烙鐵頭壽命。
文檔編號G05D23/19GK1883863SQ20051003558
公開日2006年12月27日 申請日期2005年6月24日 優先權日2005年6月24日
發明者劉曉剛 申請人:深圳斯貝克動力電子有限公司