抑制激光焊接高压反馈回路中的等离子体噪声

抑制激光焊接高压反馈回路中的等离子体噪声

抽象

焊接等离子体会将噪声注入高压输出调节信号中，而回路会通过自身的调制来响应这种干扰。本文绘制了三条注入路径，给出了将等离子体频带与控制频带分离的滤波器和陷波运算方法，并阐述了保持抑制效果随温度变化稳定的传感、滤波和屏蔽步骤。

1. 引言

激光焊接高压单元通过反馈回路调节输出，该回路对电压进行采样，将其与参考电压进行比较，并调整开关级。回路增益、交叉频率和相位裕度由功率级和滤波器模型决定。

这些模型很少考虑焊接等离子体。等离子体是一种非线性时变负载，它会将噪声注入回路所依赖的信号中。其闪烁频率范围为 1 kHz 至 100 kHz，并会突发至兆赫兹范围；其电弧动态特性会调制负载电流；其电场会耦合到未屏蔽的导体中。

其后果有两方面。首先，等离子体引起的纹波会出现在采样电压中，导致回路将负载噪声误判为输出误差，并针对模拟噪声进行校正，这会在焊接扰动中引入振荡。其次，辐射分量会耦合到高阻抗传感节点，其中几毫伏的电压就会超过误差阈值，从而触发错误的调节。

从运行中的焊机测量数据可以看出问题的严重性。在一台 10 kW 的焊机上，反馈节点在 1 V 的检测信号上会产生 150 至 250 mV 的等离子体噪声。高压输出随后会受到焊接功率 ±5% 的调制，熔深变化达 0.2 mm，这不符合航空航天和汽车焊接接头的标准。

2. 核心机制

2.1 注入到反馈节点的路径

负载路径会调节输出电流，分压器会对此在总线上产生的纹波进行采样：

V_noise = ΔI_plasma × Z_bus(f)

其中 V_noise 为检测节点处的噪声电压，ΔI_plasma 为等离子体电流摆幅，Z_bus(f) 为该频率下的母线阻抗。在 5 kHz、2 A 电流和 0.1 Ω 母线阻抗下，V_noise 为 200 mV。

辐射路径将电弧场耦合到传感线路中：

V_pickup = h_eff × E_arc

其中 V_pickup 为耦合电压，h_eff 为传感环的有效天线高度，E_arc 为电弧产生的电场强度。在 10 cm 和 5 V/m 的条件下，最坏情况下电压可达 0.5 V。接地路径会增加第三项，因为焊接电流会流经框架并抵消传感接地。

2.2 滤波器拓扑结构和截止频率

在传感节点处安装一个被动式二阶低通滤波器，用于抑制等离子体频段，同时允许控制频段通过：

f_c = 1 / (2π × √(R1 × C1 × R2 × C2))

其中 f_c 为转角频率，R1 和 R2 为两个串联电阻，C1 和 C2 为两个并联电容。当 R = 100 kΩ 且 C = 160 pF 时，转角频率为 9.9 kHz，这会使 100 kHz 等离子频带衰减 40 dB，而 1 kHz 以下的调节频带不受影响。

当等离子体闪烁集中在已知频率时，双 T 型陷波器可以增加抑制效果，而不会对控制频带造成负载：

f_notch = 1 / (2π × R × C)

其中 f_notch 为陷波中心频率。当 R = 100 kΩ 且 C = 320 pF 时，陷波位于 5 kHz，并使主导等离子体谱线衰减 30 dB。

2.3 滤波器角漂移

滤波器元件位于反馈回路中，因此它们的容差和漂移会直接进入回路。拐点位置随电容乘积的平方根而变化：

f_c ∝ 1 / √(C1 × C2)

其中 f_c 为截止频率，C1 和 C2 为滤波电容。II 类陶瓷电容在机器升温时会损失 20% 的电容值，这使得截止频率从 9.9 kHz 升高到 12.4 kHz。此时，等离子频带恰好位于通带内，而此时焊接强度最大。

同样的漂移会在交叉点处引入相位差，因此由 II 类元件构建的滤波器会使测量裕量失效。I 类元件的 ±30 ppm/°C 系数在 100°C 时会移动 0.3%，并将拐角处的偏移保持在 0.5% 以内。

2.4 共模抑制比

焊接电流通过框架返回时，会使检测地电压比控制地电压高出 5 至 8 V。差分前端通过其抑制比来衰减这种偏移：

V_residual = V_cm / 10^(CMRR / 20)

其中，V_residual 是经过前端后剩余的共模电压，V_cm 是地电位差，CMRR 是以 dB 为单位的抑制比。在 8 V 偏移电压和 90 dB 抑制比下，到达滤波器的电压为 0.25 mV，比 8 V 低了 0.25 mV。

图 1 — 总线纹波和电弧拾取会在 1 V 检测线上产生 150 至 250 mV 的电压；差分采样、5 kHz 陷波和 I 类滤波器消除了随之而来的虚假调节。

3. 工程痛点

痛点 1：该回路可防止虚假等离子体误差

当1V检测信号上存在200mV的等离子体噪声时，积分器会累积该噪声，输出会以等离子体闪烁频率进行调制。听觉上会听到类似马达声的嗡嗡声，而打印结果则显示±5%的焊接功率波动，这被归咎于焊接工艺。

痛点 2：滤波器组件漂移并重新打开噪声路径

采用 II 类陶瓷制成的滤波器在机器升温时会失去其截止频率。冷启动时调谐频率为 9.9 kHz 的滤波器，在工作温度下会调谐到 12.4 kHz，并且在焊接强度最大时，等离子频带会重新进入通带。

痛点3：共模接地噪声会干扰单端传感

当检测线参考一个带有 5 至 8 V 焊接回流电位的地线时，单端采样会整流偏移并使放大器进入饱和状态。此时，机器会在误触发和死区之间交替出现，而生产焊接线无法承受这两种情况。

痛点 4：滤波带宽与瞬态响应冲突

滤波虽然可以净化反馈信号，但也会减慢回路对实际负载阶跃的响应速度。过度滤波的设计在焊接开始时的稳定速度会降低一半，导致每条焊缝的前10毫米强度不足，不符合规范。

4. 设计步骤

策略 1：采用高 CMRR 前端进行差异化采样

将反馈信号通过共模抑制比在 10 kHz 时高于 90 dB 的差分对进行处理。这样可以消除滤波器接收到的 5 至 8 V 的地线分量，改造后的测量结果表明，总反馈噪声降低了 60%。使用匹配的差分对。 厚膜电阻 将一对分隔符连接起来，使比例随温度变化。

策略二：将陷波器调谐至测得的等离子体频率

调试时测量闪烁频谱，通常会在 2 kHz 到 8 kHz 之间显示一条主峰，并在该频率范围内放置一个双 T 型陷波器。30 dB 的陷波器可以消除驱动幻象调节的周期性分量，同时保持环路带宽低于 1 kHz。

策略 3：在每个滤波器节点使用 I 类电容器

指定 N4700 一级陶瓷，损耗因子在 0.1% 或以下，滤波器和解耦位置的温度系数为 ±30 ppm/°C。拐角处的温度偏差控制在 0.5% 以内，因此实验室测得的抑制效果即为焊接现场实际达到的抑制效果。

策略 4：本地解耦感知节点

在分压器的低端，将一个 1 nF 的电容直接并联在检测节点和地之间，这样可以在放大器之前分流高频等离子体信号。低静电抑制 (ESL) 可使分流器在兆赫兹频段保持有效，而等离子体的电弧脉冲就存在于该频段。 薄膜电容器 在这种情况下，器件变为感性，并且在 1 MHz 以上停止分流。

策略 5：根据瞬态和噪声要求拆分回路

使用快速内环电流回路实现瞬态响应，使用慢速外环电压回路实现稳压。噪声滤波器位于外环中，其带宽占用不会影响焊接起始瞬态响应。

策略六：保护并引导感觉对

将检测线布置成一端接地的屏蔽双绞线，并使其远离高压线和焊接电源线束。结合差分检测，可将辐射拾取电压从 0.5 V 降低到 10 mV 以下。

组件参数	典型值	测试条件
额定电压（HVCT8G系列）	10 kV DC	高压1.5倍，持续60秒
电容量	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz，1 V rms
1 MHz 下的 ESR	低于 50 mΩ	-
回路电感（E40弦）	低于 8 nH	端子间距 40 毫米
绝缘电阻	500V直流电压下电阻大于10GΩ	25℃，60%相对湿度
温度范围	−40 °C 至 +125 °C	IEC 60068-2系列
脉冲dv/dt能力	高于 50 kV/µs	额定电压

5. 用于噪声清除反馈回路的HVC N4700电容器

该节点的选择取决于三个要求：一个调谐位置保持不变的转角放大器、一个工作在兆赫兹频段的分流器，以及一个能够发挥全部输出潜能的分压器。HVC 在东莞一座占地 6,000 平方米的自有工厂内，生产用于该节点的基于 SrTiO3 基板的 N4700 (T3M) I 类器件，电压范围从 1 kV 到 100 kV。

这里需要考虑的六个参数

• 滤波器稳定性。±30 ppm/°C 系数和 0.1% 或更低的损耗因子可使工作范围内拐角处的偏差保持在 0.5% 以内。
• 解耦至兆赫兹频段。封装具有低于 30 nH 的 ESL 和频率平坦电容漏极等离子体拾取功能，在等离子体到达放大器之前进行拾取。
• 它们本身没有放电噪声。出厂时，额定电压下低于 5 pC 的 PD 屏蔽可防止滤波器和去耦部件向其净化后的信号中引入脉冲。
• 分压器路径的电压承受能力。对于 3 kV 至 20 kV 的检测分压器，采用螺钉端子。 门把手电容 径向引线圆盘具有全部输出潜力，并联泄漏可忽略不计，因此分压比保持不变。
• 自定义参数以实现精确的回路调谐。HVC 构建自定义电容和电压组合，以便将拐点设置为机器平台的实测等离子体光谱，并且匹配组的精度可达 ±1%。
• 在现场维修项目中，HVC部件具备合格的即插即用能力。HVC部件的电气参数和封装尺寸均符合要求。 村田 用于光刻光源维修的螺钉式电容器。

交付和支持

标准规格产品交货期为 4-8 周，定制规格产品交货期为 6-10 周。HVC 应用工程团队支持滤波器和陷波电容的选择、去耦布局以及交叉频率处的阻抗测量。

请提供感应电平、等离子闪烁频带、接地偏移、交叉频率和数量。HVC 将在五个工作日内回复您包含阻抗数据、匹配组公差报告以及用于原型验证的样品的零件编号。

6. 常见问题

问题1：焊接等离子体对反馈信号造成多大的噪声？

在10千瓦的焊机上，1伏检测线上的电压为150至250毫伏。负载路径决定了该数值：2安培的等离子体纹波电流接入0.1欧姆的母线阻抗会产生200毫伏的电压，而电弧场会在10厘米长的无屏蔽环路上产生0.5伏的拾取电压。

Q2：当等离子体受到噪声干扰时，为什么环路会振荡？

积分器将噪声累积为输出误差，并使用模拟体进行校正，因此输出会以等离子体闪烁频率进行调制。可见的结果是焊接功率变化±5%，熔深变化0.2毫米。

Q3：陷波滤波器应该放在哪里？

在测量的等离子体频率（通常为 2 kHz 至 8 kHz）处，外电压环路中设置一个双 T 型陷波器，可以消除 30 dB 的主要闪烁线，同时保持环路自身低于 1 kHz 的带宽不变。

Q4：为什么不加强对反馈信号的滤波？

因为回路对实际负载阶跃的响应速度较慢。过度滤波的电源在焊接开始时稳定速度会慢2倍，导致焊缝前10毫米的强度不足。因此，应将回路拆分为两个部分：一个快速的内部电流回路和一个经过滤波的外部电压回路。

Q5：II类陶瓷真的有那么大的进步吗？

是的。20%的电容损耗会使二阶滤波器的截止频率从9.9 kHz升高到12.4 kHz，因为截止频率的移动与电容乘积的平方根成反比。此时，等离子体频带就位于通带内。

Q6：什么可以消除地环路分量？

差分前端在 10 kHz 时共模抑制比超过 90 dB。它将 8 V 的焊接回波偏移衰减至 0.25 mV，并且通过增加差分传感进行改造，可将总反馈噪声降低 60%。

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