焊機控制系統的設計

摘要:本論文借鑒了國內外焊機設計方面先進的技術和經驗，對現階段國內外焊機控制系統的基本原理進行了分析，介紹了控制系統的結構，設計出了控制系統的基本組成和控制方案。

關鍵詞: 焊機;單片機;控制系統;反饋

一、 控制系統的功能配置

該焊機控制系統應完成如下功能:

(1)定時采集模擬量:定時采集電流反饋值、電壓反饋值、電流給定值、電壓給定值。

(2)定時采集開關量:保護電路輸出的信號。

(3)對采集數據進行A/D轉換及對輸出數據進行D/A轉換。

(4)對輸出控制量進行PID調解。

(5)與上位機接口進行遠程數據通信。

二、 控制系統的結構和工作原理

控制系統硬件結構示意圖如圖1所示。主要包括以下幾個部分:

(1)單片機最小系統;

(2)外部存儲器的擴展電路;

(3)參數預置電路;

(4)時鐘及復位電路;

(5)電流電壓采樣電路;

(6)移相脈沖產生電路;

焊機上電之后，單片機復位，初始化后軟啟動焊機。首先通過參數預置電路給定工作參數，如電流、電壓的大小，然后通過單片機的采樣通道進行A/D轉換采樣到單片機中存儲。程序開始時刻，單片機首先產生一個對應于空載電壓的數字控制量，經過D/A轉換通道輸出給PWM控制器SG3525A，產生對應于空載電壓的脈沖，經過SKHI22AH4驅動電路的放大觸發IGBT，使其按相應的開度導通，從而得到空載電壓[1]。

進入充電過程中，單片機定時采集充電電流和電壓，并與預置的給定電流值與電壓值比較，對偏差進行PID調節，然后單片機輸出控制量，該控制量經PWM口進行D/A轉換成電壓信號輸出給脈寬調制芯片SG3525，經驅動板SKH12AH4功率放大，控制IGBT的開通與關斷，從而實現對充電電流的調節，以滿足恒流充電的要求。通過電壓傳感器采集充電電壓，實施電壓監測。當電壓過大時，即發出預警信號。充電完成后由單片機發出+5V的觸發脈沖去觸發導通晶閘管，實現放電焊接的目的。

三、 控制系統的硬件設計

(一)單片機的選型

在本次設計中選用了該系列的單片機80C552作為主控芯片[2]。

1、80C552的主要性能

(1)片內無ROM;

(2)2個標準的16位定時/計數器(T0、T1 )，1個附加的16位定時計數器(T2)，并配有4個捕捉寄存器和比較寄存器;

(3)1個8路10位片內A/D轉換器;

(4)2路8位分辨率的脈沖寬度調制解調器輸出PWM;

(5)5個8位并行I/O口，1個與A/D合用的輸入口;

(6)1個全雙工異步串行口UART;

(7) I C串行總線口;

(8)內部監視定時器WDT;

(9)2個中斷優先級，15個中斷源;

(10)有56個特殊功能寄存器SFR;

(二)單片機引腳資源配置

80C552具有6個8位I/O口P0~P5，每個口由1個寄存器1個輸入緩沖器和輸出緩沖器組成[3]。除了P1 口新增加了功能，P0~P3與8051完全一樣。P4口的功能與Pl~P3相同P5口只能作為輸入口。

(三)采樣電流電壓輸入調理電路的設計

由于控制過程中需要對充電電流和充電電壓進行實時控制，所以需要對充電電流及充電電壓進行實時采集。電容器組的充電電流和充電電壓通過霍爾電流傳感器和電壓傳感器在電容器組的兩端取得[4]。由于采集到的電流、電壓值均為模擬信號，并且要傳輸到控制系統進行實時處理，因此在設計信號采集電路時必須考慮到信號采集的準確性和實時性，同時也要考慮到系統噪聲對采樣信號干擾的問題。由于80C552本身就帶了A/D轉換電路，因此不再需要設計額外的A/D轉換電路，只需設計信號的采樣調理電路即可。

由于模擬量主要為電流信號和電壓信號，考慮到電路的抗干擾性及采樣的穩定性，將采樣調理電路設計成圖2所示。

圖2中，VFI、VFV為采樣信號的輸入端，V–為將采樣的電流信號轉換為電壓信號。運算放大器的作用是一個電壓跟隨器，主要是保持采樣信號的穩定，電容的作用主要是濾波，根據運算放大器的特性，并根據電阻的取值可算出輸出電壓FV的大小。

四、控制系統軟件設計

在進行程序設計時，首先是考慮硬件電路的原理及組成，分析哪些任務由硬件完成，哪些任務可由軟件完成，兩者之間如何有機的協調。在硬件電路確定以后，軟件的工作是如何充分發揮硬件的功能;在進行軟件任務分析時，為避免程序規模過大，不利于管理及編程，將軟件劃分成各個功能管理模塊，然后確定各個模塊的輸入輸出參數，為以后數據傳遞打下良好的基礎。接下來對參數的數據結構和數據類型進行規劃，對單片機的系統資源進行分配，主要包括ROM、RAM、定時器和計數器、中斷源等的分配。ROM用于存放程序和表格，片外的RAM容量大，用于存放大量的數據和表格。

本單片機系統軟件采用模塊化設計，采用單片機高級語C語言編寫，使程序的可讀性好，調試方便、易于擴充。它由主程序、充電控制程序、放電控制程序、液晶顯示子程序、通信子程序、故障中斷服務程序等幾個模塊組成[5]。主程序是軟件結構的主示;充電控制程序控制電容的恒流充電過程，放電控制程序控制晶閘管的導通與關斷實現焊接控制，液晶顯示子程序控制液晶顯示焊接狀態和有關焊接參數;通信子程序實現單片機與PC機之間的串行通信，可以對焊機進行現場進控，也可以實現操作室遠控。

參考文獻:

[1] 戴文進.自動化專業英語. 第1版. 武漢:武漢理工大學出版社，2001;

[2] 范永勝，王珉.電氣控制與PLC應用[M].第一版. 北京:中國電力出版社，2004.8.

[3] 俞國亮等.PLC原理與應用[M]. 第一版.北京:清華大學出版社，2005.6.1.

[4] 張連華. 電器—PLC控制技術及應用[M]. 第一版.北京:機械工業出版社，2007.3.

[5]謝宗安.自動控制系統. 第1版. 重慶:重慶大學出版社，2001;

作者簡介:

李良， 男， 1961.01.01， 黑龍江省雞西市，工程師，主要從事電氣工程研究

侯健，男，1981.06.28，河北省邢臺市，工程師，主要從事機械電子工程研究