基于AVR單片機的多功能阻焊控制器

張秀峰，管功湖，李 祥，黃曉明，黃珍錫

(臺州學院，浙江臨海317000)

0 引 言

電阻焊是一種高效率的焊接方法，特別是單相交流點/縫焊機在各行業中應用廣泛。隨著電阻焊應用的不斷深入，對焊接質量提出了更高的要求。電阻焊具有焊接電流大、焊接時間短的特點。其焊接過程是一個非線性、多變量耦合和大量隨機不確定因素的過程，熔核成形時間短，控制難度大。電阻焊目前普遍采用大功率晶閘管作為交流開關，它的主要控制參數是焊接電流和焊接時間［1］。

隨著微機控制技術的不斷發展，國內以微機為核心的阻焊控制器正被廣泛應用。但針對點焊機和縫焊機等需采用專用的控制器，點焊控制器主要以“加壓－焊接－維持－休止”四程序段為主，如文獻［2］所實現的。這些阻焊控制器功能單一，在性能控制上也不能滿足一些特殊的應用場合。所以把點焊和縫焊等控制功能集成在一個控制器中，同時增加焊接程序段，具有更廣的應用范圍。本文根據阻焊控制原理，研制以AVR單片機ATMEG 16為核心的多功能阻焊控制器。通過軟硬件設計，主要實現了點焊、縫焊等焊接功能，做到對焊接時間和焊接電流進行精確控制，同時采取網壓自動補償的措施，以提高焊接質量。采用按鍵操作和LED動態顯示，并結合相應的LED指示燈，顯示直觀，簡單易懂，操作方便。同時具備故障自動報警、單管導通保護功能。

1 控制原理

電阻焊機的主電路如圖1所示，兩個大功率晶閘管反并聯作為交流開關，并且與焊接變壓器串聯構成主電路，晶閘管的觸發電路主要由單片機等構成。電阻焊機的主要控制參數是焊接電流和焊接時間。焊接電流的控制通過移相控制晶閘管的觸發角，焊接時間則采用周波控制。單片機根據取得的同步信號，通過預先設定的參數，在特定時刻控制定時器來產生脈沖信號使晶閘管導通。可以通過設定不同的參數來產生不同的導通時間，以達到焊接電流的調節。

在焊接過程中，焊接電流的調節方法采用了文獻［2］闡述的熱量調節方法，給定熱量的調節范圍為H=0～99%。因α=φ+β，其中α為電壓控制角，φ為功率因數角，β為電流控制角，根據實際情況取β=0°～99°。如給定熱量H，可得β=99－H，則α=φ+(99－H)。由此計算α的移相定時量T=［φ+(99 －H)］×56 μs(一個單位刻度為1/180 s)，將每次計算的值送入定時器，在網壓過零時開始計時，就能控制晶閘管觸發時刻，達到調節焊接電流的效果［2］。

圖1 晶閘管同步開關電路

2 主要功能和焊接循環

電阻焊有點焊、縫焊、對焊等多種形式，控制器主要實現了點焊和縫焊的焊接功能。其功能如下:

(1)點焊功能。可配接固定式、懸掛式等點焊機。實現的點焊焊接循環由“加壓－緩升－焊接－間隔－緩降－維持－休止”幾個階段組成，在實現基本的“加壓－焊接－維持－休止”四程序段基礎上增加緩升、緩降和間隔，以滿足一些特殊場合，如圖2所示。

圖2 點焊焊接循環過程

(2)縫焊功能。縫焊是用一對滾輪電極代替點焊的圓柱形電極，與工件作相對運動，從而產生一個個熔核相互搭疊的密封焊縫的焊接方法。縫焊有連續縫焊和脈沖縫焊兩種方式，其中應用最為廣泛的是脈沖縫焊，通過焊件連續移動，而焊接電流則連續通斷，每通一次電流形成一個焊點，達到縫焊的目的，縫焊焊接過程如圖3所示。

圖3 縫焊焊接過程

(3)連續/斷續功能選擇。點焊時可實現多點/單點控制，縫焊時形成連續/脈沖焊接選擇。

(4)參數設置與保存。焊接程序段的時間設置，范圍為0～199周波。焊接熱量的設置，范圍為0～99%。可存儲多套規范參數，并具有斷電自動保存參數功能。

(5)點焊次數設置與計數顯示。該項功能可應用于直流電機換向器的自動點焊等特殊場合。

此外，控制器具備焊接循環指示、網壓自動補償、單管導通保護等功能。

3 控制器的硬件系統設計

3.1 硬件系統組成

文獻［3］中提出的基于雙單片機的點焊控制系統，其中主控系統就是采用AVR單片機AT90S8535來實現，但該控制系統在硬件電路的實現上過于復雜。本控制器是以AVR單片機ATMEGA 16為核心的控制系統組成，由起動電路、同步電路、晶閘管觸發電路、顯示電路、電機控制電路、氣閥控制電路等構成了系統的外圍電路［3］。鍵盤、LED指示燈和LED數碼管組成了參數設置和顯示電路，同時可以通過鍵盤設置多個工作方式。整個硬件系統構成框圖如圖4所示。

圖4 硬件系統構成框圖

控制器的參數通過面板上的一組按鍵和對應的LED指示燈配合輸入，再通過由MAX7221和LED數碼管組成的顯示電路顯示設置的參數［4－5］。

控制器設計有點焊/縫焊、調整/焊接、斷續/連續選擇功能。選擇調整時，可對設定的參數和焊接循環進行焊接前的確認，或對工件的焊接位置進行確定。如在點焊狀態下，選擇斷續焊接時，當完成一次焊接操作后，在沒有重新起動腳踏開關時，不會進入下一個焊接動作。而選擇連續則自動重啟下依次焊接動作，直到放開腳踏開關才停止。在縫焊狀態下，當選擇連續時，焊接電流是連續的，而選擇斷續時，則焊接電流是脈沖形式。

3.2 硬件系統的控制過程

控制器通過同步電路提供的同步信號來控制系統的工作步調，由網壓過零時產生的脈沖信號作為其周波控制的時間基準，同時也是作為晶閘管移相觸發角α的定時基準。當控制器開機后，首先進行自檢，如沒有檢測到同步信號或者晶閘管出現短路等狀況，系統能夠發出報警信號，通過顯示器顯示出錯代碼。當踩下腳踏開關起動系統工作后，給出氣閥和電機的控制信號，根據預先設定的參數完成各個程序段的延時周波數。

當執行焊接指令時，首先通過單片機發送的脈沖信號，經光電隔離后，驅動脈沖變壓器，然后觸發晶閘管，晶閘管的觸發信號利用單片機的定時器產生高頻脈沖序列。然后系統將檢測晶閘管兩端的電流過零信號，確定一個晶閘管已經關閉的情況下，在特定時刻觸發另一個晶閘管，如果發現單管導通，則立即停機，并同時通過顯示器顯示出錯代碼。

4 控制器的軟件系統設計

軟件設計部分利用單片機自身充足的硬件資源和配套的開發工具，采用C語言結合匯編語言的面向過程的模塊化設計，將整個程序分為主程序和子程序兩部分。子程序用于實現各個功能子模塊，各個模塊相對獨立，可進行單獨測試，C語言編寫加快了開發進度，同時增強了代碼的可讀性和復用性，利用軟件開發廠商提供的庫文件，降低了各模塊間的參數定義的差異性。同時對于特定的數據存儲，如flash存儲器中參數的保存位置和格式等都做了明確的規定。

點焊程序流程圖如圖5所示。當微機上電和初始化后，系統檢測是否存在故障，發現錯誤則報警提示。在沒有發現故障的前提下，系統等待用戶輸入控制參數，并檢測起動信號。

圖5 點焊程序流程圖

系統確認起動信號后，按照設定的工作模式，根據預先用戶設定的參數，完成焊接循環。首先將預先設定的時間周波數轉換成半周波數，遞減到零，轉入下個階段。根據前述的移相控制原理，由系統計算出觸發角α的定時量，設定其中一個定時器的定時值，并由另一定時器產生固定頻率為10 kHz的脈沖序列，通過控制晶閘管的觸發時間，達到控制焊接電流的目的。

5 結 語

多功能控制器很好地利用了AVR高性能單片機的資源，結合一些外圍電路，實現了各焊接階段0～199周波的連續可調，焊接電流可控，并通過網壓自動補償，提高了焊接質量。硬件電路采用抗干擾和光電耦合器隔離技術，提高了系統穩定性。按鍵式的輸入和LED數碼管的實時顯示，并結合LED燈指示，操作更加方便、簡單。軟硬件設計合理，在實踐工作中性能穩定，達到了預期的效果。

［1］朱正行，嚴向明，王敏.電阻焊技術［M］.北京:機械工業出版社，2000.

［2］管功湖.電阻點焊單片機控制器的研制［J］.臺州學院學報，2004，26(3):30 －32.

［3］管功湖，龍勝春.基于雙單片機的電阻點焊控制系統設計［J］.浙江工業大學學報，2008，36(3):330 －333.

［4］劉永勝，王志勇，朱晨，等.新型點焊機控制器的設計方法［J］.天津理工學院學報，2004，20(4):41 －43.

［5］馮桑，黃石生，林一松，等.數字化點焊控制系統中人機接口的設計［J］.電焊機，2003(9):35－38.