摘要:本論文借鑒了國(guó)內(nèi)外焊機(jī)設(shè)計(jì)方面先進(jìn)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外焊機(jī)控制系統(tǒng)的基本原理進(jìn)行了分析，介紹了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出了控制系統(tǒng)的基本組成和控制方案。

關(guān)鍵詞: 焊機(jī);單片機(jī);控制系統(tǒng);反饋

一、 控制系統(tǒng)的功能配置

該焊機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)完成如下功能:

(1)定時(shí)采集模擬量:定時(shí)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(shí)采集開關(guān)量:保護(hù)電路輸出的信號(hào)。

(3)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換及對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。

(4)對(duì)輸出控制量進(jìn)行PID調(diào)解。

(5)與上位機(jī)接口進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信。

二、 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理

控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。主要包括以下幾個(gè)部分:

(1)單片機(jī)最小系統(tǒng);

(2)外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展電路;

(3)參數(shù)預(yù)置電路;

(4)時(shí)鐘及復(fù)位電路;

(5)電流電壓采樣電路;

(6)移相脈沖產(chǎn)生電路;

焊機(jī)上電之后，單片機(jī)復(fù)位，初始化后軟啟動(dòng)焊機(jī)。首先通過參數(shù)預(yù)置電路給定工作參數(shù)，如電流、電壓的大小，然后通過單片機(jī)的采樣通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換采樣到單片機(jī)中存儲(chǔ)。程序開始時(shí)刻，單片機(jī)首先產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)于空載電壓的數(shù)字控制量，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換通道輸出給PWM控制器SG3525A，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于空載電壓的脈沖，經(jīng)過SKHI22AH4驅(qū)動(dòng)電路的放大觸發(fā)IGBT，使其按相應(yīng)的開度導(dǎo)通，從而得到空載電壓[1]。

進(jìn)入充電過程中，單片機(jī)定時(shí)采集充電電流和電壓，并與預(yù)置的給定電流值與電壓值比較，對(duì)偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，然后單片機(jī)輸出控制量，該控制量經(jīng)PWM口進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出給脈寬調(diào)制芯片SG3525，經(jīng)驅(qū)動(dòng)板SKH12AH4功率放大，控制IGBT的開通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電流的調(diào)節(jié)，以滿足恒流充電的要求。通過電壓傳感器采集充電電壓，實(shí)施電壓監(jiān)測(cè)。當(dāng)電壓過大時(shí)，即發(fā)出預(yù)警信號(hào)。充電完成后由單片機(jī)發(fā)出+5V的觸發(fā)脈沖去觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管，實(shí)現(xiàn)放電焊接的目的。

三、 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

(一)單片機(jī)的選型

在本次設(shè)計(jì)中選用了該系列的單片機(jī)80C552作為主控芯片[2]。

1、80C552的主要性能

(1)片內(nèi)無ROM;

(2)2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器(T0、T1 )，1個(gè)附加的16位定時(shí)計(jì)數(shù)器(T2)，并配有4個(gè)捕捉寄存器和比較寄存器;

(3)1個(gè)8路10位片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器;

(4)2路8位分辨率的脈沖寬度調(diào)制解調(diào)器輸出PWM;

(5)5個(gè)8位并行I/O口，1個(gè)與A/D合用的輸入口;

(6)1個(gè)全雙工異步串行口UART;

(7) I C串行總線口;

(8)內(nèi)部監(jiān)視定時(shí)器WDT;

(9)2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，15個(gè)中斷源;

(10)有56個(gè)特殊功能寄存器SFR;

(二)單片機(jī)引腳資源配置

80C552具有6個(gè)8位I/O口P0~P5，每個(gè)口由1個(gè)寄存器1個(gè)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(diào)理電路的設(shè)計(jì)

由于控制過程中需要對(duì)充電電流和充電電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，所以需要對(duì)充電電流及充電電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)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(hào)，并且要傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，因此在設(shè)計(jì)信號(hào)采集電路時(shí)必須考慮到信號(hào)采集的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，同時(shí)也要考慮到系統(tǒng)噪聲對(duì)采樣信號(hào)干擾的問題。由于80C552本身就帶了A/D轉(zhuǎn)換電路，因此不再需要設(shè)計(jì)額外的A/D轉(zhuǎn)換電路，只需設(shè)計(jì)信號(hào)的采樣調(diào)理電路即可。

由于模擬量主要為電流信號(hào)和電壓信號(hào)，考慮到電路的抗干擾性及采樣的穩(wěn)定性，將采樣調(diào)理電路設(shè)計(jì)成圖2所示。

圖2中，VFI、VFV為采樣信號(hào)的輸入端，V–為將采樣的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。運(yùn)算放大器的作用是一個(gè)電壓跟隨器，主要是保持采樣信號(hào)的穩(wěn)定，電容的作用主要是濾波，根據(jù)運(yùn)算放大器的特性，并根據(jù)電阻的取值可算出輸出電壓FV的大小。

四、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，首先是考慮硬件電路的原理及組成，分析哪些任務(wù)由硬件完成，哪些任務(wù)可由軟件完成，兩者之間如何有機(jī)的協(xié)調(diào)。在硬件電路確定以后，軟件的工作是如何充分發(fā)揮硬件的功能;在進(jìn)行軟件任務(wù)分析時(shí)，為避免程序規(guī)模過大，不利于管理及編程，將軟件劃分成各個(gè)功能管理模塊，然后確定各個(gè)模塊的輸入輸出參數(shù)，為以后數(shù)據(jù)傳遞打下良好的基礎(chǔ)。接下來對(duì)參數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類型進(jìn)行規(guī)劃，對(duì)單片機(jī)的系統(tǒng)資源進(jìn)行分配，主要包括ROM、RAM、定時(shí)器和計(jì)數(shù)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(shù)據(jù)和表格。

本單片機(jī)系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，采用單片機(jī)高級(jí)語C語言編寫，使程序的可讀性好，調(diào)試方便、易于擴(kuò)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(wù)程序等幾個(gè)模塊組成[5]。主程序是軟件結(jié)構(gòu)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(dǎo)通與關(guān)斷實(shí)現(xiàn)焊接控制，液晶顯示子程序控制液晶顯示焊接狀態(tài)和有關(guān)焊接參數(shù);通信子程序?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)之間的串行通信，可以對(duì)焊機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)控，也可以實(shí)現(xiàn)操作室遠(yuǎn)控。

參考文獻(xiàn):

[1] 戴文進(jìn).自動(dòng)化專業(yè)英語. 第1版. 武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2001;

[2] 范永勝，王珉.電氣控制與PLC應(yīng)用[M].第一版. 北京:中國(guó)電力出版社，2004.8.

[3] 俞國(guó)亮等.PLC原理與應(yīng)用[M]. 第一版.北京:清華大學(xué)出版社，2005.6.1.

[4] 張連華. 電器—PLC控制技術(shù)及應(yīng)用[M]. 第一版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.3.

[5]謝宗安.自動(dòng)控制系統(tǒng). 第1版. 重慶:重慶大學(xué)出版社，2001;

作者簡(jiǎn)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(tái)市，工程師，主要從事機(jī)械電子工程研究