控制系统设计 [焊机控制系统的设计]

来源:人文社科 发布时间:2019-05-26 05:36:31 点击:

  摘要:本论文借鉴了国内外焊机设计方面先进的技术经验,对现阶段国内外焊机控制系统的基本原理进行了分析,介绍了控制系统的结构,设计出了控制系统的基本组成和控制方案。   关键词: 焊机;单片机;控制系统;反馈
  
  一、 控制系统的功能配置
  
  该焊机控制系统应完成如下功能:
  (1)定时采集模拟量:定时采集电流反馈值、电压反馈值、电流给定值、电压给定值。
  (2)定时采集开关量:保护电路输出的信号。
  (3)对采集数据进行A/D转换及对输出数据进行D/A转换。
  (4)对输出控制量进行PID调解。
  (5)与上位机接口进行远程数据通信。
  
  二、 控制系统的结构和工作原理
  
  控制系统硬件结构示意图如图1所示。主要包括以下几个部分:
  (1)单片机最小系统;
  (2)外部存储器的扩展电路;
  (3)参数预置电路;
  (4)时钟及复位电路;
  (5)电流电压采样电路;
  (6)移相脉冲产生电路;
  
  焊机上电之后,单片机复位,初始化后软启动焊机。首先通过参数预置电路给定工作参数,如电流、电压的大小,然后通过单片机的采样通道进行A/D转换采样到单片机中存储。程序开始时刻,单片机首先产生一个对应于空载电压的数字控制量,经过D/A转换通道输出给PWM控制器SG3525A,产生对应于空载电压的脉冲,经过SKHI22AH4驱动电路的放大触发IGBT,使其按相应的开度导通,从而得到空载电压[1]。
  进入充电过程中,单片机定时采集充电电流和电压,并与预置的给定电流值与电压值比较,对偏差进行PID调节,然后单片机输出控制量,该控制量经PWM口进行D/A转换成电压信号输出给脉宽调制芯片SG3525,经驱动板SKH12AH4功率放大,控制IGBT的开通与关断,从而实现对充电电流的调节,以满足恒流充电的要求。通过电压传感器采集充电电压,实施电压监测。当电压过大时,即发出预警信号。充电完成后由单片机发出+5V的触发脉冲去触发导通晶闸管,实现放电焊接的目的。
  
  三、 控制系统的硬件设计
  
  (一)单片机的选型
  在本次设计中选用了该系列的单片机80C552作为主控芯片[2]。
  1、80C552的主要性能
  (1)片内无ROM;
  (2)2个标准的16位定时/计数器(T0、T1 ),1个附加的16位定时计数器(T2),并配有4个捕捉寄存器和比较寄存器;
  (3)1个8路10位片内A/D转换器;
  (4)2路8位分辨率的脉冲宽度调制解调器输出PWM;
  (5)5个8位并行I/O口,1个与A/D合用的输入口;
  (6)1个全双工异步串行口UART;
  (7) I C串行总线口;
  (8)内部监视定时器WDT;
  (9)2个中断优先级,15个中断源;
  (10)有56个特殊功能寄存器SFR;
  (二)单片机引脚资源配置
  80C552具有6个8位I/O口P0~P5,每个口由1个寄存器1个输入缓冲器和输出缓冲器组成[3]。除了P1 口新增加了功能,P0~P3与8051完全一样。P4口的功能与Pl~P3相同P5口只能作为输入口。
   (三)采样电流电压输入调理电路的设计
  由于控制过程中需要对充电电流和充电电压进行实时控制,所以需要对充电电流及充电电压进行实时采集。电容器组的充电电流和充电电压通过霍尔电流传感器和电压传感器在电容器组的两端取得[4]。由于采集到的电流、电压值均为模拟信号,并且要传输到控制系统进行实时处理,因此在设计信号采集电路时必须考虑到信号采集的准确性和实时性,同时也要考虑到系统噪声对采样信号干扰的问题。由于80C552本身就带了A/D转换电路,因此不再需要设计额外的A/D转换电路,只需设计信号的采样调理电路即可。
  由于模拟量主要为电流信号和电压信号,考虑到电路的抗干扰性及采样的稳定性,将采样调理电路设计成图2所示。
  图2中,VFI、VFV为采样信号的输入端,V�为将采样的电流信号转换为电压信号。运算放大器的作用是一个电压跟随器,主要是保持采样信号的稳定,电容的作用主要是滤波,根据运算放大器的特性,并根据电阻的取值可算出输出电压FV的大小。
  
  
  四、控制系统软件设计
  
  在进行程序设计时,首先是考虑硬件电路的原理及组成,分析哪些任务由硬件完成,哪些任务可由软件完成,两者之间如何有机的协调。在硬件电路确定以后,软件的工作是如何充分发挥硬件的功能;在进行软件任务分析时,为避免程序规模过大,不利于管理及编程,将软件划分成各个功能管理模块,然后确定各个模块的输入输出参数,为以后数据传递打下良好的基础。接下来对参数的数据结构和数据类型进行规划,对单片机的系统资源进行分配,主要包括ROM、RAM、定时器和计数器、中断源等的分配。ROM用于存放程序和表格,片外的RAM容量大,用于存放大量的数据和表格。
  本单片机系统软件采用模块化设计,采用单片机高级语C语言编写,使程序的可读性好,调试方便、易于扩充。它由主程序、充电控制程序、放电控制程序、液晶显示子程序、通信子程序、故障中断服务程序等几个模块组成[5]。主程序是软件结构的主示;充电控制程序控制电容的恒流充电过程,放电控制程序控制晶闸管的导通与关断实现焊接控制,液晶显示子程序控制液晶显示焊接状态和有关焊接参数;通信子程序实现单片机与PC机之间的串行通信,可以对焊机进行现场进控,也可以实现操作室远控。
  
  参考文献:
  [1] 戴文进.自动化专业英语. 第1版. 武汉:武汉理工大学出版社,2001;
  [2] 范永胜,王珉.电气控制与PLC应用[M].第一版. 北京:中国电力出版社,2004.8.
  [3] 俞国亮等.PLC原理与应用[M]. 第一版.北京:清华大学出版社,2005.6.1.
  [4] 张连华. 电器―PLC控制技术及应用[M]. 第一版.北京:机械工业出版社,2007.3.
  [5]谢宗安.自动控制系统. 第1版. 重庆:重庆大学出版社,2001;
  
  作者简介:
  李良, 男, 1961.01.01, 黑龙江省鸡西市,工程师,主要从事电气工程研究
  侯健,男,1981.06.28,河北省邢台市,工程师,主要从事机械电子工程研究

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