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(yè)中應用廣泛。隨著電阻焊應用的不斷深入，對焊接質(zhì)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(guān)，它的主要控制參數(shù)是焊接電流和焊接時間［1］。

隨著微機控制技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)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(xiàn)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(jù)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(shè)計，主要實現(xiàn)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(wǎng)壓自動補償?shù)拇胧?，以提高焊接質(zhì)量。采用按鍵操作和LED動態(tài)顯示，并結(jié)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(lián)作為交流開關(guān)，并且與焊接變壓器串聯(lián)構(gòu)成主電路，晶閘管的觸發(fā)電路主要由單片機等構(gòu)成。電阻焊機的主要控制參數(shù)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(fā)角，焊接時間則采用周波控制。單片機根據(jù)取得的同步信號，通過預先設(shè)定的參數(shù)，在特定時刻控制定時器來產(chǎn)生脈沖信號使晶閘管導通?？梢酝ㄟ^設(shè)定不同的參數(shù)來產(chǎn)生不同的導通時間，以達到焊接電流的調(diào)節(jié)。

在焊接過程中，焊接電流的調(diào)節(jié)方法采用了文獻［2］闡述的熱量調(diào)節(jié)方法，給定熱量的調(diào)節(jié)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(shù)角，β為電流控制角，根據(jù)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(wǎng)壓過零時開始計時，就能控制晶閘管觸發(fā)時刻，達到調(diào)節(jié)焊接電流的效果［2］。

圖1 晶閘管同步開關(guān)電路

2 主要功能和焊接循環(huán)

電阻焊有點焊、縫焊、對焊等多種形式，控制器主要實現(xiàn)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(xiàn)的點焊焊接循環(huán)由“加壓－緩升－焊接－間隔－緩降－維持－休止”幾個階段組成，在實現(xiàn)基本的“加壓－焊接－維持－休止”四程序段基礎(chǔ)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(huán)過程

(2)縫焊功能?？p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(chǎn)生一個個熔核相互搭疊的密封焊縫的焊接方法?？p焊有連續(xù)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(xù)移動，而焊接電流則連續(xù)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(xù)/斷續(xù)功能選擇。點焊時可實現(xiàn)多點/單點控制，縫焊時形成連續(xù)/脈沖焊接選擇。

(4)參數(shù)設(shè)置與保存。焊接程序段的時間設(shè)置，范圍為0～199周波。焊接熱量的設(shè)置，范圍為0～99%?？纱鎯Χ嗵滓?guī)范參數(shù)，并具有斷電自動保存參數(shù)功能。

(5)點焊次數(shù)設(shè)置與計數(shù)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(huán)指示、網(wǎng)壓自動補償、單管導通保護等功能。

3 控制器的硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件系統(tǒng)組成

文獻［3］中提出的基于雙單片機的點焊控制系統(tǒng)，其中主控系統(tǒng)就是采用AVR單片機AT90S8535來實現(xiàn)，但該控制系統(tǒng)在硬件電路的實現(xiàn)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(tǒng)組成，由起動電路、同步電路、晶閘管觸發(fā)電路、顯示電路、電機控制電路、氣閥控制電路等構(gòu)成了系統(tǒng)的外圍電路［3］。鍵盤、LED指示燈和LED數(shù)碼管組成了參數(shù)設(shè)置和顯示電路，同時可以通過鍵盤設(shè)置多個工作方式。整個硬件系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖4所示。

圖4 硬件系統(tǒng)構(gòu)成框圖

控制器的參數(shù)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(shù)碼管組成的顯示電路顯示設(shè)置的參數(shù)［4－5］。

控制器設(shè)計有點焊/縫焊、調(diào)整/焊接、斷續(xù)/連續(xù)選擇功能。選擇調(diào)整時，可對設(shè)定的參數(shù)和焊接循環(huán)進行焊接前的確認，或?qū)ぜ暮附游恢眠M行確定。如在點焊狀態(tài)下，選擇斷續(xù)焊接時，當完成一次焊接操作后，在沒有重新起動腳踏開關(guān)時，不會進入下一個焊接動作。而選擇連續(xù)則自動重啟下依次焊接動作，直到放開腳踏開關(guān)才停止。在縫焊狀態(tài)下，當選擇連續(xù)時，焊接電流是連續(xù)的，而選擇斷續(xù)時，則焊接電流是脈沖形式。

3.2 硬件系統(tǒng)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(tǒng)的工作步調(diào)，由網(wǎng)壓過零時產(chǎn)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(fā)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(xiàn)短路等狀況，系統(tǒng)能夠發(fā)出報警信號，通過顯示器顯示出錯代碼。當踩下腳踏開關(guān)起動系統(tǒng)工作后，給出氣閥和電機的控制信號，根據(jù)預先設(shè)定的參數(shù)完成各個程序段的延時周波數(shù)。

當執(zhí)行焊接指令時，首先通過單片機發(fā)送的脈沖信號，經(jīng)光電隔離后，驅(qū)動脈沖變壓器，然后觸發(fā)晶閘管，晶閘管的觸發(fā)信號利用單片機的定時器產(chǎn)生高頻脈沖序列。然后系統(tǒng)將檢測晶閘管兩端的電流過零信號，確定一個晶閘管已經(jīng)關(guān)閉的情況下，在特定時刻觸發(fā)另一個晶閘管，如果發(fā)現(xiàn)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(tǒng)設(shè)計

軟件設(shè)計部分利用單片機自身充足的硬件資源和配套的開發(fā)工具，采用C語言結(jié)合匯編語言的面向過程的模塊化設(shè)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(xiàn)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(fā)進度，同時增強了代碼的可讀性和復用性，利用軟件開發(fā)廠商提供的庫文件，降低了各模塊間的參數(shù)定義的差異性。同時對于特定的數(shù)據(jù)存儲，如flash存儲器中參數(shù)的保存位置和格式等都做了明確的規(guī)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(tǒng)檢測是否存在故障，發(fā)現(xiàn)錯誤則報警提示。在沒有發(fā)現(xiàn)故障的前提下，系統(tǒng)等待用戶輸入控制參數(shù)，并檢測起動信號。

圖5 點焊程序流程圖

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

5 結(jié) 語

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

［1］朱正行，嚴向明，王敏.電阻焊技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)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(tǒng)設(shè)計［J］.浙江工業(yè)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(shè)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(shù)字化點焊控制系統(tǒng)中人機接口的設(shè)計［J］.電焊機，2003(9):35－38.