教學(xué)儀器設(shè)備的改造——?dú)怏w保護(hù)焊機(jī)控制部分的改進(jìn)與設(shè)計(jì)

張 軍 張晨旭 劉莫塵

1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 山東泰安 271018

2.山東科技大學(xué)信電學(xué)院 山東青島 266590

教學(xué)儀器設(shè)備改造與設(shè)計(jì)是長期的多方有利的工作，主要介紹以下幾方面：主控電路達(dá)到最簡，主控器件使用單片機(jī)最小系統(tǒng)，簡化了外圍電路的設(shè)計(jì)，使主控系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)。

1 系統(tǒng)簡述

1.1 NBC系列抽頭式焊機(jī)簡述

圖1 NBC-250/350結(jié)構(gòu)簡圖

由NBC-250/350結(jié)構(gòu)框圖(如圖1所示)可見，該系列氣體保護(hù)焊機(jī)主電路由三相動力電經(jīng)交流接觸器接通后，由三相主變壓器降壓后，再經(jīng)三相全橋整流，濾波電路濾波后，提供焊接電源。而控制電路板要控制交流接觸器、送絲裝置，使整機(jī)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。

本文圍繞此控制板進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、改進(jìn)。

1.2 改進(jìn)前的焊機(jī)控制板簡述

原控制板主要由電源電路、PWM產(chǎn)生電路、邏輯判斷電路、功率驅(qū)動電路、交流控制電路等組成。

電源電路為常見的三端穩(wěn)壓電路，24 VAC電源，經(jīng)整流、濾波后，經(jīng)7812穩(wěn)壓、濾波后，形成穩(wěn)定的直流電源，給主要控制部分提供持續(xù)可靠的電源。

控制板驅(qū)動直流電機(jī)欠穩(wěn)定，造成吐絲不勻、絲紅熱等現(xiàn)象。硬件復(fù)雜，故障率較高?？刂瓢宄杀据^高。軟件升級困難。鑒于控制板的以上不足，決定調(diào)整其結(jié)構(gòu)。

1.3 改進(jìn)、設(shè)計(jì)、調(diào)整后的方案概述

調(diào)整后的控制板，主要由電源電路、主控器件、驅(qū)動電路、開關(guān)控制電路等組成。

電源電路與原控制板方案相似，都是采用78系列三端穩(wěn)壓形成直流電源，主控器件采用AVR芯片—ATtiny26，ATtiny26是基于增強(qiáng)AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá) 1MIPS/MHz，從而解決了系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。具有一整套的編程與系統(tǒng)開發(fā)工具，包括：宏匯編、程序調(diào)試器/軟件仿真器、仿真器及評估板。

驅(qū)動電路選用的場效管，具體型號為IRFP250，IRFP9140，正常工作情況下，IRFP250接受主控芯片ATtiny26送來的PWM信號而決定自身的通斷，IRFP250飽和導(dǎo)通時(shí)直流電機(jī)吸收能量加速，IRFP250截止時(shí)直流電機(jī)釋放能量減速。當(dāng)焊機(jī)停止送絲時(shí)，IRFP250截止，而IRFP9140導(dǎo)通，以短路直流焊機(jī)，起到剎車作用。IRFP9140的驅(qū)動信號由主控芯片ATtiny26經(jīng)內(nèi)部運(yùn)算給出。

開關(guān)控制電路采用交流固態(tài)繼電器代替原系統(tǒng)電磁繼電器，使其工作更穩(wěn)定、壽命更長。

1.4 方案比較及確定(見表1)

由表1可見，調(diào)整后方案所用的硬件數(shù)量要比原系統(tǒng)少很多，這就大大簡化了控制板的硬件電路，降低了成本，而且實(shí)現(xiàn)了硬件的可再升級功能。

表1 兩方案硬件比較

驅(qū)動控制部分，改進(jìn)、調(diào)整前采用達(dá)林頓對管，這樣造成其需要的驅(qū)動信號大，給邏輯判斷電路帶來不必要的負(fù)載，抗干擾能力也差。驅(qū)動部分由達(dá)林頓管改為IFR系列開關(guān)場效管，驅(qū)動電路直接與單片機(jī)接口，進(jìn)一步簡化了硬件電路。

把改進(jìn)、調(diào)整前復(fù)雜的邏輯判斷電路功能交給主控芯片ATtiny26完成，其內(nèi)含11路單通道AD、兩路高速PWM、2K的Flash存儲器等資源，可以完成系統(tǒng)所需的功能。

開關(guān)部分采用固態(tài)繼電器，可與單片機(jī)直接接口，最大優(yōu)點(diǎn)就是沒有機(jī)械觸點(diǎn)、壽命長、可靠性高、響應(yīng)快。可以解決此部分故障率高的缺陷。

綜合改進(jìn)、調(diào)整前控制板，分析及實(shí)驗(yàn)可得出調(diào)整、設(shè)計(jì)后方案有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)硬件電路簡單，開發(fā)成本低；

(2)維護(hù)、維修方便，可利用軟件升級產(chǎn)品；

(3)器件可靠性提高，各部分故障率降低；

基于以上優(yōu)點(diǎn)，最終確定了改進(jìn)、設(shè)計(jì)后控制板方案。

2 硬件電路設(shè)計(jì)部分

系統(tǒng)的組成如圖2所示：

2.1 主控芯片、交流開關(guān)驅(qū)動器件的選取及介紹

ATtiny26有一個(gè)片內(nèi)的10位AD轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)現(xiàn)7路AD輸入，片內(nèi)有一個(gè)PLL可以產(chǎn)生64 MHz的高頻PWM時(shí)鐘頻率，有ISP口支持在線編程，是精簡指令集處理器，選定ATtiny26作為主控器件。

原系統(tǒng)采用的普通電磁繼電器故障率高，選用交流固態(tài)繼電器控制。

設(shè)計(jì)中此部分控制器件要用單片機(jī)控制，固態(tài)繼電器可以用單片機(jī)直接控制，輸入、輸出隔離，抗干擾能力較強(qiáng)。最終選定交流固態(tài)繼電器GTJ11-1，參數(shù)見表2。

2.2 電機(jī)驅(qū)動器件的選取及設(shè)計(jì)

原系統(tǒng)采用達(dá)林頓對管組成直流電機(jī)驅(qū)動電路，而本設(shè)計(jì)的選型為IRF系列大功率場效應(yīng)管。

根據(jù)開關(guān)管數(shù)據(jù)手冊，選擇了IRFP250，IRFP9140。其中IRFP250為N溝道場效應(yīng)管，IRFP9140為P溝道場效應(yīng)管，由輸出特性曲線可知，此兩種型號的場效應(yīng)管以作開關(guān)為主要用途，開關(guān)特性非常好，自身功耗較低，最大的優(yōu)點(diǎn)是可以直接與單片機(jī)接口，驅(qū)動速度快，信號穩(wěn)定，可以與主控芯片協(xié)調(diào)工作。

其中焊機(jī)附帶的直流電機(jī)的參數(shù)為65 W，24 VDC，通過比對得到結(jié)論，該選型符合要求，選型合理。

2.3 電源電路的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中采用的電源穩(wěn)壓電路為常見電源電路，采用常見的7805三端集成穩(wěn)壓電路，外加較少的外圍器件，用合成的全橋整流器，經(jīng)其整流后，電容濾波，送入7805輸入端，再經(jīng)電容濾波，最終輸出穩(wěn)定的5 V直流電源。

2.4 控制板總體布局設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)布局原則為“強(qiáng)弱隔離，減少干擾”。盡量減少信號之間的干擾，減少電路板上打孔的數(shù)目，使制作成形的電路板布局合理，外觀簡單，原控制板的PCB面積為192 cm2，調(diào)整后PCB面積為110 cm2，減小了82 cm2，大大降低了設(shè)計(jì)成本。

3 軟件部分

本設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)，這種程序便于編寫、閱讀、修改和維護(hù)，減小了程序出錯(cuò)的幾率，提高了程序的可讀性，保證了程序的質(zhì)量。實(shí)施方法為：自頂向下；逐步細(xì)化；模塊化設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)化編程。程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程

4 實(shí)驗(yàn)部分結(jié)果及分析

調(diào)整前控制板理論頻率為1 kHz，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是低速、高速時(shí)頻率較穩(wěn)定，但中速波動較大，頻率跳躍到10 kHz左右。

調(diào)整后控制板頻率穩(wěn)定在20 kHz，誤差較小。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出：調(diào)整后的控制板驅(qū)動電機(jī)性能較好(如圖4a和圖4b所示)。

圖4

5 結(jié)束語

主要介紹了教學(xué)儀器改進(jìn)與設(shè)計(jì)，包括硬件、軟件以及重要的布局處理。

在硬件方面，充分考慮各方面因素，選型時(shí)將安全系數(shù)適當(dāng)提高，保證硬件的可靠持續(xù)運(yùn)行，在程序方面，采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)，自頂向下，逐步細(xì)化，模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)化編程。這樣的程序便于編寫、閱讀、修改和維護(hù)。減少了程序出錯(cuò)的幾率，提高了程序的可讀性，保證了程序的質(zhì)量。教學(xué)儀器設(shè)備的改進(jìn)使教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備各項(xiàng)性能得到了較大的提升，應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量，效果良好。

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