Блок управления точечной сваркой на микроконтроллере

Блок управления точечной сваркой на микроконтроллере

Под термином “споттер” в данной статье понимается установка точечной контактной сварки, используемая в первую очередь автомобилистами и кузовщиками, для быстрой точечной приварки к кузову различных вспомогательных элементов, таких как шайбы, крючки, проволока и прочее, для последующей вытяжки и выравнивания поверхности. Точечная сварка основана на принципе выделения тепла на переходном сопротивлении соприкасающихся свариваемых элементов. Поэтому задачей споттера является подача в место свариваемого контакта мощного импульса тока (I=800..1200А, U=5В) при нажатии соответствующей кнопки на “пистолете”. При точечной сварке необходимо контролировать длительность импульса (обычно она не превышает 0,5 с). Далее в статье будут рассмотрен принцип работы силовой схемы, схема и принцип работы таймера. Довольно распространенной схемой силовой части самодельного трансформаторного споттера является схема, приведенная на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема силовой части.

Как видно по схеме, коммутация производится тиристором на стороне первичной обмотки силового трансформатора. Можно использовать и симистор, тогда отпадет необходимость в диодном мосте. Для задания длительности импульса тока на выходе необходимо поддерживать напряжение на управляющем электроде тиристора в течение соответствующего времени (длительности выходного импульса). Но следует иметь ввиду, что даже если управляющее напряжение уже снято, обычный незапираемый тиристор не закроется пока ток, проходящий через него, не упадет ниже тока удержания (в данной схеме ток достигает нуля 100 раз в секунду). Самый простой способ управления тиристором – RC-цепочка с регулировочным резистором (для изменения постоянной времени) и подзарядкой конденсатора от дополнительного источника низкого напряжения. Но этот способ далее не рассматривается. Для более точного задания длительности разработан простой таймер на базе контроллера ATtiny2313. Длительность импульса регулируется двумя кнопками и может принималь значения от 0,01с до 0,5с с дискретостью 0,01с. На 7-сегментном индикаторе отображаются цифры, соответствующие заданной длительности в сотых долях секунды. Но, благодаря описанному выше свойству незапираемых тиристоров, реальная длительность выходного импульса может отличаться от заданой на время до 10мс (один полупериод). Схема споттера с микроконтроллерным управлением представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Полная схема споттера.

Spotter_v1.pdf (98 кб) – схема + перечень элементов. Элементы, помеченные * на ноге Reset не обязательны, но их желательно ставить для снижения вероятности ложных сбросов из-за возможных наводок на этой ноге. Так как разводка плат выполнена для однослойного текстолита, некоторые аноды одноименных сегментов двух цифр LED-индикатора соединены перемычками со стороны дорожек. Схема работает следующим образом. При подаче питания на схему управления выполнение программы контроллером начинается с момента, когда конденсатор на ноге Reset зарядится до напряжения логической единицы. После запуска контроллер выполняет функции динамической индикации и опроса кнопок. Опрос кнопок происходит по таймеру примерно 4 раза в секунду. При нажатии на кнопку подачи импульса на “пистолете” (обозначена пунктиром), на ноге PD2 появляется логическая единица (5В), единица снимается через заданное время, которое отображается на светодиодном индикаторе в виде сотых долей секунды. Сигнал с вывода микроконтроллера усиливается по току повторителем на КТ972, так как для управления используемым оптотиристором ТО142-80 необходимо подавать ток не менее 120 мА на его внутренний светодиод. Оптронный тип тиристора выбран из простоты организации гальванической развязки цепей управления от силовых. В прошивке контроллера реализованы два режима работы: импульсный (по умолчанию) и непрерывный. Выбор режима, установка длительности (больше/меньше) осуществляется тремя кнопками. В непрерывном режиме длительность подачи сигнала управления тиристором зависит от длительности нажатия кнопки на пистолете. Для пояснения работы силовой части на рисунке 3 приведена упрощенная схема. На рисунке 4 изображена временная диаграмма работы силовой схемы с активной нагрузкой и идеальным тиристором (время включения =0, падение напряжения в открытом состоянии =0).

Рисунок 3 – Схема силовой части.

Рисунок 4 – Временная диаграмма работы прерывателя.

Практика показала, что с реальным тиристором рассмотренная силовая схема (рис.3) при применении с достаточно мощными трансформаторами не всегда надежно коммутирует ток первичной обмотки при КЗ во вторичной (режим работы споттера). Для надежного запирания тиристора к его силовым выводам нужно прикладывать обратное напряжение. Требуемые величина и длительность импульса обратного напряжения зависят от тока, который протекал через тиристор до коммутации. В рассмотренной силовой схеме обратное напряжение к тиристору не прикладывается, поэтому он не всегда запирается при работе с большими токами. Так в случае с трансформатором одной мощности всё работает, с более мощным – уже нет. Одно из простых решений проблемы – применение твердотельных реле. В этом случае таймер будет управлять твердотельным реле. Реле выбирается по току и напряжению, числу фаз (однофазное), должно быть предназначено для коммутации переменного тока активно-индуктивной нагрузки.

Читать еще:  Как правильно пользоваться сварочным аппаратом

Рисунок 5 – Изображение твердотельного реле.

Рисунок 6 – Применение твердотельного реле в споттере.

Файлы к статье: spotter_002.zip (210 кб) – печатки, прошивка, модель в Proteus, схема + перечень элементов. Добавлено: 002_for_ca.hex (948 б) – прошивка контроллера при использовании индикатора с общим анодом. Описанный выше таймер был доработан. Основные принципы работы остались теми же, добавилась развязка управляющего сигнала, устранено замирание динамической индикации во время выдачи управляющего импульса.

Аппарат контактной сварки

Вот и в моем арсенале появилась контактная сварка.

Поводом послужил трансформатор от микроволновой печи, выкинутый на мусорку, но буквально перехваченный в полете, и аккуратно доставленный для диагностики.

Внешний осмотр показал, что первичная обмотка выполнена алюминиевым проводом. И первое желание было, возобновить прерванный полет к мусорной куче. Но что-то подсказывало, а ведь оно как-то работало, хоть и алюминий…

Аккуратно, избавился от вторичных обмоток. Намотал 4 витка монтажного провода. И получил такие результаты:

  • Напряжение сети 234В.
  • Напряжение вторичной обмотки 3,76В, ( 0,94 вольта на виток).
  • Тогда первичная обмотка имеет 249 витков.
  • Ток (х.х.) первичной обмотки 2,4А это чуть больше полукиловатта на рассеяние.

Мотаю 4 витка вторички, но уже мягкой шиной 32мм^2. Корочу вторику, на шину цепляю клещи для измерения тока короткого замыкания. Включаю… цифровой тестер, измеряющий ток в первичной обмотке успел показать ток 17А и потерял свой предохранитель. Быстро перевооружившись новым прибором на 50А, включаю.

Результаты на картинке:

Ток первичной обмотки 26А

Напряжение на клеммах первичной обмотки 215В (в сети 235В, 20В потеря на линии).

То есть, где-то около 5 киловатт чистой энергии (500Вт мощность потерь).

Ток вторички прибор показал 902А. Конечно, за правильность показаний не ручаюсь (предел у этого китайца 400А), но исходя из имеющегося, получается 902 х 3,76 = 3,4кВт.

То есть, к 500Вт добавились еще 5 – 3,4 = 1,6кВт. И эти 1,6+0,5=2кВт просто греют обмотки. И действительно, сетевая обмотка за 2 секунды работы в коротком замыкании нагревается с 30*С до 75*С. Правда это только при длительности 2 секунды, на практике еще не применялось. В основном работа с таймером в 0,02сек.

Вот, собственно и вся диагностика. Добавлю еще, что делал измерения с шестью витками вторички. Но мощность потребления по сети была меньше, ( 22А и 217В), очевидно повлиял коэффициент заполнения окна трансформатора. В последнем варианте с четырьмя витками он оказался выше.

Чуть не забыл, габаритная мощность получилась: (3,4 + 5,6) /2 = 4,5кВт

Еще вылез косяк с изоляцией вторички, от железа трансформатора. Необходимо учитывать, что температура обмоток может быть значительной, и обратить особое внимание на тип изоляции. Я в своем варианте использовал обычный малярный скотч. Но острые углы прикрыл стеклотекстолитом.

Внутренности окна так же изолировал оставшимися прокладками от родной вторичной обмотки.

Датчик температуры (биметалличечкий) установлен между обмотками. Имеет температуру отключения 80*С. Включается при 56*С. В перспективе, применить DS1821, у него мешая инерционность, а так же можно задать нужную температуру и гистерезис. Но не знаю, как он поведет себя в сильных магнитных полях.

Вся конструкция смонтирована в корпусе Z-2A

Клеммы крепятся к медным пластинам из листовой меди толщиной 2мм.

Для увеличения надежности крепления медные пластины спаяны вместе. Сами пластины приклеены к корпусу клеем, только для фиксации их при сборке. Основной крепеж выполняется скобами. Так же, при помощи скоб выполняется прижатие (электрический контакт) выводов вторичной обмотки к медным пластинам.

Особенности программных решений:

  • Синхронизация с сетью теперь по полному периоду (20мс).
  • Динамическая индикация посегментная (хотелось увидеть преимущества).
  • Управление уставками, при помощи кнопок +/-.
  • Ускоренная прокрутка значений при удержании кнопки.
  • Защита от повторного включения при удержании педали.
  • Сохранение уставки в память МК по отключению питания.
  • Защита по перегреву обмоток трансформатора.
  • Сохранение работоспособности от 100В сетевого напряжения.

Что собой представляет схема споттера

Силовая электрическая схема споттера давно прошла стадии разработки, экспериментов и используется для рихтовки авто в разнообразных вариантах. После приобретения опыта работы с устройством возник вопрос автоматического управления режимами работы устройства с более точными регулировками и необходимыми защитами. Споттер с режимом аппарата точечной сварки и споттер как сварочный аппарат для работы электродом должны иметь различную длительность и мощность импульса. Точка сварки может получиться слабой или слишком крепкой, что создаст дополнительные трудности при ремонте авто.

Фото 1. Споттер незаменим при проведении автомобильных кузовных работ.

Основные параметры, которым нужна точная регулировка для качественного результата работы, это мощность импульса и его длительность. Предлагаемая схема позволит подбирать и сохранять установки параметров как в режиме сварочный аппарат, так и делая точечную сварку.

Читать еще:  Продолжительность нагрузки сварочного аппарата это

Схема собрана на трех платах и состоит из двух функциональных частей:

  1. Плата, на которой расположен блок питания. Внешний вид можно посмотреть на фото 1.
  2. Две платы, на одной из которых расположен контролер и вторая с кнопками переключения и четырехразрядным индикатором.

Блок питания и его схема

Схема намотки трасформатора.

Схема блока питания показана на рис.1. Условно ее можно разделить на три составные части:

  • цепь питания первичной обмотки понижающего трансформатора;
  • понижающий трансформатор;
  • вторичная обмотка с диодным мостом и стабилизатором напряжения.

В цепи первичной обмотки трансформатора установлен сетевой фильтр, обычно используемый в импульсных блоках питания. Здесь он используется для защиты микросхемы контролера от импульсов, создающихся в сетевом напряжении при работе споттера.

Трансформатор можно использовать любой с напряжением 220 В/24 В при работе от сети в 220 В. При работе от сети в 380 В нужно применить соответствующий трансформатор и сетевой фильтр.

К вторичной обмотке подключен диодный мост со сглаживающими конденсаторами и стабилизатор напряжения на микросхеме LM2574. С выхода микросхемы напряжение номиналов в 5 В подается на выходной разъем Х1 через цепочку LC – фильтра для устранения высокочастотных помех. Отмеченные пунктиром соединительные линии должны быть минимальной длины и располагаться по возможности ближе ко второй ножке микросхемы IC1.

Рисунок 1. Схема блока питания.

Напряжение на клемме 1 разъема Х1 используется контроллером для определения нулевого уровня.

Напряжение с клеммы 7 разъема Х1 используется для запуска контроллера при положительной полуволне сетевого напряжения.

Изготовленная своими руками схема при отсутствии ошибок в сборке начинает работать без дополнительных настроек. Наличие напряжения в 5 В будет контролировать светодиод LED1.

Пускатель К1 предназначен для подключения сетевого напряжения при замыкании выключателя S1.

Вместо него можно использовать автоматический выключатель с защитой нужного номинала или подключать напряжение напрямую, при наличии предохранителей в питающий сети.

Управление силовым тиристором точечной сварки споттер

Фото 2. Внешний вид платы блока управления с контроллером.

Для управления силовым тиристором или симистором используется микросхема МОС3052. Эта серия микросхем специализирована для использования в устройствах подобного типа и при замене на аналоги. При этом необходимо внимательно оценить технические характеристики предлагаемого варианта.

При питании схемы от сетевого напряжения 380 В необходимо использовать симистор типа ВТА40 – 800v, соответственно рабочее напряжение конденсатора С11 630 В, защитные варисторы R14 и R15 типа 20D241. Для установки симистора нужно использовать радиатор. Конструкция элемента безопасна и не имеет соединения с теплоотводом. На радиатор для контроля температуры желательно установить термостат с температурой размыкания контактов 60-80°С. Аналогичным контролем можно оснастить силовой трансформатор. Аварийный сигнал от термостатов можно подключить к контроллеру для остановки работы при превышении температуры выше допустимой, с отображением соответствующего сигнала на индикаторах.

Для споттеров большой мощности можно рекомендовать другой вариант схемы управления тиристорами. В ней применяются тиристоры типа 70TPS12, для управления которыми использованы оптроны МОС3052. Тиристоры этого типа имеют электрическое соединение с теплоотводами и должны устанавливаться на раздельные радиаторы или с диэлектрическими прокладками.

Схема управления с блоком индикаторов точечной сварки споттер

Рисунок 2. Схема блока управления для споттера.

Внешний вид платы блока управления с контроллером показан на фото 2.

На фотографии показан внешний вид блока индикаторов с кнопками управления без декоративной панели. Панель индикаторов с кнопками и установленной декоративной панелью показана на другом фото 3.

Схема управления имеет минимум вспомогательных элементов. Управление всеми процессами осуществляется микроконтроллером типа AtMega 16, установленном в исполнении DIP. Элемент производителя фирмы Atmel имеет невысокую стоимость и большое количество выводов. Устройство контролера позволяет использовать входные и выходные сигналы на любые ножки микросхемы, поэтому плата получается максимально упрощенной. Кроме возможностей конфигурации, контролер оснащен оперативной и энергонезависимой памятью большой емкости и др. В схеме управления споттером его возможности использованы примерно на 20 %.

Краткое описание работы точечной сварки споттер

Принципиальная схема блока управления показана на рисунке (рис.2). При поступлении напряжения питания загружаются сохраненные в энергонезависимой памяти данные для первой кнопки. На индикаторе отображается выдаваемая контролером информация. Параллельно с выводом информации выполняется контроль состояния кнопок, при обнаружении сработавшей кнопки запускается соответствующая подпрограмма. Информация на табло обновляется в связи с новым запросом.

При каждом срабатывании контактов кнопок раздается звуковой сигнал, его отсутствие означает неисправность или зависание контроллера.

Фото 3. Панель индикаторов споттера.

При помощи кнопок можно выбрать необходимый режим работы, установить нужные параметры импульса. Подобранный режим можно сохранить в памяти для последующего использования.

Читать еще:  Сварка нержавейки полуавтоматом в среде аргона

В режиме «Работа» контроллер работает следующим образом:

  1. Индикаторы отключаются, контроллер контролирует уровень напряжения на контакте AIN1.
  2. При снижении напряжения до нулевого уровня запускается счетчик с установленным периодом паузы.
  3. По окончании отсчета выдается команда на микросхему управления тиристором (симистором). Процесс повторяется на каждом периоде сетевого напряжения для использования только положительной половины периода. Это усовершенствование позволяет избежать режима магнитного насыщения железа.

Контроль сетевого напряжения происходит по цепочке от блока питания, через контакт разъема Х-1 на контакт контроллера SIN. Элементы VR2 и Q2 корректируют форму сигнала. Напряжение на открытие симистора подается на разъем Х3, контакты 1 и 2.

Состав схемы управления точечной сварки споттер

Дополнительно с контроллером использованы разгружающие ключи IC2 для предохранения микросхемы процессора от перегрузок. Микросхема IC3 применена из-за недостаточного количества выводов на процессоре. Используется в качестве регистра памяти с параллельным выходом и последовательным входом. В зависимости от полученного кода включается определенный светодиод. Цифровые индикаторы имеют семь сегментов, подключенных к общему катоду. В общую схему соединяются дорожками платы. В качестве LED5-10 можно использовать любые светодиоды, подобрав необходимый цвет.

Устройство для звука должно иметь собственный генератор с рабочим напряжением 5 В. Пассивные элементы можно применять любых марок с точностью номиналов до 20 %.

Для программирования контролера необходимо установить соответствующий разъем, подключенный к выводам микропроцессора: MOSI, MISO, SCK, Reset, Gnd. Прошивку можно выполнять на программаторе или на компьютере с установленной специальной программой. Существует несколько вариантов различных программ, помогающих выполнять прошивку процессоров различного назначения. Основное внимание в них уделено работе устройства как аппарата точечной сварки. Споттер в переводе означает “точка”.

Модуль таймера для точечной сварки своими руками

В статье об изготовлении точечной сварки из трансформатора от микроволновой печи был указан модуль таймера но не все знают где подобный таймер достать или же как можно его сделать самому. В этой статье мы покажем, как сделать точно такой модуль таймера для точечной сварки своими руками.

Как сделать модуль таймера для точечной сварки

Список радиоэлементов которые нужны для таймера:

  • Тиристор BTA16-600B (корпус TO220) – 1 шт;
  • Микросхема HEF4093 – 1 шт;
  • Резистор 390 к (0,25 Вт) – 1 шт;
  • Резистор 4,7 к (0,25 Вт) – 2 шт;
  • Резистор 1 к (0,25 Вт) – 3 шт;
  • Резистор 680 Ом (0,25 Вт) – 1 шт;
  • Резистор 330 Ом (0,25 Вт) – 2 шт;
  • Резистор 100 Ом (0,25 Вт) – 1 шт;
  • Светодиод на 3 В – 1 шт;
  • Оптрон MOC3041 – 1 шт;
  • Транзистор C1815 – 2 шт;
  • Переменный резистор 10 к – 1 шт;
  • Конденсатор 220uF/50V – 1 шт;
  • Конденсатор 1uF/50V – 1 шт;
  • Конденсатор 100uF/25V – 1 шт;
  • Конденсатор 220n/250V – 1 шт;
  • Кнопка без фиксации – 1 шт;
  • Диодный мост 2W08 – 1 шт (так как в точечной сварке используется отдельный блок питания постоянного напряжения то его ставить не надо, если таймер будет ставится в другую конструкцию то в этом случае оставьте).

Как сделать модуль таймера для точечной сварки

Как сделать модуль таймера для точечной сварки, инструкция:

Сначала делаем плату, распечатываем рисунок печатной платы:

Как сделать модуль таймера для точечной сварки

По ЛУТ технологии (или другой удобной Вам) переносим рисунок на плату, травим, сверлим, лудим дорожки.

Запаиваем радиокомпоненты согласно схемы, на фото представлено расположение деталей на плате:

Как сделать модуль таймера для точечной сварки

Как сделать модуль таймера для точечной сварки

Как сделать модуль таймера для точечной сварки

Когда все элементы будут стоять на своих местах и запаяны то пришло время подключить наш таймер к нагрузке. В качестве временной нагрузки будем использовать лампу накаливания.

Как сделать модуль таймера для точечной сварки

Как сделать модуль таймера для точечной сварки

Таймер будем подключать в разрыв цепи лампы, провода нагрузки подключаются к клемме на плате К1. Ко второму разъёму H1 подключена кнопка (без фиксации) запуска таймера. Вместо диодного моста я подключил отдельный блок питания, так как в аппарате точечной сварки я буду использовать адаптер питания на 12 В и 0,5 А, сама же схема может питаться от 6 до 12 В. Теперь нажимая кнопку будет на некоторое время зажигаться лампочка от доли секунд до 2-х секунд в зависимости от положения ручки потенциометра VR1.

Как сделать модуль таймера для точечной сварки

Если всё работает как надо то можно теперь устанавливать наш самодельный таймер в аппарат для точечной сварки.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector