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逆變電阻點焊多參數單片機測試系統

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?????? 本文針對傳統的點焊監測與控制系統參數單一的缺點，研制了一種點焊電壓、電流實時檢測系統。通過合理、簡單、可靠的硬件電路及軟件計算實現了對點焊電流、電極間電壓、能量和焊接時間等參數的數據采集和處理。文中首先分別對測試系統的硬件、軟件進行了介紹，然后對逆變電阻焊機的實驗測試波形和數據進行了分析。實驗結果表明，本系統能有效地對點焊過程中的多個參數進行快速、準確、有效地測量與處理，為進一步的點焊質量監測與控制研究打下了良好的基礎。

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1?基于PIC的點焊采樣測試系統硬件設計

1．1?系統硬件設計

測試系統的硬件結構框圖如圖1所示。本系統包括信號采集和處理電路，PIC18F6585控制芯片，LCD顯示并結合8鍵鍵盤作為人機界面，與PC機進行通信的RS232接口。

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???????????????????????????????????????????????????????????????????????? 圖1?測試系統硬件結構框圖

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?????? 系統的工作原理如下：電壓、電流信號分別由各自的傳感器和取樣電路取出，電壓信號直接從焊機的上下電極之間測量，而初級電流信號則是通過霍爾電流傳感器和采樣電阻獲取。采樣后續電路對所獲取的信號進行濾波放大后送至有效值轉換芯片變換為有效值，然后再將有效值送入PIC18F6585主控制芯片進行A/D轉換、計算和處理，結果通過LCD顯示出來，同時可通過RS232接口將結果發送到PC機保存或作進一步的分析。在整個過程中，操作者可以通過鍵盤對該系統進行控制。?

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1．2?有效值計算電路設計

?????? 在次級整流的逆變式點焊電源中，次級輸出電流大，脈動小，因此測量逆變點焊焊接電流有其特殊性和困難性。目前，國內外測量有效值的方法有兩大類，即數字法和模擬法。在數字法中包括導通角系數法，峰值角計算法和逐點積分法等。其共同特點是借助計算機對信號進行采樣和計算。逐點積分法依據電流有效值的定義進行計算。優點是不存在原理誤差，適用范圍廣。但采用逐點積分法計算逆變點焊焊接電流有效值對器件的性能指標有非?？量痰囊?，占用單片機較多的計算時間。而導通角系數法和峰值角計算法均存在原理誤差，且對功率因數角或導通角的范圍有要求，當波形因數增大時，產生的誤差也隨之增大。在模擬法中包括按有效值刻度的平均值轉換器和真有效值轉換器。以平均值轉換器制作的測量儀表，當被測波形不是純正弦波時，就要產生可觀的附加誤差。采用真有效值轉換器電路復雜、成本較高，但是自從美國AD公司推出的一種專門用于真有效值－直流轉換的單片集成芯片AD536A后，這些問題得到了很好的解決。本系統就是采用該芯片來計算電流和電壓有效值的。它的最大特點是能夠實時測量各種交流信號的有效值，而不必考慮其波形參數及失真度的大小，這是傳統平均值儀表所無法比擬的。它的性能與混合或模數器件相當甚至更優，但其價格卻低得多。AD536A可直接計算出任何包含直流的交流分量的復雜輸入波形的真有效值，并將其轉換成直流輸出信號。AD536A可廣泛用于標準正弦波或非周期、非正弦且疊加直流電平的各種噪聲及機械傳感信號的精確測量。利用AD536進行有效值轉換可以實時地獲得焊接電流、電壓的有效值，對逆變電阻焊非常有效，在保證測量精度的同時大大節省了CPU的占用率。實驗證明，比較傳統的電阻焊電流有效值檢測方法[4，5]，精度和速度明顯提高。

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2?基于PIC的點焊采樣測試系統軟件設計

??????? 系統軟件的主要功能有：對點焊過程中的電壓、電流信號進行采樣，數據的存儲，計算點焊過程的電流和電壓的有效值，計算能量，統計焊接時間，除此之外還要完成測試結果的顯示，與PC的串行通信等功能。測試系統的軟件流程如圖2所示。

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????????????????????????????????????????????????????????????????? ?圖2?測試系統軟件框圖

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?????? 系統軟件的具體流程如下：系統初始化完成后進入不斷掃描狀態，檢測鍵盤和信號通道。當有按鍵按下時響應鍵盤操作；當檢測到啟動信號上升時就進行數據的采集和處理。由于點焊回路呈電感性，焊接過程中電壓信號總比電流信號超前一定的相位，因而在掃描信號通道的時候，本系統采用電壓信號作為啟動信號。系統根據每次掃描到的電壓信號與門檻比較的結果來判斷焊接過程是否開始。只要檢測到電壓信號上升達到門檻值的時候，就認為焊接過程開始，調用數據采樣和存儲子程序，進入正式信號采樣和數據記錄。

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?????? 數據采集與儲存子程序負責完成整個焊接過程中的數據采集和儲存。本測試系統有電壓電流兩路信號，而PIC單片機的A/D模塊是分時復用的，因而不可能同時對兩路信號進行轉換，而實際上的做法是先轉換電壓信號，把結果保存下來，然后選擇電流通道，對電流信號進行轉換，也把結果保存下來。按逆變點焊工藝特點，焊接時間為毫秒級，所以本系統每一個毫秒記錄一個測試結果。為了讓每個毫秒里采到的結果比較準確，因而在一個毫秒里對電壓和電流信號都采樣四次，把結果累加后再求平均，作為這一毫秒里的測試結果。

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????? 點焊過程中的電壓和電流信號經過有效值處理電路后的波形有上升，平緩和下降三個階段。在數據采集時本系統是對波形的三部分分別進行不同的處理。焊接時間的計算是從信號開始上升的時刻開始，直到波形開始下降時結束。數據記錄是從信號上升到門檻，直到信號下降到門檻以下為止。平均值計算是從波形平緩時開始算，直到波形下降之前，單獨對波形的平緩段求平均值，算出平均有效值。為了實現上述對波形不同部分的數據進行不同處理，在數據采集的過程中加入了對波形的斜率判斷，從而決定波形是上升還是下降。

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??????? 除此以外相關的子程序還有：平均值計算子程序、數據轉換及顯示子程序，分別用于完成平均值的計算、測試結果轉換成實際值并進行顯示等操作；串行通訊子程序主要有兩大功能：其一，根據PC送來的指令代碼執行不同的功能程序，實現PC機通過串口對PIC進行控制；其二，將存儲在RAM中的測試結果發送到PC機上。

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3?實驗與結果分析

?????? 在完成了基本的軟硬件調試后，利用JYD-06AL/AT逆變點焊機（三相，額定電流6000A,工作頻率1kHz）進行了實際焊接測試，對測試系統所采用的測試方法以及系統的性能進行了考察。

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3．1信號檢測電路輸入輸出波形對比

?????? 圖3a)所示為檢測電路輸入輸出電流信號波形的對比；圖3b)為檢測電路輸入輸出電壓信號波形的對比。從波形可以看出：（1）電流電壓信號經過電流檢測電路后已經轉變為直流信號；（2）檢測電路的輸出（經過有效值處理后的輸出）是輸入信號的有效值，輸出波形是輸入波形的包絡，輸出信號是跟隨輸入信號的變化而變化的，信號檢測電路具有很好的實時性。（3）輸出信號波形有一個上升的過程，一方面主要是由于焊接剛開始的時候，信號的脈寬有一個遞增的過程，計算成有效值后的值也相應遞增，其次是由于AD536本身是半導體器件，上電時由于內部電路充電等的一些原因使得輸出信號不能立即跟隨輸入信號變化。（4）輸出波形在輸入信號撤走后還有一個較長時間的下降過程，這是由于AD536的電荷泄放較慢造成的。（5）AD536的輸出信號也不是平滑的波形，其上隨原始信號的波動有很小的紋波干擾。（6）經檢測電路處理后的電流電壓信號保持了良好的對應性。

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3．2?系統性能驗證

??????? 為了驗證測試系統采樣結果是否正確，實驗過程中利用數字示波器測量了經過檢測電路處理的有效值信號波形，同時利用測試系統所帶的數據傳送功能把同一次實驗采集到的數據傳送到PC機上，利用Excel的制圖功能，把這些數據做成波形曲線圖。通過示波器所測得的波形與用測量數據繪制的曲線圖對比，以驗證測試數據的正確性。

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?????? 圖4a)是利用數字示波器測量到的電壓、電流信號經過檢測電路處理后輸出的波形，也就是輸入到PIC進行采樣的信號波形；圖4b)是與之相對應的同一次焊接過程中由測試系統記錄下來的數據繪制的曲線。從以上的波形對比可以看出：測試系統記錄的波形能很好地跟隨輸入信號波形的變化而變化，這說明系統的數據采集功能可以很好地對輸入信號進行采集和記錄，而且系統地實時性也較好。

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?（JYD-06AL/AT?脈寬設定2.98?焊接時間42ms?1-電壓有效值2-電流有效值）

3．3?對JYD-06AL/AT焊機的測試

???????? 實驗過程中對JYD-06AL/AT逆變點焊機進行了較詳細的測試實驗，負載是厚度為5mm不銹鋼片，焊接時間為40ms緩升時間2ms。在帶負載的情況下進行了測量，并將MIYACHI公司生產的MM-315型電流測試儀的測試結果和本系統的測量數據以進行對比。從表1的測試數據結果可以看出，由本系統計算出來的焊接時間符合設定值，而焊接電流測出來的數據跟電流儀測出來的數據雖然存在一定的誤差（主要由于在初級測量造成），但還是保持了很好的跟隨性。

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??????? 利用該系統還測試了短路條件下不同脈寬設定相對應的各種數據，測量了單相交流輸入逆變電阻焊機JYD-02的數據。對單相交流逆變點焊，輸出有明顯的100Hz的波動。

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????? 各種實驗表明，系統實現了電阻點焊多種參數的快速、可靠測試。系統進一步的工作包括實現次級直流大電流的直接檢測，建立基于多參數的點焊質量監測模型并將系統開發為焊接監測設備，將測試方法用于反饋系統中構建多參數點焊質量實時控制系統等。

4結論

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??????? 采用PIC18F6585微控制器（MCU）和有效值轉換器件AD536構成的電阻焊測試系統電路簡單、結構緊湊、響應速度快，所設計的系統適合于電阻焊過程的短時間多參數的快速測量、顯示和存儲。

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?????? 對逆變電阻點焊過程的測試結果表明，系統能夠對焊接過程多個參數進行快速、準確、有效地測量與處理，為進一步的點焊質量監測與控制打下了良好的基礎。

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??????? 廣州市精源電子設備有限公司在工廠內備有多種功率的精密逆變點焊機（碰焊機）、熱壓焊機、縫焊機，并且有幾百種適合不同產品的夾具（還可根據產品設計夾具），無論貴司有任何產品存在焊接難點問題，廣州精源電子都誠懇的歡迎您來我司（或將工件寄到我司）焊接打樣，我們擁有一批焊接的專家、教授、博士后、博士組成的研發團30年的“電阻焊研究”和對焊接工藝的深度理解，完全可以幫助您找到最佳的焊接解決方案。

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