Tancament del bucle a la soldadura de muntatge superficial: 4 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:18

La temperatura sembla el més fàcil de controlar del món. Enceneu l’estufa i configureu la temperatura que desitgeu. Enceneu el forn al matí i configureu el termòstat. Ajusteu l’aigua freda i calenta perquè la dutxa quedi bé. Fàcil! Però, i si voleu controlar la temperatura més enllà d’aquestes aplicacions quotidianes? Si voleu temperatures fora dels límits normals o voleu una temperatura estable dins d’un rang reduït, principalment esteu sols.

En el meu cas, volia controlar la temperatura d’una placa calenta que s’utilitza per a la soldadura de muntatge superficial. Inicialment, he utilitzat la modulació de l'amplada de pols per proporcionar temperatures estables i configuracions determinades experimentalment per crear el perfil de temperatura requerit. Podeu llegir-ho tot en aquest manual. Aquest sistema funciona i el control de la temperatura d’aquesta manera està molt bé, però té deficiències.

Deficiències:

• Funciona només per a la meva placa calenta específica. Altres són similars, però no idèntics i calen experiments per determinar la configuració i els temps necessaris per produir el perfil requerit.
• La mateixa situació si vull un perfil o temperatura diferent.
• El procés de soldadura triga molt de temps ja que les temperatures estables s’han d’acostar lentament.

Idealment, podríem especificar un perfil de temperatura-temps, prémer un botó i el controlador faria que la placa calefactòria funcionés tal com estava programat. Sabem que això és possible, ja que hi ha molts processos industrials que utilitzen exactament aquest tipus de control. La pregunta és que es pot fer això fàcilment i econòmicament a casa?

Com hauríeu d’haver endevinat, ja que escric aquest instructiu, la resposta és sí. Aquesta instrucció us mostrarà com construir el vostre propi controlador de temperatura de força industrial. Em centraré especialment en la soldadura de muntatge superficial, però qualsevol procés que requereixi un perfil de temperatura horari precís pot utilitzar aquest sistema.

Nota: Quan faig servir el nom "Arduino" no em refereixo només a Arduino (no del tot) protegit per drets d'autor, sinó també a les moltes versions de domini públic conegudes col·lectivament com a "Freeduino". En alguns casos faig servir el terme "Ard / Free-duino", però els termes s'han de considerar intercanviables als efectes d'aquesta instrucció.

L’esquema de control de temperatura utilitzat a la soldadura instructiva de muntatge en superfície extrema es coneix com a control de bucle obert. És a dir, s’espera que un valor que hagi produït la temperatura desitjada en el passat produeixi la mateixa temperatura quan es faci servir de nou. Sovint això és cert i produeix el resultat desitjat. Però si les condicions són lleugerament diferents, diguem que el garatge on treballem és molt més fresc o càlid, és possible que no obtingueu el resultat esperat.

Si tenim un sensor que pot llegir la temperatura i comunicar-la a un controlador, tenim un control de bucle tancat. El controlador és capaç d’establir un valor inicial per augmentar la temperatura, mirar la temperatura a mesura que passa el temps i ajustar la configuració per fer que la temperatura pugi més o menys fins que s’assoleixi la temperatura desitjada.

El nostre enfocament serà substituir el controlador PWM basat en AVRTiny2313 per un controlador basat en ATMega més potent. La programació es farà a l'entorn Arduino. Utilitzarem un ordinador (Linux-Mac-Windows) amb Processament per mostrar els resultats i ajustar el controlador.

Per al sensor, utilitzarem un sensor de temperatura per infrarojos de Harbor Freight. El sensor IR es modificarà per generar la temperatura com un flux de dades en sèrie que el controlador pot llegir. Utilitzarem un Ard / Free-duino com a controlador, amb un PC (Mac - Linux - Windows) per a l'entrada al controlador. Quan hàgim acabat, el sistema es veurà com la imatge. (És possible que tingueu menys circuits extranys a la taula de treball. No està bé.)

Pas 1: modificació del sensor IR

Moltes gràcies al meu intel·ligent amic, Scott Dixon, pel seu acurat treball de detectiu per esbrinar com funciona aquest instrument i com fer-lo útil en general amb un controlador exposant la seva interfície sèrie.

El dispositiu amb què començarem és el número de peça Harbor Freight: 93984-5VGA. Costa uns 25 dòlars. No us molesteu en comprar la garantia.:)} Aquí teniu l'enllaç. Les figures 1 i 2 mostren vistes frontals i posteriors. Les fletxes de la figura 2 indiquen on es troben els cargols que mantenen la caixa units. La figura 3 mostra l'interior de la caixa quan es retiren els cargols i s'obre la caixa. El mòdul de punter làser probablement es pot eliminar i utilitzar per a altres projectes, tot i que encara no ho he fet. Les fletxes apunten als cargols per treure-les si voleu treure la placa per soldar-la (cargols eliminats en aquesta imatge). També s’indica la zona on s’ha de fer un tall perquè el cablejat surti de la caixa. Vegeu també la figura 5. Feu el tall mentre es retira la placa, o almenys abans de soldar els cables. És més fàcil d’aquesta manera.;)} La figura 4 mostra on es soldaran els cables. Tingueu en compte la lletra de cada connexió perquè sàpiga quin filferro és quan tanqueu la funda. La figura 5 mostra els cables soldats al seu lloc i encaminats a través del tall. Ara podeu tornar a ajuntar la caixa i l’instrument hauria de funcionar com ho feia abans de la vostra operació. Tingueu en compte el connector dels cables. Faig servir cables més llargs per connectar-me al controlador. Si utilitzeu un cable petit, un connector petit i manteniu els cables curts, podeu tornar-lo a col·locar a la caixa si ho desitgeu i l’instrument no es modifica. Scott també ha creat el programari per connectar aquest dispositiu. Ha utilitzat aquest document si voleu obtenir més informació. Això és! Ara teniu un sensor de temperatura IR que funcionarà entre -33 i 250 C.

Pas 2: programari per al control

Per útil que sigui, el sensor de temperatura IR només forma part del sistema. Per controlar la temperatura, es requereixen tres elements: una font de calor, un sensor de temperatura i un controlador que pugui llegir el sensor i controlar la font de calor. En el nostre cas, la placa calenta és la font de calor, el sensor de temperatura IR (modificat en l’últim pas) és el nostre sensor i un controlador que utilitza un programari adequat Ard / Free-duino. Tot el programari d’aquest instructable es pot descarregar com a paquet Arduino i com a paquet de processament.

Baixeu el fitxer IR_PID_Ard.zip. Descomprimiu-lo al directori Arduino (normalment Els meus documents / Arduino). Descarregueu el fitxer PID_Plotter.zip. Descomprimiu-lo al directori de processament (normalment Els meus documents / Processament). Ara els fitxers estaran disponibles als quaderns de croquis adequats.

El programari que utilitzarem va ser escrit originalment per Tim Hirzel. Es modifica afegint la interfície al sensor IR (proporcionat per Scott Dixon). El programari implementa un algorisme de control conegut com a algorisme PID. PID significa Proporcional - Integral - Derivat i és l'algorisme estàndard utilitzat per al control de temperatura industrial. Aquest algorisme es descriu en un excel·lent article de Tim Wescott en què Tim Hirzel basava el seu programari. Llegiu l'article aquí.

Per ajustar l'algorisme (llegiu-ne l'article a l'esmentat article) i per canviar la configuració de temperatura objectiu, utilitzarem un esbós de processament, també desenvolupat per Tim Hirzel. Va ser desenvolupat per torrar grans de cafè (una altra aplicació de control de temperatura) i es va anomenar Bare Bones Coffee Controller o BBCC. Nom a part, funciona molt bé per a la soldadura de muntatge superficial. Podeu descarregar la versió original aquí.

Modificació del programari

A continuació, suposo que coneixeu Arduino i Processing. Si no ho és, hauríeu de seguir els tutorials fins que les coses comencin a tenir sentit. Assegureu-vos de publicar comentaris a aquest instructiu i intentaré ajudar-vos.

El controlador PID s'ha de modificar per al vostre Arduino / Freeduino. La línia del rellotge del sensor IR ha d’estar connectada a un pin d’interrupció. En un Arduino, pot ser 1 o 0. En Freeduinos de diversos tipus, podeu utilitzar qualsevol interrupció disponible. Connecteu la línia de dades del sensor a un altre pin proper (com ara D0 o D1 o un altre pin que vulgueu). La línia de control de la placa calenta pot provenir de qualsevol pin digital. En el meu clon particular de Freeduino (descriviu-ho aquí), he utilitzat D1 i la interrupció associada (1) per al rellotge, D0 per a dades i B4 per a la línia de control de la placa.

Després de descarregar el programari, inicieu l'entorn Arduino i obriu IR_PID des de l'element del menú Fitxer / Llibreta. A la pestanya pwm, podeu definir HEAT_RELAY_PIN com sigui adequat per a la vostra variant Arduino o Freeduino. A la pestanya temporal, feu el mateix amb el PIN IR_CLK, el PIN IRDATA i l’IR_INT. Hauríeu d'estar preparats per compilar i descarregar.

De la mateixa manera, inicieu l'entorn de processament i obriu l'esbós PID_Plotter. Ajusteu BAUDRATE al valor correcte i assegureu-vos de configurar l’índex utilitzat a Serial.list () [1] al valor correcte per al vostre sistema (el meu port és l’índex 1).

Pas 3: enganxar-ho tot

El sistema de control de corrent altern de plaques calentes es detalla a la instrucció de soldadura de muntatge superficial extrem, ja esmentada, o podeu comprar el vostre propi SSR (relé d’estat sòlid). Assegureu-vos que pot suportar la càrrega de la placa calenta amb un marge suficient, per exemple, de 20 a 40 watts, ja que les proves realitzades pels xinesos poden deixar alguna cosa a desitjar. Si feu servir el controlador de corrent altern de la meva placa instructiva, executeu un pont des de la resistència de l’entrada de control a terra a l’Ard / Free-duino i un pont des de la sortida de control (B4, o el que trieu) a Control Signal Entrada. Vegeu la imatge del controlador. El pont groc és l’entrada de senyal de control i el pont verd va a terra. M'agrada fer servir una llum parpellejant (conduïda amb una resistència a terra) al pin de sortida, així que sé quan està engegada. Connecteu el jumper entre el led i el port tal com es mostra. Consulteu el diagrama de connexió Teensy ++.

Ara instal·leu un suport per mantenir el sensor de temperatura IR sobre la placa calenta. La imatge mostra el que vaig fer. La regla és senzilla però robusta. Mantingueu qualsevol cosa inflamable lluny de la placa calenta; el sensor és de plàstic i sembla que està molt bé a 3 polzades per sobre de la superfície de la placa. Executeu els cables des del connector del sensor fins als pins adequats del vostre Ard / Free-duino. Les connexions del sensor IR es mostren al diagrama de connexió Teensy ++. Adapteu-los segons el vostre cas per al vostre Ard / Free-duino.

Nota de seguretat important: el sensor IR té un punter led que ajuda a apuntar-lo. Si teniu gats com el meu, els encanta perseguir el punter. Així que cobriu el led amb una cinta opaca per evitar que els vostres gats saltin a la placa calenta quan el feu servir.

Abans d’endollar el controlador de corrent altern a 120V, a continuació s’explica com provar el sistema i definir els valors inicials de temperatura. Us proposo una temperatura objectiu de 20 ° C perquè la calefacció no comenci immediatament. Aquests valors s’emmagatzemaran a EEPROM i s’utilitzaran la propera vegada, així que assegureu-vos d’emmagatzemar sempre un valor baix com a temperatura objectiu quan hàgiu acabat la sessió de soldadura. Em sembla una bona idea iniciar el controlador de temperatura amb la placa calefactora desconnectada al principi. Assegureu-vos que tot funcioni abans de connectar-lo.

Connecteu el port sèrie al vostre Arduino i engegueu-lo. Compileu l'esbós d'Arduino i descarregueu-lo. Inicieu l'esbós de processament per interactuar amb el controlador i mostrar els resultats. De vegades, l'esbós d'Arduino no se sincronitzarà amb l'esbós de processament. Quan això passi, veureu el missatge "Sense actualització" a la finestra de la consola de l'esbós de processament. Simplement atureu i reinicieu l'esbós de Processament i les coses haurien d'estar bé. Si no és així, mireu la secció de resolució de problemes a continuació.

Aquí hi ha les ordres del controlador. "Delta" és la quantitat que canviarà un paràmetre quan se li demani. Primer, configureu el valor delta que vulgueu utilitzar. A continuació, ajusteu el paràmetre desitjat mitjançant aquest delta. Per exemple, utilitzeu les tecles + i - per fer delta 10. A continuació, utilitzeu T (majúscula “T”) per augmentar la configuració de temperatura objectiu en 10 graus C, o t (minúscula “t”) per reduir la temperatura objectiu en 10 graus. Ordres:

+/-: ajustar el delta per un factor de deu P / p: amunt / avall ajustar el guany p per delta I / i: amunt / avall ajustar el guany per delta D / d: amunt / avall ajustar el guany d per delta T / t: amunt / avall ajusta la temperatura establerta per delta h: activa o desactiva la pantalla d'ajuda R: restableix els valors: fes-ho la primera vegada que executis el controlador

Un cop rebeu les actualitzacions de temperatura, la finestra gràfica de l’esbós hauria de semblar la imatge. Si teniu una gran zona gris imposada a la pantalla amb algunes ordres descrites, simplement escriviu “h” per esborrar-la. Quan comenceu per primera vegada, és possible que se us demani que restableixi els valors inicials. Endavant i fes-ho. Els valors de l'extrem superior dret són les lectures i la configuració actuals. "Objectiu" és la temperatura objectiu actual i es canvia mitjançant l'ordre "t" tal com s'ha descrit anteriorment. "Curr" és la lectura de temperatura actual del sensor. "P", "I" i "D" són els paràmetres de l'algorisme de control PID. Utilitzeu les ordres "p", "i" i "d" per canviar-les. En parlaré d'aquí a un moment. "Pow" és l'ordre d'alimentació des del controlador PID fins a la placa calefactora. És un valor entre 0 (sempre apagat) i 1000 (sempre activat).

Si poseu la mà sota el sensor, hauríeu de veure com la temperatura (Curr) augmenta. Si ara augmenteu la temperatura objectiu, veureu que augmenta el valor de potència (Pow) i el led de sortida parpellejarà. Augmenteu la temperatura objectiu i el led de sortida es mantindrà encès més temps. Quan la placa calenta està connectada i funciona, si augmenteu la temperatura objectiu, la placa calenta s’encendrà. A mesura que la temperatura actual s'aproxima a la temperatura objectiu, el temps puntual disminuirà de manera que la temperatura objectiu s'acosti amb un mínim de disparos excessius. Aleshores, el temps puntual serà suficient per mantenir la temperatura objectiu.

A continuació s’explica com es defineixen els paràmetres de l’algorisme PID. Podeu començar amb els valors que faig servir. P de 40, I de 0,1 i D de 100. El meu sistema farà un pas de 50 ° C en uns 30 segons amb una superació inferior a 5 graus. Si el vostre sistema té un rendiment significativament diferent, voldreu ajustar-lo. L’ajust d’un controlador PID pot ser complicat, però l’article a què es fa referència anteriorment explica com fer-ho de manera molt efectiva.

Ara és el moment de la realitat. Connecteu la placa calenta al controlador de CA de la placa calenta tal com es descriu a Soldadura de muntatge extrem de superfície. Llegiu també totes les precaucions que hi apareixen. Col·loqueu el sensor de temperatura de manera que quedi a uns 3 centímetres per sobre de la placa calenta i apuntant-hi directament. Enceneu el vostre Ard / Free-duino. Assegureu-vos que totes les connexions siguin correctes i que el vostre programari (el controlador PID i el programa de supervisió) funcioni correctament. Comenceu amb la temperatura objectiu establerta a 20 C. A continuació, augmenteu la temperatura objectiu a 40 C. La placa calenta s’ha d’encendre i la temperatura hauria d’augmentar sense problemes fins a 40 C +/- 2 C. Ara podeu provar d’augmentar la temperatura mentre observeu el rendiment. del vostre sistema. Notareu que la placa triga molt més a refredar-se del que fa per escalfar-la.

Resolució de problemes

Si l'esbós de processament no s'executa o no actualitza la temperatura, atureu l'esbós de processament i inicieu un terminal en sèrie (per exemple, Hyperterminal a Windows). Toqueu la barra espaiadora i premeu Retorn. L'Arduino hauria de respondre amb la lectura actual de la temperatura. Ajusteu la configuració de la velocitat de transmissió, etc. fins obtenir la resposta desitjada. Un cop això funcioni, s'hauria d'executar l'esbós de processament. Si encara teniu problemes, assegureu-vos que les assignacions de pins coincideixen amb el cablejat físic i que heu connectat l’alimentació i la terra als pins adequats del sensor de temperatura.

Pas 4: soldadura de muntatge superficial

L’ús del sistema de control de temperatura descrit en aquest manual instructiu millora la soldadura de muntatge superficial extrem de dues maneres. En primer lloc, el control de la temperatura és més precís i és molt més ràpid. Per tant, en lloc de tenir una rampa lenta d’uns 120 ° C a 180 ° C durant 6 minuts més o menys, podem anar ràpidament a 180 ° C, mantenir-lo durant 2 ½ a 3 minuts i anar ràpidament a 220 ° C a 240 ° C durant aproximadament un minut. Encara hem de vigilar el moment en què la soldadura flueix i apaga l’alimentació, o simplement baixa ràpidament la temperatura objectiu. Com que la temperatura baixa molt lentament, normalment faig lliscar els circuits de la placa calenta tan aviat com la temperatura s’hagi refredat per sota dels 210C. Poseu-los en un tros de tauler de perf o fusta, no de metall. El metall pot fer que es refredin massa ràpidament. Tingueu en compte també que és possible que hagueu d’elevar la temperatura objectiu per sobre de 250 ° C (el màxim que llegirà el sensor) per tal d’escalfar prou la placa en determinades zones. La placa no assolirà una sola temperatura en tota la superfície, però serà més fresca en certes zones que en altres. Ho aprendreu experimentant.

La segona àrea de millora és la reducció del temps entre cicles de soldadura. Amb el sistema de llaç obert, vaig haver d’esperar que la placa calenta es refredés a temperatura ambient (uns 20 ° C) per iniciar un nou cicle de soldadura. Si no ho fes, el cicle de temperatura no seria correcte (canvi de condicions inicials). Ara només he d’esperar a una temperatura estable al voltant dels 100 ºC i puc començar un nou cicle.

El cicle de temperatura que faig servir ara està implícit més amunt, però aquí és exactament. Comença a 100C. Col·loqueu les taules a la placa calenta durant dos o tres minuts per escalfar-vos, més temps amb components grans. Estableix la temperatura objectiu a 180 ° C. Aquesta temperatura s’aconsegueix en menys d’un minut. Mantingueu aquí durant 2 minuts i mig. Establiu el vostre objectiu a 250C. Tan bon punt flueixi tota la soldadura, reduïu la temperatura objectiu a uns 100 ° C. La temperatura del plat es mantindrà elevada. Tan bon punt disminueixi a 210 ° C, o bé passi el temps d’1 minut, llisqueu les taules de la placa calenta sobre una plataforma de refredament de perfboard o fusta. La soldadura està feta.

Si voleu utilitzar un perfil de temperatura diferent, no hauríeu de tenir problemes per aconseguir-lo amb aquest sistema de control.

És possible que vulgueu experimentar amb la posició del sensor de temperatura sobre la placa calenta. Vaig trobar que no totes les zones de la placa calenta arriben a la mateixa temperatura al mateix temps. Per tant, segons el lloc on col·loqueu el sensor, el temps i la temperatura reals necessaris per fer fluir la soldadura poden variar. Un cop hàgiu elaborat una recepta, utilitzeu el mateix posicionament del sensor per obtenir resultats repetibles.

Feliç soldadura!