Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy hàn điểm di động, dòng hàn từ 500 - 6500A

Mô tả mối hàn điểm và các loại mối hàn khác: Do điện trở giữa hai điện cực hàn điểm trên vật hàn rất nhỏ chỉ khoảng 0,00001 đến 0,001 omh nên phải cấp một nguồn điện có dòng điện rất lớn

Bộ Công thương Tổng Công ty Máy động lực và máy nông nghiệp

mục lục trang

Phần 1 giới thiệu sơ lược về hàn điểm 01

1.1 Hàn điện trở 01

1.2 Hàn điểm 01

Mô tả mối hàn điểm và các loại mối hàn khác 02

1.3 Máy hàn điểm di động 04

Phần 2 Thiết kế kỹ thuật 05

2.1 Nguyên lý chung 05

Sơ đồ khối 06

2.2 Khối chức năng nguồn 07

Sơ đồ mạch nguồn 07

2.3 Khối chức năng công suất 08

Sơ đồ mạch điện công suất 09

Thiết kế máy biến áp động lực 10

Thiết kế lõi tôn silic 11

Thiết kế cuộn dây 12

xử lý Cách điện, chống ẩm, chống rung, chống ồn 13

2.4 Khối chức năng điều khiển lập trình 13

2.4.1 Thiết kế chức năng vi điều khiển 13

Loại vi điều khiển lựa chọn 13

Cấu hình sử dụng cho máy hàn đề tài 14

Lưu đồ tiến trình phần mềm 15

lưu đồ giải thuật vòng lặp main 16

module spi hiển thị chữ số led 17

hàm đẩy spi_led 18

danh sách công cụ làm việc 19

Thiết kế cấu hình cứng và chức năng từng chân chíp 19

Thiết kế phần hiển thị màn hình và các menu cài đặt 23

Các chế độ hiển thị màn hình sau khi chế tạo hoàn thiện máy 28

2.4.2 Thiết kế phần cứng cho khối điều khiển 30

Phần nguồn 30

Phần đệm công suất 31

Mạch điều chế tín hiệu đo lường 32

Mạch điều chế tín hiệu đo dòng hàn 33

Mạch tạo điện áp quy chiếu 34

Mạch giao tiếp máy tính 35

Sơ đồ mạch điều khiển đầy đủ 36

2.5 Khối hiển thị 36

Sơ đồ mạch hiển thị 37

2.6 Thiết kế mạch in 38

2.6.1 Board mạch hiển thị 39

các bản vẽ thiết kế 40 - 44 2.6.2 Board mạch điều khiển 45

các bản vẽ thiết kế 46 - 50 phần 3 Thiết kế cơ khí 51

các bản vẽ thiết kế 52 - 68 phần 4 khảo nghiệm thực tế 69

bảng kết quả khảo nghiệm 69

các hình ảnh đ∙ chụp trong quá trình khảo nghiệm 71 - 73 phần 5 nhận xét chung 73 - 75 tài liệu tham khảo 76

do kim loại có tính dẫn điện nên xuất hiện dòng điện (I) đi qua vật hàn, vì trong kim loại có điện trở suất nên giữa vật hàn bao giờ cũng tồn tại một điện trở (R), dòng hàn làm cho điện trở này sinh ra một nguồn nhiệt năng có công suất (P) theo công thức:

đặc biệt mà không một loại máy hàn nào khác làm đ−ợc Mối hàn của máy hàn

điểm không hề nổi cộm lên, không làm cháy những thứ xung quanh, nguội

nhanh, ít gây biến dạng vật liệu hàn, không gắn thêm loại vật liệu nào khác lên mối hàn, không tạo ra xỉ bám quanh mối hàn nên mối hàn đẹp hơn hẳn so với các mối hàn khác Ngoài ra hàn điểm còn không phải mất bất kỳ loại que hàn, dây hàn, thuốc hàn hay khí hàn nào cả, không phải gia công mài sửa lại mối hàn mà tốc độ hàn lại rất cao có thể đạt tới 0,05 giây / một mối hàn, vì thế hàn điểm rất kinh tế

Mô tả mối hàn điểm và các loại mối hàn khác:

Do điện trở giữa hai điện cực hàn điểm trên vật hàn rất nhỏ chỉ khoảng

0,00001 đến 0,001 omh nên phải cấp một nguồn điện có dòng điện rất lớn từ hàng trăm Ampe đến hàng trăm nghìn Ampe tuỳ theo vật liệu và độ dầy vật liệu hàn mới tạo ra được một hiệu điện thế đủ lớn trên vật liệu hàn, vì thế dây hàn cần rất lớn để dẫn được dòng điện lớn như vậy, cũng vì đặc điểm này mà máy hàn

điểm thường phải đặt cố định và di chuyển vật hàn để hàn Vật hàn càng dầy thì dòng hàn và lực ép giữa hai điện cực càng phải lớn nên việc chế tạo máy hàn để hàn những vật liệu dầy càng trở nên khó khăn, không những thế máy hàn càng lớn thì càng không thể di chuyển để thao tác mà di chuyển vật hàn loại dầy để thao tác thì cũng rất nặng nề khó khăn

Hình 1

Chúng tôi lấy ví dụ một số thông số bảng tra chế độ hàn điểm dùng cho thép

các bon thấp trong cuốn sổ tay hàn dán điện trở ZGRZEWANIE OPOROWE

PORADNIK của tác giả Ryszard Michalski nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Ba

điện cực (mm)

Lực

ép (kg)

Dòng hàn (Ampe)

Thời gian cấp dòng (giây)

Lực ép (kg)

Dòng hàn (Ampe)

Thời gian cấp dòng (giây)

Qua bảng thông số trên ta có thể thấy −u thế của máy hàn điểm không phải

đối với vật liệu hàn dầy nh−ng hàn điểm lại chiếm −u thế cao đối với vật liệu hàn

mỏng, nhất là những vật liệu mỏng đến mức các loại máy hàn khác khó hoặc

không thể hàn đ−ợc

Bảng 1

1.3 Máy hàn điểm di động:

Để phát huy tối đa ưu điểm của loại máy hàn điểm, đề tài nghiên cứu chế tạo loại máy hàn điểm di động công suất nhỏ với dòng hàn từ 500 Ampe đến 6500 Ampe, với dòng hàn không quá lớn như vậy có thể di chuyển điện cực để hàn ở nhiều tư thế mà không cần cố định điện cực rồi di chuyển vật hàn Máy hàn của

đề tài sử dụng dây hàn có tiết diện 300 mm2, một bộ kẹp mát và một bộ tay hàn khoảng 5kg có thể cầm tay để thao tác không quá nặng nề, với bộ tay hàn này có thể hàn được thép dầy tối đa là 2+2mm Ngoài ra chúng tôi còn chế tạo thêm một

bộ tay hàn mini với trọng lượng dưới 1kg và dây hàn nhỏ dưới 25mm2 để hàn các loại thép mỏng có chiều dầy dưới 0,5mm rất linh hoạt tiện dụng và hữu ích, bộ tay hàn mini này kết hợp với một máy hàn của đề tài có thể hàn được tấm thép

mỏng như vậy thì cácloại máy hàn như hàn que, hàn TIG, hàn MIG, MAG, Hàn PLASMA, hàn hơi đều không thể hàn được và đây cũng chính là ưu điểm lớn nhất của máy hàn điểm di động

Ngoài khả năng hàn các loại thép nêu trên, máy hàn điểm di động của đề tài còn là một thiết bị hàn gá rất hữu hiệu Đối với những chi tiết đòi hỏi những phương pháp hàn khác mà cần hàn gá trước cho chính xác thì chỉ việc dùng máy hàn điểm di động đặt dòng hàn nhỏ hơn so với hàn điểm thành phẩm rồi hàn gá ta

sẽ được kết quả rất tốt và nhanh chóng, mối hàn gá dùng phương pháp này không gây biến dạng chi tiết hàn nhiều như các phương pháp hàn gá khác mà vẫn đảm bảo độ chác chắn để hàn thành phẩm

Vì đặc tính sinh nhiệt nhanh của hàn điểm nên chất lượng của máy hàn điểm không chỉ phụ thuộc vào độ chính xác của dòng hàn mà độ chính xác của thời gian cấp dòng cũng quan trọng không kém Đề tài đã nghiên cứu một giải pháp

để đảm bảo độ chính xác tối đa cho cả dòng hàn và thời gian cấp dòng đó là số hoá phần điều khiển

Với các khoảng thời gian được chia nhỏ đến một phần triệu giây để tính toán

và cài đặt cho việc điều khiển thời gian cấp dòng từ 0,01 giây đến 2,5 giây thì độ chính xác là rất cao

phần điều khiển dòng hàn được chia thành 1000 mức tương ứng với các mức dòng hàn đặt từ 100 Ampe đến 6500 Ampe (6,5A/1mức)

Phần 2 Thiết kế kỹ thuật:

2.1 Nguyên lý chung:

Máy hàn điểm di động gồm 5 phần là phần nguồn, phần công suất, phần điều khiển lập trình, phần tay hàn, phần cơ khí vỏ máy

Sau khi các thông số cài đặt dòng hàn, thời gian cấp dòng, cắt quá tải, cắt quá

áp, cắt thấp áp, cắt quá nhiệt đã đã được cài đặt và lưu vào bộ nhớ của máy thì máy thường xuyên kiểm tra các điều kiện làm việc và sẵn sang thực hiện lệnh

điều khiển Người vận hành chỉ việc bấm contac trên tay hàn thì máy sẽ cấp ngay một nguồn điện có dòng nhỏ dưới 100A để kiểm tra độ tiếp xúc và khởi động bơm nước làm mát tay hàn khi dòng kiểm tra đã đạt trên 50A thì máy đồng thời cấp dòng hàn và đếm lùi thời gian cấp dòng, khi thời gian cấp dòng đã hết thì máy lập tức ngắt dòng hàn còn bơm nước làm mát tay hàn sẽ được ngắt sau khoảng thời gian bằng 2 lần thời gian cấp dòng Trong quá trình làm việc nếu máy phát hiện có các sự cố như quá tải, quá áp, thấp áp, quá nhiệt thì máy sẽ tự

động ngắt dòng và cảnh báo cho người vận hành biết bằng còi và thể hiện dòng thông báo lỗi trên màn hình, việc báo lỗi sẽ duy trì cho đến khi lỗi đó không còn

và người vận hành buộc phải ngắt nguồn khởi động lại thì máy mới sẵn sàng làm việc tiếp

Phần điều khiển

Phần hiển thị

Phần tay hàn

Phần làm mát bằng nước

Phần làm mát bằng gió

cắt quá

nhiệt

Đầu

mỏ hàn

Đường nước lạnh

Đường nước nóng

Đường contac đkhiển

Đường dữ liệu

Đường Phím bấm

Đường

điều khiển

Đường nguôn 220V

Đường gió làm mát

ĐK

Nhiệt độ

Đường ĐK Thyrystor

380V

Kẹp mass

Hình 2

2.2 Khối chức năng nguồn:

Phần nguồn lấy điện 2Fa 380V quan một Automat 100A cấp cho bộ công suất

và 2 biến áp hạ thế, một biến áp lấy ra điện áp 220VAC cho quạt làm mát máy và bơm nước làm mát tay hàn, một biến áp lấy ra các mức điện áp: 3VAC cho phần

đo điện áp nguồn và phát hiện pha điện lưới 17VAC cho phần nguồn Board mạch

điều khiển 6+6VAC cho phần so sách và khuyếch đại thuật toán 8VAC cho phần nguồn nuôi chíp và Board mạch hiển thị Các nguồn trên cách li hoàn toàn với nhau

Sơ đồ mạch nguồn:

220V

6V 6V 3V

8V

17V

380V

AUTOMAT 100A

2.3 Khối chức năng công suất:

Từ hai pha điện lưới 380VAC sau Automat một pha đưa thẳng đến một đầu dây sơ cấp của máy biến áp động lực, pha còn lại đi qua cặp Thyristor mắc đảo chiều nhau rồi đi vào đầu dây sơ cấp còn lại của máy biến áp động lực để khép kín mạch

và đợi đến khi nguồn điện quay về pha không lúc đó điện áp nguồn bằng 0 nên dòng điện đi qua Thyristor vào máy biến áp cũng bằng 0 thì Thyristor sẽ tự ngắt kết thúc một bán kỳ điện lưới

Loại Thyristor dùng cho đề tài là loại Y50KKF dạng đĩa với các thông số sau:

Sơ đồ mạch điện công suất:

Mạch lọc R1 - C3 mắc song song với cuộn dây sơ cấp của máy biến áp động lực có tác dụng nh− một trở tải đối với xung tần số cao xuất hiện từ máy biến áp khi

đóng mở Thyristor để tránh nguy hiểm cho Thyrystor

Thiết kế máy biến áp động lực:

BA3

C3 105

R1 22R/30W 380VAC

- Kiểu ghép: Biến áp cách ly ba trụ đứng, cuộn sơ cấp và thứ cấp trên cùng một trụ giữa

Thiết kế lõi tôn silic:

Máy biến áp động lực sau khi chế tạo hoàn thiệnHình 5

e

H×nh 6.a

H×nh 6.b

- Tiết diện thô của lõi từ : St = e.b/100 = 200 x 100 / 100 = 200 cm2

Thiết kế cuộn dây:

- Hệ số thẩm thấu K :Trong giải từ 35 đến 45, ta chọn K = 40 (mức trung bình)

- Chu vi vòng dây nhỏ nhất : CM = Cm + 4 (d-b) = 600 + 4 (240-100)

= 1160mm

- Chiều dài trung bình 1 vòng dây : Rtb = (CM+Cm)/2 = (1160+600)/2

= 880mm

xử lý Cách điện, chống ẩm, chống rung, chống ồn:

Sau khi máy biến áp được cuốn dây, ghép tôn Fe-Si, làm đầu cực xong, đưa nhúng toàn bộ trong sơn cách điện, sấy khô ở nhiệt độ 120 °C trong 4 giờ rồi để nguội và đúc đặc các cuộn dây trong keo Epoxy Sau 2 ngày keo Epoxy đã hoàn toàn đông cứng, cấp điện 380VAC/ 50Hz vào cuộn dây sơ cấp trong 15 phút và kiểm tra nhiệt độ trên cuộ dây và lõi từ, nếu nhiệt độ không quá 45 °C thì máy đã chạy tốt

2.4 Khối chức năng điều khiển lập trình:

Khối điều khiển lập trình là khối đảm nhiệm nhiều chức năng nhất, tất cả các thông tin cài đặt, kiểm tra, đo đạc, tính toán, lưu trữ, điều khiển, hiển thị đều do khối này dảm nhiệm Trong khối chức năng điều khiển lập trình thì phần tử đảm nhiệm nhiều chức năng nhất là vi điều khiển, phần tử này chứa một chương trình phần mềm khá phức tạp và được coi như là bộ não của máy

2.4.1 Thiết kế chức năng vi điều khiển:

Loại vi điều khiển lựa chọn:

MICROCHIP PIC 18F458 - I / P

Trên thế giới có khá nhiều họ vi điều khiển như: họ 89Cxx, AVR của Atmel, 68HCxx của Motorola, PsoC của Cypress, họ PIC của Microchip, và một số họ khác của các hãng như:Zilog, NEC, Philips, Fujitsu Chúng tôi quyết định chọn vi

điều khiển PIC18F458-I/P của Microchip bởi các lý do sau:

+ Là họ uC 8 bit được thế giới dùng phổ biến nhất và khẳng định được vị trí số một trong làng uC 8 bit Tính đến khoảng năm 2004 thì số lượng về dòng uC 8 bit hãng Microchip bán được nhiều nhất thế giới

+ Độ ổn định và khả năng chịu nhiễu cao tuân theo chuẩn công nghiệp

+ Đóng gói 40 chân dạng DIP, nên đầy đủ chân vào/ra cho ứng dụng thiết kế máy hàn và còn đủ tài nguyên cho việc phát triển mở rộng thêm tính năng

+ Tốc độ cao: 10 triệu lệnh/ giây

+ Có đầy đủ tài nguyên như: có 32 kbyte Flash, 1536 byte RAM, 256 byte

EEPROM, 3 bộ định thời, có các giao tiếp như RS232, SPI, các bộ biến đổi ADC

10 bit 8 kênh, DAC_PWM 10 bit, các module quan trọng khác cho hệ điều khiển công nghiệp/ quân sự như: Watchdog, Brown - out reset Các tài nguyên trên là không thể thiếu trong bài toán thiết kế máy hàn

Phần mềm được viết bằng ngôn ngữ C (HTPIC C của hãng Hitech) trên nền soạn thảo MPLAB IDE, là ngôn ngữ hiện nay được cộng đồng thế giới đánh giá là trình dịch C tối ưu nhất

Sau khi biên dịch từ ngôn ngữ C thành mã máy (*.hex), người sử dụng có thể nạp vào chip thông qua các mạch nạp thông dụng như ICD2, GTP_USB thông qua giao diện ICSP

Cấu hình sử dụng cho máy hàn đề tài:

- Sử dụng module Watchdog(reset lại khi treo)

- Sử dụng mức thấp nguồn reset là 2.7V

mẫu của dũng hàn là 0.5 ms/ mẫu

- Dựng ngắt ngoài INT0 để xỏc định thời điểm pha khụng

- Dựng ngắt timer 0 để làm thời gian đồng bộ lấy mẫu

- Dựng ngắt timer 1 để tạo thời gian mở thysistor kể từ pha khụng

- Dựng ngắt timer 3 để quột phớm bấm và quản lý hệ thống

- Dựng module SPI để đẩy dữ liệu hiển thị 8 LED 7T

- Dựng module UART để giao đẩy cỏc dữ liệu test về PC và phỏt triển hệ thống khi cần ghộp nối mỏy tớnh

- Dựng gần 20 byte EEPROM để lưu cỏc thụng số thiết lập phũng khi mất điện

- Chương trỡnh đó sử dụng tới 16244 bytes ROM (49.6%)

byte ROM chiếm tỷ lệ 49.6%

- Dung lượng RAM đó dựng là 177 byte chiếm tỷ lệ 11.5%

Lưu đồ tiến trình phần mềm:

Module ngắt

định thời quét phím và

điều khiển

hệ thống theo chu trình

Module ngắt lấy mẫu ADC chu kỳ 0.5ms về áp

và dòng

Module ngắt xác định pha không của lưới điện

Khởi tạo các tài nguyên của Vi điều khiển các module ngắt Start

Module ngắt

định thời

điều khiển công suất thysistor

Module ngắt

đọc giá trị của ADC mỗi khi ADC

đã hoàn tất biến đổi

Vũng lặp main Hình 7

lưu đồ giải thuật vòng lặp main:

module spi hiển thị chữ số led:

Xúa cờ Watchdog

Đến thời điểm đọc bài phớm (Lặp lại sau 10ms)?

Xử lý lệnh ấn nỳt:

-Thay đổi mode hiển thị

-Thay đổi cỏc tham số

N

Y

Đến thời điểm cuối pha (Lặp lại sau bỏn kỳ lưới)?

-Đưa về chế độ an toàn

-Cảnh bỏo

-Ngừng điều khiển

Tớnh toỏn cụng suất và đưa ra tham số cho cỏc ngắt điều khiển

N Y

Hình 8

File Font_7T.h

const unsigned char Font_7T[5*16]={

//0,1 ? -16 0b11000000,//0 0b11111001, 0b10100100, 0b10110000, 0b10011001, 0b10010010, 0b10000010, 0b11111000, 0b10000000, 0b10010000,//9 0b11101111,//:

0b10001000,//A 0b11111111, 0b11000110,//C 0b11111111, 0b10000110,//E 0b10001110,//F 0b10000010,//G 0b10001001,//H 0b11111001,//I 0b11111111, 0b11111111, 0b11000111, 0b11111111, 0b11111111, 0b11000000,//O

//P,Q _

0b10001100,//P 0b11111111, 0b11111111, 0b11111111, 0b11111111, 0b11111111, 0b10001101,//V 0b11111111, 0b11111111, 0b11111111, 0b11111111, 0b11111111, 0b11111111, 0b11111111, 0b11111110,//^

//`,a o 0b11111111,//`

0b10101011,//a 0b11111111, 0b10100111,//c 0b10100001,//d 0b11111111, 0b11111111, 0b11111111, 0b11111111, 0b11111111, 0b11111111, 0b11111111, 0b11111111, 0b11111111, 0b10101011,//n

//p,q tg 0b11111111,//p 0b11111111, 0b10101111,//r 0b10010010,//s 0b10000111,//t 0b11111111, 0b11111111, 0b11111111, 0b11111111, 0b11111111, 0b11111111, 0b11111111, 0b11111111, 0b11111111, 0b10111111,//~ -

Trong đó POS là biến vị trí nhấp nháy

Ví dụ SPI(0): không nhấp nháy

SPI(3): nhấp nháy ở vị trí: 1-3

Mảng : SPIOUT[8] là dữ liệu đẩy ra ứng với Led 7T từ led thứ 1 đến thứ 8 Muốn led thứ x hiển thị chữ t thì chỉ cần gán:

SPIOUT[x-1]=Font_7T[‘t’-48];

danh sách công cụ làm việc:

-Trỡnh dịch ASM và mụi trường soạn thảo: MPLAB

-Trỡnh dịch C của HITECH: HTPIC18

0 của điện áp nguồn

Đạt

hồi để đo và điều chỉnh dòng ra tự động

Đạt Bảng 2

13 10 Chân ra Logic cho cấp tín hiệu điều khiển van

nước

Đạt

chân điều khiển 2 Thyistor lệch pha 180 độ

Đạt

xúc của mối hàn trước khi hàn

Bỏ

kiểm tra điện trở tiếp xúc

Đạt

19 20

21

Chân 1 2 3 4 5 (37.38.39.40.36.)

Các chân này nhận tín hiệu bàn phím tác động mức 1

Chân 1 là phím (+); chân 2 là phím (-); chân 3 là phím (UP); chân 4 là phím (DOWN); chân 5 là phím (MEMORY);

Mỗi xung (+) hay (-) thì tăng hay giảm một giá trị ở góc phải trên màn hình và các đầu ra tương ứng

Mỗi xung (UP) hay (DOWN) sẽ làm màn hình chuyển sang một chức năng khác theo chiều dịch lên hay dịch xuống Khi màn hình đang hiển thị chức năng nào thì xung (+) và (-) sẽ tác động vào chức năng đó (các chức năng cụ thể ở phần sau) Tất cả các thay đổi giá trị được tác động từ bàn phím đều được lưu vào bộ nhớ nếu

ta ấn phím MEMORY, màn hình hiện tại đang ở bộ nhớ nào thì các thay đổi sẽ được lưu vào bộ nhớ đó Khi ta nhấn giữ phím MEMORY đủ 2s thì máy sẽ lần lượt

Chân 9 (17.)

là chân ra tương tự đưa ra các mức tương ứng giá trị hiển thị Led của dòng điện từ

0000 đến 6500 Đây là giá trị dòng điện được cài đặt và điều chỉnh nên nó luôn được duy trì không bị ngắt khi màn hình chuyển chế độ hiển thị

Chân 10 (33.34.)

là chân vào Logic lấy xung đồng bộ với thời điểm bằng 0 của điện áp nguồn Đây

là xung vuông có các sườn lên và xuống trùng với thời điểm bằng 0 của điện áp nguồn

Chân 11 (4.)

Chân vào tương tự nhận tín hiệu trong khoảng 0 đến 5 v để đo điện áp nguồn

Chân 14 và 15

2 chân này xuất xung điều khiển Thyristor, dạng xung ra tại hai chân này lệch pha nhau 180 độ và điều khiển 2 Thyrystor có góc mở phù hợp sao cho dòng phản hồi đo

Nếu chân 24 có xung mà không có dòng hàn thi chân này lên mức 1 và duy trì 3s rồi xuống mức 0

Chân 16 (7.)

Khi chân này lên mức 1 thì cảnh báo quá nhiệt và ngắt xung ra ở chân 14 và 15

Chân 17 (0.)

Chân vào logic lấy tín hiệu kiểm tra điện trở tiếp xúc

Chân này bỏ đi và thay vào đó là đo dòng điện qua hai điện cực và mối hàn, Nếu dòng đo đ−ợc trên 50A thì mối hàn đã tiếp xúc tốt

Thiết kế phần hiển thị màn hình và các menu cài đặt:

1 Menu dòng hàn đặt:

Khi ta nhấn UP hoặc DOWN đến chế độ này 4Led cuối cùng sẽ nhấp nháy và cho phép thay đổi bằng các phím (+) hoặc (-) trong khoảng từ 0000 đến 6500

2 Chế độ hiển thị dòng hàn đo đ−ợc:

Khi ta nhấn UP hoặc DOWN đến chế độ này 4Led cuối cùng sẽ hiển thị giá trị

điện áp đo đ−ợc ở chân dòng phản hồi chân 12

3 Menu đặt thời gian cấp dòng :

Hình 9

Hình 10

Khi ta nhấn UP hoặc DOWN đến chế độ này 3Led cuối cùng sẽ nhấp nháy

và cho phép thay đổi bằng các phím (+) hoặc (-) trong khoảng từ 0,01s đến 2,55s

4 Chế độ hiển thị thời gian cấp dòng thực :

Khi ta nhấn UP hoặc DOWN đến chế độ này 3Led cuối cùng sẽ hiển thị thời gian cấp dòng đặt và giảm dần về 0,00 khi cấp dòng

5

Chế độ hiển thị điện áp nguồn:

Khi ta nhấn UP hoặc DOWN đến chế độ này 3Led cuối cùng sẽ hiển thị giá trị điện áp đo đ−ợc ở chân 10 trong khoảng từ 000 đến 511

6 Menu đặt cắt quá áp:

Hình 11

Hình 12

Hình 13

Khi ta nhấn UP hoặc DOWN đến chế độ này 3Led cuối cùng sẽ nhấp nháy

và cho phép thay đổi bằng các phím (+) hoặc (-) trong khoảng từ 000 đến 511

7 Menu đặt cắt thấp áp:

Khi ta nhấn UP hoặc DOWN đến chế độ này 3Led cuối cùng sẽ nhấp nháy

và cho phép thay đổi bằng các phím (+) hoặc (-) trong khoảng từ 000 đến 511

8 Menu đặt cắt quá tải:

Khi ta nhấn Next đến chế độ này 4Led cuối cùng sẽ nhấp nháy và cho phép thay đổi bằng các phím (+) hoặc (-) trong khoảng từ 0000 đến 9000

9 Menu đặt cắt quá nhiệt:

Hình 14

Hình 15

Hình 16

Khi ta nhấn UP hoặc DOWN đến chế độ này 3Led cuối cùng sẽ nhấp nháy

và cho phép thay đổi bằng các phím (+) hoặc (-) để chuyển từ ON sang OFF hoặc ng−ợc lại

10 Chế độ hiển thị cảnh báo quá tải:

Chế độ này tự động chiếm màn hình cho đến khi nhấn (UP hoặc DOWN) nếu chân 12 đo đ−ợc lớn hơn mức đặt quá tải

11 Chế độ hiển thị cảnh báo quá nhiệt:

Chế độ này tự động chiếm màn hình cho đến khi nhấn (UP hoặc DOWN) nếu chân 16 chuyển lên mức 1

12 Chế độ hiển thị cảnh báo quá áp:

Hình 17

Hình 18

Hình 19

Chế độ này tự động chiếm màn hình cho đến khi nhấn (UP hoặc DOWN) nếu chân 11 đo được lớn hơn mức dặt quá áp

13 Chế độ hiển thị cảnh báo thấp áp:

Chế độ này tự động chiếm màn hình cho đến khi nhấn (UP hoặc DOWN) nếu chân 11 đo được nhỏ hơn mức dặt thấp áp

Khi nhấn UP hoặc DOWN màn hình lần lượt chuyển quay vòng từ chế độ 1

đến 9 để cài đặt (mỗi lần nhấn chuyển một chế độ kế tiếp)

Khi không tác động gì vào bàn phím nữa thì sau 15s màn hình tự chuyển về

Menu dòng hàn đặt và không nhấp nháy 3Led cuối cùng

Nếu màn hình đang ở chế độ hiển thị dòng hàn đo được hoặc thời gian cấp

dòng thực hoặc hiển thị điện áp nguồn thì không tự chuyển về Menu dòng hàn đặt khi không tác động gì

Các chế độ hiển thị màn hình sau khi chế tạo hoàn thiện máy cho kết quả như dưới đây:

Hình 20

Hình 21

Menu dòng hàn đặt Menu hiển thị dòng hàn thực

2.4.2 Thiết kế phần cứng cho khối điều khiển:

Phần nguồn:

Menu đặt cắt quá nhiệt

Từ nguồn điện 15VAC được nắn qua bộ cầu nắn D1 và lọc bằng tụ C1, C2

Điện áp thu được sau khi nắn và lọc là 15x√2 = 21,21V Tụ C1 có điện dung lớn

để san phẳng các dao động tần số thấp, tụ C2 để san phẳng các dao động tần số cao, việc kết hợp các tụ C1, C2, L1, C3, C4 là để cố gắng san phẳng điện áp DC tới mức tốt nhất trước khi đưa vào IC ổn áp 7812 và lấy nguồn 12VDC cho phần

đệm trước công suất Họ IC 78xx có giải điện áp đầu vào tối đa từ 36-40V và tối thiểu là (xx+3)V nên ta chọn 21,21V là phù hợp Tụ C5, C6 cũng có tác dụng

OUT 3

GND

2

U1 7812

L1 100uH

C3

1000/25

C2 104 C1

1000/25

D1

1BQ20

C5 1000/16

C6 104

12V

IN 1

OUT 3

GND

2

U2 7805

C9

1000/16

C8 104 C7

1000/16

D2

1BQ20

C11 1000/16

C12 104

M1 IRFZ44

DZ1

7V2 C13

47/16

R1 10k

C15 104 C14

1000/16

VDD

VCC

C60 104

Hình 22

Hình 23

Từ 2 chân xuất xung điều khiển Thyristor số 19 và 20 của vi điều khiển với

mức Logic là 0V và 5V, dòng tối đa là 200mA, mạch đệm có nhiệm vụ khuyếch

đại cả dòng và áp kết hợp với biến áp cách ly T1, T2 để có xung điều khiển 2

Thyristor hoàn toàn cách ly và có mức logic 0V_4,5V và trở kháng ra 10 omh

chống được nhiễu cho cực điều khiển của Thyristor

Q1 là tầng khuyếch đại đảo lần thứ nhất, Q2 là tầng đệm đảo mức lần thứ hai,

tại chân C của Q2 xung điều khiển đã được khuyếch đại từ mức 0 và 5V thành

mức 0 và 12V nhưng chưa cân bằng về dòng cấp ra và dòng hút về, vì thế bộ đệm

Q3, Q4 se biến đổi thêm một lần nữa để đảm bảo mức xung điều khiển MOSFET

và trở kháng thấp nhằm dập điện dung ký sinh trên mặt ghép GS gây trễ dòng cho

MOSFET IRFZ44 là loại MOSFET tốc độ cao và có dòng tối đa rất lớn đến 50A

vì vậy rất thích hợp để làm phần tử đệm mà không phải quan tâm nhiều đến tổn

hao trên biến áp xuất xung T1,T2

Do đặc tính trễ pha của biến áp nên đầu ra bao giờ cũng xuất hiện xung âm

kèm theo xung điều khiển, D6 là phần tử loại bỏ sự ảnh hưởng của xung âm này

Mạch điều chế tín hiệu đo lường:

R1 6 2k2

Q3 C828

Q4 A564

R17 100R

R18 10k

M2 IRFZ44

D6

1N

R20 1k/2W

R19 10/2W

1 2

J5

THY1

R24 2k2

R23 4k7

R22 10k

R21 4k7

Thy2-1

12V

Q5 C828

Q6 A564

Q7 C828

Q8 A564

R25 100R

R26 10k

M3 IRFZ44

D7 1N4007

R27 1k/2W

R28 10/2W

1 2

Mạch nhận biết pha không và mạch điều chế tín hiệu đo điện áp nguồn:

- Từ biến áp cách ly trong phần mạch nguồn, một cuộn dây có mức điện áp

3VAC được đưa về Jac J4, hạn dòng qua R2, R3 và lọc nhiễu bằng C18 rồi

khuyếch đại hạn biên qua IC khuyếch đại thuật toán HA17741 Với hệ số khuyếch

đại thực khoảng 1000 lần IC này cho ra dạng xung rất vuông (sườn xung dựng

đứng) với biên độ +5,6V và - 5,6V D4 giúp loại bỏ chiều âm cho ra mức 0V và

5V để đưa đến chân 33, 34 của vi điều khiển Nhờ có xung này mà vi điều khiển

nhận biết được pha không tại các sườn lê xuống và đâu là bán kỳ âm, đâu là bán

kỳ dương để điều khiển Thyristor chính xác

- Cùng với việc lấy ra chuỗi xung để kiểm soát pha điện lưới thì U4 làm nhiệm

vụ nắn và san phẳng tín hiệu điện áp lấy được từ J4 đưa về chân 4 của vi điều

khiển để chuyển đổi A/D và đo điện áp nguồn điện lưới Căn cứ biên độ điện áp

trên J4 ta có thể gián tiếp đo được điện áp lưới bởi khi điện áp lưới thay đổi thì tỷ

số truyền của biến áp vẫn không đổi nếu tải là không đáng kể ở đây tải là trên

20KΏ mà nội trở cuộn dây chỉ khoảng 0.7Ώ nên việc đo đạc trên là rất chính xác

C17

1000/16

3 2

DoVLuoi

R9 10k

R11 10k

R10 10k

C19 102

Phase

C20 474

Mạch điều chế tín hiệu đo dòng hàn:

Từ bộ TI 200/5A phía cuộn dây sơ cấp của máy biến áp động lực, tín hiệu đo

dòng đ−ợc dẫn về J7 , hạn dòng qua R30, R31, lọc nhiễu qua C21 và đ−ợc

khuyếch đại lên 21,276 lần bằng IC khuyếch đại tín hiệu nhỏ chuyên dụng OP07 tại đây tín hiệu vẫn là điện xoay chiều và cùng pha với tín hiệu từ TI, muốn dùng

vi điều khiển để đo đ−ợc tín hiệu này thì ít nhất cũng phải nắn thành xung điện

một chiều hoặc tốt nhất là nắn và san phẳng rồi thực hiện phép đo, vì thế chúng tôi thiết kế thêm một khâu điều chế U6

Tín hiệu ra từ U5 đ−ợc đ−a qua bộ nắn kết hợp một IC khuyếch đại thuật toán U6 HA17741, D8, R33, R34, R36, R37, R38, R39 và san phẳng qua bộ lọc R40, C22 Trên tụ C22 ta thu đ−ợc mức điện áp đã san phẳng có giá trị bằng 1/3 mức điện

áp hiệu dụng gửi đến từ U5 và bằng 21,276 / 3 lần mức điện áp hiệu dụng thu đ−ợc

từ TI

Mạch tạo điện áp quy chiếu:

R38 10k

VR3 1k

R35 15k

3 2

R39 10k

R33 10k

R34 10k

OP07

R32 100k

R30 4k7

R31 4k7

C21 102

R29 TI

Hình 26

Để phép đo được thực hiện chính xác bằng kỹ thuật số thì điểuất quan trọng là phải có một điện áp qui chiếu chính xác và ổn định Chúng tôi chon IC TL431 bởi

đây là loại IC ổn áp theo kiểu ghim áp rất chính xác với công thức:

Uout = 2,5(1+Rt/Rd)

Chúng tôi đã sử dụng Rt = 10k và Rd = VR4 với trị số điều chỉnh từ 0 đến 10k, bằng cách đó chúng tôi điều chỉnh được một khoảng nhỏ điện áp ra, điều này rất quan trọng giúp việc hiệu chỉnh kết quả đo được dễ dàng hơn nhiều

Mạch giao tiếp máy tính:

Vì đặc thù của đề tài là nghiên cứu và phải thử nghiệm nhiều lần, thực tế chung tôi đã phải nạp thử cho vi điều khiển đển cả trăm lần nên việc cắm chíp lên Main rồi lại tháo ra nhiều lần như vậy là không khả thi và chíp sẽ bị gẫy chân liên tục Để khắc phục vấn đề trên chúng tôi đã thiết kế thêm mạch giao tiếp máy tính qua cổng R-S232 gưới đây, nhờ có mạch này mà chúng tôi có thể đẩy nhanh việc chỉnh sửa, hoàn thiện phần mềm tiết kiệm được nhiều thời gian và chi phí thay chíp mới

R47 10k

VDD

VR4 10k U_out=2.5(1+Rt/Rd)

C28 104/tt

C27 10uF

Hình 27

Qua một IC đã được tích hợp sẵn cho chuẩn vật lý RS-232, mạch này trở nên đơn giản và rất gọn Về chuẩn giao tiếp thì chúng tôi thiết kế thêm một đoạn chương trình đẩy dữ liệu ra ngoài qua modul giao tiếp RS-232 được tích hợp sẵn trong chíp PIC 18F458 và việc này cũng không tốn bao nhiêu tài nguyên của chíp

Cùng với sự tiện ích lớn cho việc nạp thử và chỉnh sửa phần mềm, mạch này còn

là một công cụ tuyệt vời cho việc cải tạo, mở rộng tính năng, nâng cấp thiết bị về sau này Chỉ cần một bộ dây cắm kết nối qua cổng COM của máy tính ta có thể thay đổi toàn bộ chương trình phần mềm mà không cần phải tháo máy, tháo chíp để nạp lại Hơn thế nữa nếu việc giám sát các thông số trên thiết bị là cần thiết thì cổng kết nối này chính là một công cụ ưu việt nhất

Để nạp được phần mềm ngay khi máy đang hoạt động, chúng tôi thiết kế thên một mạch Reset tự động dùng tín hiệu điều khiển Reset từ chân số 7 của cổng COM máy tính Mạch này chỉ tốn 1 Tranzitor Q10 và 2 điện trở R48, R49

R51 1k

VDD

S12 Reset

Vpp

C1+ 1C2-

2

C1-3 C3+ 4

C3- 5C4-

6

Rx5 12Tx5 11

Rx5 9Tx5 10

R48 1k

R49 10k

VDD

Q10 C828

Hình 28

Sơ đồ mạch điều khiển đầy đủ:

A B C

D

8 7

6 5

4 3

2 1

TTDT Tran Thanh Tuyen Vien Cong Nghe

Title Size: Number:

Date:

File:

Revision:

Sheet of Time:

A3

Y1 8-10MHz C32 22p C3322p R51

1k

VDD

TX

S12 Reset

MCLR/Vpp 1

RA0/AN0/CVREF 2 RA1/AN1 3 RA2/AN2/Vreff- 4 RA3/AN3/Vref+

5 RA4/T0CKI 6 RA5/AN4/SS/LVDIN 7

OSC1/CLKI 13 CLK1/CLKO 14

RC0/T1OSO/T1CKI 15 RC1/T1OSI 16 RC2/CCP1 17 RC3/SCK/SC 18 RC4/SDI/SDA 23 RC5/SDO 24 RC6/TX/CK 25 RC7/RX/DT 26

RD7/PSP7/P1DRD6/PSP6/P1C 3029RD5/PSP5/P1B 28RD4/PSP4/ECCP1/P1ARD3/PSP3/C2IN- 2722RD2/PSP2/C2IN+RD1/PSP1/C1IN- 2120RD0/PSP0/C1IN+ 19

RE2/AN7/CS/C2OUT

109 RE1/AN6/WR|/C1OUTRE0/RD/AN5 8

U9 PIC18F458

1

J2

AC9V

L2 100uH

Latch Vpp

1 3 6 8 10

J10

Clk Data

R10 10k

R46 220

R47 10k

VDD

VR4 10k U_out=2.5(1+Rt/Rd)

Clk Data Latch

R50 10k

C29 104/tt

MENU + MEMORY

-BaoHan Overload

Do_I DoVLuoi

1 3 5

J13

1 3

J8

DKNuoc TXuc

C28 104/tt C27 10uF

C8 104 C7

1000/16

C1+ 1 C2-

C3+ 4 C3- 5 C4- 6

Rx5 12Tx5 11

Rx5 9Tx5 10

Rx12

14 Tx12 13

Rx12

7 Tx12 8

C25

10/16 C23

VDD

R48 1k R4910k

VDD

Start/stop QuaNhiet

R43 1k R44 1k

R57 330 R58 330

Thy1-1 Overload BaoHan

U10

PC521 R52

1K

VDD

C34 104

R53 56k

R42 2k2 R41 470

1

J4

AC3V

R4 100k

C19 102

Phase

C20 474

reload Beep

Start/stop Menu+

DAC

Do_V_Han ADC

Memo1 Memo3

D2

1BQ20

C11 1000/16 C12 104

M1 IRFZ44

DZ1

7V2 C13

47/16

R1 10k

C15 104 C14

1

J1

AC15V

C4 104

L1 100uH

C3

1000/25 C2 104 C1

1000/25 D1

1000/16 C6 104

12V

R16 2k2

R15 4k7

R14 10k

R13 4k7

Thy1-1 12V

Q1 C828

Q2 A564

Q3 C828

Q4 A564

R17 100R

R18 10k

M2 IRFZ44

D6 1N4007

R20 1k/2W

R19 10/2W

1

J5

THY1

R24 2k2

R23 4k7

R22 10k

R21 4k7

Thy2-1 12V

Q5 C828

Q6 A564

Q7 C828

Q8 A564

R25 100R

R26 10k

M3 IRFZ44

D7 1N4007

R27 1k/2W

R28 10/2W

1 5

U4 741

3 6

U3 741

DoVLuoi

R9 10k

R11 10k R5 10k

R6 10k

V+

V-R38 10k

R36 10k

D8

1N4148 R40 560k

C22 474

VR3 1k

R35 15k

Do_I

R37 10k

R39 10k R33

10k

R34 10k

V+

V-2 3

R32 100k R30

QuaNhiet

Memo1

TXuc DKNuoc

R56 330 R55 330 R54 330

Q9 C828

C60 104

GND

2.5 Khối hiển thị:

Để hiển thị được cả phần chữ và phần số một cách rõ nét giúp người sử dụng dễ dàng thao tác, chúng tôi đã lựa chọn màn hình hiển thị LED 7 thanh trong số các loại thông dụng như LCD, ma trận LED, bởi LED 7 thanh cho ký tự tương đối liền nét và có độ sáng cao, ma trận LED thì cho ký tự không liền nét nên hơi khó nhìn và chi phí cao, LCD thì độ sáng thấp không phù hợp lắm trong môi trường xưởng hàn

có nhiều tia hồ quang chói sáng

Hình 29