摘 要 介绍了一种利用微机实现的三相异步感应电磁泵单/双波峰焊机的控制系统，对波峰焊机的控制提出了一种新的控制方法及尝试。
关键词 三相异步感应电磁泵 波峰焊机 闭环控制 传感器
Development of Three-Phase Asynchronous Electro-
magnetic Wave Soldering Controlled System
Song Anjun Cao Jie Zhang Guoqi
(Calculating Centre of Northwest Institute of Textile)
Abstract The paper has indroduced a new type of three-phase asynchronous electro-magnetic wave solding system with PC controlled.
Keywords Three phase asynchronous electro-magnetic pump Wave soldering system Closed loop Sensor
随着电子产业和信息产业的飞速发展，波峰焊机的应用也日益广泛，目前得到广泛应用的波峰焊机大多采用机械泵产生波峰，虽然此项技术已比较成熟，但采用机械泵的波峰焊机仍然具有焊料浪费较大，需定期维护，波峰调整工艺复杂等缺点。最新研制的三相异步感应电磁泵双波峰焊机采用三相异步电磁感应原理，利用三相电源之间的相位差产生电磁力推动焊料产生波峰，是新一代的波峰焊机。
三相异步感应电磁泵双波峰焊机是机电一体化的高技术产品，工作时必须安全可靠，同时为了保证焊接质量，对参数的控制精度具有很高的要求。目前中科院西安光机所生产的系列波峰焊机的控制系统主要采用以下几种方式。
(1)用分离控制仪表组成的控制系统。
(2)利用高性能单片机技术组成的智能化控制系统。
(3)可编程控制器组成的高性能控制系统。
三种控制系统各有优劣。三相异步感应电磁泵双波峰焊机采用了单片机智能化控制系统。经实践证明，本系统具有成本较低、控制精度高、工作可靠、功能强、操作简便等特点。同时由于采用了计算机控制，便于利用通信端口和更高级的计算机组成分布式监控系统，为企业的现代化管理打下良好的基础。本文单就三相异步感应电磁泵双波峰焊机单片机智能化控制系统的结构与设计进行探讨。
1 控制系统功能概述
为了提高三相异步感应电磁泵双波峰焊机的生产效率，使工人在开始工作时焊料已经熔化，达到工艺要求的温度，本控制系统在开始焊接之前到两小时后自动启动锡锅加温系统，开始加温，熔化焊料，此时加温指示灯亮，同时锁定工作传动系统及波峰发生系统，当焊料开始熔化，温度控制系统工作，控制焊料温度保持到工艺要求温度，此时工作指示灯亮，启动预温控制系统，保持预加热区达到工艺要求温度，开启工件传动系统及波峰发生系统，整个三相异步感应电磁泵双波峰焊机处于工作状态，此时按下运行键，工件传动系统运转，冷却系统工作，焊接准备工作结束。
把电路板放在工件车或传送链轨上，当被传动到第一检测位置时，光电检测头检测到电路板，产量计数器加一，启动延时系统，PCB板继续向前传动，此时延时时间到，触发电磁阀，通过喷枪向电路板均匀喷涂助焊剂，PCB板带动电路板通过预加热区，使电路板充分预热，达到第二检测位置，光电检测头检测到电路板位置，启动波峰发生系统，根据工艺要求产生相应波峰，工件车或传送链带动电路板通过乱波和平波，完成焊接，再经过冷却系统，整个焊接过程结束。
从以上工艺简介可以看出，三相异步感应电磁泵双波峰焊机控制系统的控制对象是锡锅焊料温度，预加热温度，工件传动速度，乱波和平波的波高控制，助焊剂喷涂装置，本文就以上控制对象作详细介绍。
从焊接理论知道，为了保证焊接质量，焊料的温度必需保持在235～240℃，电路板预热温度保持在120℃，因此，精确控制焊料温度及电路板温度是保证焊接质量的关键。在本系统中，利用铂电阻作为温度传感器，大功率固体继电器作为执行机构，单片机作为控制器构成闭环温度控制系统，完成温度的控制。
工件传动采用直流电机驱动，由光电编码器检测电机速度，由单片机产生PWM波，控制大功率MOS器件，构成闭环速度控制系统，对直流电机无级调速，从而使工件传动速度在0～2.5m／s之间可调，满足各种电路板焊接要求。
双波峰焊机的乱波和平波可独立工作，都由大功率固体继电器作为执行机构，通过控制固体继电器的导通比，对锡锅乱波和平波的波高进行开环控制，实践表明，这种控制方法简单可靠。
助焊剂的喷涂由单片机通过控制电磁阀，从而控制喷枪的开启，有电路板则喷，无板则停，并可实现人机对话，实现助焊剂喷涂控制，这种控制方法也是简单可靠的。
工件的位置检测通过两个红外光电接近开关实现。当工件通过接近开关时，通过红外线的发射和接收，可靠地检测到工件位置。
双波峰焊机工作环境通常具有较大的电磁干扰、高温和腐蚀性及有害气体。保证双波峰焊机工作的可靠性是本控制系统的关键。以下就本控制系统硬件及软件设计进行论述。
2 控制系统结构
从以上论述可以看出三相异步感应电磁泵双波峰焊机的控制系统从功能上可分为温度控制子系统，直流电机调速子系统，波峰波高控制子系统，红外光电位置检测子系统，助焊剂喷涂子系统，冷却子系统及相应的指示装置。同时为了保证系统的可靠性，设计了安全子系统，当控制系统出现故障时，保证三相异步感应电磁泵双波峰焊机的安全。
焊料的温度及电路板上助焊剂预热温度直接关系到电路板的焊接质量。从焊接理论得知，当焊料温度保持在240℃±3℃时可以保证电路板的焊接质量，当温度超出此温度范围时，焊接质量下降，当温度超过300℃时，焊接质量急剧下降，因此温度控制子系统是双波峰焊机控制系统的关键，温度控制是否精确，主要取决于三个部分：
(1)温度检测电路的精度及可靠性。
(2)控制器的可靠性及温度控制算法的优劣。
(3)执行机构的可靠性。
这三个部分中，温度检测是其中最重要的环节。分析了三相异步感应电磁泵双波峰焊机的工作特点及工作环境，设计了温度检测电路，由四个部分组成：铂电阻温度传感器及电阻桥电路、放大电路、压频转换及光电隔离电路、计数器电路。其电路结构图如图1所示。
图1 电路结构图
由于三相异步感应电磁泵双波峰焊机的工作环境问题，为了保证温度检测的准确性，首先要提高检测电路的抗干扰能力。经分析，温度检测电路的干扰主要是现场的电磁干扰及环境温度对器件性能的影响。为了克服线路阻值对传感器的影响，采用三线制连线铂电阻传感器至电桥，把温度信号转换成相应的模拟信号，采用高性能仪表放大器对温度模拟信号进行放大，考虑到温度控制具有大惯性系数的控制系统，为了提高检测信号抗干扰能力，通过高性能电压—频率转换电路把模拟信号转换成相应的频率信号，再通过光电隔离电路传送频率信号至计数器电路，单片机定时采集计数器数据，通过转换算法算出相应的温度值，完成温度信号的检测。
单片机根据检测的温度信号及设定的温度控制数据，经温度控制PID算法，通过单片机向执行机构发出控制指令，完成温度控制。
三相异步感应电磁泵双波峰焊机的温控部分由两个独立的温控系统组成，即焊锡温度控制及预热温度控制。两个温控系统的检测部分相同，执行单元类似。本温控系统的执行单元由大功率固体继电器和电加热管组成，为了减少执行单元的惯性系数，执行单元划分成大功率加热装置和小功率加热装置两部分。当温控系统处于加热状态时，启动大功率加热装置，使温度快速上升，当温度接近工艺设定温度时，关闭大功率加热装置，启动小功率加热装置，通过控制小功率加热装置，保持温度控制维持在工艺设定温度。
为了保证电路板焊接的质量，另一个重要因素是工件的传送速度。三相异步感应电磁泵双波峰焊机的工件通过直流电机带动链条传动，在本传动控制中，采用光电编码器实现电机的速度检测，单片机通过检测的电机转速及工艺设定参数，经速度控制PID算法，由单片机向功率MOS电路发出PWM控制波形，驱动直流电机转动，从而实现工件传动的闭环控制及无级调速。同时，为了提高系统的抗干扰能力，输入和输出通道都实现了光电隔离。经实践表明，这种调速方法满足实际要求，且简单可靠。
三相异步感应电磁泵双波峰焊机的波峰产生方式是通过三相电之间存在着相位差产生电磁力，推动焊料产生波峰，波峰高度和三相电的功率之间存在着一定的线性关系，根据这个原理，波高控制采用了开环控制方式。单片机根据工艺设定要求，控制大功率固体继电器的导通与关断，从而达到控制波高的目的。
为了保证三相异步感应电磁泵双波峰焊机的安全可靠，本系统还设计了安全保护系统，当温度失控时，能自动发出报警信号及关闭整个系统。
软件是三相异步感应电磁泵双波峰焊机控制系统的核心。为了提高控制系统的可靠性，在设计控制软件时充分考虑到软件的抗干扰能力，当单片机系统受到干扰意外复位时，系统能自动从中断处恢复，不影响系统的运行。使三相异步感应电磁泵双波峰焊机工作时的可靠性得以提高。控制软件系统主要包括以下几个主要功能模块：键盘管理及显示功能模块、数字滤波算法模块、PID算法控制模块、数学计算模块、辅助功能模块等。主要完成系统的工艺参数设置及数据显示。开机时间预设置，系统功能自检等功能。利用单片机作为控制器，配以相应的控制软件，实现了三相异步感应电磁泵双波峰焊机控制系统的设计。
除以上所述外，本系统还包括其它辅助系统，这里不在赘述。整个控制系统结构由图2表示。
图2 控制系统结构图
3 结论
利用先进的单片机技术及控制理论，设计了三相异步感应电磁泵双波峰焊机控制系统，实践表明，焊锡温度控制精度可达到1.5％，工件传动实现了0～2.5m/s之间的无级平稳调速，且整个系统具备了较强的抗干扰能力，焊接的电路板质量可靠，完全实现了三相异步感应电磁泵双波峰焊机安全自动生产，经国内多家用户的实地使用情况证明达到了设计目标。
