Fermeture de la boucle sur la soudure en surface : 4 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:11

La température semble être la chose la plus facile au monde à contrôler. Allumez le poêle et réglez la température que vous voulez. Allumez la fournaise le matin et réglez le thermostat. Ajustez l'eau chaude et froide pour que la douche soit parfaite. Facile! Mais que faire si vous souhaitez contrôler la température au-delà de ces applications quotidiennes ? Si vous voulez des températures en dehors des plages normales, ou si vous voulez une température stable dans une plage étroite, vous êtes principalement seul.

Dans mon cas, je voulais contrôler la température d'une plaque chauffante utilisée pour le soudage en surface. Initialement, j'ai utilisé la modulation de largeur d'impulsion pour fournir des températures stables et des paramètres déterminés expérimentalement pour créer le profil de température requis. Vous pouvez tout lire à ce sujet dans ce Instructable. Ce système fonctionne et le contrôle de la température de cette manière est très bien, mais il présente des lacunes.

Lacunes:

• Fonctionne uniquement pour ma plaque chauffante spécifique. D'autres sont similaires, mais pas identiques et des expériences sont nécessaires pour déterminer les paramètres et les temps nécessaires pour produire le profil requis.
• Même situation si je veux un profil ou une température différent.
• Le processus de soudage prend beaucoup de temps car des températures stables doivent être approchées lentement.

Idéalement, nous pourrions simplement spécifier un profil température-temps, appuyer sur un bouton et le contrôleur ferait fonctionner la plaque chauffante comme programmé. Nous savons que cela est possible car il existe de nombreux procédés industriels qui utilisent exactement ce type de contrôle. La question est est-ce que cela peut être fait facilement et à moindre coût à la maison ?

Comme vous l'avez peut-être deviné, depuis que j'écris ce Instructable, la réponse est oui ! Ce Instructable vous montrera comment construire votre propre contrôleur de température de puissance industrielle. Je ciblerai particulièrement le soudage par montage en surface, mais tout processus nécessitant un profil temps-température précis peut utiliser ce système.

Remarque: lorsque j'utilise le nom « Arduino », je veux dire non seulement l'Arduino (pas tout à fait) protégé par le droit d'auteur lui-même, mais également les nombreuses versions du domaine public connues collectivement sous le nom de « Freeduino ». Dans certains cas, j'utilise le terme "Ard/Free-duino", mais les termes doivent être considérés comme interchangeables aux fins de ce Instructable.

Le schéma de contrôle de la température utilisé dans l'Extreme Surface Mount Soldering Instructable est connu sous le nom de contrôle en boucle ouverte. C'est-à-dire qu'une valeur qui a produit la température souhaitée dans le passé devrait produire la même température lorsqu'elle est réutilisée. Souvent, cela est vrai et produit le résultat souhaité. Mais si les conditions sont légèrement différentes, disons que le garage où nous travaillons est beaucoup plus frais ou plus chaud, alors vous risquez de ne pas obtenir le résultat escompté.

Si nous avons un capteur qui peut lire la température et la rapporter à un contrôleur, alors nous avons un contrôle en boucle fermée. Le contrôleur est capable de définir une valeur initiale pour augmenter la température, de regarder la température au fil du temps et d'ajuster le réglage pour que la température augmente ou diminue jusqu'à ce que la température souhaitée soit atteinte.

Notre approche consistera à remplacer le contrôleur PWM basé sur AVRTiny2313 par un contrôleur basé sur ATMega plus puissant. La programmation se fera dans l'environnement Arduino. Nous utiliserons un PC (Linux-Mac-Windows) exécutant Processing pour afficher les résultats et ajuster le contrôleur.

Pour le capteur, nous utiliserons un capteur de température infrarouge de Harbour Freight. Le capteur IR sera modifié pour émettre la température sous forme de flux de données série que le contrôleur peut lire. Nous utiliserons un Ard/Free-duino comme contrôleur, avec un PC (Mac – Linux – Windows) pour l'entrée du contrôleur. Lorsque nous aurons tous terminé, le système ressemblera à l'image. (Vous pouvez cependant avoir moins de circuits étrangers sur votre planche à pain. Ce n'est pas grave.)

Étape 1: Modification du capteur IR

Un grand merci à mon ami intelligent, Scott Dixon, pour son travail de détective minutieux pour comprendre comment cet instrument fonctionne et comment le rendre généralement utile avec un contrôleur en exposant son interface série.

L'appareil avec lequel nous allons commencer est le numéro de pièce Harbor Freight: 93984-5VGA. Coûte environ 25 $. Ne vous embêtez pas à acheter la garantie.:)} Voici le lien. Les figures 1 et 2 montrent les vues avant et arrière. Les flèches sur la figure 2 indiquent où se trouvent les vis qui maintiennent le boîtier ensemble. La figure 3 montre l'intérieur du boîtier lorsque les vis sont retirées et que le boîtier est ouvert. Le module de pointeur laser peut probablement être retiré et utilisé pour d'autres projets, bien que je ne l'ai pas encore fait. Les flèches indiquent les vis à retirer si vous souhaitez retirer la carte pour la souder (vis retirées sur cette photo). La zone où une découpe doit être faite pour que votre câblage sorte du boîtier est également indiquée. Voir également la figure 5. Faites la découpe pendant que la carte est retirée, ou au moins avant de souder les fils. C'est plus facile comme ça.;)} La figure 4 montre où les fils seront soudés. Notez la lettre de chaque connexion afin de savoir quel fil est lequel lorsque vous fermez le boîtier. La figure 5 montre les fils soudés en place et acheminés à travers la découpe. Vous pouvez maintenant remonter le boîtier et l'instrument devrait fonctionner comme avant votre opération. Notez le connecteur sur les fils. J'utilise des fils plus longs pour me connecter à mon contrôleur. Si vous utilisez un petit fil, un petit connecteur et que les fils restent courts, vous pouvez tout remettre dans le boîtier si vous le souhaitez et l'instrument n'a pas l'air modifié. Scott a également créé le logiciel pour interfacer cet appareil. Il a utilisé ce document si vous voulez les détails. C'est ça! Vous disposez maintenant d'un capteur de température IR qui fonctionnera de -33 à 250 C.

Étape 2: Logiciel de contrôle

Aussi utile qu'il soit, le capteur de température IR n'est qu'une partie du système. Pour contrôler la température, trois éléments sont nécessaires: une source de chaleur, un capteur de température et un contrôleur qui peut lire le capteur et commander la source de chaleur. Dans notre cas, la plaque chauffante est la source de chaleur, le capteur de température IR (tel que modifié à la dernière étape) est notre capteur et un Ard/Free-duino exécutant le logiciel approprié est le contrôleur. Tous les logiciels de cet Instructable peuvent être téléchargés en tant que package Arduino et en tant que package de traitement.

Téléchargez le fichier IR_PID_Ard.zip. Décompressez-le dans votre répertoire Arduino (généralement Mes documents/Arduino). Téléchargez le fichier PID_Plotter.zip. Décompressez-le dans votre répertoire de traitement (généralement Mes documents/Traitement). Les fichiers seront désormais disponibles dans les carnets de croquis appropriés.

Le logiciel que nous utiliserons a été écrit à l'origine par Tim Hirzel. Il est modifié en ajoutant l'interface au capteur IR (fourni par Scott Dixon). Le logiciel implémente un algorithme de contrôle connu sous le nom d'algorithme PID. PID signifie Proportionnel - Intégral - Dérivé et est l'algorithme standard utilisé pour le contrôle de la température industrielle. Cet algorithme est décrit dans un excellent article de Tim Wescott sur lequel Tim Hirzel a basé son logiciel. Lisez l'article ici.

Pour régler l'algorithme (lisez à ce sujet dans l'article mentionné) et pour modifier les paramètres de température cible, nous utiliserons un croquis de traitement, également développé par Tim Hirzel. Il a été développé pour la torréfaction des grains de café (une autre application du contrôle de la température) et s'appelait le Bare Bones Coffee Controller, ou BBCC. Nom mis à part, cela fonctionne très bien pour le soudage de montage en surface. Vous pouvez télécharger la version originale ici.

Modification du logiciel

Dans ce qui suit, je suppose que vous êtes familier avec Arduino et Processing. Si vous ne l'êtes pas, vous devriez suivre les didacticiels jusqu'à ce que les choses commencent à avoir un sens. Assurez-vous de publier des commentaires sur ce Instructable et je vais essayer de vous aider.

Le contrôleur PID doit être modifié pour votre Arduino/Freeduino. La ligne d'horloge du capteur IR doit être reliée à une broche d'interruption. Sur un Arduino, cela peut être 1 ou 0. Sur les Freeduinos de différentes sortes, vous pouvez utiliser toutes les interruptions disponibles. Attachez la ligne de données du capteur à une autre broche à proximité (telle que D0 ou D1 ou une autre broche de votre choix). La ligne de commande vers la plaque chauffante peut provenir de n'importe quelle broche numérique. Sur mon clone Freeduino particulier (décrivez ici), j'ai utilisé D1 et l'interruption associée (1) pour l'horloge, D0 pour les données et B4 pour la ligne de contrôle vers la plaque chauffante.

Après avoir téléchargé le logiciel, démarrez votre environnement Arduino et ouvrez IR_PID à partir de l'élément de menu Fichier/Sketchbook. Sous l'onglet pwm, vous pouvez définir le HEAT_RELAY_PIN en fonction de votre variante Arduino ou Freeduino. Sous l'onglet temporaire, faites la même chose pour le code PIN IR_CLK, le code PIN IR_DATA et IR_INT. Vous devriez être prêt à compiler et télécharger.

De même, démarrez votre environnement de traitement et ouvrez l'esquisse PID_Plotter. Ajustez le BAUDRATE à la valeur correcte et assurez-vous de définir l'index utilisé dans Serial.list()[1] à la valeur correcte pour votre système (mon port est l'index 1).

Étape 3: Tout brancher

Le système de contrôle AC de la plaque chauffante est détaillé dans le Extreme Surface Mount Soldering Instructable déjà mentionné, ou vous pouvez acheter votre propre SSR (relais à semi-conducteurs). Assurez-vous qu'il peut supporter la charge de la plaque chauffante avec une marge suffisante, disons une puissance nominale de 20 à 40 watts, car les tests effectués par les Chinois peuvent laisser à désirer. Si vous utilisez le contrôleur AC de plaque chauffante de mon Instructable, exécutez un cavalier de la résistance sur l'entrée de commande à la terre sur l'Ard/Free-duino et un cavalier de la sortie de commande (B4, ou celui que vous avez choisi) au signal de commande Saisir. Voir l'image du contrôleur. Le cavalier jaune est l'entrée du signal de commande et le cavalier vert va à la terre. J'aime utiliser un blinkenlight (led avec une résistance à la terre) sur la broche de sortie afin que je sache quand il est allumé. Connectez votre cavalier entre la led et le port comme indiqué. Reportez-vous au diagramme de connexion Teensy++.

Installez maintenant un support pour maintenir le capteur de température IR au-dessus de votre plaque chauffante. La photo montre ce que j'ai fait. Simple mais robuste est la règle. Éloignez tout objet inflammable de la plaque chauffante; le capteur est en plastique et semble être juste à 3 pouces au-dessus de la surface de la plaque. Faites passer les fils du connecteur de votre capteur aux broches appropriées de votre Ard/Free-duino. Les connexions pour le capteur IR sont indiquées dans le schéma de branchement Teensy++. Adaptez-les au besoin pour votre Ard/Free-duino.

Remarque de sécurité importante: le capteur IR a un pointeur LED qui aide à le viser. Si vous avez des chats comme le mien, ils adorent chasser le pointeur à led. Couvrez donc la led avec du ruban adhésif opaque pour empêcher vos chats de sauter sur la plaque chauffante lorsque vous l'utilisez.

Avant de brancher le contrôleur AC de la plaque chauffante sur 120 V, voici comment tester le système et définir les valeurs cibles initiales pour la température. Je suggère une température cible de 20 C afin que le chauffage ne démarre pas immédiatement. Ces valeurs seront stockées dans l'EEPROM et utilisées la prochaine fois, alors assurez-vous de toujours stocker une valeur basse comme température cible lorsque vous avez terminé une session de soudage. Je trouve que c'est une bonne idée de démarrer le contrôleur de température avec la plaque chauffante débranchée au début. Assurez-vous que tout fonctionne avant de le brancher.

Connectez votre port série à votre Arduino et allumez-le. Compilez le sketch Arduino et téléchargez-le. Démarrez l'esquisse de traitement pour interagir avec le contrôleur et afficher les résultats. Parfois, l'esquisse Arduino ne se synchronisera pas avec l'esquisse de traitement. Lorsque cela se produit, vous verrez le message « Pas de mise à jour » dans la fenêtre de la console de l'esquisse de traitement. Arrêtez et redémarrez simplement l'esquisse de traitement et tout devrait bien se passer. Sinon, consultez la section Dépannage ci-dessous.

Voici les commandes du contrôleur. « Delta » est la quantité qu'un paramètre va changer lorsqu'il est commandé. Définissez d'abord la valeur de delta que vous souhaitez utiliser. Ajustez ensuite le paramètre souhaité à l'aide de ce delta. Par exemple, utilisez le + et le – pour faire delta 10. Utilisez ensuite T (majuscule « T ») pour augmenter le réglage de la température cible de 10 degrés C, ou t (minuscule « t ») pour diminuer la température cible de 10 degrés. Commandes:

+/-: ajuster delta par un facteur de dix P/p: haut/bas ajuster p gain par delta I/i: haut/bas ajuster i gain par delta D/d: haut/bas ajuster d gain par delta T/t: haut/bas ajustez la température définie par delta h: activez et désactivez l'écran d'aide R: réinitialisez les valeurs - faites-le la première fois que vous exécutez le contrôleur

Une fois que vous obtenez des mises à jour de température, la fenêtre graphique du croquis doit ressembler à l'image. Si vous avez une grande zone grise imposée à l'écran avec certaines commandes décrites, tapez simplement "h" pour l'effacer. Lorsque vous démarrez pour la première fois, vous pouvez être invité à réinitialiser les valeurs initiales. Allez-y et faites-le. Les valeurs dans le coin supérieur droit sont les lectures et les paramètres actuels. « Objectif » est la température cible actuelle et est modifié par la commande « t » comme décrit ci-dessus. « Curr » est la lecture de la température actuelle du capteur. « P », « I » et « D » sont les paramètres de l'algorithme de contrôle PID. Utilisez les commandes "p", "i" et "d" pour les modifier. Je vais en discuter dans un instant. « Pow » est la commande d'alimentation du contrôleur PID à la plaque chauffante. C'est une valeur comprise entre 0 (toujours désactivé) et 1000 (toujours activé).

Si vous placez votre main sous le capteur, vous devriez voir la lecture de la température (Curr) augmenter. Si vous augmentez maintenant la température cible, vous verrez la valeur de puissance (Pow) augmenter et le voyant de sortie clignotera. Augmentez la température cible et la LED de sortie restera allumée plus longtemps. Lorsque la plaque chauffante est connectée et en fonctionnement, l'augmentation de la température cible entraînera l'allumage de la plaque chauffante. Au fur et à mesure que la température actuelle approche de la température cible, le temps d'activation diminue de sorte que la température cible est approchée avec un dépassement minimal. Ensuite, le temps d'activation sera juste suffisant pour maintenir la température cible.

Voici comment définir les paramètres de l'algorithme PID. Vous pouvez commencer par les valeurs que j'utilise. P de 40, I de 0,1 et D de 100. Mon système fera un pas de 50C en 30 secondes environ avec un dépassement de moins de 5 degrés. Si votre système fonctionne de manière très différente, vous souhaiterez le régler. Le réglage d'un contrôleur PID peut être délicat, mais l'article référencé ci-dessus explique comment le faire très efficacement.

Maintenant, il est temps pour la vraie chose. Branchez la plaque chauffante dans le contrôleur CA de plaque chauffante comme décrit dans Soudage extrême en surface. Assurez-vous de lire également toutes les mises en garde. Placez votre capteur de température à environ 3 pouces au-dessus de votre plaque chauffante et pointez directement vers elle. Allumez votre Ard/Free-duino. Assurez-vous que toutes les connexions sont correctes et que votre logiciel (le contrôleur PID et le programme de surveillance) fonctionne correctement. Commencez avec la température cible réglée à 20 C. Augmentez ensuite la température cible à 40 C. La plaque chauffante devrait s'allumer et la température devrait augmenter progressivement jusqu'à 40 C +/- 2 C. Vous pouvez maintenant essayer d'augmenter la température tout en observant les performances. de votre système. Vous remarquerez qu'il faut beaucoup plus de temps pour que la plaque refroidisse que pour la réchauffer.

Dépannage

Si l'esquisse de traitement ne s'exécute pas ou ne met pas à jour la température, arrêtez l'esquisse de traitement et démarrez un terminal série (Hyperterminal sous Windows, par exemple). Appuyez sur la barre d'espace et appuyez sur retour. L'Arduino devrait répondre avec la lecture de la température actuelle. Ajustez les paramètres de débit en bauds, etc. jusqu'à ce que vous obteniez la réponse souhaitée. Une fois que cela fonctionne, l'esquisse de traitement devrait s'exécuter. Si vous rencontrez toujours des problèmes, assurez-vous que vos affectations de broches correspondent à votre câblage physique et que vous avez connecté l'alimentation et la terre aux broches appropriées du capteur de température.

Étape 4: Soudage en surface

L'utilisation du système de contrôle de température décrit dans ce Instructable améliore la soudure de montage en surface extrême de deux manières. Premièrement, le contrôle de la température est plus précis et nettement plus rapide. Ainsi, au lieu d'avoir une rampe lente d'environ 120C à 180C sur 6 minutes environ, nous pouvons aller rapidement à 180C, maintenir pendant 2 ½ à 3 minutes, et aller rapidement de 220C à 240C pendant environ une minute. Nous devons encore surveiller le moment où la soudure coule et couper l'alimentation, ou simplement abaisser rapidement la température cible. Comme la température descend très lentement, je fais généralement glisser mes circuits hors de la plaque chauffante dès que la température est descendue en dessous de 210C. Mettez-les sur un morceau de panneau perforé ou de bois, pas de métal. Le métal pourrait les faire refroidir trop rapidement. Notez également que vous devrez peut-être augmenter la température cible au-dessus de 250C (le maximum que le capteur lira) afin d'obtenir la plaque suffisamment chaude dans certaines zones. La plaque n'atteindra pas une seule température sur toute la surface mais sera plus froide à certains endroits que d'autres. Vous apprendrez cela en expérimentant.

Le deuxième domaine d'amélioration est une réduction du temps entre les cycles de soudage. Avec le système en boucle ouverte, j'ai dû attendre que la plaque chauffante refroidisse à température ambiante (environ 20C) pour démarrer un nouveau cycle de soudure. Si je ne le faisais pas, alors le cycle de température ne serait pas correct (changement des conditions initiales). Maintenant, je n'ai plus qu'à attendre une température stable autour de 100C et je peux commencer un nouveau cycle.

Le cycle de température que j'utilise maintenant est implicite ci-dessus, mais le voici exactement. Commencez à 100C. Mettez vos planches sur la plaque chauffante pendant deux à trois minutes pour qu'elles se réchauffent - plus longtemps avec de gros composants. Réglez la température cible sur 180C. Cette température est atteinte en moins d'une minute. Tenez ici pendant 2 minutes et demie. Réglez votre objectif à 250C. Dès que toute la soudure s'écoule, diminuez la température cible à environ 100C. La température de votre assiette restera élevée. Dès qu'il descend à 210C, ou le temps de 1 minute s'écoule, faites glisser vos planches de la plaque chauffante sur une plate-forme de refroidissement en bois perforé ou en bois. La soudure est faite.

Si vous souhaitez utiliser un profil de température différent, vous ne devriez pas avoir de difficulté à y parvenir avec ce système de contrôle.

Vous voudrez peut-être expérimenter la position du capteur de température au-dessus de votre plaque chauffante. J'ai constaté que toutes les zones de la plaque chauffante n'atteignent pas la même température en même temps. Ainsi, selon l'endroit où vous positionnez votre capteur, le temps et la température réels requis pour faire couler la soudure peuvent varier. Une fois que vous avez élaboré une recette, utilisez le même positionnement du capteur pour des résultats reproductibles.

Bonne soudure !