回流焊温度控制系统的建模与实现

摘要

回流焊炉属于表面贴装技术(SMT)中的一套重要的焊接设备,它是将温度提升至焊锡融化的温度后,将贴片元器件固化在PCB板的焊盘上,从而实现了印制板和元器件的电气连接。其工作时,必须保证温度曲线按照贴片元件焊接时的标准温度曲线进行控制,控制的要求是温度上升的速度和稳定的温度值,控制温度值的精确性和平稳性是保证生产良好产品的关键。
　　 本文在已有回流焊简易加工设备的基础上,采用工作效率高、运算速度快的ATmega128(L)微处理器作为控制器的核心,采用K型热电偶作为前端温度采样工具,配合转换精度高并带有冷端补偿的A／D温度转换芯片MAX6675,将采集到的现场参数送到微处理器中,由单片机根据控制算法作出控制决策,送到执行单元一固态继电器(MGR-1D4810)去控制电阻丝的功率。整套监控系统可靠性高、操作简单、易于扩展,便于升级和改造。
　　 为了实现精确的控制,需要建立该回流焊炉的数学模型,从而在该模型的基础上完成控制器的设计。精确模型的获得可以从热力学的角度建立,得到的模型有利于系统分析,便于回流焊设备的改造,不过模型的建立需要了解工艺过程,建立过程复杂并且实用性不强；也可以通过实验法建立,借助MATLAB等辅助工具使得数学建模过程变得简单有效。MATLAB在其多年的发展变化中,形成了很多解决实际问题的方法,用MATLAB进行建模,可以解决从数据获取到模型建立需要经过反复探索和计算的劣势。于是,在复杂的控制系统的设计过程中,设计者只需要先获得对象的数据,然后对数据进行检验,再选择模型结构、参数估计和模型检验后,通过系统辨识理论就可以获得对象的数学模型。在用MATLAB进行辨识的过程中,只要保证采集数据的准确性和可靠性,根据经验选定要辨识系统的结构,最后通过MATLAB计算出模型的参数,最终得到实用性强、可靠性高的数学模型。
　　 本文以回流焊为研究背景,对现阶段温度系统建模的研究现状进行概述和分析后,指出需要解决的问题；结合MATLAB工具软件,用免机理分析建模法和辨识工具箱对回流焊炉进行了数学建模。本文首先介绍了免机理分析建模法的基本理论思想,给出免机理分析建模的实现过程和快速解决方案；然后对系统建模所需要的基础数据作出结构定义,并根据系统的需求设计制作数据采集电路的硬件部分和软件部分；介绍了大林算法的基本原理,以及如何用大林算法设计与该模型相吻合的数字控制器；最后用仿真和实验的方法验证该模型和控制器的有效性。