1381浏览
查看: 1381|回复: 1

T12焊台制作教程 | PID增量式算法恒温控制

[复制链接]

前言

2.png

购买T12烙铁的相关配件已经1年多了,期间也尝试了一些开源的T12控制器,但都没有成功,要么是配套资料少,要么是英文的,其中51和Arduino的居多,STM32的较少。求人不如求己,索性自己开发一个吧!现把制作过程和工作原理记录一下。

项目开源地址:https://github.com/Cai-Zi/STM32_T12_Controller

Gitee:https://gitee.com/Cai-Zi/STM32_T12_Controller

QQ群:1091996634,密码:J20

Bibilibi:蔡子CaiZi

1. 元件清单

(1)T12烙铁头(焊贴片用刀头,焊插件用尖头)
(2)烙铁手柄(笔者买的907手柄)、硅胶线(5线)、烙铁支架(带NTC电阻10k、震动开关)、航插(5线)
(3)24V4A开关电源,给烙铁供电 淘宝链接
(4)DC-DC降压模块,24V转5V,给控制板供电 淘宝链接
(5)旋转编码器 淘宝链接
(6)OLED显示屏(7脚SPI) 淘宝链接
(7)STM32F103C8T6最小系统板
(8)IRF9540 MOS管P沟道,驱动电烙铁的 淘宝链接
(9)SS8050三极管
(10)肖特基二极管(用来续流)
(11)运算放大器AD823
(12)3.3v稳压管 淘宝链接
(13)18v稳压管 淘宝链接
(14)电解电容100uF(用来稳压)
(15)独石电容0.1uF(用来滤波),又称104电容
(16)有源蜂鸣器5V的(接电即响)
(17)470Ω、1k、51k、10k、100k电阻若干
(18)500k可调电阻 淘宝链接
(19)ST-LINK V2下载器 - 调试STM32性价比极高,可烧写程序,可断点调试

淘宝截图 淘宝截图 淘宝截图
20200730210146690.png 2116918-20201106172310704-167222560.png 20200730205916248.png
20200730210114802.png 20200730205841100.png 2116918-20201106171744093-1663047709.png
20200730205819879.png 2116918-20201106171617173-1115230305.png 2116918-20201121152020289-284833620.png
20200801211638691.png 2116918-20201106170538777-2090932486.png 2116918-20201106170436733-47882558.png
20200730202922831.png 2116918-20201106165204853-1374003664.png 202007302102002.png
2116918-20201106164011359-85819780.png 2116918-20201106163125188-1841615802.png 2116918-20201106161941142-322468421.png
2116918-20201106155443470-1032364388.png -------- --------

现在你的购物车已经满了,清空叭,等待元件的期间可以看看原理图,练习一下焊接技巧。

2. 焊接及原理图

2116918-20201121143717065-1281824136.png

滑动变阻器RP2和R34的电阻和调整至400KΩ即可。

AD823也可以用这些来代替:LM6118, LM6218, LT1122, LT1201, LT1213, LT1215, OPA2132, OPA2134, OPA2227, OPA2604, TLE2072, TLE2142, TLE2227, MCP602

稳压二极管和肖特基二极管的封装如下,有黑线的那一侧和示意图的竖线对应。

2116918-20201106173622728-1443557213.png

ss8050的引脚对应关系如下,原理图中标注了bce
2116918-20201106173800136-2061556625.png

IRF9540N的引脚对应关系关系如下,原理图中标注了GDS。

2116918-20201106173936387-598231182.png
AMS1117-3.3降压芯片的封装

2116918-20201107103219372-1873834503.png
开关电源和烙铁外壳一定要接地!!!注意用电安全!!!

温馨提醒:第一次通电可能不成功,时刻准备断电!!!

发现烙铁有烧红的趋势,就把220V电断开,这说明MOS管一直是导通的,仔细检查MOS管电路部分。

2116918-20201106174732101-1422997245.png

3. 烧写固件

固件下载地址:https://github.com/Cai-Zi/STM32_T12_Controller/releases/tag/v1.2

如果你的电脑安装了keil软件,那么编译工程再进行烧录即可,这里不再赘述,可参考笔者的这篇博客:

https://blog.csdn.net/weixin_42268054/article/details/106878860

如果你的电脑没有keil软件,又不打算开发调试源代码,那么这里推荐使用STM32 ST-LINK Utility软件。软件介绍、下载、安装、使用请参考strongerHuang的这篇博客:

https://blog.csdn.net/ybhuangfugui/article/details/52597133

先将ST-LINK下载器连接STM32开发板,接线如下:

  • GND  电源地
  • 3V3   接3.3v
  • SWCLK 接DCLK
  • SWDIO 接DIO

打开软件,点击该按钮进行连接;

20200730223229276.png
点击Target》Program...;

20200730223520867.png
点击Browse,打开遥控器端或者接收机端的hex文件,点击Start进行烧写;

20200730224756605.png
看到提示信息即说明烧写完成。

20200730223740283.png

4. 使用说明

已完成的功能包含设置温度、自动休眠、自动关机、蜂鸣器开关、恢复默认设置;

在home页面时,短按旋转编码器设置加热开关,长按进入菜单,旋转设置加热温度;

2116918-20201106200416448-1833603405.png
在菜单页面时,短按进入选择,再短按退出,旋转设置参数,长按退出菜单。

2116918-20201106200456279-152151782.png
睡眠温度为100℃,最小设置温度为150℃,最大设置温度为400℃,建议焊接温度:300-380°C;

标准模式下,烙铁控制的温度为显示的温度;强力模式下,烙铁控制的温度比显示的温度高50℃;

PWM更新频率为390Hz,细分数为255;

使用分段式PID:温差>100℃时,全速加热;温差30~100℃时,激进的PID;温差 < 30℃时,保守的PID;

读者可自行使用万用表的温度计校准分度表:使用USB-TTL串口下载器和串口调试助手(115200bps)读取100℃、200℃、300℃、420℃时的ADC值;

串口下载器和蓝色板之间的连接:

  • GND  电源地
  • 3V3   接3.3v
  • RXD  接PA9
  • TXD   接PA10

2116918-20201106210717351-1292875189.png
然后更改main.h文件中的TEMP100、TEMP200、TEMP300、TEMP420即可。

2116918-20201106195759859-1985150320.png

5. 工作原理

这一部分是为了让读者能够理解控制原理,不想深究的话可以忽略哈~

5.1 T12烙铁头

145807l8h7lmb9n9gmgv8t.gif

T12官方原理图,其发热丝是一种材料,中间导线又是另外一种导线。结合点就是热电偶,也就是测温点。

下面大概说明下热电偶,说说这个烙铁头是怎么测温的。
热电偶是一种感温元件。它直接测量温度,并把温度信号转换成热电动势信号, 通过电气仪表转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过,此时两端之间就存在电动势——热电动势,这就是所谓的塞贝克效应(Seebeck effect)。两种不同成份的均质导体为热电极,温度较高的一端为工作端,温度较低的一端为自由端。
通过分析就可以知道,发热丝本身即是发热体,也是热偶的工作端。

参考:https://www.geek-workshop.com/forum.php?mod=viewthread&tid=72

5.2 热电偶与热电势的计算

鲁迅说过:欲控之,必测之。(鲁迅:我没说过这话,不过听着在理!)

我们先来测量烙铁的温度,再用PID进行闭环控制它的温度,实现恒温。

六种热电偶分度表:S型/K型/B型/E型/J型/T型

https://www.doc88.com/p-276403097011.html

实验得到20℃时的热电势约为0.11mV,80℃时的热电势约为0.60mV,根据各个类型的分度表,可以确定烙铁头的热电偶似乎属于S型。
2116918-20201022173954150-1689645285.png
https://tech.hqew.com/fangan_1628934

2116918-20201023135653946-2115900565.png
常用热电偶的拟合多项式系数,对应温度计算公式为:T=A0U^0+A1U^1+...+Ai*U^i;其中U为测得的电动势(V),T为热电偶两端的温度(℃)。

2116918-20201022154028094-1362857597.png

但是经过自己使用万用表的温度计测得热电压,得到温度-电压的关系如下图,发现烙铁的热电偶和S型不符!还好两者在小区间内基本是线性关系,那就只能使用自己测量的电压值了。

2116918-20201103210628829-820458185.png

 1 from pylab import *
 2 x=[10*i for i in range(0,38)]
 3 y=[0,55,113,150,189,384,576,731,908,1102,
 4 1239,1482,1668,1863,2100,2206,2508,2731,3046,3163,
 5 3408,3658,3954,4146,4389,4688,4937,5213,5495,5653,
 6 5714,5913,6009,6180,6690,6956,7325,7565]
 7 mpl.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']  # 添加这条可以让图形显示中文
 8 plt.plot(x, y, 'r-', color='#4169E1', alpha=0.8, linewidth=1)
 9 plt.xlabel('温度[℃]')
10 plt.ylabel('电压[uV]')
11 plt.title('温度-电压曲线')
12 plt.show()

5.3 运算放大器(放大热电偶两端的电压)

由于热电偶的热电压只有几mV,无法直接使用单片机的ADC采样,需要放大其电压值,所以使用运算放大器。

非反相闭环放大器如下图(我们用的就是这样的连接)。假设这个闭环放大器使用理想的运算放大器,则因为其开环增益为无限大,所以运算放大器的两输入端电压差几乎为零,其输出与输入电压的关系式如下:

Vout = ((R2 / R1) + 1) * Vin

1449523-1609231R44Q18.png

参考:http://www.elecfans.com/baike/bandaoti/bandaotiqijian/20100309184249.html

5.4 增量式PID算法

PID的定义:

P:Proportion(比例),就是输入偏差乘以一个常数。

I:Integral(积分),就是对输入偏差进行积分运算。

D:Derivative(微分),对输入偏差进行微分运算。

其中,输入偏差=读出的被控制对象的值-设定值。

P用于控制调节力度,P越大,调节作用越激进,P调小会让调节作用更保守;

D的作用就是让物理量的速度趋于0,只要这个量具有了速度,D就向相反的方向用力,尽力刹住这个变化。D参数越大,向速度相反方向刹车的力道就越强。

I 的作用就是,减小静态情况下的误差,让受控物理量尽可能接近目标值。I 在使用时还有个问题:需要设定积分限制。防止在刚开始加热时,就把积分量设得太大,难以控制。

5.4.1 常用的PID模型

PID控制并不一定要三者都出现,也可以只是PI、PD控制,关键决定于控制的对象。比如我们要控制一个人,让他以PID的控制方式来行走110步后停下来。

(1)P控制

比例控制就是让他按照一定的比例走,然后停下。比如比例系数为108,则走一次就走了108步,然后就不走了。P比例控制是一种最简单的控制方式,控制器的输出与输入误差信号成比例关系。但是仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。比如上面的只能走到108,无论怎样都走不到110。

(2)PI控制

比例-积分控制就是按照一定的步伐走到112步然后回头接着走,走到108步位置时,然后又回头向110步位置走。在110位置处来回晃荡几次,最后停在110步的位置。说明:在积分I控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统来说,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差的影响取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大,从而使稳态误差进一步减小,直到等于0。因此,比例+积分(PI)控制器可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

(3)PD控制

比例-微分控制就是按照一定的步伐走到一百零几步后,再慢慢地走向110步的位置靠近,如果最后能精确停在110步的位置,就是无静差控制;如果停在110步附近(如109步或111步位置),就是有静差控制。在微分控制D中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。

自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳,原因是存在较大惯性组件(环节)或滞后组件,具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差作用的变化“超前”,即在误差接近于零时,抑制误差的作用就应该是零。这就是说,在控制器中仅引入“比例P”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势。这样,具有比例+微分的控制器就能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例P+微分D(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

5.4.2 PID算法结构

来点公式吧~

PID算法的数学模型为:

2116918-20201106202409893-974748939.png

其中,Kp为比例参数,Ek为本次的偏差值,Sk为积分成分,Dk为微分成分。

积分成分
2116918-20201106202604632-1366726077.png

其中T为采样周期, Ti为积分常数。

微分成分
2116918-20201106202641568-445411406.png
其中Td为微分常数。

在实际应用中,PID算法具体分两种:一种是位置式PID算法,一种是增量式PID算法。

a)位置式PID算法表达式:

2116918-20201106202720671-709156396.png
Out即为本次运算的结果,利用Out可以去驱动执行机构输出对应的控制信号,例如温度控制就可以控制PWM的宽度,电磁阀就可以改变电磁线圈电流以改变阀门开度,或者是可控硅的导通角度等;这种PID算法计算出的结果(Out值)表示当前控制器应该输出的控制量,所以称为位置式(直接输出了执行机构应该达到的状态值)。

b)增量式PID算法表达式:

2116918-20201106202748978-502031145.png
式中, E(k)为本次偏差值,E(k-1)为上次偏差值,E(k-2)为上上次偏差值。增量式PID的计算只需要最近3次的偏差(本次偏差,上次偏差,上上次偏差),不需要处理器存储大量的历史偏差值,计算量也相对较少,容易实现。

根据本系统控制对象为加热电阻两端电压,以及增量型较位置型算法有累加误差小、误动作影响小、计算量小和编程方便的特点,本系统选用PID增量型控制算法。

参考链接 https://blog.csdn.net/weixin_42068537/article/details/83684234

5.4.3 PID参数的整定

在PID公式中,常数系数Kp,Ti,Td等须不断调节,找到适合自己的控制对象的参数。这里有一个经典的经验试凑口诀:

参数整定找最佳, 从小到大顺序查。

先是比例后积分, 最后再把微分加。

曲线振荡很频繁, 比例度盘要放大。

曲线漂浮绕大弯, 比例度盘往小扳。

曲线偏离回复慢, 积分时间往下降。

曲线波动周期长, 积分时间再加长。

曲线振荡频率快, 先把微分降下来。

动差大来波动慢, 微分时间应加长。

理想曲线两个波, 前高后低四比一。

一看二调多分析, 调节质量不会低。

结束语

DIY有风险,操作需谨慎!安全第一,涉及到220V电压,一定要接地!!!



hnyzcj  版主

发表于 2021-5-19 06:56:54

回复

使用道具 举报

您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

为本项目制作心愿单
购买心愿单
心愿单 编辑
[[wsData.name]]

硬件清单

  • [[d.name]]
btnicon
我也要做!
点击进入购买页面
关于楼主
上海智位机器人股份有限公司 沪ICP备09038501号-4

© 2013-2021 Comsenz Inc. Powered by Discuz! X3.4 Licensed

mail