Сварочный инвертор на ардуино своими руками
Добавил пользователь Евгений Кузнецов Обновлено: 18.09.2024
Инверторы используются в случаях когда невозможно получить напряжение переменного тока (AC) из сети. Инверторы предназначены для преобразования напряжения постоянного тока (DC) в напряжение переменного тока (AC) и разделяются на два типа: чистые синусоидальные инверторы (Pure Sine Wave Inverters) и модифицированные прямоугольные инверторы (Modified Square Wave Inverters). Чистые синусоидальные инверторы достаточно дорого стоят, а модифицированные прямоугольные инверторы стоят существенно дешевле.
В этой статье мы рассмотрим создание чистого синусоидального инвертора (pure sine wave inverter) на основе платы Arduino.
Если вы решили повторить создание рассмотренной в данной статье схемы, то учтите, что она не имеет ни защиты от превышения тока, ни защиты от короткого замыкания, ни защиты от перегрева. Схема данного проекта представлена в образовательных целях и не рекомендуется для промышленного использования. Тем не менее, вы по своему желанию можете добавить в этот проект названные схемы защиты – подробной информации о них достаточно много в сети.
Предупреждение : при работе с представленной в этом проекте схемой будьте предельно внимательны, поскольку в ней используются высокие напряжения и импульсы напряжения, формируемые за счет переключения сигнала на входе схемы.
Что такое синусоидальная ШИМ (SPWM)
SPWM расшифровывается как Sinusoidal Pulse Width Modulation и переводится как синусоидальная ШИМ (широтно-импульсная модуляция). Ранее мы ее уже рассматривали в генераторе синусоидальных и прямоугольных импульсов на Arduino.
Как мы знаем, в ШИМ мы можем изменять ее скважность (коэффициент занятости, duty cycle), то есть соотношение периодов активности (on-time) и неактивности (off-time). Таким образом, изменяя скважность ШИМ, мы изменяем среднее напряжение импульса. Это наглядно показано на следующей картинке.
Как видно из представленной картинки, при скважности (коэффициенте заполнения) 100% мы получаем среднее выходное напряжение 5V, при скважности 50% получаем среднее выходное напряжение 2.5V, а при скважности 25% - еще в 2 раза меньше.
Синусоидальное напряжение представляет собой аналоговое напряжение, которое изменяет свою амплитуду с течением времени, поэтому мы можем воспроизвести "поведение" синусоидальной волны при помощи непрерывного изменения скважности ШИМ волны (сигнала), что показано на следующем рисунке.
Если вы посмотрите на схемы, представленные ниже в данной статье, вы увидите, что на выход трансформатора подключается конденсатор – он как раз и ответственен за сглаживание подобного сигнала переменного тока.
Используемый входной сигнал будет заряжать и разряжать конденсатор в соответствии с входным сигналом и нагрузкой. Мы будем использовать SPWM сигнал (синусоидальный ШИМ сигнал) высокой частоты, он будет иметь сначала очень маленькую скважность 1%, этот 1% будет заряжать конденсатор совсем чуть-чуть, сигнал со скважностью 5% будет заряжать конденсатор немного больше, скважность 10% будет заряжать конденсатор еще больше и постепенно мы достигнем скважности 100%, а после этого мы будем уменьшать скважность до 1%. С помощью этого процесса будет сформирована очень гладкая кривая, очень похожая на синусоидальную волну. Таким образом, обеспечивая правильные значения скважности на входе, мы получим хорошую синусоидальную волну на выходе.
Как работает инвертор на основе SPWM сигнала
Схема подобного инвертора показана на следующем рисунке.
Как вы видите, мы использовали в схеме два MOSFET транзистора N-типа и полумост для управления трансформатором. Для уменьшения нежелательных шумов и защиты MOSFET транзисторов мы использовали два диода 1N5819, включенных параллельно MOSFET транзисторам. Для уменьшения возможных нежелательных импульсов, формируемых в секции управления, мы использовали резисторы сопротивлением 4.7 Ом, включенных параллельно диодам 1N4148. И, наконец, транзисторы BD139 и BD 140 включены по двухтактной схеме для управления затворами MOSFET транзисторов потому что MOSFET транзисторы имеют очень большое емкостное сопротивление затвора и требуют как минимум напряжения 10V на своем затворе чтобы работать корректно.
Для лучшего понимания принципов работы представленной схемы на следующем рисунке мы привели ее половину. Рассмотрим случай когда MOSFET транзистор в ней открыт – в этой ситуации ток протекает сначала через трансформатор и затем через MOSFET транзистор замыкается на землю, таким образом, магнитный поток возникает в том же самом направлении, в котором течет ток, поэтому сердечник трансформатора передает этот магнитный поток на вторую обмотку и, таким образом, на выходе мы получаем положительную половину цикла синусоидального сигнала.
В следующем цикле ток течет уже в обратном направлении и, следовательно, магнитный поток возникает в этом же самом направлении, поэтому направление магнитного потока в сердечнике трансформатора также изменяется (по сравнению с предыдущим рассмотренным случаем).
То есть теперь мы знаем, что направление магнитного потока в трансформаторе изменяется. Таким образом, включая и выключая оба MOSFET транзистора (они инвертированы по отношению друг к другу) и осуществляя эти переключения 50 раз в секунду, мы будем формировать изменяющееся магнитное поле в сердечнике трансформатора, следовательно, будет изменяться направление тока во вторичной обмотке трансформатора в соответствии с законом Фараде. В этом и заключается основной принцип работы инвертора.
Теперь на следующем рисунке рассмотрим полную схему чистого синусоидального инвертора на основе платы Arduino.
Как вы видите из представленной схемы, переключение циклов работы выше представленной схемы инвертора будет осуществляться с помощью двух цифровых контактов платы Arduino.
Конструкция проекта
В демонстрационных целях мы собрали схему нашего инвертора на стрипборде (Veroboard). На выходе трансформатора схемы будет протекать огромный ток, поэтому в этом месте коннекторы (соединители) необходимо использовать как можно толще.
Необходимые компоненты
Полный список компонентов, необходимых для сборки нашего инвертора, представлен в следующей таблице.
| № п/п | Название | Тип компонента | Количество | Где купить |
| 1 | Atmega328P | микроконтроллер | 1 | |
| 2 | IRFZ44N | Mosfet транзистор | 2 | купить на AliExpress |
| 3 | BD139 | транзистор | 2 | купить на AliExpress |
| 4 | BD140 | транзистор | 2 | купить на AliExpress |
| 5 | 22pF | конденсатор | 2 | купить на AliExpress |
| 6 | 10K,1% | резистор | 1 | купить на AliExpress |
| 7 | 16MHz | кварцевый генератор | 1 | купить на AliExpress |
| 8 | 0.1uF | конденсатор | 3 | купить на AliExpress |
| 9 | 4.7R | резистор | 2 | купить на AliExpress |
| 10 | 1N4148 | диод | 2 | купить на AliExpress |
| 11 | LM7805 | регулятор напряжения | 1 | купить на AliExpress |
| 12 | 200uF,16V | конденсатор | 1 | купить на AliExpress |
| 13 | 47uF, 16V | конденсатор | 1 | купить на AliExpress |
| 14 | 2.2uF,400V | конденсатор | 1 | купить на AliExpress |
Внешний вид этих компонентов показан на следующем рисунке.
Объяснение программы для Arduino
Полный код программы приведен в конце статьи, здесь же мы кратко рассмотрим его основные фрагменты.
Прежде чем переходить непосредственно к программе давайте вспомним основы формирования необходимого нам сигнала. Как выглядит изменяющийся во времени ШИМ сигнал мы изучили в первой части нашей статьи, здесь же стоит проблема как сформировать подобный сигнал с помощью платы Arduino.
Для формирования изменяющего во времени ШИМ сигнала мы будем использовать 16-битный timer1 с коэффициентом деления предделителя равным 1, что обеспечит нам время 1600/16000000 = 0.1ms на каждую единицу счета таймера (более подробно о таймерах Arduino можно прочитать в этой статье). То есть в нашем случае половина цикла нужной нам синусоидальной волны будет соответствовать 100 единицам счета таймера. Другими словами, мы можем разделить полный цикл нашей синусоидальной волны на 200 частей.
То есть нам необходимо разделить нашу синусоиду на 200 частей и рассчитать соответствующие амплитуды каждой из этих частей. Далее мы должны конвертировать эти значения в значения счета таймера при помощи умножения их на предел счета таймера. Потом эти значения мы должны поместить в таблицу преобразования чтобы в дальнейшем брать из нее значения для таймера, с помощью которого мы и будем формировать нашу синусоидальную волну.
bamian Куратор с. Казинка, Липецкая область 1007 854
Появилась необходимость прикрепить защелки на нержавеющую кастрюлю, думал чем крепить и решил собрать аппарат точечной сварки, тем более еще на очереди перепарковка аккумуляторов ноутбука и шуруповертова как известно пайка не безопасна для аккумуляторов.
Схемы конечно есть в нете, но я решил делать сам. Первый раз писал для Ардуино скетч, поэтому прошу не пинать сильно если что не так.
Вот что получилось.
Сварочник варит двойными импульсами, как пишут двойной импульс улучшает качество сварочного шва.
7. Аппарат точечной сварки на Ардуино Нано. Сделай сам.
Первый импульс как бы прогревает, смягчает металл.
Во время паузы между двумя импульсами, части плотнее прилегают друг к другу обеспечивая этим лучший контакт. Второй импульс непосредственно сама сварка.
Регулировка времени импульсов (от 20 до 960 мсек с шагом 20 (чтоб не мудрить переход через ноль)) только основных.
Импульсы прогрева составляют пропорционально 1/8 от величины основных импульсов.
Есть два режима 1 - управление педалью, "нажал-сварил", и с задержкой 4 секунды "нажал-пауза-сварил".
Защита от перегрева на термисторе т.е. при +80 С, блокируется все, включается вентилятор, при +40С режим сварки восстанавливается.
Трансформатор использовал от 800 ваттной микроволновки, вторичка и шунты убраны и намотаны два витка провода 70 квадратных мм.
Электроника. что было в наличии -
6. Аппарат точечной сварки на Ардуино Нано. Сделай сам.
Ардуино Нано,
LCD1602 с i2c,
модуль энкодера,
релейный модуль, модуль пищалки,
Для управления трансформатором использовал тиристорный силовой ключ с опторазвязкой. Где то прочитал что симистор/твердотельное реле не подходят.
При использовании симистора есть ограничения при индуктивной нагрузке (скорость изменения напряжения между основными электродами симистора и скорость изменения рабочего тока). Превышение скорости изменения напряжения на симисторе (из-за наличия его внутренней ёмкости), а также величины этого напряжения, могут приводить к нежелательному открыванию симистора. А тиристоры всегда выключайте на отрицательном полупериоде.
В железе собрал, вроде все работает. В корпус пихаю тепрь. фото попозже выложу.
Вот что получилось - имитация в Протеусе
1. Аппарат точечной сварки на Ардуино Нано. Сделай сам. 2. Аппарат точечной сварки на Ардуино Нано. Сделай сам. 3. Аппарат точечной сварки на Ардуино Нано. Сделай сам. 4. Аппарат точечной сварки на Ардуино Нано. Сделай сам.
В архиве проект в Протеусе, hex файл для имитации работы, два скетча один для русифицированного дисплея, а другой для латиницы. Ну и еще печатка силового блока. Схему не рисовал, в Протеусе думаю все понятно (для наглядности пищалку, силовой блок, вентилятор заменил светодиодами, чтоб было видно как все работают).
Может кому пригодится.
Посл. ред. 25 Сент. 17, 06:44 от bamian
BogAD Кандидат наук Красногорск - Белово 366 173
bamian Куратор с. Казинка, Липецкая область 1007 854
В архиве проект в Протеусе, hex файл для имитации работы, два скетча один для русифицированного дисплея, а другой для латиницы. bamian, 23 Сент. 17, 01:16
2908969 Кандидат наук Краснокаменск-Москва 406 228
В данной статье описывается способ как сделать сварочный аппарат своими руками из деталей от старой микроволновой печи. Аппарат создавался для сварки никелевых выводов на аккумуляторах типа 18650, но может использоваться и для сварки листового металла или других металлических предметов.
Шаг 1: Разборка микроволновой печи
Будьте осторожны! В микроволновой печи может быть высокое напряжение, которое сохраняется в течении некоторого времени после отключения печи от сети. При вскрытии печи необходимо найти большой конденсатор внутри микроволновки и разрядить его, прикоснувшись отверткой одновременно к обоим выводам конденсатора.
Вскройте корпус микроволновой печи, разрядите конденсатор и найдите трансформатор. Он должен выглядеть так как на фото. Открутите гайки, которыми крепится трансформатор и выньте его. Также можно достать из печи несколько конечных выключателей и кабелей, которые будут использоваться в нашем проекте.
Шаг 2: Удаление вторичной обмотки трансформатора
Вторичную обмотку трансформатора необходимо заменить, т.к. нам потребуется небольшое напряжение и большой ток. К первичной обмотке будет подключаться входное напряжение питания. Вторичная обмотка состоит из более тонкого провода, чем первичная.
Чем меньше витков провода будет во вторичной обмотке, тем больший ток мы получим на выходе и меньшее напряжение. Увеличение числа витков увеличивает выходное напряжение и уменьшает ток. Так как вторичная заводская обмотка нам не нужна, ее нужно удалить вырубив или сняв с сердечника. При этом нужно срезать шлифовальной машинкой сварные швы на корпусе трансформатора и разобрать его. Делать это нужно осторожно, чтобы не повредить первичную обмотку.
Шаг 3: Изготовление новой обмотки
Новая обмотка должна обеспечивать ток, необходимый для сварки металла. Для обмотки нужно использовать толстый кабель, т.к. тонкий будет сильно нагреваться и плавить изоляцию.
Вначале устанавливается первичная катушка, затем боковые стороны корпуса трансформатора и, наконец, два витка толстого провода вторичной обмотки. Не забудьте оставить достаточную длину выводов вторичной обмотки, к которым будут крепиться сварочные электроды.
Шаг 4: Сборка трансформатора
Трансформатор почти готов. Теперь нужно собрать и сварить разобранный нами корпус. Вместо сварки можно использовать эпоксидную смолу.
Шаг 5: Зажимы для электродов
Далее необходимо приобрести или изготовить самостоятельно медные зажимы для электродов. Их мы крепим на концы выводов вторичной обмотки трансформатора (см. фото).
Здесь приведена 3D-схема зажима: ссылка.
Шаг 6: Сварочная арматура
Теперь нужно установить электроды в зажимы и выбрать необходимое положение электродов. Изготавливаем самостоятельно или подбираем подходящий корпус для сварочного аппарата, помещаем туда трансформатор и выключатель, выводим провод с вилкой для подключения питания. (Пример изготовления корпуса из фанеры, детали которого вырезаются на лазерном станке, показан на фото).
Шаг 7: Окончательная сборка
Сварочный мини аппарат работает от сети переменного тока 220 вольт. Прикосновение к токоведущим элементам может быть опасно для жизни. Поэтому трансформатор обязательно нужно заключить в корпус.
Провод от сети 220 вольт подключите через выключатель к выводам первичной обмотки трансформатора.
Простой сварочный аппарат для точечной сварки готов.
Шаг 8: Подключение контроллера импульсов с OLED-дисплеем
Для точной настройки и управления ручным аппаратом контактной сварки можно собрать и подключить к нему электронный контроллер длительности импульсов (будет полезен для сварки аккумуляторов 18650 и тонких листов металла).
Длительность импульсов (в миллисекундах) настраивается с помощью потенциометра и отображается на экране. Контроллер подключается к сварочному аппарату через твердотельное реле.
В качестве источника питания 5В для Arduino можно использовать зарядное устройство для телефона, подключив плюс к выводу VIN, а минус к выводу GND на плате контроллера Arduino.
Скетч для Arduino-проекта:
Рассказываю как сделать какую-либо вещь с пошаговыми фото и видео инструкциями.
Сегодня речь пойдет о том, как сделать сварочный полуавтомат на Arduino своими руками. Вернее, систему подачи проволоки для сварочного аппарата. Все необходимая информация выводится на дисплей LCD 1602. Настройка происходит с помощью энкодера. Управляет механизмом подачи – драйвер L298n. Давайте рассмотрим устройства поподробнее.
Объект автоматизации.
Перед разработкой нужно определиться с механической частью, чем будем подавать проволоку. В этом нам поможет механизм подачи SSJ-29А со следующими характеристиками:
- Питание: DC 24 В.
- Скорость подачи проволоки: 2-15 м/мин.
- Номинальный ток мотора: 2А.
- Номинальная мощность мотора: 25 Вт.
- Размер ролика (OD * ID * H): 30*10*10 мм.
По техническому заданию нужно настроить скорость подачи от 1- 8 м/мин. Не смотря на то, что скорость подачи заявлена от 2 м/мин. Механизм отлично работает при скорости 1 м/мин.
Определение скорости подачи проволоки сварочного автомата.
Для определения скорости подачи проволоки написал небольшой скетч, который позволил замерить нужные параметры. На основе которых построил график и установил значения в прошивке. Электронику для тестов использовал следующую:
Меню для сварочного полуавтомата на Ардуино и дисплее LCD 1602.
Информация на дисплее LCD 1602 выводиться на русском языке. На главном экране отображаются основные параметры.
На первой строчке выводится скорость подачи проволоки в м/мин. Рядом со скоростью с правой стороны отображается информация о режиме работы: перемотка назад, перемотка вперёд, индикация на экране в виде стрелки в соответствующую сторону. Большая стрелка означает, что работа осуществляется в режиме подачи проволоки. Режимы меняются с помощью трех позиционного переключателя.
Внизу экрана отображается режим подачи проволоки. Первое значение указывает, сколько секунд будет пауза до включения двигателя подачи, второе значение показывает, сколько времени будет производиться подача. Третий параметр означает, сколько времени будет задержка между подачей проволоки. Последнее значение, со стрелкой налево, означает, на сколько миллиметров будет возвышаться проволока при задержке подачи.
При нажатии на кнопку экодера происходит переключение параметров настройки.
Первый параметр - это настройки скорости подачи проволоки от 1 до 8 м/мин.
Второй параметр отвечает за время подачи проволоки. От 0,5 до 5 сек.
Третий параметр – время прерывания в цикле. От 0 до 5 сек.
Четвертый – позволяет реализовать возврат проволоки. От 0 до 10 мм.
При изменении параметров, если ничего не делать в течение 10 секунд, будет произведено перенаправление на основной экран.
Электроника сварочного полуавтомата на Arduino
Для тестирования использовал следующую электронику:
Алгоритм работы подачи сварочной проволоки.
Тумблер включает перемотку проволоки и включает рабочий режим.
Энкодер производит настройку режима роботы подачи проволоки.
При нажатии кнопки, без всякой задержки, включается реле управления инвертором сварочного аппарата. После того как прошло время задержки, включается двигатель подачи проволоки, на скорости, которую мы настроили. Спустя время подачи, происходит пауза и возврат проволоки на указанное значение. Цикл подачи и прерывания повторяется, пока мы не отпустим кнопку.
Также возможны другие режимы работы:
- Без предварительной задержки, при нажатии кнопки, подача проволоки начнется сразу.
- Время прерывания установлено в ноль, при нажатии на кнопку подача проволоки будет происходить без задержки и возврата.
- Также можно настроить и другие варианты работы: без возврата проволоки и с разными интервалами времени.
Исходные материалы.
Данный проект сделал под заказ, поэтому исходных материалов выложить не могу. Отдельная благодарность заказчику за то, что разрешил рассказать о проекте. Так как в 95 процентах случаев заказчики против огласки информации о проекте.
Понравился проект Сварочный полуавтомат на Arduino своими руками? Не забудь поделиться с друзьями в соц. сетях.
А также подписаться на наш канал на YouTube, вступить в группу Вконтакте, в группу на Facebook.
Прошлый мой обзор про изготовление аппарата точечной сварки вызвал немалый интерес. У людей осталось много вопросов: про детальки, схему, софт… И я решил сделать еще один обзор, в котором опишу все, что вызвало интерес. Любителей самоделок, программирования и схем приглашаю под кат…
К сожалению, сейчас очень плотный график и мне не удалось внести существенных правок в программу, но зато удалось выкроить время на описание (данный обзор).
Предмет обзора приехал в таком пакетике:
Внутри сам экранчик, защищенный предохранительной транспортировочной пленкой:
Обратная сторона:
Размеры:
Для связи с внешним миром экранчик имеет 4 контакта: SDA, SCL, GND, VCC. Соответственно, GND следует соединить с землей, на VCC подать +5 вольт, SDA и SCL — следует подключить к шине I2C. Пример подключения к Arduino UNO:
Для работы с экранчиком я попытался использовать библиотеки от Adafruit (Adafruit GFX Adafruit GFX и Adafruit SSD1306 Adafruit SSD1306) — экранчик показывал шум. Ранее такой же экранчик 0.96" с этими библиотеками отлично работал, требовалось только при инициализации заменить
С экранчиком заработала библиотека u8glib. Единственное, изображение было со смещением на пару пикселей. Поковырявшись с библиотекой, поправил файлик u8g_dev_ssd1306_128x64.c и стало все хорошо.
У меня в коде оно используется так:
Теперь к применению. Схема платы сварки выглядит следующим образом:
Рисовал быстро, без художеств, времени к сожалению сейчас на красоту не хватает. Зато постарался изобразить все понятно.
На схеме показано как управляется включение трансформатора, реле, вентилятора. Указано питание контроллера и описанная ранее схема синхронизации с нулевым напряжением.
Для контроля температуры в этот раз я решил использовать термистор на 100 КОм:
Лучше всего конечно составить таблицу и производить многократные измерения, но для простого варианта, когда не нужна большая точность, можно использовать приведенный подход. Уравнение Стейнхарта-Харта и основанная на нем модель нам вполне подойдут. Снимаем 3 точки сопротивления и температуры, собрав нехитрую конструкцию:
Составляем базу данных показаний :):
Для получнния разных температур я использовал паяльник с жалом Т12, контролируя показания термопарой мультиметра.
Рассчитать параметры A, B, C можно с помощью калькулятора, по трем точкам. Вот мои:
Итог в виде кода:
Проверяем:
Конечно погрешность есть, но нам не требуется точно — так, что вполне норм.
Термистор подключен так:
Следующий интересный элемент нашей сварки — энкодер. Я использовал самый распространенный KY-040:
Размеры:
Я не буду писать кучу теории по нему и прочего… Сугубо практическая информация. В программе нам потребуется распознать вращение влево или вправо, длинное и короткое нажатие на регулятор энкодера. Для этого нам нужно выход CLK и DT подключить к выводом контроллера поддерживающим прерывания (D2 и D3 для Arduino). Выход сигнала нажатия SW — можно подключить на любой цифровой вход контроллера.
Вот так обрабатывается:
Как видно из кода, предусмотрено распознавание поворота влево и вправо, путем вызова функции по прерыванию. Также реализовано распознавание короткого и длинного нажатия на на энкодер, причем с защитой от дребезга контактов.
Остальные моменты можно будет глянуть в тексте самой программы, я основное старался комментировать.
Напомню, что в итоге у меня получилось так:
Я заказал платы для сварочного аппарата в Китае (много людей обратились с просьбой изготовить, прошить и выслать им такую), пока еще не все разобрали, желающие пишите в личку.
Спасибо всем, кто дочитал этот обзор до конца, надеюсь кому-то данная информация окажется полезной. всем крепких соединений и добра!
Желающие скачать программу могут взять этот файл. Конечно, это только черновик и позже программа станет существенно лучше. Желающие скачать плату также могут это проделать. Раздача печенюшек :).
Читайте также: