ホットプレートを利用したリフローの製作　　　　　　　　　坂井　雅紀

https://www.craft-design.yokohamaから　ソフトウエアをダウンロードできます

底から見た写真手前からSSRのヒートシンク、PIC１６F１７８８のった基板、その隣にスイッチングレギュレータ、奥にLCDなどが見えます

ホットプレートの温度を測定するサーミスタを接続するコネクタ

PIC１６F１７８８

ショート時：デバッグモードオープン時：ノーマルモード

PICKITプログラム

LCDコントラストボリューム

ホットプレートの裏側温度フューズ240℃とサーモスイッチ195℃が見えます

温度フューズ　＆　サーモスイッチをとりはずし直接　AC100ｖケーブルをカシメで接続します

回路図

ホットプレート

温度制御方法

１秒 ２秒 ３秒 ４秒

ヒーターON

ヒーターOFF

１００％ON

８０％ON

６０％ON

４０％ON

２０％ON

コントローラは下図の用に1秒間隔でホットプレート内のヒータを制御する。このヒーターＯＮ時間はソフトウエアのheater_on_time(変数）の値で制御する。ソフトウエアでPWM信号を生成しています。１００％ヒーターＯＮの時のheater_on_timeは２００となる。最小分解時間は５ｍＳｅｃであり ヒータON時間は５ｍＳｅｃ＊Heater_on_timeとなる。ヒータON時、コントローラは下図のブロック図のSSR（ソリッドステートリレー）に信号を送り、SSRがONしAC１００Vがホットプレートのヒーターに供給され、加熱される。

ＳＳＲ

コントローラＰＩＣ１６Ｆ１７８８

ＡＣ１００Ｖ温度

センサ

本リフローのPID温度制御は　PICFUNの後閑先生が書かれているPIDの内容を参考に　行いました。

PID制御の計算式はe0(今回の偏差） = 目標温度 – 現在の温度dMV0(今回の操作量差分) = Kp*(e0 - e1) + Ki*e0 + Kd*(e0 - 2e1 + e2)またはdMV0(今回の操作量差分) = 100/Pb{(e0 - e1) + e0/Ti + (e0 - 2e1 + e2)*Td}MV0(今回の操作量) = MV1(前回の操作量) + dMV0

ここで　e1:前回の偏差、e2:前々回の偏差Kp:比例感度（または比例ゲイン）,Pb:比例帯 = 100/KpKi：積分計数、Ti:積分時間 = Kp/KiKd:微分係数、Td:微分時間 = Kd/Kp

１）K（定常値）、L(無駄時間）、T（時定数）を求める　　（CHR法・・・ステップ応答から求める）

１－１）ホットプレートの時間ｖｓ温度特性グラフのS字曲線の　　　　　変曲点上に接線を引く１－２） ホットプレートの時間ｖｓ温度特性グラフの 時間が　　　　　無限大の時の定常値Kを予測する（３００℃とした）１－３）定常値Kの６３%のに当たる値になったところから、　　　　　無駄時間L、時定数Tを求める。

次ページのグラフ

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 2300

50

100

150

200

250

300

ホットプレート　時間ｖｓ温度特性

時間（秒）

温度

（℃

）

K　定常値：３００℃

０．６３K=189℃

T時定数：１５０秒

L無駄時間：１０秒

制御動作種別 Kpの値 Kiの値 Kdの値

P（比例）制御 ０．３~０．７T/KL＝４．９~１１．４

０ ０

PI制御 ０．３５~０．６T/KL＝５．７~９．８

０．３~０．６/KL＝０．０３２６~０．０６５２（Ti=８７~３０６）

０

PID制御 ０．６~０．９５T/KL＝９．８~１５

０．６~０．７/LK＝０．０６５２~０．０７６１（Ti=１２９~２３０）

０．３~０．４５T/K＝４．５~６．７５（Td=０．３~０．７）

PID計算した結果は、heater_on_time(0~200)の値をを変えることによりホットプレート内のヒーターON時間を制御する。P動作から上記パラメーターで実験すると、Kp＝１の時、オーバーシュートが発生しない最短時間で収束した。（上の表ではKp=４．９~１１．４なので、大きな違いがある。理論式から実際の制御で何かが抜けているのかもしれない？）また、PI動作では、Kp=１、Ti=３００で最も良い結果が得られた。PID動作では、heater_on_time（操作量）の値が、安定しないため、PI動作で制御している。以上より　現在のPI制御の式はe0(今回の偏差） = 目標温度 – 現在の温度(次ページのサーミスタ デジタルデータ：赤）dMV0(今回の操作量差分) = (e0 - e1) + e0/３００MV0(今回の操作量：heater_on_time) = MV1(前回の操作量) + dMV0で制御している。

0 10 20 25 30 40 50 60 70 80 85 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 2500

200

400

600

800

1000

1200

温度センサー（サーミスタ：２０４ CT-4) 特性

adc_data

1024-adc_data

温度

デジ

タル

デー

タ

ノーマルモード表示(温度設定)

S C゜02.pmeTt 0e

N +C゜33.pmeTwo

＜設定温度＞[ ]℃ 表示

＜リフロー温度＞現在のリフロー温度

を示す。[℃表示]

＜ヒーターON/OFF＞リフローのヒータの

ON/OFFを示す

ノーマルモード表示(プロファイル設定)

P C゜011elifo 0r

N +C゜33.pmeTwo

＜プロファイルNo＞ハンダ付けプロファイル

番号を示すProfile1～9

＜プロファイル温度＞現在のプロファイル温度を示す。

1秒ごとにプロファイル温度が更新される[ ]℃ 表示

＜リフロー温度＞現在のリフロー温度

を示す。[℃表示]

＜ヒーターON/OFF＞リフローのヒータの

ON/OFFを示す

デバッグモード表示(温度設定)

1 tC゜0205703 02

0 +C゜33770000

＜設定温度＞デジタル表示

＜設定温度＞[ ]℃ 表示

＜リフロー温度＞現在のリフロー温度

を示す。[℃表示]

＜リフロー温度＞現在のリフロー温度

を示す。[デジタル表示]＝サーミスタ出力

＜ヒータON時間＞リフローのヒーターをONしている時間を示す（０～２００）

＜ヒーターON/OFF＞リフローのヒータの

ON/OFFを示す

＜温度設定＞デバッグモード

温度設定を示す

＜経過時間＞スタートボタン押下からの時間

デバッグモード表示(プロファイル設定)

0 1pC゜0166300 00

0 +C゜33770000

＜プロファイル実行時間＞リフロー温度が１００℃に達した以降の時間を

示す[秒]

＜プロファイル温度＞デジタル表示

＜プロファイル温度＞[ ]℃ 表示

＜プロファイルNo＞ハンダ付けプロファイル

番号を示す（p1～p9)

＜リフロー温度＞現在のリフロー温度

を示す。[℃表示]

＜リフロー温度＞現在のリフロー温度

を示す。[デジタル表示]＝サーミスタ出力

＜ヒータON時間＞リフローのヒーターをONしている時間を示す（０～２００）

＜ヒーターON/OFF＞リフローのヒータの

ON/OFFを示す

ホットプレートを利用したリフローの製作

main

オシレータ設定、PORTの設定

start_flag=0,ヒーターOFF、heater_on_timer=0,LED消灯

OPamp1,2、ADC初期設定、LCD初期設定

now_temp set_temp ⇒ 初期設定(set_temp>=10)

タイマー２(5mSec)初期設定（割込み設定）

割込み許可

while(1)

input_action()

PIDパラメータ初期設定( MV0=0,dMV0=0,MV1=0,e0=0,e1=0,e2=0,Kp,Ti,Td )

process_action()

タイマー２割込み処理(5mSecTimer)

割込みフラグクリア

Rotary_A_10ms=1? && Rotary_A_5mSec=0?&& rotary_encoder_detect_counter=0?

Rotary_B=0?

encoder_flag=1

encoder_flag=0

encoder_flag=2

Rotary_A_10ms=Rotary_B_5msRotary_A_5ms=Rotary_A

encoder_flag_detect_counter>0

encoder_flag_detect_counter--

five_msec_flag生成

RET

ロータリーエンコーダーA端子の立下りを検知encoder_flag_detect_counterが0の時検知可能

ｙ

ｙ

ｙ

5mSec処理フラグ

encoder_flag_detect_counter=20

ロータリーエンコーダーの回転を検知後、5mSec*20=100mSec検知を禁止する

input_action()ロータリーエンコーダー処理

encoder_flag=0

encoder_flag?

display_upper_LCD()

0

1(左回転)

2(右回転)

set_temp--

set_temp=1

set_temp++

set_temp=255

set_temp<2 set_temp>255

set_tempに対応したデジタル値に変換

デジタル値をset_digiにセット

RET

ｙ

start_flag=0?

start_flaf=1,LED点灯 start_flaf=0,LED消灯、ヒーターOFF

500mSecDelay

押しボタン処理

スタート／ストップボタン押下？

＜set_tempの値の意味＞ 0 : 使用不可 1 - 9 : プロファイルNoを示す10 - 255 : 設定温度を示す

display_upper_LCD

RET

set_temp?

display_profile_temp()

0-9 10-255

display_set_temp()

profile_tempをASCIIコードに変換

lcd_strings1[0-6]に[Profile]設定

LCD1行目に表示

RET

profile_temp?

lcd_strings1[15,15]に[ p]設定

lcd_strings1[7]に[set_temp]設定

lcd_strings1[8]に[スペース]設定

lcd_strings1[9-13]に[Start]設定 lcd_strings1[9-13]に[End ]設定

lcd_strings1[9-13]に[profile温度℃]設定

100 0

other

display_profile_temp

display_set_temp

set_tempをASCIIコードに変換

lcd_strings1[12-14]に[ ]℃設定

set_degiをASCIIコードに変換

lcd_strings1[4-7]にASCIIコード設定

lcd_strings1[9-11]にASCIIコード設定

lcd_strings1[0-3]に[Set ]設定

LCD1行目に入力情報表示

RET

debug?

lcd_strings1[15]に[ d ]]設定lcd_strings1[15]に[ t ]設定

n y

process_action()

RET

five_msec_flag=1?

display_now_temp()

conrol_heater()

five_msec_flag=0y

heater_ontimer--

one_sec_timer=0?y

one_sec_timer--one_sec_timer=200

1秒処理

5mSec処理 heater_on_timer=0?

ヒーターOFFLCDに[-]表示

y

display_now_temp()

RET

ヒーターADC ON AD⇒ 変換完了か？

AD結果をnow_digiにセット

now_digi>829

now_digiをLCD左に表示

温度をLCD右に表示

now_digiの対応温度をthermisterテーブルで変換start_flag=0ヒーターOFF

LED消灯

1秒毎の処理

環境ADC ON AD⇒ 変換完了か？

AD結果をenv_digiにセット

ADC出力のデジタル値が２５５℃以上なのでヒーター

をOFFする。

y

control_heater()

RET

start_flag=1

heater_on_timer設定ヒーターON

LCDに[+]表示

ヒーターOFFLED消灯

y

ON状態か？n

now_digi>set_digi?

ヒーターOFFLCDに[-]表示

PID計算heater_on_timerの値

（0－200）を求める

e2=e1,e1=e0MV1=MV0

y

n

1秒毎の処理

ヒーターOFF 1秒間に1回は必ずヒーターをOFFする

＜Heater_on_timeの値＞４：４×５ｍSec=20mSec（ヒータON時間：５Hz 1波形）200:200×5mSec=1000msec(ヒーターON時間 1秒　５０波形）1秒ごとに本処理を行うので２００の設定はヒーター連続ONを示す

set_temp<10の時、プロファイルｎのset_digiに設定

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 2400

50

100

150

200

250

300

リフロー温度特性

JEDEC規格

サーミスタ (共晶はんだ )

温度計 (共晶はんだ )

サーミスタ (鉛フリーはんだ )

温度計 (鉛フリーはんだ )

時間（秒）－－－１００℃以降の経過時間

温度

（℃

）

60-150sec

60-120sec

60-180sec60-150sec

JEDEC規格の共晶はんだと鉛フリーはんだプロファイルにおける、自作リフローの温度特性を測定した。JEDEC規格の共晶はんだのプロファイルで規定しているのは、Ⓐのプレヒード部で温度は１００~１５０℃：６０~120秒、Ⓑのリフロー部で温度２２５~２４０℃：６０~１５０秒である。鉛フリーはんだのプロファイルで規定しているのは、Ⓒのプレヒート部で温度は１５０~２００℃：６０~１８０秒、Ⓓのリフロー部で２４５~２６０℃：６０~１５０秒である。

Ⓐリフローに実装されているサーミスタ温度センサーと、リフロー中央部を外付け温度計で温度を測定した

Ⓑ

Ⓒ

Ⓓ