ゼロクロスＳＳＲ用の電力制御ライブラリを作ってみた。

最近のＰＣＢは表面実装が主になっていてスルーホール部品の入手性が日増しに悪くなっていることを感じることがある。特に新製品についてはほぼ全てが表面実装と言ってもいいくらいだ。なのでいつかは表面実装に移行しないといけないと以前より思ってはいたもののリフローをどうするかを決めかねている。専用機は高すぎるし、ググッてみると、トースター、オーブン、ホットプレート、ヒートガンなど様々な方法があるようだ。どの方法を使うかに関わらず温度制御が一番重要なのとゼロクロスＳＳＲの手持ちがあったのでまずはゼロクロスＳＳＲでヒーター温度を制御するための電力制御ライブラリを考えてみた。

ゼロクロスＳＳＲは０Ｖ付近でスイッチングするデバイスなので最短の制御間隔は電源周波数の半周期。５０Ｈｚの地域なら１０ｍｓ間隔となる。しかし、そもそも半周期だけ使うのって問題ないのか少し疑問に思ったので調べてみたが一般家庭内のコンセントで使える電力程度なら特に問題はなさそうだ。

電力制御サイクルは「電源周波数の半周期ｘ分解能」となるため、分解能を２５６、周波数５０Ｈｚとしたとき「１０ｍｓｘ２５６＝２５６０ｍｓ」なので電力制御１サイクルに２．５６秒かかることになる。なのでより高い分解能は現実的ではなさそうだ。

制御方法については０～分解能の範囲で電力レベルを指定するものとしたとき、分解能が２５６の場合、電力制御１サイクルあたり

電力レベル０＝半周期オンｘ０回(完全オフ)
電力レベル１＝半周期オンｘ１回
電力レベル２＝半周期オンｘ２回
，
電力レベル２５４＝半周期オンｘ２５４回
電力レベル２５５＝半周期オンｘ２５５回(完全オン)

のように電力レベル回数分だけ半周期オンする仕様で考えてみた。また、オン～オンまでの間隔は出来るだけ均等にする必要もある。

次は分解能１６のときのオンオフ・パターンの例。参考まで。

[ 0] 000000000000000
[ 1] 100000000000000
[ 2] 100000001000000
[ 3] 100001000010000
[ 4] 100010001000100
[ 5] 100100100100100
[ 6] 100101001010010
[ 7] 100101010101010
[ 8] 101010101010101
[ 9] 101011010110101
[10] 101101101101101
[11] 101101110111011
[12] 101111011110111
[13] 101111110111111
[14] 101111111111111
[15] 111111111111111

[ 0] 000000000000000

[ 1] 100000000000000

[ 2] 100000001000000

[ 3] 100001000010000

[ 4] 100010001000100

[ 5] 100100100100100

[ 6] 100101001010010

[ 7] 100101010101010

[ 8] 101010101010101

[ 9] 101011010110101

[10] 101101101101101

[11] 101101110111011

[12] 101111011110111

[13] 101111110111111

[14] 101111111111111

[15] 111111111111111

実装については、オンオフ・パターンをテーブル化する方法、計算により求める方法などが考えられるが、テーブル化はコード／データ領域とも浪費してしまうため非力なＭＰＵにも対応できるよう計算により求める方法を選択。整数演算では精度が足りずうまく計算できないが浮動小数点は計算負荷が高いので必要な精度を確保でき計算負荷も低い２５６倍した計算値を使うことで対処している。

このライブラリは電源周波数とは非同期で動作する。そのためタイミングズレにより半周期分の制御をミスるときがあることに注意しよう。ヒーター制御としては問題ないとは思うが、正確な制御が必要ならゼロクロス検出回路を追加しゼロクロスに同期したタイマー割り込みによりオンオフ制御すべし。かな。

同様な制御方法は、連続比例型ゼロクロス、最適サイクル制御などとメーカーにより異なる呼び方がされているようだ。

【実際の制御波形】

※↑左から２番目のＬＯＷパルス部分に注目。タイミングズレにより制御に失敗している。

【ライブラリ概要】

template<uint8_t FREQUENCY, int ZCPIN = -1, uint8_t RESOLUTION = 255>
class ZCSSR

1 2	template<uint8_t FREQUENCY, int ZCPIN = -1, uint8_t RESOLUTION = 255> class ZCSSR

電源周波数(FREQUENCY)と解像度(RESOLUTION)を指定しクラス・インスタンスを生成する。電源周波数は、50 or 60。解像度は、0-255までを指定する。ZCPINにはゼロクロス検出ピンを指定する。ZCPIN未指定時(-1)は非同期モードで制御する。

uint16_t interval(void)

1	uint16_t interval(void)

電源周波数の半周期をマイクロ秒で取得する。

void power(uint8_t value)

1	void power(uint8_t value)

電力レベルを０－解像度(RESOLUTION)の範囲で指定する。

bool next(void)

1	bool next(void)

次の半周期のオンオフを取得する。

bool handle(void)

1	bool handle(void)

半周期経過後に次の半周期のオンオフを取得する。

【サンプル・スケッチ】

#include "zcssr.h"

#define SSR_PIN 1

ZCSSR<50> zcssr;

void setup()
{
  digitalWrite(SSR_PIN, LOW);
  pinMode(SSR_PIN, OUTPUT);
  zcssr.power(128);
}

void loop()
{
  digitalWrite(SSR_PIN, zcssr.handle());
}

#include "zcssr.h"

#define SSR_PIN 1

ZCSSR<50> zcssr;

void setup()

{

digitalWrite(SSR_PIN, LOW);

pinMode(SSR_PIN, OUTPUT);

zcssr.power(128);

}

void loop()

{

digitalWrite(SSR_PIN, zcssr.handle());

}

【更新履歴】
2020-12-13
ゼロクロス点に同期し正確な制御が行えるようゼロクロス検出回路からの入力ピン(ZCPIN)を指定できるように改良してみた。
ゼロクロス検出回路は半波毎に単純にオン・オフを繰り返す次のようなシンプルな回路を想定している。ゼロクロス点から500-600usほどズレてしまっているが制御的には全く問題なし。

ＡＣ入力とフォトカプラ出力

フォトカプラ出力と制御タイミング

【ライブラリ】

/*
  zcssr.h - Power Control Library for Zero Cross SSR

  Copyright (c) 2020 Sasapea's Lab. All right reserved.

  This library is free software; you can redistribute it and/or
  modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
  License as published by the Free Software Foundation; either
  version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.

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  but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  Lesser General Public License for more details.

  You should have received a copy of the GNU Lesser General
  Public License along with this library; if not, write to the
  Free Software Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330,
  Boston, MA  02111-1307  USA
*/
#ifndef __ZCSSR_H
#define __ZCSSR_H

#if defined(ARDUINO)
  #include "Arduino.h"
#elif defined(__linux__) || defined(__MINGW32__) || defined(__MINGW64__)
  #include <stdint.h>
  #include <stdbool.h>
  #include <time.h>
#else
  #error "not supported environment."
#endif

template<uint8_t FREQUENCY, int ZCPIN = -1, uint8_t RESOLUTION = 255>
class ZCSSR
{
  private:

    uint16_t _start;
    uint16_t _power;
    uint8_t  _index;
    uint8_t  _zcval;
    bool     _state;
    bool     _first;

  protected:

#if !defined(ARDUINO)
    unsigned long micros()
    {
#if defined(__linux__) || defined(__MINGW32__) || defined(__MINGW64__)
      struct timespec ts;
      clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &ts);
      return (unsigned long)((unsigned long long)ts.tv_sec * 1000000) + (ts.tv_nsec / 1000);
#endif
    }
#endif

    uint8_t readZCPIN(void)
    {
#if defined(ARDUINO)
      return digitalRead(ZCPIN);
#else
      return 0;
#endif
    }

  public:

    ZCSSR(void)
    : _start(0)
    , _power(0)
    , _index(0)
    , _zcval(0)
    , _state(false)
    , _first(true)
    {
    }

    uint16_t interval(void)
    {
      return 1000000 / FREQUENCY / 2;
    }

    void power(uint8_t value)
    {
      _power = value ? (uint16_t)RESOLUTION * 256 / (value < RESOLUTION ? value : RESOLUTION) : 0;
    }

    bool next(void)
    {
      if (_power == 0)
        return false;
      if (_power == 256)
        return true;
      _index = (_index < RESOLUTION ? _index + 1 : 1);
      return (((_index - 1) * 256) % _power) & ~0xFF ? false : true;
    }

    bool handle(void)
    {
      uint16_t n = (uint16_t)micros();
      uint16_t t = interval();
      if (ZCPIN >= 0)
      {
        uint8_t val = readZCPIN();
        if (_zcval != val)
        {
          _zcval = val;
          if (val != 0) // 1=rising edge, 0=falling edge
            _first = true;
        }
      }
      if (_first)
      {
        _first = false;
        _start = n - (ZCPIN >= 0 ? t >> 1 : t);
      }
      if ((uint16_t)(n - _start) >= t)
      {
        _start += t;
        _state = next();
      }
      return _state;
    }
};

#endif

100

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zcssr.h - Power Control Library for Zero Cross SSR

This library is free software; you can redistribute it and/or

modify it under the terms of the GNU Lesser General Public

License as published by the Free Software Foundation; either

version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.

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but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of

MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the GNU

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Boston, MA 02111-1307 USA

#ifndef __ZCSSR_H

#define __ZCSSR_H

#if defined(ARDUINO)

#include "Arduino.h"

#elif defined(__linux__) || defined(__MINGW32__) || defined(__MINGW64__)

#include <stdint.h>

#include <stdbool.h>

#include <time.h>

#else

#error "not supported environment."

#endif

template<uint8_t FREQUENCY, int ZCPIN = -1, uint8_t RESOLUTION = 255>

class ZCSSR

{

private:

uint16_t _start;

uint16_t _power;

uint8_t _index;

uint8_t _zcval;

bool _state;

bool _first;

protected:

#if !defined(ARDUINO)

unsigned long micros()

{

#if defined(__linux__) || defined(__MINGW32__) || defined(__MINGW64__)

struct timespec ts;

clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &ts);

return (unsigned long)((unsigned long long)ts.tv_sec * 1000000) + (ts.tv_nsec / 1000);

#endif

}

#endif

uint8_t readZCPIN(void)

{

#if defined(ARDUINO)

return digitalRead(ZCPIN);

#else

return 0;

#endif

}

public:

ZCSSR(void)

: _start(0)

, _power(0)

, _index(0)

, _zcval(0)

, _state(false)

, _first(true)

{

}

uint16_t interval(void)

{

return 1000000 / FREQUENCY / 2;

}

void power(uint8_t value)

{

_power = value ? (uint16_t)RESOLUTION * 256 / (value < RESOLUTION ? value : RESOLUTION) : 0;

}

bool next(void)

{

if (_power == 0)

return false;

if (_power == 256)

return true;

_index = (_index < RESOLUTION ? _index + 1 : 1);

return (((_index - 1) * 256) % _power) & ~0xFF ? false : true;

}

bool handle(void)

{

uint16_t n = (uint16_t)micros();

uint16_t t = interval();

if (ZCPIN >= 0)

{

uint8_t val = readZCPIN();

if (_zcval != val)

{

_zcval = val;

if (val != 0) // 1=rising edge, 0=falling edge

_first = true;

}

if (_first)

{

_first = false;

_start = n - (ZCPIN >= 0 ? t >> 1 : t);

}

if ((uint16_t)(n - _start) >= t)

{

_start += t;

_state = next();

}

return _state;

}

};

#endif

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