基于運放退飽和的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：為了實現(xiàn)電阻爐的快速升溫及溫度控制，采用運放退飽和的方法，當(dāng)電阻爐溫度未達(dá)到設(shè)定值時，運放飽和輸出，所控制的驅(qū)動電路輸出脈沖的占空比最大，IGBT近似全導(dǎo)通，電爐加熱功率最大，溫度快速上升；當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時，運放開始退飽和，輸出電壓逐漸減小，從而減小驅(qū)動電路輸出脈沖的占空比，IGBT導(dǎo)通時間變短，電爐加熱功率減小，實現(xiàn)溫度控制。通過Multisim軟件仿真及硬件電路測試，驗證了本設(shè)計的可行性。該溫度控制系統(tǒng)具有升溫速度快、易于操作、滯后性較低的優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：電阻爐；溫度控制；運放；退飽和；IGBT

0 引言
    電阻爐在熱處理工藝中被廣泛應(yīng)用，研究電阻爐控制方法具有重要意義。目前，電爐溫度控制主要采用PID控制或基于PID的衍生控制方法，PID控制整定方便，適應(yīng)性好，是目前過程控制中應(yīng)用廣泛的一種控制方法，但對于滯后大的過程，如溫度控制，PID穩(wěn)定時間較長。本文中提出的通過運放退飽和來調(diào)節(jié)驅(qū)動脈沖的占空比，從而控制IGBT關(guān)斷與導(dǎo)通時間，實現(xiàn)對電爐溫度的控制和調(diào)節(jié)的方法，簡單實用，升溫速度快，為溫度控制提出了另一種可行性方法。

1 電路控制原理
    本設(shè)計的系統(tǒng)框圖如圖1所示，由IGBT輸出作為電阻絲電源，IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷時間由555多諧振蕩輸出脈沖的占空比控制，555電路輸出脈沖占空比由系統(tǒng)框圖中反饋控制電路的輸出電壓控制。

    本文主要討論反饋控制電路，電路設(shè)計思路是當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度時，運放飽和輸出，555振蕩電路輸出脈沖具有最大占空比，IGBT接近于全導(dǎo)通，電路具有最大輸出功率，電阻爐快速升溫。當(dāng)溫度接近設(shè)定溫度時，運放開始退飽和，輸出電壓減小，從而555振蕩電路輸出脈沖的占空比減小，IGBT導(dǎo)通時間變短，從而電爐功率減小。

    基于以上設(shè)計思路，設(shè)計出一套由兩級運放組成的反饋控制電路，電路圖如圖2所示。電路輸入是由熱電偶從電爐反饋回的熱電動勢，經(jīng)第一級運放放大后與溫度控制信號Vcon進(jìn)行差值運算后經(jīng)第二級放大輸出。當(dāng)熱電偶反饋信號小于Vcon時，第二級運放飽和輸出，555電路輸出脈沖占空比最大，從而IGBT導(dǎo)通時間最長，電爐加熱功率最大。當(dāng)熱電偶反饋信號超過Vcon時，第二級運放開始退飽和，輸出減小，555電路輸出占空比減小，IGBT導(dǎo)通時間變短，電爐加熱功率變小，從而使電爐溫度在設(shè)定溫度上下變化。設(shè)定溫度值可以通過改變溫度控制信號Vcon與Rf、R2的值來改變，電路簡單實用，便于調(diào)整。

2 數(shù)據(jù)分析與仿真
    為了驗證電路設(shè)計參數(shù)以及與實際電路的運行結(jié)果進(jìn)行對照，利用Multisire仿真軟件對電路進(jìn)行了仿真測試。電路采用K型鎳鉻一鎳硅熱電偶進(jìn)行反饋，K型鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表如表1所示。

    仿真中，設(shè)定900℃為溫度期望值，使運放在820℃時開始退飽和，查表1可知820℃時熱電偶反饋電動勢為34．095 mV，通過調(diào)整、Rf及R2使設(shè)定溫度為此值對應(yīng)溫度。首先，在圖2所示電路輸入端加上連續(xù)變化的正弦信號(低頻)來模擬熱電偶反饋信號，正弦信號幅度為45 mV，即反饋信號Vi在0～45 mV周期性變化，查表1可知，相當(dāng)于電爐溫度是在0～1 100℃周期性變化，仿真結(jié)果如圖3所示，雙蹤示波器A路(線1)顯示幅度為45 mV的正弦輸入信號，B路(線2)顯示第二級運放的輸出信號，可以看到運放是從Vi=34．321 mV處開始退飽和，由表1知對應(yīng)溫度稍高于820℃，誤差較小，符合設(shè)計預(yù)期。

    圖4所示為輸出電壓、占空比與溫度關(guān)系圖，可以看出，運放在820 ℃左右開始退飽和，運放輸出電壓逐漸減小，555輸出方波占空比隨之減小，從而達(dá)到減小主電路功率輸出的目的。當(dāng)溫度達(dá)到900℃左右時，運放輸出電壓減小到約6．4 V，此時555電路輸出的驅(qū)動脈沖占空比只有0．3左右，電爐溫度趨于穩(wěn)定。

3 硬件電路測試結(jié)果
    圖5所示為相同設(shè)定下不同退飽和點時的溫度上升曲線。當(dāng)退飽和點設(shè)定較高時(即線1)，由于升溫速度快和溫度的滯后作用，溫度一旦超過設(shè)定值后再穩(wěn)定至設(shè)定溫度。當(dāng)退飽和點設(shè)定較低時(即線3)，需要較長的時間逐漸達(dá)到設(shè)定溫度值。當(dāng)退飽和點設(shè)定合適時(即線2)，可以達(dá)到較理想的快速升溫曲線。

4 結(jié)語
    本文提出一種基于運放退飽和和反饋控制設(shè)計電爐電路的方法，給出了具體的設(shè)計電路圖及軟硬件測試結(jié)果。實驗結(jié)果表明本系統(tǒng)簡單實用，升溫速度快，可以根據(jù)需要設(shè)定不同的溫度閾值，為電阻爐溫度控制提出了另一種可行性方法。同時，本設(shè)計也有很大的改進(jìn)空間，通過精確地計算電路參數(shù)，并將控制電壓設(shè)為由MCU或PLC控制，可以實現(xiàn)自動化調(diào)節(jié)，使操作更簡單，精度更高。希望本文對從事電阻爐改造和設(shè)計的人員提供有益幫助。