基于運(yùn)放退飽和的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)電阻爐的快速升溫及溫度控制，采用運(yùn)放退飽和的方法，當(dāng)電阻爐溫度未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，運(yùn)放飽和輸出，所控制的驅(qū)動(dòng)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(shí)，運(yùn)放開始退飽和，輸出電壓逐漸減小，從而減小驅(qū)動(dòng)電路輸出脈沖的占空比，IGBT導(dǎo)通時(shí)間變短，電爐加熱功率減小，實(shí)現(xiàn)溫度控制。通過(guò)Multisim軟件仿真及硬件電路測(cè)試，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)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(diǎn)。
關(guān)鍵詞：電阻爐；溫度控制；運(yùn)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(guò)程控制中應(yīng)用廣泛的一種控制方法，但對(duì)于滯后大的過(guò)程，如溫度控制，PID穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)。本文中提出的通過(guò)運(yùn)放退飽和來(lái)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比，從而控制IGBT關(guān)斷與導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)電爐溫度的控制和調(diào)節(jié)的方法，簡(jiǎn)單實(shí)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(jì)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(shí)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(jì)思路是當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，運(yùn)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(shí)，運(yùn)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(shí)間變短，從而電爐功率減小。

    基于以上設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)出一套由兩級(jí)運(yùn)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(dòng)勢(shì)，經(jīng)第一級(jí)運(yùn)放放大后與溫度控制信號(hào)Vcon進(jìn)行差值運(yùn)算后經(jīng)第二級(jí)放大輸出。當(dāng)熱電偶反饋信號(hào)小于Vcon時(shí)，第二級(jí)運(yùn)放飽和輸出，555電路輸出脈沖占空比最大，從而IGBT導(dǎo)通時(shí)間最長(zhǎng)，電爐加熱功率最大。當(dāng)熱電偶反饋信號(hào)超過(guò)Vcon時(shí)，第二級(jí)運(yùn)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(shí)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(guò)改變溫度控制信號(hào)Vcon與Rf、R2的值來(lái)改變，電路簡(jiǎn)單實(shí)用，便于調(diào)整。

2 數(shù)據(jù)分析與仿真
    為了驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)參數(shù)以及與實(shí)際電路的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，利用Multisire仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行了仿真測(cè)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(yùn)放在820℃時(shí)開始退飽和，查表1可知820℃時(shí)熱電偶反饋電動(dòng)勢(shì)為34．095 mV，通過(guò)調(diào)整、Rf及R2使設(shè)定溫度為此值對(duì)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(hào)(低頻)來(lái)模擬熱電偶反饋信號(hào)，正弦信號(hào)幅度為45 mV，即反饋信號(hào)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(hào)，B路(線2)顯示第二級(jí)運(yùn)放的輸出信號(hào)，可以看到運(yùn)放是從Vi=34．321 mV處開始退飽和，由表1知對(duì)應(yīng)溫度稍高于820℃，誤差較小，符合設(shè)計(jì)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(yùn)放在820 ℃左右開始退飽和，運(yùn)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(shí)，運(yùn)放輸出電壓減小到約6．4 V，此時(shí)555電路輸出的驅(qū)動(dòng)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(cè)試結(jié)果
    圖5所示為相同設(shè)定下不同退飽和點(diǎn)時(shí)的溫度上升曲線。當(dāng)退飽和點(diǎn)設(shè)定較高時(shí)(即線1)，由于升溫速度快和溫度的滯后作用，溫度一旦超過(guò)設(shè)定值后再穩(wěn)定至設(shè)定溫度。當(dāng)退飽和點(diǎn)設(shè)定較低時(shí)(即線3)，需要較長(zhǎng)的時(shí)間逐漸達(dá)到設(shè)定溫度值。當(dāng)退飽和點(diǎn)設(shè)定合適時(shí)(即線2)，可以達(dá)到較理想的快速升溫曲線。

4 結(jié)語(yǔ)
    本文提出一種基于運(yùn)放退飽和和反饋控制設(shè)計(jì)電爐電路的方法，給出了具體的設(shè)計(jì)電路圖及軟硬件測(cè)試結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本系統(tǒng)簡(jiǎn)單實(shí)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(shí)，本設(shè)計(jì)也有很大的改進(jìn)空間，通過(guò)精確地計(jì)算電路參數(shù)，并將控制電壓設(shè)為由MCU或PLC控制，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)節(jié)，使操作更簡(jiǎn)單，精度更高。希望本文對(duì)從事電阻爐改造和設(shè)計(jì)的人員提供有益幫助。