一種基於PID控制的電磁加熱系統及方法與流程
2023-05-16 10:26:26 1
本發明涉及電磁加熱技術領域，特別涉及一種基於pid控制的電磁加熱系統及方法。
背景技術：
電磁加熱系統利用電磁原理，通電線圈在交流電產生的變化電場作用下產生高頻磁場，金屬棒在高頻磁場作用下會自動加熱，但是目前的電磁加熱系統存在加熱速度慢、效率低、散熱速度低，輸出頻率不穩定等問題。因此本發明提出一種基於pid控制的電磁加熱系統及方法，加熱速度慢、效率低、輸出頻率穩定。
技術實現要素：
針對上述問題，本發明的目的在於提出一種基於pid控制的電磁加熱系統及方法，該電磁加熱系統及方法加熱速度慢、效率低、輸出頻率穩定。
本發明解決上述技術問題所採用的技術方案是：一種基於pid控制的電磁加熱系統，包括：單片機、pid控制器、雙pwm發生器、鎖相環控制電路、隔離驅動器、半橋/全橋電路、主電源、線圈、功率諧振電容、高頻信號採樣電路、高頻過流保護電路、軟啟動、輸入電流檢測模塊、電網電壓檢測模塊、igbt溫度檢測模塊、負載檢測模塊、供電電源、顯示器、指示燈、風扇驅動、散熱器、風扇，所述單片機的輸出端分別連接所述pid控制器、顯示器、指示燈、風扇驅動，其中所述風扇驅動電連接所述風扇，所述風扇設於所述散熱器中，所述單片機的輸入端分別連接所述輸入電流檢測模塊、電網電壓檢測模塊、igbt溫度檢測模塊、負載檢測模塊、供電電源、軟啟動，所述pid控制器的輸出端依次連接所述雙pwm發生器、鎖相環控制電路，所述鎖相環控制電路的輸出端連接所述隔離驅動器的輸入端，所述隔離驅動器的輸出端連接所述半橋/全橋電路，所述主電源連接所述半橋/全橋電路的輸入端，所述半橋/全橋電路的輸出端分別連接所述線圈、功率諧振電容，所述線圈雙向連接所述功率諧振電容，所述功率諧振電容的輸出端連接所述高頻信號採樣電路，所述高頻信號採樣電路的輸出端連接所述高頻過流保護電路，所述高頻過流保護電路的輸出端分別連接所述單片機、雙pwm發生器和鎖相環控制電路，所述負載檢測模塊、igbt溫度檢測分別連接負載。
進一步，所述散熱器包括側板、底板和頂板，所述散熱器底板上設有凹槽，凹槽中設有冷水管，所述冷水管連接有水泵。
進一步，所述線圈纏繞在負載上，其中，所述負載為一加熱管，所述加熱管上均勻纏繞多段線圈，每段線圈各自連接一個所述隔離驅動器，所述隔離驅動器之間加載有一個同步信號。
進一步，所述輸入電流檢測模塊包括：電流檢測晶片、第一至第四電阻、二極體，所述電流檢測晶片的第一輸入端連接所述半橋/全橋電路，所述電流檢測晶片的第二輸入端連接第一電阻的第一端，電流檢測晶片的第三輸入端連接第二電阻的第一端，第一電阻的第二端和第三電阻的第一端連接二極體的陽極，二極體的陰極連接第四電阻，第二電阻、第三電阻和第四電阻的第二端均接地，電流檢測晶片的輸出端連接單片機的輸入端。
進一步，所述風扇驅動包括：驅動晶片、場效應管、第五電阻，所述驅動晶片的電壓端接12v電壓，驅動晶片的輸出端連接風扇，驅動晶片的輸入端連接場效應管的集電極，場效應管的基極連接第五電阻，場效應管的發射極接地。
進一步，所述隔離驅動器採用igbt驅動，包括：第一至第四穩壓管、第一至第四場效應管、電壓互感器，第一場效應管與第二場效應管串聯後與串聯的第三場效應管與第四場並聯，第三場效應管和第四場效應管連接電壓互感器的初級，第一穩壓管與第二穩壓管反向串聯後連接到電壓互感器的第一次級，第三穩壓管與第四穩壓管反相串聯後連接到電壓互感器的第二次級。
進一步，所述單片機採用工業級單片機，其型號為stc89c52rc。
一種基於pid控制的電磁加熱系統的實現方法，包括如下步驟：
步驟s1：軟啟動開啟，對電磁加熱系統上電；
步驟s2：負載檢測模塊檢測是否有負載；
步驟s3：讀取設定溫度和反饋溫度，計算溫度差δt和頻率δf,如果δt小於預設標準溫度差，則保持當前頻率，如果δt大於或等於預設標準溫度差，則pid調節頻率δf；
步驟s4：電網電壓監測模塊將採集的電網電壓發送至單片機，單片機將採集電壓與額定電壓比較，如果大於額定電壓，則過壓報警退出，如果沒有過壓則繼續進行過流檢測；
步驟s5：輸入電流檢測模塊將採集的線圈輸入電流發送至單片機，單片機將採集電流與額定電流進行比較，如果過流則標記故障，進行線圈過熱檢測，如果沒有過流，則直接進行線圈過熱檢測；
步驟s6：如果線圈過熱則標記故障，並通過風扇驅動開啟風扇，進行散熱，並返回至步驟s3，繼續進行後續步驟，如果線圈沒有過熱，則關風扇返回至步驟s3，繼續進行後續步驟。
進一步，所述pid調節頻率的計算方法如下：
δf＝kp(ek-ek-1)+ki·ek·tsample
δf為每次採樣周期的控制增量(頻率)輸出；
kp為pid調節器中比例係數；
ek為第k次採樣後的誤差值，ek＝g-tk，g為溫度給定值，tk為第k採樣的溫度反饋值；
ek-1為第k-1次採樣後的誤差值；
ki為pid調節器中積分係數；
tsample為每次採樣的時間間隔；
當溫度誤差δt>>預設溫度差時，為了使溫度調節更快而溫度超調較小，增大比例係數kp，減小積分係數ki；
當溫度誤差≥預設溫度差時，為了消除溫度靜態誤差，減小比例係數kp，增大積分係數ki。
進一步，為了能夠連續的調節kp和ki，利用係數α來調節，如下所示
kp＝kpα；ki＝ki(1-α)
其中，kp為比例係數的最大值，ki為積分係數的最大值，α為與溫度誤差成正比的一個係數，
本發明的優點在於：1、為了提高加熱速度，在一個負載上均勻纏繞多段線圈，每段線圈各自連接一個隔離驅動器，並且為了防止其中一個線圈工作時產生的磁通幹擾甚至損壞其臨近線圈的隔離驅動器，採用一個同步信號加載至所有的隔離驅動器，使得每個隔離驅動器控制的高頻開關都能同時開通，同時關斷，將每個線圈對其他線圈的幹擾降到最低，進一步提高了可靠性；
2、為了提高散熱速度和提高效率，採用自然冷卻和風冷、水冷相結合的方式進行冷卻，即在散熱器底板上設置凹槽，通冷卻水，並在散熱器上裝風扇，進行風冷，在溫度低時，利用散熱器葉片進行自然冷卻，當溫度過高時，採用風冷或水冷方式進行冷卻，並且可以根據溫度高低調節風扇驅動力或水泵的轉速，從而降低能量損耗，提高效率；
3、在隔離驅動器和pid控制器之間設置鎖相環控制電路，實現輸出頻率對輸入頻率的自動跟蹤，提高了輸出頻率信號的穩定性；
4、為了防止線圈輸入電流過大燒毀線圈，在線圈與單片機之間設置高頻過流保護電路，延長了線圈的使用壽命。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明具體實施方式或現有技術中的技術方案，下面將對具體實施方式或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施方式，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明的一種基於pid控制的電磁加熱系統結構圖；
圖2為本發明的一種基於pid控制的電磁加熱系統的電路原理圖；
圖3為本發明的一種基於pid控制的電磁加熱系統的鎖相環控制電路原理圖；
圖4為本發明的一種基於pid控制的電磁加熱方法流程圖。
其中：1、單片機；2、顯示器；3、指示燈；4、風扇驅動；5、軟啟動；6、pid控制器；7、雙pwm發生器；8、鎖相環控制電路；9、隔離驅動器；10、半橋/全橋電路；11、主電源；12、線圈；13、功率諧振電容；14、高頻信號採樣電路；15、高頻過流保護電路；16、輸入電流檢測模塊；17、電網電壓檢測模塊；18、igbt溫度檢測模塊；19、負載檢測模塊；20、供電電源。
具體實施方式
下面將結合附圖對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
在本發明的描述中，需要說明的是，術語「中心」、「上」、「下」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語「第一」、「第二」、「第三」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
如圖1所示，本發明實施例的一種基於pid控制的電磁加熱系統，包括：單片機1、pid控制器6、雙pwm發生器7、鎖相環控制電路8、隔離驅動器9、半橋/全橋電路10、主電源11、線圈12、功率諧振電容13、高頻信號採樣電路14、高頻過流保護電路15、軟啟動5、輸入電流檢測模塊16、電網電壓檢測模塊17、igbt溫度檢測模塊18、負載檢測模塊19、供電電源20、顯示器2、指示燈3、風扇驅動4、散熱器、風扇，所述單片機1的輸出端分別連接所述pid控制器6、顯示器2、指示燈3、風扇驅動4，其中所述風扇驅動4電連接所述風扇，所述風扇設於所述散熱器中，所述單片機1的輸入端分別連接所述輸入電流檢測模塊16、電網電壓檢測模塊17、igbt溫度檢測模塊18、負載檢測模塊19、供電電源20、軟啟動5，所述pid控制器6的輸出端依次連接所述雙pwm發生器7、鎖相環控制電路8，所述鎖相環控制電路8的輸出端連接所述隔離驅動器9的輸入端，所述隔離驅動器9的輸出端連接所述半橋/全橋電路10，所述主電源11連接所述半橋/全橋電路10的輸入端，所述半橋/全橋電路10的輸出端分別連接所述線圈12、功率諧振電容13，所述線圈12雙向連接所述功率諧振電容13，所述功率諧振電容13的輸出端連接所述高頻信號採樣電路14，所述高頻信號採樣電路14的輸出端連接所述高頻過流保護電路15，所述高頻過流保護電路15的輸出端分別連接所述單片機1、雙pwm發生器7和鎖相環控制電路8，所述負載檢測模塊19、igbt溫度檢測分別連接負載。
進一步，所述散熱器包括側板、底板和頂板，為了提高散熱速度和提高效率，採用自然冷卻和風冷、水冷相結合的方式進行冷卻，即在散熱器底板上設置凹槽，凹槽中設有冷水管，所述冷水管連接有水泵，通冷卻水，並在散熱器上裝風扇，進行風冷，在溫度低時，利用散熱器葉片進行自然冷卻，當溫度過高時，採用風冷或水冷方式進行冷卻，並且可以根據溫度高低調節風扇驅動4力或水泵的轉速，從而降低能量損耗，提高效率
進一步，所述線圈12纏繞在負載上，其中，所述負載為一加熱管，所述加熱管上均勻纏繞多段線圈12，每段線圈12各自連接一個所述隔離驅動器9，提高了加熱速度，並且為了防止其中一個線圈12工作時產生的磁通幹擾甚至損壞其臨近線圈12的隔離驅動器9，採用一個同步信號加載至所有的隔離驅動器9，使得每個隔離驅動器9控制的高頻開關都能同時開通，同時關斷，將每個線圈12對其他線圈12的幹擾降到最低，進一步提高了可靠性；
如圖2所示，所述輸入電流檢測模塊16包括：電流檢測晶片、第一至第四電阻、二極體，所述電流檢測晶片的第一輸入端連接所述半橋/全橋電路10，所述電流檢測晶片的第二輸入端連接第一電阻的第一端，電流檢測晶片的第三輸入端連接第二電阻的第一端，第一電阻的第二端和第三電阻的第一端連接二極體的陽極，二極體的陰極連接第四電阻，第二電阻、第三電阻和第四電阻的第二端均接地，電流檢測晶片的輸出端連接單片機1的輸入端。
進一步，所述風扇驅動4包括：驅動晶片、場效應管、第五電阻，所述驅動晶片的電壓端接12v電壓，驅動晶片的輸出端連接風扇，驅動晶片的輸入端連接場效應管的集電極，場效應管的基極連接第五電阻，場效應管的發射極接地。
進一步，所述隔離驅動器9採用igbt驅動，包括：第一至第四穩壓管、第一至第四場效應管、電壓互感器，第一場效應管q1與第二場效應管q3串聯後與串聯的第三場效應管q2與第四場效應管q4並聯，第三場效應管q2和第四場效應管q4連接電壓互感器t2的初級，第一穩壓管zd1與第二穩壓管zd4反向串聯後連接到電壓互感器t2的第一次級，第三穩壓管zd2與第四穩壓管zd4反相串聯後連接到電壓互感器t2的第二次級。
進一步，所述單片機1採用工業級單片機1，其型號為stc89c52rc。
如圖3所示，為鎖相環控制電路8原理圖，實現輸出頻率對輸入頻率的自動跟蹤，提高了輸出頻率信號的穩定性。
如圖4所示，本發明實施例的一種基於pid控制的電磁加熱系統的實現方法，包括如下步驟：
步驟s1：軟啟動5開啟，對電磁加熱系統上電；
步驟s2：負載檢測模塊19檢測是否有負載；
步驟s3：讀取設定溫度和反饋溫度，計算溫度差δt和頻率δf,如果δt小於預設標準溫度差，則保持當前頻率，如果δt大於或等於預設標準溫度差，則pid調節頻率δf；
步驟s4：電網電壓監測模塊將採集的電網電壓發送至單片機1，單片機1將採集電壓與額定電壓比較，如果大於額定電壓，則過壓報警退出，如果沒有過壓則繼續進行過流檢測；
步驟s5：輸入電流檢測模塊16將採集的線圈12輸入電流發送至單片機1，單片機1將採集電流與額定電流進行比較，如果過流則標記故障，進行線圈12過熱檢測，如果沒有過流，則直接進行線圈12過熱檢測；
步驟s6：如果線圈12過熱則標記故障，並通過風扇驅動4開啟風扇，進行散熱，並返回至步驟s3，繼續進行後續步驟，如果線圈12沒有過熱，則關風扇返回至步驟s3，繼續進行後續步驟。
進一步，所述pid調節頻率的計算方法如下：
δf＝kp(ek-ek-1)+ki·ek·tsample
δf為每次採樣周期的控制增量(頻率)輸出；
kp為pid調節器中比例係數；
ek為第k次採樣後的誤差值，ek＝g-tk，g為溫度給定值，tk為第k採樣的溫度反饋值；
ek-1為第k-1次採樣後的誤差值；
ki為pid調節器中積分係數；
tsample為每次採樣的時間間隔；
當溫度誤差δt>>預設溫度差時，為了使溫度調節更快而溫度超調較小，增大比例係數kp，減小積分係數ki；
當溫度誤差≥預設溫度差時，為了消除溫度靜態誤差，減小比例係數kp，增大積分係數ki。
進一步，為了能夠連續的調節kp和ki，利用係數α來調節，如下所示
kp＝kpα；ki＝ki(1-α)
其中，kp為比例係數的最大值，ki為積分係數的最大值，α為與溫度誤差成正比的一個係數，
最後應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的範圍。