基于运放退饱和的电阻炉温度控制系统设计

摘要：为了实现电阻炉的快速升温及温度控制，采用运放退饱和的方法，当电阻炉温度未达到设定值时，运放饱和输出，所控制的驱动电路输出脉冲的占空比最大，IGBT近似全导通，电炉加热功率最大，温度快速上升；当温度达到设定值时，运放开始退饱和，输出电压逐渐减小，从而减小驱动电路输出脉冲的占空比，IGBT导通时间变短，电炉加热功率减小，实现温度控制。通过Multisim软件仿真及硬件电路测试，验证了本设计的可行性。该温度控制系统具有升温速度快、易于操作、滞后性较低的优点。
关键词：电阻炉；温度控制；运放；退饱和；IGBT

0 引言
    电阻炉在热处理工艺中被广泛应用，研究电阻炉控制方法具有重要意义。目前，电炉温度控制主要采用PID控制或基于PID的衍生控制方法，PID控制整定方便，适应性好，是目前过程控制中应用广泛的一种控制方法，但对于滞后大的过程，如温度控制，PID稳定时间较长。本文中提出的通过运放退饱和来调节驱动脉冲的占空比，从而控制IGBT关断与导通时间，实现对电炉温度的控制和调节的方法，简单实用，升温速度快，为温度控制提出了另一种可行性方法。

1 电路控制原理
    本设计的系统框图如图1所示，由IGBT输出作为电阻丝电源，IGBT的导通和关断时间由555多谐振荡输出脉冲的占空比控制，555电路输出脉冲占空比由系统框图中反馈控制电路的输出电压控制。

    本文主要讨论反馈控制电路，电路设计思路是当温度低于设定温度时，运放饱和输出，555振荡电路输出脉冲具有最大占空比，IGBT接近于全导通，电路具有最大输出功率，电阻炉快速升温。当温度接近设定温度时，运放开始退饱和，输出电压减小，从而555振荡电路输出脉冲的占空比减小，IGBT导通时间变短，从而电炉功率减小。

    基于以上设计思路，设计出一套由两级运放组成的反馈控制电路，电路图如图2所示。电路输入是由热电偶从电炉反馈回的热电动势，经第一级运放放大后与温度控制信号Vcon进行差值运算后经第二级放大输出。当热电偶反馈信号小于Vcon时，第二级运放饱和输出，555电路输出脉冲占空比最大，从而IGBT导通时间最长，电炉加热功率最大。当热电偶反馈信号超过Vcon时，第二级运放开始退饱和，输出减小，555电路输出占空比减小，IGBT导通时间变短，电炉加热功率变小，从而使电炉温度在设定温度上下变化。设定温度值可以通过改变温度控制信号Vcon与Rf、R2的值来改变，电路简单实用，便于调整。

2 数据分析与仿真
    为了验证电路设计参数以及与实际电路的运行结果进行对照，利用Multisire仿真软件对电路进行了仿真测试。电路采用K型镍铬一镍硅热电偶进行反馈，K型镍铬-镍硅热电偶分度表如表1所示。

    仿真中，设定900℃为温度期望值，使运放在820℃时开始退饱和，查表1可知820℃时热电偶反馈电动势为34．095 mV，通过调整、Rf及R2使设定温度为此值对应温度。首先，在图2所示电路输入端加上连续变化的正弦信号(低频)来模拟热电偶反馈信号，正弦信号幅度为45 mV，即反馈信号Vi在0～45 mV周期性变化，查表1可知，相当于电炉温度是在0～1 100℃周期性变化，仿真结果如图3所示，双踪示波器A路(线1)显示幅度为45 mV的正弦输入信号，B路(线2)显示第二级运放的输出信号，可以看到运放是从Vi=34．321 mV处开始退饱和，由表1知对应温度稍高于820℃，误差较小，符合设计预期。

    图4所示为输出电压、占空比与温度关系图，可以看出，运放在820 ℃左右开始退饱和，运放输出电压逐渐减小，555输出方波占空比随之减小，从而达到减小主电路功率输出的目的。当温度达到900℃左右时，运放输出电压减小到约6．4 V，此时555电路输出的驱动脉冲占空比只有0．3左右，电炉温度趋于稳定。

3 硬件电路测试结果
    图5所示为相同设定下不同退饱和点时的温度上升曲线。当退饱和点设定较高时(即线1)，由于升温速度快和温度的滞后作用，温度一旦超过设定值后再稳定至设定温度。当退饱和点设定较低时(即线3)，需要较长的时间逐渐达到设定温度值。当退饱和点设定合适时(即线2)，可以达到较理想的快速升温曲线。

4 结语
    本文提出一种基于运放退饱和和反馈控制设计电炉电路的方法，给出了具体的设计电路图及软硬件测试结果。实验结果表明本系统简单实用，升温速度快，可以根据需要设定不同的温度阈值，为电阻炉温度控制提出了另一种可行性方法。同时，本设计也有很大的改进空间，通过精确地计算电路参数，并将控制电压设为由MCU或PLC控制，可以实现自动化调节，使操作更简单，精度更高。希望本文对从事电阻炉改造和设计的人员提供有益帮助。