CN102676984B - 一种自动控制辉光离子氮化炉升温和保温的电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了提供一种自动控制辉光离子氮化炉升温和保温的电源装置，它自动判定打弧状态，并进行快速灭弧、电源电压控制，在保证工件不被定点打弧损坏的前提下，实现按设定要求的自动升温和保温过程，它包括使用移相触发电路控制的可调直流电源，控制电路，储能电容器，控制电路连接移相触发电路，控制电路包括：弧检测电路，温控PID调节器，处理器电路，控制电压综合电路等。

Description

一种自动控制辉光离子氮化炉升温和保温的电源装置

技术领域

本发明涉及一种热化学处理设备，尤其涉及一种用于自动控制辉光离子氮化炉升温和保温的电源装置。

背景技术

自七十年代以来，我国研制了第一台辉光离子氮化炉使得氮化这一新工艺得以应用和推广，该设备电源部分采用电阻器来限制电流的上升，以保障电器元件不致损坏，电路工作状态稳定，以及避免工件因过流而烧伤。该直流电源由以下部分组成：

可调直流电源；储能电容器；触发电路；清洗阶段打弧电阻。该电源在控制电路上驱动和保护仍不够完善，影响了设备的可靠性，有待改进，缺点是：检测控制弧光放电电路复杂，判断速度不快，影响电源的可靠性；清洗阶段需接入电阻造成能源浪费，操作繁琐；由于辉光离子氮化在升温阶段和保温阶段，工艺要求的放电电压常低于辉光点燃所需的电压，为此增加了一组点燃电路；不能解决离子氮化工艺的自动实现，始终避免不了很多人为的因素，比如升温时间过长，工件定点打弧，损坏工件。这些因素一直制约着离子氮化炉的应用推广。

公开日为 2000年09月13日、公开号为CN 2396572Y的专利文献公开了这样的技术方案，一种辉光离子氮化炉脉冲电源，主要包括可调直流电源、主控电路和控制电路，可调直流电源后接主控电路，主控电路包括与可调直流电源并联的储能电容C，串联在主控电路主回路中的功率开关元件K和由限流电感L与续流二级管D组成的保护电路，控制电路是对主控电路中功率开关元件K的工作状态进行控制的电路等，从主控回路取主回路中的打弧判断信号并延时，控制方波的输出，方波输出至驱动电路的控制端，驱动电路的输出接功率开关元件的控制极，采用检测打弧电流和电压两个信号，在最短时间内可靠关断功率开关元件，保护功率器件的安全。该方案的不足之处是不能判断打弧的性质，以及升温时对电压电流的自动调整、保温自动控制等，因而，电源方案不够完善。

发明内容

本发明主要目的在于提供一种自动控制辉光离子氮化炉升温和保温的电源装置，它自动判定打弧状态，并进行快速灭弧、电源电压控制，在保证工件不被定点打弧损坏的前提下，实现按设定要求的自动升温和保温过程。

本发明针对现有技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的，一种自动控制辉光离子氮化炉升温和保温的电源装置，包括使用移相触发电路控制的可调直流电源，控制电路，储能电容器，控制电路连接移相触发电路控制可调直流电源的输出，控制电路包括：

弧检测电路，它通过采集可调直流电源输出回路的电流和电压来检测是否发生打弧，在打弧发生时输出打弧信号；

温控PID调节器，温控PID调节器检测炉内温度并根据设定温度输出PID调节电压信号去控制可调直流电源的输出；

处理器电路，处理器电路依据弧检测电路输出的打弧信号判断是否为定点打弧；输出处理器调节电压去控制可调直流电源的输出；依据设定保温时间进行保温时间控制；灭弧后及时对移相触发电路进行触发，依据起辉设定、炉内真空检测进行起辉电压控制；

控制电压综合电路，控制电压综合电路将PID调节电压信号、处理器调节电压和可调直流电源的电流反馈合成后输出到移相触发电路。

在这里，弧检测电路通过打弧时电压与电流的关系来检测是否发生打弧，过程迅速，将打弧检测结果送处理器电路进行灭弧处理。打弧时处理器在最短的时间内降低可调直流电源电压灭弧，灭弧后迅速给出点燃电压，从而抑制过电流、过电压出现，在保证工件不被定点打弧损坏、功率器件安全的同时，实现自动升温控制。温控PID控制器按设定炉温进行升温，到达设定温度后按保温时间进行保温，保温时间到后切断可调直流电源，停止对辉光离子氮化炉供电。

处理器电路对打弧性质进行判断，如果是定点打弧则处理器电路及时降低可调直流电源输出电流（炉体内电流）直到弧光消失为止，并将定点打弧时的电流作为参考，避免大于或等于该参考电流的电流出现；如果为非定点打弧则适当降低可调直流电源输出电压以及升压速度，保持安全升温。

控制电压综合电路将PID调节电压信号、处理器调节电压和可调直流电源的电流反馈合成后输出到移相触发电路来调整可调直流电源的输出。

作为优选，弧检测电路的一输入端连接电压采样电路，一输入端连接电流采样电路，弧检测电路的输出端连接处理器电路和移相触发电路；温控PID调节器连接炉温检测电路、温度设定装置、处理器电路和控制电压综合电路一输入端，控制电压综合电路还一输入端连接电流采样电路，还一输入端连接处理器电路，处理器电路还连接真空检测电路、起辉设定装置、保温设定装置，电流采样电路，温度设定装置。弧检测电路的打弧输出信号除发送处理器电路进行打弧性质判断、灭弧处理外，还直接输送到移相触发电路进行关闭可调直流电源输出，进一步增加灭弧控制。温控PID调节器根据检测炉温、设定温度进行炉温调节控制，在达到设定温度后通知处理器电路，处理器电路开始计时，在达到所设定的保温时间后切断可调直流电源的输出。处理器电路检测炉内真空度、接收起辉电压设定；接收保温设定、采集定点打弧时的电流等。

作为优选，弧检测电路依据电压下降同时电流增大来检测打弧发生，并通过脉冲吸收电路滤除电源回路中脉冲跳变影响。

作为优选，弧检测电路还包括过流检测电路，过流检测电路进行可调直流电源的输出电流过载检测。为增加电路安全性，将电流通过弧检测电路进行检测，在出现可调直流电源的输出电流过载时，弧检测电路关闭移相触发电路输出，直至过载电流消失。

作为优选，处理器电路包括单片机，数模转换器，模数转换器，运算放大器，单片机数据输入输出端连接数模转换器数据输入端，运算放大器输入端连接数模转换器的模拟量输出端，运算放大器输出斜坡电压到控制电压综合电路，模数转换器的数据输出端连接单片机数据输入输出端。采用斜坡电压输出控制，以避免调整电压出现跳变影响可调直流电源稳定输出，模数转换器用于采集可调直流电源回路的电流数值。

作为优选，单片机通过测量打弧的持续时长来判定是否为定点打弧。根据炉体、工件等具体因素确定持续打弧的时长，超过规定的打弧时长则认为是定点打弧。

作为优选，单片机还连接报警电路。在出现定点打弧、保温开始、保温结束等状态时，发出声、光报警，提醒管理人员注意。

作为优选，单片机连接一串口显示器，用于各种参数显示。

本发明带来的有益效果是，通过弧检测电路检测和处理器电路控制，如果为非定点打弧则在迅速灭弧后适当降低可调直流电源输出电压以及升压速度，保持安全升温；如果为定点打弧时则迅速灭弧，并将定点打弧时的电流作为参考电流，控制大于或等于该参考电流的电流出现；在灭弧后处理器电路迅速给出点燃电压并逐步安全升压，从而抑制过电流、过电压出现，在保证工件不被定点打弧损坏、功率器件安全的同时，实现自动升温控制以及保温控制。

附图说明

图1是本发明的一种原理框图；

图2是本发明的一种处理器电路；

图3是本发明的一种弧检测电路；

图4是本发明的一种控制电压综合电路；

图5是移相触发电路；

图6是工艺基本流程；

图7是本发明的一种基本工作流程图。

其中：1是可调直流电源，1-1是移相触发电路，2是处理器电路，3是控制电压综合电路，4是弧检测电路，5是起辉设定装置，6是温度设定装置，7是温控PID调节器，8是真空检测电路，9是温度设定装置，10是炉温检测电路，11是电压检测电路，12是电流采样电路，13是辉光离子氮化炉，14是报警电路，15是继电器开关，16是抽真空装置，C是储能电容器。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体说明。

实施例： 如图1所示，本发明是一种自动控制辉光离子氮化炉升温和保温的电源装置，可调直流电源1的移相触发电路1-1连接控制电路，可调直流电源1输出端连接储能电容器C和辉光离子氮化炉13。其中，控制电路包括：

弧检测电路4连接电压采样电路11和电流采样电路12，进行打弧检测和电流过载检测，输出打弧信号到处理器电路2进行打弧处理，同时输出打弧信号到移相触发电路直接关闭移相触发；

温控PID调节器7连接炉温检测电路10和温度设定装置9，输出的调节电压信号到控制电压综合电路3，当测得炉内温度达到设定温度时发送到温信号给处理器电路2进行保温计时，并维持当前炉温，达到设定保温时间后，处理器电路2关闭可调直流电源1；

处理器电路2连接起辉设定装置5、保温设定装置6、真空检测电路8、炉温设定装置9、电流采样电路12、报警电路14、继电器开关15等，进行综合管理控制；

控制电压综合电路3的输入端分别连接处理器电路2输出的电压调整信号、温度PID调节器7的调节电压信号和电流采样电路12，输出端连接移相触发电路1-1。

起辉设定装置5用于设定起辉电压，保温设定装置6用于保温时长设定，炉温设定装置9用于炉温设定。起辉设定装置5、保温设定装置6为简化处理器电路，使用4X4行列式键盘代替完成相关数据输入，炉温设定装置9采用与温控PID调节器7配套使用的温度表，报警电路14采用灯光和扬声器完成声光提示，继电器开关15的控制端连接处理器电路2的输出端，继电器开关15的接点控制交流电源的通断。

图2所述为处理器电路，单片机采用TA89C51，数模转换器为DAC0832，模数转换器采用ADC0809，运算放大器采用LM358。TA89C51的P2口连接4X4行列式键盘，作为设定参数输入装置，P0口作为数据输入、输出口连接DAC0832和ADC0809，P1.0作为DAC0832片选线，P1.1作为ADC0809片选线，P1.5至P1.7为ADC0809通道选择线，温控PID调节器7在达到设定控制温度时发出到温信号到P3.4端口进行计时器中断控制，计时时间到保温时长后P1.4关断交流电源；打弧信号输入到P1.2端口，收到打弧信号后开始计时，打弧信号消失停止计时，当计时时长达到规定时长则认为是定点打弧；报警信号、继电器开关控制信号分别由P1.3和P1.4输出；P3.5设置为输入/输出功能状态，控制抽真空装置启动、停机。在TA89C51的控制下，电阻R3上得到斜坡电压并输出到控制电压综合电路3。真空采样信号、电流采样信号、炉温检测信号分别连接模数转换器ADC0809的输入端；TA89C51的串口（P3.0、P3.1）连接串口显示器（型号为EBD035Z10）进行输入参数、状态参数显示。

图3所示为弧检测电路，电压采样电路11的电压信号首先经电容滤波滤除脉冲跳变，再经阀值设定电路等处理后送到与非门电路；电流采样电路12的电流信号首先经电容滤波滤除脉冲跳变，再经阀值设定电路等处理后送到与非门电路；在电压下降而同时电流上升现象出现时，与非门电路输出的打弧信号经单稳态电路74LS123处理后以矩形波方式输出到单片机TA80C51进行灭弧处理。

在弧检测电路中还设置有过载电流检测，当可调直流电源回路中出现过载电流时，来自于电流采样电路12的电流信号首先经阀值设定电路，在超过设定阀值时向单稳态电路74LS123输出电流过载信号，单片机TA89C51输出电压调节信号降低可调直流电源输出电压。

图4是控制电压综合电路，处理器电路的处理器调节电压与PID调节电压合成放大后，再与电流反馈信号一同作为移相触发信号送到移相触发电路。

图5所述为移相触发电路，采用先进的高性能晶闸管三相移相触发集成电路TC787。控制电压综合电路3的移相触发信号发送到TC787的移相控制电压输入端，进行可调直流电源输出电压控制；弧检测电路4的打弧信号和过流信号作为灭弧/过流保护信号发送到TC787的输出脉冲禁止端，禁止TC787的输出，在灭弧/过流保护信号消失后TC787立即恢复输出。

图6是基本工艺流程，在工艺准备阶段完成工件清洗、抽真空、氨微量气体导入等；电压、电流逐步增加进入升温阶段，在升温阶段依据打弧情况控制电压升高速率；当炉内温度达到设定温度时进入保温阶段，由温控PID调节器进行保温控制；保温时间达到设定值切断电源进入降温阶段。

图7是基本工作流程图，包括步骤：

步骤101，输入保温时间、起辉电压等参数，之后进行抽真空、炉内真空检测、微量气体加入等准备工作；

步骤102，在处理器电路2和温控PID调节器7控制下开始升温；

步骤103，逐步提高电源电压；

步骤104，判断是否有打弧发生，如果有打弧发生，则转步骤107灭弧；

步骤105，按打弧持续时长判断是否为定点打弧，如果为定点打弧则转步骤106；

步骤106，检测打弧时的电流，并将该电流作为参考电流存储，以供升压时作为参考，控制升压幅度；

步骤107，进行灭弧处理，在灭弧时处理器电路2降低可调直流电源的输出电压，并在移相控制电路1-1中关闭脉冲输出，以迅速灭弧；

步骤108，在灭弧后，处理器电路2迅速给出点燃电压控制，使辉光离子氮化炉13迅速起辉，并逐步升高电压继续升温；

步骤109，降低升压速度、控制电流不超过参考电流，进行安全升温；

步骤110，判断是否达到设定炉温，当达到设定炉温后，温控PID调节器7给出到温信号，处理器电路2开始计时，温控PID调节器7进行保温控制，并进行声光提示；

步骤111，在计时时长达到保温设定时长后，处理器电路2切断交流电源，并进行声光提示。

所以本发明具有：通过弧检测电路检测和处理器电路控制，对于非定点打弧则在迅速灭弧后适当降低可调直流电源输出电压以及升压速度，保持安全升温；处理器电路判断为定点打弧时则迅速灭弧，并将定点打弧时的电流作为参考电流，控制大于或等于该参考电流的电流出现；在灭弧后处理器电路迅速给出点燃电压并逐步安全升压，从而抑制过电流、过电压出现，在保证工件不被定点打弧损坏、功率器件安全的同时，实现自动升温控制以及保温控制等特征。

Claims (7)

1.一种自动控制辉光离子氮化炉升温和保温的电源装置，包括使用移相触发电路控制的可调直流电源，控制电路，储能电容器，所述控制电路连接移相触发电路控制可调直流电源的输出，其特征在于，所述控制电路包括：

弧检测电路，所述弧检测电路通过采集可调直流电源输出回路的电流和电压来检测是否发生打弧，在打弧发生时输出打弧信号；

温控PID调节器，所述温控PID调节器检测炉内温度并根据设定温度输出PID调节电压信号去控制可调直流电源的输出；

处理器电路，所述处理器电路依据弧检测电路输出的打弧信号判断是否为定点打弧；输出处理器调节电压去控制可调直流电源的输出；依据设定保温时间进行保温时间控制；灭弧后及时对移相触发电路进行触发，依据起辉设定、炉内真空检测进行起辉电压控制；

控制电压综合电路，所述控制电压综合电路将PID调节电压信号、处理器调节电压和可调直流电源的电流反馈合成后输出到所述移相触发电路；

所述弧检测电路的一输入端连接电压采样电路，一输入端连接电流采样电路，所述弧检测电路的输出端连接处理器电路和移相触发电路；所述温控PID调节器连接炉温检测电路、温度设定装置、处理器电路和控制电压综合电路一输入端，所述控制电压综合电路还一输入端连接电流采样电路，还一输入端连接处理器电路，所述处理器电路还连接真空检测电路、起辉设定装置、保温设定装置，电流采样电路，温度设定装置。

2.根据权利要求1所述一种自动控制辉光离子氮化炉升温和保温的电源装置，其特征在于:所述弧检测电路依据电压下降同时电流增大来检测打弧发生，并通过脉冲吸收电路滤除电源回路中脉冲跳变影响。

3.根据权利要求1或2所述一种自动控制辉光离子氮化炉升温和保温的电源装置，其特征在于: 所述弧检测电路还包括过流检测电路，所述过流检测电路进行可调直流电源的输出电流过载检测。

4.根据权利要求1所述一种自动控制辉光离子氮化炉升温和保温的电源装置，其特征在于:所述处理器电路包括单片机，数模转换器，模数转换器，运算放大器，所述单片机数据输入输出端连接数模转换器数据输入端，运算放大器输入端连接数模转换器的模拟量输出端，所述运算放大器输出处理器调节电压到控制电压综合电路，所述模数转换器的数据输出端连接单片机数据输入输出端。

5.根据权利要求4所述一种自动控制辉光离子氮化炉升温和保温的电源装置，其特征在于:所述单片机通过测量打弧的持续时长来判定是否为定点打弧。

6.根据权利要求4所述一种自动控制辉光离子氮化炉升温和保温的电源装置，其特征在于:所述单片机还连接报警电路。

7.根据权利要求4或5或6所述一种自动控制辉光离子氮化炉升温和保温的电源装置，其特征在于:所述单片机连接一串口显示器。

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