CN103186150A - 一种交流加热器控制装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流加热器控制装置及方法，涉及加热器控制领域。首先，由市电过零检测电路检测市电过零点，并且在过零点处产生高电压，形成过零脉冲序列作为中央处理单元的中断输入；然后中央处理单元确定下一过零脉冲到达后的半波周期中加热器电压的通断情况，在外部中断产生后，经过延时后输出控制加热器电压的通断信号；最后控制电路将该通断信号转换为继电器的驱动信号，通过固态继电器控制加热器电压的通断，实现对交流加热器功率的控制。本发明所述的装置及方法，将加热功率控制周期控制在40毫秒以内，通过过零型固态继电器的使用以及市电过零检测电路的引入，减少了开关瞬态效应，极大地提高了系统的稳定性和可靠性。

Description

一种交流加热器控制装置与方法

技术领域

本发明涉及加热器控制领域，尤其涉及一种工业用交流加热器控制装置与控制方法。

背景技术

在各种生产过程中，几乎所有产品都需要经过加热。在成型之前，涂装需要干燥，粘合剂需要活化，塑料需要加热。有效地利用能量可以使得加热过程更高效，且加热时间更短，所需空间更小，从而降低了整体生产成本。

为了使加热过程变得更高效、供能更精确，对加热器功率的控制就变得尤为重要。传统的加热器控制方法主要有以下两种。第一种为间歇加热，控制周期一般为几秒甚至几十秒，无法实现加热功率的快速调节，稳定性欠佳。第二种为通过IGBT晶闸管等器件对负载供电电压实现快速斩波，该方法可以实现加热器功率的精确连续调节，但增加的成本较高，且由于控制开关需要长期在高电压下连续切换，故开关触点损耗非常大，产品无法长时间可靠地工作。

交流固态继电器采用了过零触发技术，只在交流信号过零(正弦波过零点)时才切换导通或关断的状态，该类继电器可称为过零型交流固态继电器。将交流固态继电器应用于加热器控制领域，可以很好地发挥其过零触发的特性，防止高次谐波的干扰，减少电流波形的突然中断，从而减少了开关瞬态效应，极大地提高了系统的可靠性。然而，正是由于固态继电器的这一特性，使得控制负载供电电压的通断周期必须为市电周期半数的整数倍，即为10毫秒的整数倍。假设需要实现负载功率20％的调节，最短的通断周期也需要50毫秒，即负载供电电压通10毫秒，断40毫秒。在图像呈现领域，当图像以高于24帧/秒的速度切换时，人眼将感觉不到闪烁，即可以实现图像的连续播放。换言之，人眼的视觉维持时间的极限应为40毫秒左右。由于加热器的辐射必然包含一定成分的可见光，通断周期大于50毫秒时，人眼将直接感知到加热能量控制的周期波动及不稳定性。此外，通断周期过长，也不利于功率在时间上的均匀分布以及快速调节，无法在传统的间歇式加热方法中体现出优势。

从而，希望能够提供一种加热器控制方法，既能实现功率的快速调节，避免可见的功率控制波动，提高功率控制的稳定性；又能节约成本，减少损耗，尽可能提高系统长期工作的可靠性。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种交流加热器控制装置与方法，实现交流加热器多档加热功率的灵活切换，将加热器的控制功率控制值40毫秒以内，通过过零固态继电器减少了开关的瞬态效应，极大提高了系统的可靠性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种交流加热器控制装置，包括：

市电过零检测电路：用于检测市电过零点并在过零点处产生高电压，形成过零脉冲序列，作为中央处理单元的中断输入信号；

中央处理单元：用于接收加热器的设定功率，根据设定功率计算所需的交流电压的电压通断比，在接收到过零脉冲序列产生的中断输入信号后，经过延时输出与加热器供电电压同步的电压通断信号；所述延时是指越过当前过零点时刻；

控制电路：用于接收电压通断信号，并将电压通断信号转化为过零型固态继电器驱动信号，通过控制过零型固态继电器的导通与关断来控制加热器供电电压的通断；

其中，市电过零检测电路与中央处理单元连接，中央处理单元与控制电路连接，控制电路与加热器连接，加热器与市电过零检测电路连接。

进一步，如上所述的一种交流加热器控制装置，所述市电过零检测电路包括：

交流信号限流电路：用于保护光耦检测电路和逻辑门电路的安全以及降低电路功耗；

光耦检测电路：用于市电过零点的检测，并在过零点处输出高电压；

逻辑门电路：用于接收光耦检测电路的输出信号，并在过零点输出过零脉冲序列；

其中，交流信号限流电路与光耦检测电路连接，光耦检测电路与逻辑门电路连接。

进一步，如上所述的一种交流加热器控制装置，所述光耦检测电路包括：

正半周期光耦检测电路：用于市电正半周期过零点的检测，并在过零点输出高电压；

负半周期光耦检测电路：用于市电负半周期过零点的检测，并在过零点输出高电压；

其中，所述正半周期光耦检测电路与负半周期光耦检测电路并联。

进一步，如上所述的一种交流加热器控制装置，所述逻辑门电路为与非门电路。

进一步，如上所述的一种交流加热器控制装置，所述中央处理单元包括核心处理单元，以及与核心处理单元连接的外围电路，其中：

核心处理单元：用于接收过零脉冲序列后，经过延时输出与加热器供电电压同步的电压通断信号；

外围电路：用于维持核心的正常运行，包括核心控制单元运行所需的电源信号、外部晶振信号和硬件复位信号。

再进一步，如上所述的一种交流加热器控制装置，所述控制电路包括：

光耦隔离电路：用于中央处理单元与过零型固态继电器驱动电路的隔离；

继电器驱动电路：用于驱动过零型固态继电器的正常工作；

过零型固态继电器：用于控制加热器的通断；

光耦隔离电路与继电器驱动电路连接，继电器驱动电路与过零型固态继电器连接。

更进一步，如上所述的一种交流加热器控制装置，所述市电过零检测电路通过逻辑门电路与中央处理单元连接，中央处理单元通过核心处理单元与控制电路连接，控制电路通过过零型固态继电器与加热器连接。

一种交流加热器控制方法，包括以下步骤：

(1)检测市电的过零点并在过零点处产生高电压，形成过零脉冲序列；

(2)中央处理单元接收过零脉冲序列，并根据加热器所需的供电电压的电压通断比，输出与加热器供电电压同步的电压通断信号；

(3)控制电路接收电压通断信号，并将接收到的电压通断信号转化为过零固态继电器的驱动信号，通过控制过零固态继电器的导通与关断来控制加热器的通断。

进一步，所述的一种交流加热器控制方法，步骤(2)中，所述电压通断比是根据加热器的设定功率计算的。

再进一步，所述的一种交流加热器控制方法，步骤(2)中，中央处理单元在在越过当前过零时刻后，根据加热器供电电压的通断情况输出与加热器供电电压同步的电压通断信号。

更进一步，所述的一种交流加热器控制方法，过零固态继电器在下一过零时刻进行继电器的导通与关断的切换，来控制加热器的通断。

本发明的效果在于：本法所述的装置及方法，由于引入了过零检测功能，使得控制系统能避免市电频率波动从而导致加热器功率无法精确控制的问题，完全实现过零型继电器的同步控制。较之传统的间歇式加热控制方法，加热器输出功率切换迅速，波动小，且电路简单、成本低，稳定性高，极大地提高了系统的可靠性。此外，本发明所述的方法将加热器的加热功率控制在40毫秒以内，完全避免了人眼可能感觉到的加热能量波动，尤其适合包含一定量可见光的红外辐射器/红外灯管控制。

附图说明

图1为本发明一种交流加热器控制装置的结构框图；

图2为具体实施方式中提供的一种交流加热器控制装置的结构示意图；

图3为具体实施方式中提供的一种交流加热器控制装置的电路结构示意图；

图4为本发明一种交流加热器控制方法的流程示意图；

图5为具体实施方式中提供的光耦检测电路的电路原理示意图；

图6为具体实施方式中提供的与非门的功能示意图；

图7为具体实施方式中提供的MCU外围复位电路原理示意图；

图8为具体实施方式中提供的光耦隔离电路的电路原理示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

本发明旨在提供一种交流加热器控制装置与方法，用以实现对交流加热器功率的精密控制。图1、图2和图3分别示出了本发明一种交流加热器控制装置的结构框图以及各部分的电路结构示意图，由图中可以看出，该装置主要包括市电过零检测电路11，与市电过零检测电路连接的中央处理单元12，以及与中央处理单元12连接的控制电路12，其中：

市电过零检测电路11：用于检测市电过零点并在过零点处产生高电压，形成过零脉冲序列，作为中央处理单元的中断输入信号；

中央处理单元12：用于接收加热器的设定功率，根据设定功率计算所需的交流电压的电压通断比，在接收到过零脉冲序列产生的中断输入信号后，经过延时输出与加热器供电电压同步的电压通断信号；所述延时是指越过当前过零点时刻；

控制电路13：用于接收电压通断信号，并将电压通断信号转化为过零型固态继电器驱动信号，通过控制过零型固态继电器的导通与关断来控制加热器供电电压的通断。

由图2和图3可知，市电过零检测电路11包括交流信号限流电路201，用于保证后级电路(光耦检测电路202与逻辑门电路203)的安全以及降低电路功耗；与交流信号限流电路201连接的光耦检测电路202，光耦检测电路202包括正半周期光耦检测电路和负半周期光耦检测电路，二者并联起来用于双向过零检测；以及与光耦检测电路连接的逻辑门电路203，用于接收两路光耦检测电路的输出信号，并输出最终的过零脉冲序列，本具体实施方式中所选的逻辑门电路为与非门电路。

中央处理单元12包括用于计算交流加热器所需交流电压的通断比，确定下一过零检测周期中加热器电压的通断情况。在接收到过零脉冲序列产生的外部中断信号后，经过一定的延时后，发送出下一过零检测周期加热器电压的通断控制信号。该处理单元包括了用于功率控制的核心处理单元204，该单元根据交流加热器所需的交流电压，结合接收到的过零脉冲序列，发送出与加热器电压同步的电压通断信号；本具体实施方式中的核心处理单元204主要器件采用的是MCU芯片；中央处理单元12除了核心处理单元204，还包括了提供核心处理单元(MCU芯片)正常运行所需的外围电路205，包括正常运行所需的电源信号、外部晶振信号和硬件复位信号等。

控制电路13用于将接收到的电压通断信号转换为相应的继电器驱动信号，进而控制继电器的导通与关断，实现加热器电压的通断，该电路包括光耦隔离电路206，用于隔离中央处理单元12与继电器驱动芯片；与光耦隔离电路206连接的继电器驱动电路207，用于驱动继电器的正常工作；以及与继电器驱动电路207连接的过零型固态继电器208，用于控制加热器电压的通断。

所以，对于本发明所述的交流加热器控制装置，市电过零检测电路11通过逻辑门电路203与中央处理单元12连接，中央处理单元12通过核心处理单元204与控制电路13连接，控制电路13最后通过过零型固态继电器与负载加热器连接。在该装置工作的过程时，市电过零检测电路11检测到继电器即将过零时，经逻辑门电路203将产生脉冲上升沿，作为外部中断信号输出至中央处理单元12，核心处理单元204接收到过零脉冲上升沿，外部产生中断，经过延时越过当前过零时刻，延时后输出与加热器供电电压同步的通断信号到控制电路13，由控制电路将加热器电压通断信号转换成继电器的驱动信号，最后通过控制过零型固态继电器208的通断，进而控制加热器电压的通断来实现对加热器通断的控制。

此外，本发明还提供了基于上述控制装置的一种交流加热器的控制方法，其流程图如图4所示，由图中可以看出，该方法主要包括以下几个步骤：

步骤S101：检测过零点形成过零脉冲序列；

检测市电的过零点并在过零点处产生高电压，形成过零脉冲序列。市电过零检测电路11检测到交流电压即将过零，经过逻辑门电路的与非门将产生脉冲上升沿，形成过零脉冲序列，该过零脉冲序列将作为外部中断信号输出到中央处理单元12。通过引入该过零检测功能，使得加热器控制装置能够避免市电频率波动而导致的加热器功率无法精准控制的问题，完全实现过零继电器与加热器的同步控制。

步骤S102：根据加热器所需的供电电压的电压通断比，产生与供电电压同步的电压通断信号；

中央处理单元12步骤S101形成的接收过零脉冲序列，并根据加热器所需的供电电压的电压通断比，输出与加热器供电电压同步的电压通断信号。加热器所需的电压通断比是根据加热器的设定功率计算的，例如25％额定功率输出时供电电压通断比为1∶3，50％额定功率输出时供电电压通断比为1∶1。在该步骤中，MCU接收到过零脉冲上升沿，外部中断产生，并进入延时程序，延时的目的是越过当前过零时刻，避免继电器的未知动作，演示后，将与加热器供电电压同步的电压通断信号输出到控制电路13.

步骤S103：将电压通断信号转化为继电器的驱动信号，控制继电器的导通实现加热器的通断。

控制电路13接收中央处理单元12输出的电压通断信号，并将接收到的电压通断信号转化为过零固态继电器的驱动信号，通过控制过零固态继电器的导通与关断来控制加热器的通断，由于过零固态继电器的特性，继电器将在下一个过零时刻到来时进行切换，进而控制加热器电压的通断。之后，中央处理单元将继续根据加热器所需的功率，计算下一个过零周期的电压通断比，确定下一个过零点到来时，所需的加热器电压的控制信号，之后再重复上述步骤101～103，以实现对加热器功率的精确控制。

下面结合具体的附图中给出的电路原理图，给出本发明实施例更详细的说明。

实施例

对以本发明中的市电过零周期检测电路11，本具体实施例提供的交流信号限流电路201为直插式电阻，该电阻的阻值范围可在20KΩ～100KΩ之间选择，所选电阻的功耗应大于0.5W。本发明实施例提供的光耦检测电路202的电路原理示意图如图5所示，包括正半周期光耦检测电路和负半周期光耦检测电路，在正弦波的正半周期，当加热器电压幅值接近0值时，正半周期光耦检测电路的光耦U1将截止，并输出高电平；在正弦波的负半周期，当加热器电压幅值接近0值时，负半周期光耦检测电路的光耦U2将截止，并输出高电平。采用该类型的光耦检测电路，在省略了全波整流电路的条件下，也可检测出交流电压的所有过零点，而且正反光耦之间可以起到互相保护的作用，防止交流电压变向的时候反向击穿光耦。本实施例中所提供的光耦选择型号为PS2801-1的单路光耦。本实施例中提供的逻辑门电路203的与非门型号为74LVC1G00，其真值表如图6所示，两路光耦的检测信号经过与非门以后，将输出只在过零点附近为高电平的过零脉冲序列。但是本领域技术人员可以理解的是，对于光耦型号以及与非门型号的选择不是唯一的，还可以选择其它任何合适的光耦以及与非门。

对于中央处理单元12，本具体实施例中的核心处理单元204中的MCU芯片选择型号为AT89C51ED2的51系列单片机，可接收外部中断，具有2个内部定时器，将与非门的输出连至MCU芯片的外部中断管脚，当过零脉冲信号到达时，将产生外部中断，经过一定的延时处理后，将由MCU芯片发送与加热器电压同步的电压通断信号。本实施例中提供的MCU外围电路205包括5V的直流电压、18.432MHz外部晶振以及外部复位电路，MCU外围复位电路原理示意图如图7所示。

对于控制电路13，本实施例中提供的光耦隔离电路206的电路原理图如图8所示，本领域技术人员可以理解的是，电路中电阻的阻值选择不是唯一的，在满足光耦参数以及光耦驱动能力的条件下，任何阻值都是可行的。本发明实施例选择的继电器通用型号为SSR-25DA的过零型交流固态继电器，该继电器的输入电压范围为3～32VDC，加热器电压范围为24～440VAC，最大加热器电流为25A。考虑到设计的逻辑对应关系以及驱动问题，在控制信号和继电器之间加入集成电路驱动器ULN2803。在ULN2803输入端为高电平时，对应的输出口输出低电平，继电器触点吸合，加热器电压通；当ULN2803输入端为低电平时，继电器触点断开，加热器电压断。本领域技术人员可以理解的是，还可以选择其它任何型号的过零型交流固态继电器。

从图1所示的框图可以看出，本发明实施例提供的交流加热器装置，可以实现各种加热器的从零功率至满额定功率之间的共五档功率输出。其中，零功率输出时供电电压常断；25％额定功率输出时供电电压通断比为1∶3，控制周期40毫秒；50％额定功率输出时供电电压通断比为1∶1，控制周期20毫秒；75％额定功率输出时供电电压通断比为3∶1，控制周期40毫秒；满功率输出时供电电压常通。从电路结构可以看出，整个控制电路结构简单，实现成本低廉。

此外，需要说明的是，虽然以具体的实施例详细地描述了本发明。但是，本领域技术人员可以理解的是，在不脱离本发明的思想的情况下，还可以选择其它任何合适的实现方式。例如，虽然给出了实施例中所采用的芯片的具体型号的示例，但是本领域技术人员可以理解的是，给出的示例仅仅用于说明本发明，而非限制本发明。例如，除了可以采用实施例所给出的具体的光耦芯片、继电器等元件以外，其它任何合适的其它型号的光耦芯片、继电器等元件也是可行的。更进一步地说，实施例中的各个组件可由分立元件实现，也可以由集成元件实现，并且可以在集成电路中实现。同样，本具体实施例中各种电路原理示意图(图5～图8)中，电路中电阻的阻值选择不是唯一的，在满足各器件参数及驱动的条件下，其它阻值也是可行的。

综上所述，本发明实施例通过引入双向光耦过零检测电路、逻辑门电路、MCU微控制器、继电器及其驱动电路组成的控制系统，实现了对加热器功率的精确快速控制，消除了电网频率波动带来的功率控制不准确的情况，而且整个电路调试方便，成本低廉。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种交流加热器控制装置，包括：

市电过零检测电路：用于检测市电过零点并在过零点处产生高电压，形成过零脉冲序列，作为中央处理单元的中断输入信号；

中央处理单元：用于接收加热器的设定功率，根据设定功率计算所需的交流电压的电压通断比，在接收到过零脉冲序列产生的中断输入信号后，经过延时输出与加热器供电电压同步的电压通断信号；所述延时是指越过当前过零点时刻；

控制电路：用于接收电压通断信号，并将电压通断信号转化为过零型固态继电器驱动信号，通过控制过零型固态继电器的导通与关断来控制加热器供电电压的通断；

其中，市电过零检测电路与中央处理单元连接，中央处理单元与控制电路连接，控制电路与加热器连接。

2.如权利要求1所述的一种交流加热器控制装置，其特征在于：所述市电过零检测电路包括：

交流信号限流电路：用于保护光耦检测电路和逻辑门电路的安全以及降低电路功耗；

光耦检测电路：用于市电过零点的检测，并在过零点处输出高电压；

逻辑门电路：用于接收光耦检测电路的输出信号，并在过零点输出过零脉冲序列；

其中，交流信号限流电路与光耦检测电路连接，光耦检测电路与逻辑门电路连接。

3.如权利要求2所述的一种交流加热器控制装置，其特征在于：所述光耦检测电路包括：

正半周期光耦检测电路：用于市电正半周期过零点的检测，并在过零点输出高电压；

负半周期光耦检测电路：用于市电负半周期过零点的检测，并在过零点输出高电压；

其中，所述正半周期光耦检测电路与负半周期光耦检测电路并联。

4.如权利要求2所述的一种交流加热器控制装置，其特征在于：所述逻辑门电路为与非门电路。

5.如权利要求1所述的一种交流加热器控制装置，其特征在于：所述中央处理单元包括核心处理单元，以及与核心处理单元连接的外围电路，其中，

核心处理单元：用于接收过零脉冲序列后，经过延时输出与加热器供电电压同步的电压通断信号；

外围电路：用于维持核心的正常运行，包括核心控制单元运行所需的电源信号、外部晶振信号和硬件复位信号。

6.如权利要求1所述的一种交流加热器控制装置，其特征在于：所述控制电路包括：

光耦隔离电路：用于中央处理单元与过零型固态继电器驱动电路的隔离；

继电器驱动电路：用于驱动过零型固态继电器的正常工作；

过零型固态继电器：用于控制加热器的通断；

光耦隔离电路与继电器驱动电路连接，继电器驱动电路与过零型固态继电器连接。

7.如权利要求2或5或6所述的所述的一种交流加热器控制装置，其特征在于：所述市电过零检测电路通过逻辑门电路与中央处理单元连接，中央处理单元通过核心处理单元与控制电路连接，控制电路通过过零型固态继电器与加热器连接。

8.一种交流加热器控制方法，包括以下步骤：

(1)检测市电的过零点并在过零点处产生高电压，形成过零脉冲序列；

(2)中央处理单元接收过零脉冲序列，并根据加热器所需的供电电压的电压通断比，输出与加热器供电电压同步的电压通断信号；

(3)控制电路接收电压通断信号，并将接收到的电压通断信号转化为过零固态继电器的驱动信号，通过控制过零固态继电器的导通与关断来控制加热器的通断。

9.如权利要求8所述的一种交流加热器控制方法，其特征在于：步骤(2)中，所述电压通断比是根据加热器的设定功率计算的。

10.如权利要求8或9所述的一种交流加热器控制方法，其特征在于：步骤(2)中，中央处理单元在在越过当前过零时刻后，根据加热器供电电压的通断情况输出与加热器供电电压同步的电压通断信号，过零固态继电器在下一过零时刻进行继电器的导通与关断的切换，来控制加热器的通断。

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