CN105050219A - 一种伺服加热系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及伺服加热系统。感应电源、负载模块和温控模块，感应电源用于输出交流电至负载模块，并根据负载模块输出端的交流电信号调整输出交流电的频率，控制输出交流电的频率趋近于负载模块的固有频率，使得加热的功率恒定；负载模块与感应电源连接，用于接收感应电源输出的交流电，产生感应磁场；温控模块用于设定感应电源的设定输出功率。该伺服加热系统根据负载模块输出端的交流电信号来调整感应电源输出相应频率的交流电，使得输出交流电的频率趋于负载模块的固有频率，保证了加热功率的恒定，全程实现自动化控制。

Description

一种伺服加热系统

技术领域

本发明涉及自动控制领域，更具体地说，涉及一种伺服加热系统。

背景技术

电磁感应加热技术通过电磁感应原理传递能量，利用涡流对工件进行加热。电磁感应加热与以煤、油、气为能源或者箱式电炉加热截然不同，它能将电能直接送到工件内部转变为热能对工件进行加热，具有加热效率高、速度快、加热均匀且具有选择性、可控性好、易于实现自动化、现场环境好、作业占地少、节电省力、产品质量稳定等优点，因此它不仅在熔炼、铸造、弯管、热锻、焊接、表面热处理、粉末冶金等传统工业加热行业得到广泛应用，而且还应用于半导体的区域提纯、单晶片外延等现代热加工工业，近年来，随着采用感应加热技术的电磁炉的不断推广，电磁感应加热技术已经进入人们的家庭生活。

传统的加热方式需要人工手动调试控制，并且热量利用率低、环境污染大、控制准确度低，容易造成温度环境对元器件等的损耗。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种伺服加热系统，全程自动调试控制，并且可根据负载模块的不同时刻的特性做出响应控制以保证加热功率的恒定。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种伺服加热系统包括：温控模块、感应电源、以及负载模块；

所述温控模块与所述感应电源连接，用于设定所述感应电源的设定输出功率；

所述感应电源，用于根据所述设定输出功率输出交流电至所述负载模块，并根据输出的所述交流电的负载参数调整所述交流电的输出频率，以控制输出所述交流电的功率与所述设定输出功率匹配；

所述负载模块，与所述感应电源连接，用于接收所述感应电源输出的交流电，产生感应磁场。

优选地，所述感应电源为超音频感应电源；

所述负载模块包括与所述感应电源电连接的感应线圈、供所述感应线圈绕设的线圈支架、设置在所述线圈支架内的坩埚、以及设置在所述坩埚与所述线圈支架之间的保温层。

优选地，所述温控模块为温控表或PLC控制器，包括温度设定模块以及温度控制模块；

所述温度设定模块用于设定所述感应电源的加热温度，并根据所述加热温度得到所述设定输出功率；所述设定输出功率为与过程温控曲线匹配的输出功率或固定的输出功率；

所述温度控制模块与所述温度设定模块连接，用于根据所述设定输出功率控制所述感应电源输出对应恒定功率。

优选地，所述感应电源包括电流检测模块、计算控制电路以及驱动输出电路；

所述电流检测模块与所述驱动输出电路的输出端连接，检测所述输出端的所述交流电的负载参数；

所述计算控制电路与所述电流检测模块和温控模块连接，根据检测的所述负载参数计算等效感量、等效阻抗，将计算得到的所述等效阻抗与根据所述设定输出功率得到的设定阻抗值相比较，输出相应频率的控制信号至所述驱动输出电路；

所述驱动输出电路与所述计算控制电路和负载模块连接，根据所述控制信号调整输出的所述交流电的频率，使得所述交流电的功率与所述设定输出功率匹配。

优选地，所述负载参数包括所述交流电的电流值和/或相位。

优选地，所述温度控制模块包括温度检测模块和控制模块，

所述温度检测模块，用于检测所述负载模块的温度；

所述控制模块，与所述温度检测模块和所述温度设定模块连接，用于根据所述设定加热温度控制所述感应电源输出对应恒定功率并判断所述负载模块的所述温度是否高于预设值，若是，则控制所述感应电源停止输出交流电。

优选地，所述感应电源内部还包括电流采集模块，

所述电流采集模块，与所述感应电源的输出端连接，用于采集所述感应电源输出的电流信号并转换为电压信号且输出；

所述计算控制电路还包括计算控制单元、模数转化单元和报警单元，所述模数转化单元与所述电流采集模块连接，用于接收所述电流采集模块输出的电压信号并转化为数字信号且输出；

所述计算控制单元与所述报警单元和所述模数转化单元连接，用于接收所述数字信号计算并判断所述驱动输出电路输入端接入的交流电的电压是否在预设的正常值范围内，若所述驱动输出电路输入端接入的交流电的电压大于预设的正常值，则控制所述报警单元发出电压过高报警。

优选地，所述伺服加热系统还包括时间控制器，

所述时间控制器与所述感应电源连接，用于控制所述感应电源在预设的时间段内输出交流电；

或者，所述时间控制器与所述负载模块连接，用于控制所述负载模块在预设时间段后断开。

优选地，所述计算控制电路还与所述负载模块连接，所述计算控制单元还用于根据检测到所述负载模块的参数判断是否开路或短路，若是，则控制所述报警单元发出开路或短路报警。

实施本发明的伺服加热系统，具有以下有益效果：通过感应电源输出交流电至负载模块，负载模块接收感应电源输出的交流电产生感应磁场，利用感应磁场进行加热，感应电源根据负载模块反馈的交流电信号调整输出交流电的频率，控制输出交流电的频率趋近于负载模块的固定频率，使得感应电源以恒定热功率进行加热，伺服加热的过程全部由自动化控制来实现，便于控制。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明伺服加热系统的结构框图；

图2是本发明伺服加热系统的工作流程图。

具体实施方式

如图1所示，在本发明的伺服加热系统的第一实施例中，伺服加热系统包括感应电源1、负载模块2和温控模块3。

感应电源1用于根据设定输出功率输出交流电至负载模块2，并根据输出的交流电的负载参数调整该交流电的输出频率，以控制输出交流电的功率与设定输出功率匹配。控制输出交流电的频率趋近于负载模块2的固有频率，使得加热功率恒定。感应电源1应用全风冷感应电源，节约水资源，避免因水路故障造成的安全隐患。

其中，感应电源1为超音频感应电源，频率范围大约为5-40K。上述的负载参数包括交流电的电流值和/或相位。

感应电源1包括电流检测模块13、计算控制电路11以及驱动输出电路12。

电流检测模块13与驱动输出电路12的输出端连接，检测驱动输出电路12输出端的交流电的负载参数。

计算控制电路11与电流检测模块13和温控模块3连接，其中，计算控制电路11包括计算控制单元111，根据电流检测模块13检测的负载参数计算负载模块2的等效感量，并计算等效阻抗，并根据所计算得到的等效阻抗与设定阻抗值进行比较，输出相应频率的控制信号至驱动输出电路12。其中，该设定阻抗值可以根据温控模块3的设定输出功率进行计算得到。

驱动输出电路12与计算控制电路11和负载模块2连接，根据计算控制电路11输出的相应频率的控制信号调整输出的交流电的频率，使得交流电的功率与设定输出功率匹配。其中，驱动输出电路12的后级为谐振单元。

负载模块2与感应电源1连接，用于接收感应电源1输出的交流电，产生感应磁场，以激励需要加热的物体产生涡流，进行加热。负载模块2包括感应线圈(图中未示出)，伺服加热系统还包括电感、电容和线圈支架(图中未示出)，电感和电容串联连接在感应线圈与感应电源1之间，电感、电容和感应线圈组成串联谐振电路；线圈支架用于支撑感应线圈。

负载模块2包括与高频感应电源电连接的感应线圈(图中未示出)、供该感应线圈绕设的线圈支架(图中未示出)、设置在该线圈支架内的坩埚(图中未示出)、以及设置在该坩埚与该线圈支架之间的保温层(图中未示出)。将需要加热的工件放置在坩埚上进行加热，同时在坩埚的外层包覆有一层保温层，减少坩埚上的热量的散失，同时保护感应线圈免受坩埚的高温辐射。

温控模块3与感应电源1连接，用于设定感应电源1的设定输出功率。

其中，温控模块3为温控表或PLC控制器，包括温度设定模块31、温度控制模块32和温度检测模块33。

温度设定模块31用于设定感应电源1的加热温度，根据该加热温度得到对应的设定输出功率，该设定输出功率为与过程温控曲线匹配的输出功率或固定的输出功率。

温度控制模块32与温度设定模块31连接，用于根据设定输出功率输出相应的信号控制感应电源1输出对应恒定功率。

其中，温度控制模块32包括温度检测模块321和控制模块322。温度检测模块321，用于检测负载模块2的温度。控制模块322，与温度检测模块321和温度设定模块31连接，用于根据设定的加热温度控制感应电源1输出对应恒定功率并判断负载模块2的加热温度是否高于预设值，若负载模块2的加热温度高于预设值，则控制感应电源1停止输出交流电，停止加热。当停止加热后，温度检测模块321再检测负载模块2的加热温度，当采集到的负载模块2的加热温度低于预设值时，则控制模块322控制感应电源1开始输出交流电，开始加热。温度控制模块32为温控表或者PLC(ProgrammableLogicController，可编程逻辑控制器)控制器。

计算控制电路11可以使用DSP(digitalsignalprocessor，数字信号处理器)芯片，如德州仪器(TexasInstruments)的TMS320F28015处理器。计算控制单元111和报警单元112设置在该DSP芯片中，用于实现伺服(伺服系统：是使物体的位置、方位、状态等输出，能够跟随输入量(或给定值)的任意变化而变化的自动控制系统)加热，自动跟踪负载模块2的固有频率，进行变频自适应，实现恒定功率输出。

感应电源1内部还包括电流采集模块14。电流采集模块14，与感应电源1的输出端也即驱动输出电路12的后级，即谐振单元连接，用于采集感应电源1逆变输出的电流信号，通过电路板转换为电压信号后输出。

计算控制电路11还包括报警单元112和模数转化单元113，模数转化单元113与电流采集模块14连接，用于接收所述电流采集模块14输出的电压信号并转化为数字信号且输出。

计算控制单元111还与报警单元112和模数转化单元113连接，用于接收来自模数转化单元113输出的数字信号计算并判断驱动输出电路12输入端接入的交流电的电压是否在预设的正常值范围内，若驱动输出电路12输入端接入的交流电的电压大于预设的正常值，则计算控制单元111控制报警单元112发出电压过高报警。其中，根据模数转化单元113输出的数字信号计算出谐振单元的电流值，在根据相关参数计算出谐振单元的电压值，即驱动输出电路12谐振单元的电压值。

计算控制电路11还与负载模块2连接，计算控制单元111还用于根据检测到的负载模块2的参数计算并判断是否开路或短路，若负载模块2开路，则计算控制单元111控制报警单元112发出开路报警，若负载模块2短路，则计算控制单元111控制报警单元112发出短路报警。

伺服加热系统还包含时间控制器4，时间控制器4可与温控表串接用来控制感应电源的档位信号或者与交流接触器的线圈串接控制感应电源380V电源的通断。用于控制感应电源在预设的时间段工作或者不工作。

如图2所示，本发明的伺服加热系统的工作流程如下：

对伺服加热系统上电启动，并初始化参数，且判断感应电源1、负载模块2、温控模块3和时间控制器4之间的连接是否正常且是否能正常工作。

判断伺服加热系统是否有档位，即判断满足工作的条件，若没有档位，则该伺服加热系统切换至待机状态，当有档位时，继续执行下述步骤。

检测负载模块2连接是否正常，且负载模块2是否能够正常工作，当负载模块2能够连接正常且能正常工作时，继续执行下述步骤。

感应电源1启动，温度控制模块32根据设定输出功率对应的温度值与检测到的温度值进行对比，发送对应的功率控制信号至计算控制电路11。计算控制电路11根据接收到的功率控制信号输出调节控制方波至驱动输出电路12，驱动输出电路12输出交流电至负载模块2，负载模块2中的感应线圈通过交流电产生感应磁场。负载模块2中的坩埚根据感应磁场产生涡流，进行加热，同时，坩埚外层包裹的保温层避免了坩埚中的热量散发出去，同时避免了坩埚的高温辐射对感应线圈的影响。

电流检测模块13经过预设时间便采集驱动输出电路12后级输出端的交流电的负载参数，并将采集到的负载参数输出至计算控制电路11，计算控制电路中的计算控制单元111根据该负载参数计算负载模块2的等效电感量L和等效阻抗，计算控制电路111再根据所需的设定阻抗进行对比生成控制信号并输出至驱动输出电路12，以控制驱动输出电路12输出频率对应频率的交流电。

驱动输出电路12输出交流电至负载模块2中的感应线圈，感应线圈产生感应磁场，给坩埚加热。同时，电流检测模块13经过预设时间后，再次采集驱动输出电路12后级输出端的交流电的负载参数，并将采集到的负载参数输出至计算控制电路11，计算控制电路11再控制对应驱动输出电路12输出对应频率的交流电。

同时，温度控制模块32中的温度检测模块321还检测负载模块2中坩埚的温度，并由控制模块322判断坩埚的温度是否高于预设的需要加热的温度值，当坩埚的温度高于预设的需要加热的温度值时，温度控制模块32中的控制模块322停止输出功率控制信号，此时控制驱动输出电路12停止输出交流电至负载模块2中的感应线圈，停止加热，通过坩埚外层包裹的保温层阻止热量的散失。

采集被加热的坩埚的温度数据，判断坩埚的温度是否低于预设温度值，当坩埚的温度低于预设的温度值时，计算控制电路11重新控制驱动输出电路12输出交流电至负载模块2进行加热。

并且，在驱动输出电路12工作的同时，电流采集模块14采集整流后的电流信号以及驱动输出电路12后级谐振单元电流信号，驱动输出电路12后级谐振单元电流信号经过内部设置的PCB电路板转化为电压信号后输出至计算控制电路11，计算控制电路11中的模数转化单元113接收该电压信号后将电压信号转化为数字信号并输出至计算控制电路11中的计算控制单元111，计算控制电路11中的计算控制单元111根据该数字信号对应的谐振单元的电流信号判断该电流信号对应的电压值是否在预设的正常值范围内，其中通过谐振单元电源的电流值与谐振单元的电容容值、工作频率计算出谐振电源的电压值。

当谐振单元的电压值不在预设的正常值范围内，则计算控制单元111控制报警单元112发出电压过高报警，提醒工作人员所选伺服加热系统的机型与谐振电路的线圈不合适，根据需要调整伺服加热系统的机型或者线圈。同时，计算控制电路11中的计算控制单元111还判断负载模块2是否开路和短路，若负载模块2开路，则计算控制单元111控制报警单元112发出开路报警，若负载模块2短路，则计算控制单元111控制报警单元112发出短路报警。当感应电源1的工作时间到达所设定的时间点，时间控制器5控制感应电源1断开，停止加热。

综上所述，本发明的伺服加热系统通过连续采集驱动输出电路12的输出端的交流电的负载参数调整感应电源1输出交流电的频率，通过控制感应电源1输出该频率的交流电至负载模块2的感应线圈以产生感应磁场，连续地采集驱动输出电路12的输出端的交流电的负载参数并不断地调整感应电源1输出的交流电的频率，使得感应电源1输出的交流电的频率趋近于负载模块2的固有频率，负载模块2进行加热的功率恒定，由于负载模块2在进行加热过程中，负载模块2中感应线圈的特性会发生变化，导致沿用原先的频率控制输出的话，实际的加热功率会发生变化，通过采集驱动输出电路12输出端的交流电的负载参数来调整感应电源1输出交流电的频率，使得预设的加热功率保持恒定，加热的温度保持恒定。

上述伺服加热系统采用电磁感应的原理，对负载模块2直接加热，与传统加热方式相比较，减少了热传递过程中热量的损失，提高了电能的热转化率。着实有效的使能量利用率大大提高。

其次，通过驱动输出电路12的不同时刻的输出的交流电的负载参数来辨别负载模块2的特性是否有变化，如有变化则输出不同的控制信号，控制感应电源1输出相应频率的交流电，以实现伺服加热系统输出功率的稳定控制，全程自动控制，便于控制，并且稳定性好、精确度高、能快速响应。

当然，上述的伺服加热系统还可根据初始时刻设定好的加热温度和加热时间，实现整个系统的自动控制系统的开关以及自动调整按照设定好的加热温度进行加热。

可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种伺服加热系统，其特征在于，包括：温控模块（3）、感应电源（1）、以及负载模块（2）；

所述温控模块（3）与所述感应电源（1）连接，用于设定所述感应电源（1）的设定输出功率；

所述感应电源（1），用于根据所述设定输出功率输出交流电至所述负载模块（2），并根据输出的所述交流电的负载参数调整所述交流电的输出频率，以控制输出所述交流电的功率与所述设定输出功率匹配；

所述负载模块（2），与所述感应电源（1）连接，用于接收所述感应电源（1）输出的交流电，产生感应磁场。

2.根据权利要求1所述的伺服加热系统，其特征在于，所述感应电源（1）为超音频感应电源；

所述负载模块（2）包括与所述感应电源（1）电连接的感应线圈、供所述感应线圈绕设的线圈支架、设置在所述线圈支架内的坩埚、以及设置在所述坩埚与所述线圈支架之间的保温层。

3.根据权利要求1所述的伺服加热系统，其特征在于，所述温控模块（3）为温控表或PLC控制器，包括温度设定模块（31）以及温度控制模块（32）；

所述温度设定模块（31）用于设定所述感应电源（1）的加热温度，并根据所述加热温度得到所述设定输出功率；所述设定输出功率为与过程温控曲线匹配的输出功率或固定的输出功率；

所述温度控制模块（32）与所述温度设定模块（31）连接，用于根据所述设定输出功率控制所述感应电源（1）输出对应恒定功率。

4.根据权利要求1所述的伺服加热系统，其特征在于，所述感应电源（1）包括电流检测模块（13）、计算控制电路（11）以及驱动输出电路（12）；

所述电流检测模块（13）与所述驱动输出电路（12）的输出端连接，检测所述输出端的所述交流电的负载参数；

所述计算控制电路（11）与所述电流检测模块（13）和温控模块（3）连接，根据检测的所述负载参数计算等效感量、等效阻抗，将计算得到的所述等效阻抗与根据所述设定输出功率得到的设定阻抗值相比较，输出相应频率的控制信号至所述驱动输出电路（12）；

所述驱动输出电路（12）与所述计算控制电路（11）和负载模块（2）连接，根据所述控制信号调整输出的所述交流电的频率，使得所述交流电的功率与所述设定输出功率匹配。

5.根据权利要求1所述的伺服加热系统，其特征在于，所述负载参数包括所述交流电的电流值和/或相位。

6.根据权利要求3所述的伺服加热系统，其特征在于，所述温度控制模块（32）包括温度检测模块（321）和控制模块（322），

所述温度检测模块（321），用于检测所述负载模块（2）的温度；

所述控制模块（322），与所述温度检测模块（321）和所述温度设定模块（31）连接，用于根据所述设定加热温度控制所述感应电源（1）输出对应恒定功率并判断所述负载模块（2）的所述温度是否高于预设值，若是，则控制所述感应电源（1）停止输出交流电。

7.根据权利要求4所述的伺服加热系统，其特征在于，所述感应电源（1）内部还包括电流采集模块（14），

所述电流采集模块（14），与所述感应电源（1）的输出端连接，用于采集所述感应电源（1）输出的电流信号并转换为电压信号且输出；

所述计算控制电路（11）还包括计算控制单元（111）、模数转化单元（113）和报警单元（112），所述模数转化单元（113）与所述电流采集模块（14）连接，用于接收所述电流采集模块（14）输出的电压信号并转化为数字信号且输出；

所述计算控制单元（111）与所述报警单元（112）和所述模数转化单元（113）连接，用于接收所述数字信号计算并判断所述驱动输出电路（12）输入端接入的交流电的电压是否在预设的正常值范围内，若所述驱动输出电路（12）输入端接入的交流电的电压大于预设的正常值，则控制所述报警单元（112）发出电压过高报警。

8.根据权利要求1-6任一项所述的伺服加热系统，其特征在于，所述伺服加热系统还包括时间控制器（4），

所述时间控制器（4）与所述感应电源（1）连接，用于控制所述感应电源（1）在预设的时间段内输出交流电；

或者，所述时间控制器（4）与所述负载模块（2）连接，用于控制所述负载模块（2）在预设时间段后断开。

9.根据权利要求7所述的伺服加热系统，其特征在于，所述计算控制电路（11）还与所述负载模块（2）连接，所述计算控制单元（111）还用于根据检测到所述负载模块（2）的参数判断是否开路或短路，若是，则控制所述报警单元（112）发出开路或短路报警。