CN107277959A - 一种基于pid控制的电磁加热系统及方法 - Google Patents

一种基于pid控制的电磁加热系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于PID控制的电磁加热系统及方法，包括：单片机的输出端连接PID控制器，单片机的输入端分别连接输入电流检测模块、电网电压检测模块、IGBT温度检测模块、负载检测模块，PID控制器的输出端依次连接双PWM发生器、锁相环控制电路，锁相环控制电路的输出端连接隔离驱动器的输入端，隔离驱动器的输出端连接半桥/全桥电路，半桥/全桥电路的输出端分别连接线圈，线圈双向连接功率谐振电容，功率谐振电容的输出端连接高频信号采样电路，高频信号采样电路的输出端连接高频过流保护电路，高频过流保护电路的输出端分别连接单片机、双PWM发生器和锁相环控制电路。本发明加热速度慢、效率低、输出频率稳定。

Description

一种基于PID控制的电磁加热系统及方法
技术领域
本发明涉及电磁加热技术领域，特别涉及一种基于PID控制的电磁加热系统及方法。
背景技术
电磁加热系统利用电磁原理，通电线圈在交流电产生的变化电场作用下产生高频磁场，金属棒在高频磁场作用下会自动加热，但是目前的电磁加热系统存在加热速度慢、效率低、散热速度低，输出频率不稳定等问题。因此本发明提出一种基于PID控制的电磁加热系统及方法，加热速度慢、效率低、输出频率稳定。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种基于PID控制的电磁加热系统及方法，该电磁加热系统及方法加热速度慢、效率低、输出频率稳定。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于PID控制的电磁加热系统，包括：单片机、PID控制器、双PWM发生器、锁相环控制电路、隔离驱动器、半桥/全桥电路、主电源、线圈、功率谐振电容、高频信号采样电路、高频过流保护电路、软启动、输入电流检测模块、电网电压检测模块、IGBT温度检测模块、负载检测模块、供电电源、显示器、指示灯、风扇驱动、散热器、风扇，所述单片机的输出端分别连接所述PID控制器、显示器、指示灯、风扇驱动，其中所述风扇驱动电连接所述风扇，所述风扇设于所述散热器中，所述单片机的输入端分别连接所述输入电流检测模块、电网电压检测模块、IGBT温度检测模块、负载检测模块、供电电源、软启动，所述PID控制器的输出端依次连接所述双PWM发生器、锁相环控制电路，所述锁相环控制电路的输出端连接所述隔离驱动器的输入端，所述隔离驱动器的输出端连接所述半桥/全桥电路，所述主电源连接所述半桥/全桥电路的输入端，所述半桥/全桥电路的输出端分别连接所述线圈、功率谐振电容，所述线圈双向连接所述功率谐振电容，所述功率谐振电容的输出端连接所述高频信号采样电路，所述高频信号采样电路的输出端连接所述高频过流保护电路，所述高频过流保护电路的输出端分别连接所述单片机、双PWM发生器和锁相环控制电路，所述负载检测模块、IGBT温度检测分别连接负载。
进一步，所述散热器包括侧板、底板和顶板，所述散热器底板上设有凹槽，凹槽中设有冷水管，所述冷水管连接有水泵。
进一步，所述线圈缠绕在负载上，其中，所述负载为一加热管，所述加热管上均匀缠绕多段线圈，每段线圈各自连接一个所述隔离驱动器，所述隔离驱动器之间加载有一个同步信号。
进一步，所述输入电流检测模块包括：电流检测芯片、第一至第四电阻、二极管，所述电流检测芯片的第一输入端连接所述半桥/全桥电路，所述电流检测芯片的第二输入端连接第一电阻的第一端，电流检测芯片的第三输入端连接第二电阻的第一端，第一电阻的第二端和第三电阻的第一端连接二极管的阳极，二极管的阴极连接第四电阻，第二电阻、第三电阻和第四电阻的第二端均接地，电流检测芯片的输出端连接单片机的输入端。
进一步，所述风扇驱动包括：驱动芯片、场效应管、第五电阻，所述驱动芯片的电压端接12V电压，驱动芯片的输出端连接风扇，驱动芯片的输入端连接场效应管的集电极，场效应管的基极连接第五电阻，场效应管的发射极接地。
进一步，所述隔离驱动器采用IGBT驱动，包括：第一至第四稳压管、第一至第四场效应管、电压互感器，第一场效应管与第二场效应管串联后与串联的第三场效应管与第四场并联，第三场效应管和第四场效应管连接电压互感器的初级，第一稳压管与第二稳压管反向串联后连接到电压互感器的第一次级，第三稳压管与第四稳压管反相串联后连接到电压互感器的第二次级。
进一步，所述单片机采用工业级单片机，其型号为STC89C52RC。
一种基于PID控制的电磁加热系统的实现方法，包括如下步骤：
步骤S1：软启动开启，对电磁加热系统上电；
步骤S2：负载检测模块检测是否有负载；
步骤S3：读取设定温度和反馈温度，计算温度差ΔT和频率Δf,如果ΔT小于预设标准温度差，则保持当前频率，如果ΔT大于或等于预设标准温度差，则PID调节频率Δf；
步骤S4：电网电压监测模块将采集的电网电压发送至单片机，单片机将采集电压与额定电压比较，如果大于额定电压，则过压报警退出，如果没有过压则继续进行过流检测；
步骤S5：输入电流检测模块将采集的线圈输入电流发送至单片机，单片机将采集电流与额定电流进行比较，如果过流则标记故障，进行线圈过热检测，如果没有过流，则直接进行线圈过热检测；
步骤S6：如果线圈过热则标记故障，并通过风扇驱动开启风扇，进行散热，并返回至步骤S3，继续进行后续步骤，如果线圈没有过热，则关风扇返回至步骤S3，继续进行后续步骤。
进一步，所述PID调节频率的计算方法如下：
Δf＝Kp(Ek-Ek-1)+KI·Ek·Tsample
Δf为每次采样周期的控制增量(频率)输出；
Kp为PID调节器中比例系数；
Ek为第k次采样后的误差值，Ek＝G-tk，G为温度给定值，tk为第k采样的温度反馈值；
Ek-1为第k-1次采样后的误差值；
KI为PID调节器中积分系数；
Tsample为每次采样的时间间隔；
当温度误差ΔT>>预设温度差时，为了使温度调节更快而温度超调较小，增大比例系数kp，减小积分系数ki；
当温度误差≥预设温度差时，为了消除温度静态误差，减小比例系数kp，增大积分系数ki。
进一步，为了能够连续的调节kP和kI，利用系数α来调节，如下所示
kP＝KPα；kI＝KI(1-α)
其中，KP为比例系数的最大值，KI为积分系数的最大值，α为与温度误差成正比的一个系数，
本发明的优点在于：1、为了提高加热速度，在一个负载上均匀缠绕多段线圈，每段线圈各自连接一个隔离驱动器，并且为了防止其中一个线圈工作时产生的磁通干扰甚至损坏其临近线圈的隔离驱动器，采用一个同步信号加载至所有的隔离驱动器，使得每个隔离驱动器控制的高频开关都能同时开通，同时关断，将每个线圈对其他线圈的干扰降到最低，进一步提高了可靠性；
2、为了提高散热速度和提高效率，采用自然冷却和风冷、水冷相结合的方式进行冷却，即在散热器底板上设置凹槽，通冷却水，并在散热器上装风扇，进行风冷，在温度低时，利用散热器叶片进行自然冷却，当温度过高时，采用风冷或水冷方式进行冷却，并且可以根据温度高低调节风扇驱动力或水泵的转速，从而降低能量损耗，提高效率；
3、在隔离驱动器和PID控制器之间设置锁相环控制电路，实现输出频率对输入频率的自动跟踪，提高了输出频率信号的稳定性；
4、为了防止线圈输入电流过大烧毁线圈，在线圈与单片机之间设置高频过流保护电路，延长了线圈的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种基于PID控制的电磁加热系统结构图；
图2为本发明的一种基于PID控制的电磁加热系统的电路原理图；
图3为本发明的一种基于PID控制的电磁加热系统的锁相环控制电路原理图；
图4为本发明的一种基于PID控制的电磁加热方法流程图。
其中：1、单片机；2、显示器；3、指示灯；4、风扇驱动；5、软启动；6、PID控制器；7、双PWM发生器；8、锁相环控制电路；9、隔离驱动器；10、半桥/全桥电路；11、主电源；12、线圈；13、功率谐振电容；14、高频信号采样电路；15、高频过流保护电路；16、输入电流检测模块；17、电网电压检测模块；18、IGBT温度检测模块；19、负载检测模块；20、供电电源。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示，本发明实施例的一种基于PID控制的电磁加热系统，包括：单片机1、PID控制器6、双PWM发生器7、锁相环控制电路8、隔离驱动器9、半桥/全桥电路10、主电源11、线圈12、功率谐振电容13、高频信号采样电路14、高频过流保护电路15、软启动5、输入电流检测模块16、电网电压检测模块17、IGBT温度检测模块18、负载检测模块19、供电电源20、显示器2、指示灯3、风扇驱动4、散热器、风扇，所述单片机1的输出端分别连接所述PID控制器6、显示器2、指示灯3、风扇驱动4，其中所述风扇驱动4电连接所述风扇，所述风扇设于所述散热器中，所述单片机1的输入端分别连接所述输入电流检测模块16、电网电压检测模块17、IGBT温度检测模块18、负载检测模块19、供电电源20、软启动5，所述PID控制器6的输出端依次连接所述双PWM发生器7、锁相环控制电路8，所述锁相环控制电路8的输出端连接所述隔离驱动器9的输入端，所述隔离驱动器9的输出端连接所述半桥/全桥电路10，所述主电源11连接所述半桥/全桥电路10的输入端，所述半桥/全桥电路10的输出端分别连接所述线圈12、功率谐振电容13，所述线圈12双向连接所述功率谐振电容13，所述功率谐振电容13的输出端连接所述高频信号采样电路14，所述高频信号采样电路14的输出端连接所述高频过流保护电路15，所述高频过流保护电路15的输出端分别连接所述单片机1、双PWM发生器7和锁相环控制电路8，所述负载检测模块19、IGBT温度检测分别连接负载。
进一步，所述散热器包括侧板、底板和顶板，为了提高散热速度和提高效率，采用自然冷却和风冷、水冷相结合的方式进行冷却，即在散热器底板上设置凹槽，凹槽中设有冷水管，所述冷水管连接有水泵，通冷却水，并在散热器上装风扇，进行风冷，在温度低时，利用散热器叶片进行自然冷却，当温度过高时，采用风冷或水冷方式进行冷却，并且可以根据温度高低调节风扇驱动4力或水泵的转速，从而降低能量损耗，提高效率
进一步，所述线圈12缠绕在负载上，其中，所述负载为一加热管，所述加热管上均匀缠绕多段线圈12，每段线圈12各自连接一个所述隔离驱动器9，提高了加热速度，并且为了防止其中一个线圈12工作时产生的磁通干扰甚至损坏其临近线圈12的隔离驱动器9，采用一个同步信号加载至所有的隔离驱动器9，使得每个隔离驱动器9控制的高频开关都能同时开通，同时关断，将每个线圈12对其他线圈12的干扰降到最低，进一步提高了可靠性；
如图2所示，所述输入电流检测模块16包括：电流检测芯片、第一至第四电阻、二极管，所述电流检测芯片的第一输入端连接所述半桥/全桥电路10，所述电流检测芯片的第二输入端连接第一电阻的第一端，电流检测芯片的第三输入端连接第二电阻的第一端，第一电阻的第二端和第三电阻的第一端连接二极管的阳极，二极管的阴极连接第四电阻，第二电阻、第三电阻和第四电阻的第二端均接地，电流检测芯片的输出端连接单片机1的输入端。
进一步，所述风扇驱动4包括：驱动芯片、场效应管、第五电阻，所述驱动芯片的电压端接12V电压，驱动芯片的输出端连接风扇，驱动芯片的输入端连接场效应管的集电极，场效应管的基极连接第五电阻，场效应管的发射极接地。
进一步，所述隔离驱动器9采用IGBT驱动，包括：第一至第四稳压管、第一至第四场效应管、电压互感器，第一场效应管Q1与第二场效应管Q3串联后与串联的第三场效应管Q2与第四场效应管Q4并联，第三场效应管Q2和第四场效应管Q4连接电压互感器T2的初级，第一稳压管ZD1与第二稳压管ZD4反向串联后连接到电压互感器T2的第一次级，第三稳压管ZD2与第四稳压管ZD4反相串联后连接到电压互感器T2的第二次级。
进一步，所述单片机1采用工业级单片机1，其型号为STC89C52RC。
如图3所示，为锁相环控制电路8原理图，实现输出频率对输入频率的自动跟踪，提高了输出频率信号的稳定性。
如图4所示，本发明实施例的一种基于PID控制的电磁加热系统的实现方法，包括如下步骤：
步骤S1：软启动5开启，对电磁加热系统上电；
步骤S2：负载检测模块19检测是否有负载；
步骤S3：读取设定温度和反馈温度，计算温度差ΔT和频率Δf,如果ΔT小于预设标准温度差，则保持当前频率，如果ΔT大于或等于预设标准温度差，则PID调节频率Δf；
步骤S4：电网电压监测模块将采集的电网电压发送至单片机1，单片机1将采集电压与额定电压比较，如果大于额定电压，则过压报警退出，如果没有过压则继续进行过流检测；
步骤S5：输入电流检测模块16将采集的线圈12输入电流发送至单片机1，单片机1将采集电流与额定电流进行比较，如果过流则标记故障，进行线圈12过热检测，如果没有过流，则直接进行线圈12过热检测；
步骤S6：如果线圈12过热则标记故障，并通过风扇驱动4开启风扇，进行散热，并返回至步骤S3，继续进行后续步骤，如果线圈12没有过热，则关风扇返回至步骤S3，继续进行后续步骤。
进一步，所述PID调节频率的计算方法如下：
Δf＝Kp(Ek-Ek-1)+KI·Ek·Tsample
Δf为每次采样周期的控制增量(频率)输出；
Kp为PID调节器中比例系数；
Ek为第k次采样后的误差值，Ek＝G-tk，G为温度给定值，tk为第k采样的温度反馈值；
Ek-1为第k-1次采样后的误差值；
KI为PID调节器中积分系数；
Tsample为每次采样的时间间隔；
当温度误差ΔT>>预设温度差时，为了使温度调节更快而温度超调较小，增大比例系数kp，减小积分系数ki；
当温度误差≥预设温度差时，为了消除温度静态误差，减小比例系数kp，增大积分系数ki。
进一步，为了能够连续的调节kP和kI，利用系数α来调节，如下所示
kP＝KPα；kI＝KI(1-α)
其中，KP为比例系数的最大值，KI为积分系数的最大值，α为与温度误差成正比的一个系数，
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于PID控制的电磁加热系统，其特征在于，包括：单片机、PID控制器、双PWM发生器、锁相环控制电路、隔离驱动器、半桥/全桥电路、主电源、线圈、功率谐振电容、高频信号采样电路、高频过流保护电路、软启动、输入电流检测模块、电网电压检测模块、IGBT温度检测模块、负载检测模块、供电电源、显示器、指示灯、风扇驱动、散热器、风扇，所述单片机的输出端分别连接所述PID控制器、显示器、指示灯、风扇驱动，其中所述风扇驱动电连接所述风扇，所述风扇设于所述散热器中，所述单片机的输入端分别连接所述输入电流检测模块、电网电压检测模块、IGBT温度检测模块、负载检测模块、供电电源、软启动，所述PID控制器的输出端依次连接所述双PWM发生器、锁相环控制电路，所述锁相环控制电路的输出端连接所述隔离驱动器的输入端，所述隔离驱动器的输出端连接所述半桥/全桥电路，所述主电源连接所述半桥/全桥电路的输入端，所述半桥/全桥电路的输出端分别连接所述线圈、功率谐振电容，所述线圈双向连接所述功率谐振电容，所述功率谐振电容的输出端连接所述高频信号采样电路，所述高频信号采样电路的输出端连接所述高频过流保护电路，所述高频过流保护电路的输出端分别连接所述单片机、双PWM发生器和锁相环控制电路，所述负载检测模块、IGBT温度检测分别连接负载。
2.根据权利要求1所述的一种基于PID控制的电磁加热系统，其特征在于，所述散热器包括侧板、底板和顶板，所述散热器底板上设有凹槽，凹槽中设有冷水管，所述冷水管连接有水泵。
3.根据权利要求1所述的一种基于PID控制的电磁加热系统，其特征在于，所述线圈缠绕在负载上，其中，所述负载为一加热管，所述加热管上均匀缠绕多段线圈，每段线圈各自连接一个所述隔离驱动器，所述隔离驱动器之间加载有一个同步信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于PID控制的电磁加热系统，其特征在于，所述输入电流检测模块包括：电流检测芯片、第一至第四电阻、二极管，所述电流检测芯片的第一输入端连接所述半桥/全桥电路，所述电流检测芯片的第二输入端连接第一电阻的第一端，电流检测芯片的第三输入端连接第二电阻的第一端，第一电阻的第二端和第三电阻的第一端连接二极管的阳极，二极管的阴极连接第四电阻，第二电阻、第三电阻和第四电阻的第二端均接地，电流检测芯片的输出端连接单片机的输入端。
5.根据权利要求1所述的一种基于PID控制的电磁加热系统，其特征在于，所述风扇驱动包括：驱动芯片、场效应管、第五电阻，所述驱动芯片的电压端接12V电压，驱动芯片的输出端连接风扇，驱动芯片的输入端连接场效应管的集电极，场效应管的基极连接第五电阻，场效应管的发射极接地。
6.根据权利要求1所述的一种基于PID控制的电磁加热系统，其特征在于，所述隔离驱动器采用IGBT驱动，包括：第一至第四稳压管、第一至第四场效应管、电压互感器，第一场效应管与第二场效应管串联后与串联的第三场效应管与第四场并联，第三场效应管和第四场效应管连接电压互感器的初级，第一稳压管与第二稳压管反向串联后连接到电压互感器的第一次级，第三稳压管与第四稳压管反相串联后连接到电压互感器的第二次级。
7.根据权利要求1所述的一种基于PID控制的电磁加热系统，其特征在于，所述单片机采用工业级单片机，其型号为STC89C52RC。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于PID控制的电磁加热系统的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：软启动开启，对电磁加热系统上电；
步骤S2：负载检测模块检测是否有负载；
步骤S3：读取设定温度和反馈温度，计算温度差ΔT和频率Δf,如果ΔT小于预设标准温度差，则保持当前频率，如果ΔT大于或等于预设标准温度差，则PID调节频率Δf；
步骤S4：电网电压监测模块将采集的电网电压发送至单片机，单片机将采集电压与额定电压比较，如果大于额定电压，则过压报警退出，如果没有过压则继续进行过流检测；
步骤S5：输入电流检测模块将采集的线圈输入电流发送至单片机，单片机将采集电流与额定电流进行比较，如果过流则标记故障，进行线圈过热检测，如果没有过流，则直接进行线圈过热检测；
步骤S6：如果线圈过热则标记故障，并通过风扇驱动开启风扇，进行散热，并返回至步骤S3，继续进行后续步骤，如果线圈没有过热，则关风扇返回至步骤S3，继续进行后续步骤。
9.根据权利要求8所述的一种基于PID控制的电磁加热方法，其特征在于，所述PID调节频率的计算方法如下：
Δf＝Kp(Ek-Ek-1)+KI·Ek·Tsample
Δf为每次采样周期的控制增量(频率)输出；
Kp为PID调节器中比例系数；
Ek为第k次采样后的误差值，Ek＝G-tk，G为温度给定值，tk为第k采样的温度反馈值；
Ek-1为第k-1次采样后的误差值；
KI为PID调节器中积分系数；
Tsample为每次采样的时间间隔；
当温度误差ΔT>>预设温度差时，为了使温度调节更快而温度超调较小，增大比例系数kp，减小积分系数ki；
当温度误差≥预设温度差时，为了消除温度静态误差，减小比例系数kp，增大积分系数ki。
10.根据权利要求8所述的一种基于PID控制的电磁加热方法，其特征在于，为了能够连续的调节kP和kI，利用系数α来调节，如下所示
kP＝KPα；kI＝KI(1-α)
其中，KP为比例系数的最大值，KI为积分系数的最大值，α为与温度误差成正比的一个系数，
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