CN111629467B - 一种基于多线圈的电磁加热装置及其温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多线圈的电磁加热装置及其温度控制方法，属于电磁加热技术领域。本发明针对现有模具加热及塑性过程中采用的电阻线圈加热方式存在加热不均、加热效率低的问题。本发明包括加热板，加热板上包括若干加热区域，所述加热区域包括控制模块、PWM控制模块、开关电路、电磁线圈和测流电阻，控制模块、PWM控制模、开关电路和电磁线圈构成控制线路，电磁线圈的输出端通过测流电阻连接控制模块构成反馈线路，所述控制线路与反馈线路构成温度控制闭环。本发明加热效率高，各线圈单独闭环控制，精确调控温度。

Description

一种基于多线圈的电磁加热装置及其温度控制方法

技术领域

本发明涉及电磁加热领域，特别是涉及一种基于多线圈的电磁加热装置及其温度控制方法。

背景技术

模具加热与塑型是工业生产的重要环节，传统的模具加工方式以电线圈加热、流体加热和红外线加热方式为主。电线圈加热是电线圈加热是接触导热原理，热量通过电线圈传递到料筒，只有电线圈与料筒接触面的热量是有用热源，外侧的热量大部分散失到空气中，是导致环境温度上升的无用热源，很难适用于高温场合。同时这种温度梯度的存在会影响物料加热均匀性，进而降低产品质量，虽然电线圈加热结构简单，但是电线圈加热存在死区时间长，温度响应慢，热量损失大，使用寿命短、维修量大等缺点。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于多线圈的电磁加热装置及其温度控制方法，实现电磁加热是快速的热能交换，减少热能损失，提高加热效率，各线圈具有单独闭环控制，实现精确温度调控。

本发明一方面提供了一种基于多线圈的电磁加热装置，包括加热板，加热板上包括若干加热区域，所述加热区域包括控制模块、驱动电路、开关电路、电磁线圈和电流传感器，控制模块、驱动电路、开关电路和电磁线圈构成控制线路，开关电路通过电流检测模块连接控制模块构成反馈线路，所述控制线路与反馈线路构成温度控制闭环。

进一步的，所述加热区域的数量大于等于2。

进一步的，所述开关电路包括谐振电路和IGBT开关管，所述IGBT开关管的集电极连接电磁线圈，IGBT开关管的发射极连接温度检测模块。

进一步的，所述控制模块包括PID控制器。

本发明另一方面提供了一种多线圈电磁加热的温度控制方法，用以控制本发明第一方面所述的一种基于多线圈的电磁加热装置，包括如下步骤：

S₁、设定低温阈值T_l和高温阈值T_h，检测所述加热区域的温度值T_n，n为1、2或3，当T_n＜T_l时，进行步骤S₂，当T_l≤T_n≤T_h时，进行步骤S₃，当T_n大于T_h时，进行步骤S₄，将温度为T_l和T_h时的电流分别设为预设低温电流I_l和预设高温电流I_h，将温度区间[T_l,T_h]设为恒温区间，将电流区间[I_l,I_h]设为恒温电流区间；

S₂、升温加热步骤：检测当前温度T₁和当前温度T₁时电磁线圈的电流I₁，所述电流I₁通过反馈线路加载至控制模块，所述控制模块通过控制线路修正PWM波增大流过电磁线圈的电流，直至电流I₁大于低温电流I_l，并且温度T₁大于低温阈值T_h，当所述电流I₁落入恒温电流区间，且温度T₁落入所述温度区间时进入步骤S₃，当电流大于高温电流I_h，并且温度T₁大于高温阈值T_h时，进入步骤S₄；

S₃、恒温加热步骤：监测当前温度T₂和当前温度T₂时电磁线圈的电流I₂；

S₄、降温加热步骤：检测当前温度T₃和当前温度T₃时电磁线圈的电流I₃，所述电流I₃通过反馈线路加载至控制模块，所述控制模块通过控制线路修正PWM波减小流过电磁线圈的电流，直至电流I₃小于高温电流I_h，并且温度T₃小于高温阈值T_h，当所述电流I₃落入所述恒温电流区间，且当前温度T₃落入所述温度区间时，返回步骤S₃，当所述电流I₃小于低温电流I_l，并且温度T₃小于低温阈值T_l时，返回步骤S₂。

进一步的，S₁包括设定预设加热比R₀的步骤，所述预设加热比R₀为开关管最大电流阈值/恒温区间的电流阈值。

进一步的，S₁包括设定预设功率W₀的步骤，S₂包括记录限制功率W₁的步骤，S₄包括记录限制功率W₃的步骤，所述限制功率W₁小于预设功率W₀，限制功率W₃大于预设功率W₀。

如上所述，本发明提供的一种基于多线圈的电磁加热装置及其温度控制方法，具有如下效果：

1、本发明的电磁加热装置在加热板上实现了加热板上的加热区域的有限元划分，将一个大的加热区域划分成为若干小加热区域，整体加热区域的形状选择灵活，并且每个加热区域均为独立的闭环控制，可对加热板每一加热区域都实现的准确控温；

2、本发明的加热装置采用多个电磁感应的内热加热方式，加热体内部直接感应磁能而生热，减少热能损耗，并且电磁加热死区时间小，温度响应比电阻线圈加热方式快50％，热启动非常快，平均预热时间比电阻圈加热方式缩短60％以上，大大提高了生产效率，同时热效率高达90％以上，在同等条件下，比电阻圈加热节电30-70％，具有高效节能的优点，保温效果良好，节能降耗效果显著，热能利用率高，能提高产品的竞争力。

3、本发明将整体加热区域根据实际需要划分成若干独立小加热区域，加热过程中采用对多线圈供电，使加热板上的温度均匀分布，解决由加热程度不均所造成的物料吸附和粘黏问题等问题，提高产品生产效率；

4、本发明各个独立小加热区域均通过独立的闭环控制，实现对该小区域内的线圈电流的调节，从而使整体加热区域的每一处的温度达到稳定调控。

5、本发明控制电路部分采用闭环控制环节，可对各个线圈的电流进行具体的分配与调控；

附图说明

图1为本发明具体实施例的加热板及电磁线圈加热分布图；

图2为本发明加热区域的温度控制流程图；

图3为本发明具体实施例的IGBT并联结构图；

图4为本发明具体实施例的闭环控制原理图；

图5为本发明具体实施例的整体控制原理图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本实施例的一种基于多线圈的电磁加热装置，包括加热板，加热板划分为100个加热区域，每个加热区域内具有一个电磁线圈，所示电磁线圈的中心位置设有红外检测探头，用以对该加热区域内的温度进行检测，所述电磁线圈安装在安装架上，所述安装架为空腔结构，本实施例的安装架为非导电非导磁性材料制成，所述电磁线圈通过导热胶固定在安装架上，并且所述空腔内部具有支撑柱将所述电磁线圈和加热板分离，本实施例中的电磁线圈平面大小为20mm*20mm，厚度为5mm，加热板和电磁线圈相距气隙为5mm到6mm，该参数可使线圈达到最佳的温度控制。在控制过程中对相邻电磁线圈，之间通过相位相差180°的电流，即成对角排布的线圈电流相位差0°，前后左右相邻的线圈电流相位可呈现180°排布，用以降低线圈之间产生的临近效应，防止电磁相消。

在实际应用中，加热板可设置为曲面加热或采用现有材料的柔性板材，由于气隙的大小不同，从而会改变加热温度的不同，通过控制线圈的通电电流即可控制不同区域的温度分布。

本实施例的电磁加热装置将220V，50/60HZ的交流电整流变成直流电，再将直流电转成频率为20-40KHZ的高频高压电，或者380v，50/60HZ的三相交流电转换成直流电再将直流电转换成10～30KHZ的高频低压大电流电，由磁场转换为涡流场，继而产生温度场，对加热板进行加热。

由于电磁线圈的加热温度会随着电流的改变而改变，所以本实施例的每个加热区域包括控制模块、驱动电路、开关电路、电磁线圈和电流传感器，控制模块、驱动电路、开关电路和电磁线圈构成控制线路，开关电路通过电流检测模块连接控制模块构成反馈线路，所述控制线路与反馈线路构成温度控制闭环，具体如图3和图4所示，电流信号和温度信号并列作为反馈信号，首先通过电流对电磁线圈进行通电，实施电磁加热，通过红外检测装置检测加热板温度，通过温度传感器实现电信号和温度信号的相互转换，对测定的温度进行反馈，通过PID调节对电流进行整定，通过对电流的调节实现温度的可控调节。

每个加热区域的单独闭环控制实现总体闭环控制，通过PID控制模块的调节作用，对该加热区域内的电磁线圈的通电电流进行调节，从而实现该加热区域的温度调节，进而实现加热板的整体加热区域的温度调节，实现高精度加热。

本实施例采用电流精度调节为PID控制调节，PID控制器是一种通过给定值rin(t)和实际输出值yout(t)的控制偏差的线性控制器：

e(t)＝rin(t)-yout(t)

PID控制规律为：

其传递函数为：

式中，Kp为比例系数，T₁积分时间常数，T_D为微分时间常数。

PID控制器的控制过程原理为：设置好PID控制器的比例系数，根据返回的误差值对其进行比例控制，误差减小，比例效果减弱，系统陷入稳态难以达到控制要求，同时加入积分控制和微分控制，根据偏差的电流量，对系统输入进行控制，提高控制精度。

本实施例的一种多线圈电磁加热的温度控制方法，通过电流闭环调节，改变电流大小，通过电流大小调节实际加热功率，检测实际加热功率与预设的加热功率进行对比，从而实现温度的控制要求，通过实施例中设定的加热比对线圈进行辅助控制，满足多线圈温度调控的实现方案，用以控制上述一种基于多线圈的电磁加热装置，包括如下步骤：

S₁、设定低温阈值T_l和高温阈值T_h，设定预设功率W₀，设定预设加热比R₀，将温度为T_l和T_h时的电流分别设为预设低温电流I_l和预设高温电流I_h，将温度区间[T_l,T_h]设为恒温区间，将电流区间[I_l,I_h]设为恒温电流区间，线圈在电流区间[I_l，I_h]的发热功率为预设定功率，W₀为所对应当前温度所通电流I₀对应的实际功率，通过检测电流和加热功率来对电磁线圈进行辅助性检测；所述预设加热比R₀为开关管最大电流阈值/恒温区间的电流阈值，所述预加热比区间默认为0.9～1.1；

检测所述加热区域的温度值T_n，n为1、2或3，当T_n＜T_l时，进行步骤S₂，当T_l≤T_n≤T_h时，进行步骤S₃，当T_n＞T_h时，进行步骤S₄，；

S₂、升温加热步骤：检测当前温度T₁和当前温度T₁时电磁线圈的电流I₁，当前电流对应的实际功率为W₁，当前加热比R₁<预设加热比R₀，当前实际功率W₁<步骤S₁预设功率W₀，所述电流I₁通过反馈线路加载至控制模块，所述控制模块通过控制线路修正PWM波增大流过电磁线圈的电流，增大实际功率W₁，直至电流I₁大于低温电流I_l，升温加热功率W₁等于预设功率W₀，加热比R₁提高落入预设加热比R₀区间内，并且使温度T₁大于低温阈值T_h，当所述电流I₁落入恒温电流区间，且温度T₁落入所述温度区间时进入步骤S₃；当电流大于高温电流I_h，并且温度T₁大于高温阈值T_h时，进入步骤S₄；

S₃、恒温加热步骤：监测当前温度T₂和当前温度T₂时电磁线圈的电流I₂，检测此时加热功率为W₂，W₂等于预设功率W₀，满足恒温加热条件，此时加热比R₂在与设计加热比R₀区间内；

S₄、降温加热步骤：检测当前温度T₃和当前温度T₃时电磁线圈的电流I₃，此时I₃大于高温电流I_h，降温加热功率W₃大于预设加热功率W₀，所述加热比R₃在预设加热比R₀区间右侧，即进行降温加热步骤，所述电流I₃通过反馈线路加载至控制模块，所述控制模块通过控制线路修正PWM波减小流过电磁线圈的电流，从而减小降温加热功率W₀，降低降温加热比R₃，直至电流I₃小于高温电流I_h，并且温度T₃小于高温阈值T_h，当所述电流I₃落入所述恒温电流区间，且当前温度T₃落入所述温度区间时，返回步骤S₃，当所述电流I₃小于低温电流I_l，并且温度T₃小于低温阈值T_l时，返回步骤S₂。

上述步骤中，具体的温度调节方式为：PID控制器采集通过温度传感器检测到加热区域的温度数据，并将检测到的温度数据转换为加热功率，通过W＝U*I得到当前输入电流，W为加热功率，PID控制器控制IGBT开关管的开通和关断实现DC-AC的高频转化；如图3所示，PID控制器控制IGBT的开通和关断，使电磁线圈和电容组成LC震荡回路。

由于本实施例的电磁加热装置包括多个加热区域，本申请加热线圈可达100个，即采用10*10矩阵式线圈排布方式。与传统的单一线圈电磁加热方式相比，传统的电磁加热由于被加热部分的分布结构不均匀问题，导致本部的加热温度不同，无法实现精准的温度控制，导致摸具粘连等问题，而本申请中由于采用多线圈共同控制，即可以每个线圈控制相应的区域，实现各部分的加热需求，实现更准确的温度控制。每个加热区域都包括IGBT开关管，随着IGBT开关管的增多，实现控制难度相应的增大，因此本实例中采用IGBT单管谐振的方案，通过并联谐振电路控制IGBT的导通和关断，如图3所示，所述开关电路包括谐振电路和IGBT开关管，所述IGBT开关管的集电极连接电磁线圈，IGBT开关管的发射极连接电流检测模块。当IGBT关断时，图中电阻R、电感L和电容C发生并联谐振，其IGBT开关管的电压为：U_ce＝U_in+U_cr，即谐振时IGBT的电压是叠加有输入电压U_in的，要求IGBT有较高的耐压要求。

在工作过程中，交流电经整流后，对线圈进行供电，由控制模块接受线圈的反馈信号，来实现对开关管的控制，即采集IGBT驱动信号的开通时间和PWM控制信号的脉冲宽度，将IGBT的E极与电流检测单元相连，当电流超过实际要求温度的电流时，进行降温操作，即减小电流，通过控制PWM的占空比和带宽阈值来进行调节。若电流小于实际要求温度的电流时，进行升温操作，若电流大小在所控制的范围阈值之内，则保持恒定电流继续工作，通过这种方式可使电流稳定在期望值上。所述IGBT驱动信号的开通时间和PWM控制信号的脉冲宽度设有阈值，当调节信号误差无法满足当前条件时，本实例停止工作，本实施例所预设的开通时间阈值t_f为2μs。由于IGBT的开通时间一般为t_on＝20μs，即当前误差不在所述阈值范围之内，停止加热，进行调节。

本实施例中，当读取到的所述IGBT管的开通时间t_on不在所述预设开通阈值t_f误差范围之内，即t_on≠t_f时，按照以下预设的计算规则，确定加热电流阈值ΔI：

ΔI＝n×V₀+m²×ton+z²

其中，ΔI为加热电流阈值，V₀为电磁线圈输入的当前电压，t_on为系统中IGBT管的当前开通时间，n为预设的电压修正系数，m为预设的IGBT管开通时间修正系数，z为预设的电流阈值修正值。

如图5所示，为本发明的整体控制原理图。在工作开始前，输入每个线圈的初始温度和预设温度，当本申请的装置用于平面加热情况，若加热面的温度需求相同时，各线圈的预设温度相同，当在采用曲面加热情况时，曲面会导致曲面与电磁线圈之间产生不同的气隙，同时由于模具的厚度不同，纵向高度产生的高度不同，本申请通过设定初始温度，实现加热，在预设厚度5mm时，厚度每增加1mm的厚度会使温度下降3℃，所以，在进行加热之前对每个加热区域的纵向厚度进行检测，根据检测的纵向温度设置每个加热区域的预设温度，后续温度控制流程与本实施例的上述控制方法相同。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (3)

1.一种多线圈电磁加热的温度控制方法，其特征在于：用以控制基于多线圈的电磁加热装置，所述基于多线圈的电磁加热装置包括加热板，加热板上包括若干加热区域，所述加热区域包括控制模块、驱动电路、开关电路、电磁线圈和电流传感器，控制模块、驱动电路、开关电路和电磁线圈构成控制线路，开关电路通过电流检测模块连接控制模块构成反馈线路，所述控制线路与反馈线路构成温度控制闭环，所述加热区域的数量大于等于2，所述开关电路包括谐振电路和IGBT开关管，所述IGBT开关管的集电极连接电磁线圈，IGBT开关管的发射极连接温度检测模块，所述控制模块包括PID控制器；

所述控制方法包括如下步骤：

S1、设定低温阈值T_l和高温阈值T_h，检测所述加热区域的温度值T_n，n为1、2或3，当T_n＜T_l时，进行步骤S₂，当T_l≤T_n≤T_h时，进行步骤S₃，当T_n大于T_h时，进行步骤S₄，将温度为T_l和T_h时的电流分别设为预设低温电流I_l和预设高温电流I_h，将温度区间[T_l,T_h]设为恒温区间，将电流区间[I_l,I_h]设为恒温电流区间；

S2、升温加热步骤：检测当前温度T₁和当前温度T₁时电磁线圈的电流I₁，所述电流I₁通过反馈线路加载至控制模块，所述控制模块通过控制线路修正PWM波增大流过电磁线圈的电流，直至电流I₁大于低温电流I_l，并且温度T₁大于低温阈值T_h，当所述电流I₁落入恒温电流区间，且温度T₁落入所述温度区间时进入步骤S₃，当电流大于高温电流I_h，并且温度T₁大于高温阈值T_h时，进入步骤S₄；

S3、恒温加热步骤：监测当前温度T₂和当前温度T₂时电磁线圈的电流I₂；

S4、降温加热步骤：检测当前温度T₃和当前温度T₃时电磁线圈的电流I₃，所述电流I₃通过反馈线路加载至控制模块，所述控制模块通过控制线路修正PWM波减小流过电磁线圈的电流，直至电流I₃小于高温电流I_h，并且温度T₃小于高温阈值T_h，当所述电流I₃落入所述恒温电流区间，且当前温度T₃落入所述温度区间时，返回步骤S₃，当所述电流I₃小于低温电流I_l，并且温度T₃小于低温阈值T_l时，返回步骤S₂。

2.根据权利要求1所述一种多线圈电磁加热的温度控制方法，其特征在于：S₁包括设定预设加热比R₀的步骤，所述预设加热比R₀为开关管最大电流阈值/恒温区间的电流阈值。

3.根据权利要求2所述一种多线圈电磁加热的温度控制方法，其特征在于：S₁包括设定预设功率W₀的步骤，S₂包括记录限制功率W₁的步骤，S₄包括记录限制功率W₃的步骤，所述限制功率W₁小于预设功率W₀，限制功率W₃大于预设功率W₀。

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