CN114650627A - 用于控制给加热器的功率的系统和方法 - Google Patents

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J·亨特吉斯
W·博林格
M·耶德
K·内斯
K·彼德森
E·米奇
B·菲利普斯
L·沃尔特斯
G·罗泽克
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Abstract

本公开涉及一种用于控制给加热器的功率的系统和方法，该加热器包括至少一个加热元件。该控制系统包括：功率转换器，该功率转换器可操作用于向加热器提供可调整的电压输出；传感器电路，该传感器电路测量加热器的加热元件的电特性；参考温度传感器，该参考温度传感器测量加热器处的参考的参考温度；以及控制器。控制器被配置成基于电特性计算加热器元件的主要温度，并基于参考温度和主要温度中的至少一个来确定要被施加到加热器的电压输出。控制器被配置成在操作模式和学习模式中的至少一种中操作，并且在电压被提供给加热器时执行保护协议。

Description

用于控制给加热器的功率的系统和方法
本申请是国际申请日为2018/08/10，国际申请号为PCT/US2018/046195，进入中国国家阶段的申请号为201880052827.3，题为“用于控制给加热器的功率的系统和方法”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年8月10日提交的美国临时申请第62/543,457号的权益和优先权，并且本申请是2017年6月15日提交的并且题为“用于热系统的功率转换器(POWERCONVERTER FOR A THERMAL SYSTEM)”的美国序列第15/624,060号的部分继续申请，美国序列第15/624,060号要求2016年6月15日提交的美国临时申请第62/350,275号的权益。以上申请的内容通过引用以其全部内容结合于此。
技术领域
本公开涉及用于控制具有加热器的热系统的系统和/或方法。
背景技术
本节中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并且可以不构成现有技术。
通常，诸如用于加热负载的基座(pedestal)加热器之类的加热器包括由控制系统控制的加热元件。例如，基座加热器包括加热板，该加热板具有陶瓷基板以及嵌入在陶瓷基板中以限定多个加热区的多个电阻加热元件。通常，在加热器启动期间按照相同的斜变速率向多个电阻加热元件施加相同的功率。
尽管对电阻加热元件施加相同的功率，但是由于例如加热区相对于散热器的定位以及由不均匀制造导致的加热区的特性的差异，一些电阻加热元件可以比其他加热元件更快地被加热。当加热区比相邻加热区加热更快时，相邻加热区之间的温差导致不同的热膨胀并因此导致相邻加热区之间的热应力。显著的热应力会在陶瓷基板中导致热裂缝的生成。本公开解决了这些和其他问题。
发明内容
这个部分提供了本公开的大体发明内容，并且不是对其完整范围或其所有特征的详尽公开。
在一种形式中，本公开涉及一种用于控制加热器的控制系统，该加热器包括至少一个加热元件。该控制系统包括功率转换器、传感器电路、参考温度传感器、和控制器。功率转换器可操作用于向加热器提供可调整的电压输出，并且被配置成将来自电源的电压输入转换为小于或等于电压输入的电压输出。传感器电路被配置成测量加热器的加热元件的电特性，其中电特性包括电流和电压中的至少一个。参考温度传感器测量在加热器处的参考的参考温度。控制器被配置成操作功率转换器以控制给加热器的电压输出。控制器被配置成基于电特性来计算加热器元件的主要(primary)温度，并基于参考温度和主要温度中的至少一个来确定要被施加到加热器的电压输出。控制器被配置成在操作模式和学习模式中的至少一种中操作，并且在电压输出被提供给加热器时执行一种或多种保护协议。
在另一种形式中，控制器被配置成响应于参考温度和主要温度之间的差异大于预设阈值而降低或切断给加热器的功率。
在又另一种形式中，参考温度传感器是红外相机、热电偶、和电阻温度检测器中的一个。
在一种形式中，在学习模式中，控制器被配置成操作加热器以生成加热器-负载关联数据，该加热器-负载关联数据将加热器元件的温度与位于加热器上的负载的温度相关联。
在另一种形式中，在学习模式中，控制器被配置成：逐渐增加给加热器的功率以增加由加热器生成的热量，确定多个主要温度，并且将主要温度与由参考温度传感器检测到的相应参考温度相关联以生成加热器-负载关联数据。
在又另一种形式中，控制器被配置成映射(map)主要温度和参考温度在功率正在增加的时间段内的变化。
在一种形式中，参考温度传感器被配置成测量位于加热器上的负载和加热器的表面中的至少一者的温度。
在另一种形式中，在操作模式中，控制器被配置成执行升压(boost)补偿，以增大加热元件生成热量的速率以将参考加热到预定义的设定点温度。
在又另一种形式中，控制器被配置成：基于电特性来确定加热元件中的每一个的主要温度，以及相邻区的主要温度；基于主要温度调整提供给相邻区的一个或多个加热元件的功率以控制跨(across)加热器的温度变化。
在一种形式中，控制器被配置成响应于一个区具有比相邻区的温度更高的温度，而降低给该一个区的功率。
在另一种形式中，在操作模式中，控制器被配置成基于参考温度和主要温度中的至少一个从多个定义的状态模型控制中选择状态模型控制作为加热器的操作状态。
在又另一种形式中，多个定义的状态模型控制包括上电控制、软启动控制、设定速率控制、和稳态控制中的至少一个。
在一种形式中，状态模型控制中的每一个定义一个或多个操作设置，以用于针对相应状态模型控制来控制加热器。
在另一种形式中，一个或多个操作设置包括转变条件，该转变条件定义用于退出操作状态到另一个状态模型控制的条件。
在又另一种形式中，本公开是一种热系统，其包括如上所述的加热器和控制系统。
通过本文中提供的说明书，进一步的可用性领域将变得显而易见。应当理解的是，说明书和具体示例仅旨在用于说明的目的而并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
为了可以很好地理解本公开，现在将描述其各种形式，作为示例给出，对所附附图进行参考，其中：
图1示出了根据本公开的教导的具有加热器和控制系统的热系统；
图2示出了根据本公开的教导的功率转换器；
图3是图1的控制系统的框图；
图4示出了根据本公开的教导的由多个状态模型定义的示例状态模型控制程序；
图5A、图5B、图5C、图5D和图5E示出图4的状态模型控制程序的状态模型的设置；
图6是根据本公开的教导的主菜单图形用户界面的示例；
图7是根据本公开的教导的控制系统接口的透视图；
图8是具有隔离电路的控制系统的框图；以及
图9是图8的隔离电路的示例配置。
本文所描述的附图仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本公开的范围。
具体实施方式
以下的描述本质上仅是示例性的，并且不旨在限制本公开、应用或使用。应当理解，贯穿附图，对应的附图标记指示相同或对应的部分和特征。
参照图1，根据本公开的教导构造的热系统100包括加热器102和具有加热器控制器106和功率转换器系统108的控制系统104。在本公开的一种形式中，加热器102是基座加热器，该基座加热器包括加热板110和设置在加热板110的底表面处的支撑轴112。加热板110包括基板111和嵌入基板111的表面中或沿着基板111的表面设置的多个电阻加热元件(未示出)。基板111可以由陶瓷或铝制成。各电阻加热元件由控制器106独立控制，并且限定了如图中点划线所描绘的多个加热区114。这些加热区114仅是示例性的，并且可以采用任何配置，同时仍在本公开的范围内。
加热器102可以是“双线”加热器，其中控制器106可使用电阻的变化来确定温度。在美国专利号7,196,295中公开了这种双线系统，该专利与本申请被共同拥有，并且其内容通过引用以其整体并入本文。在双线系统中，热系统是自适应热系统，该自适应热系统将加热器设计与多种控制进行合并，所述多种控制在可定制的反馈控制系统中纳入功率、电阻、电压和电流，所述可定制的反馈控制系统在控制一个参数时限制另外的一个或多个这些参数(即功率、电阻、电压、电流)。如下面进一步描述的，在一种形式中，利用功率转换器系统108，控制器106获取稳定的连续电流和电压读数。随后可以将这些读数用于确定电阻，并且因此确定加热器102的温度。在另一种形式中，控制器106被配置成在零交叉处测量电压和/或电流，如美国专利号7,196,295中所述的。
尽管加热器102被描述为基座加热器，但是本公开的控制系统可以控制其他类型的加热器，诸如用于流体管线的管状加热器和加热器护套，并且不限于基座加热器。
控制系统104包括以比例如功率转换器116更低的电压工作的部件，诸如控制器106。因此，为了保护低电压部件免受高电压影响，控制系统104包括将低电压部件与高电压部件隔离开并且仍然允许部件交换信号的电子部件。在图1中，电源线示为虚线，并且数据信号线提供为实线。
功率转换器系统108包括多个功率转换器116(在附图中为1161至116n)，多个功率转换器116可操作用于向加热器102的加热元件施加功率。更具体地，每个功率转换器116可操作用于将来自电源118的输入电压(VIN)调整到被施加到加热器102的加热元件的输出电压(VOUT)，其中输出电压小于或等于输入电压。在2017年6月15日提交的并且题为“用于热系统的功率转换器(POWER CONVERTER FOR THERMAL SYSTEM)”的序列号为15/624,060的共同待决美国申请中描述了这种功率转换器系统的一个示例，该共同待决美国申请与本申请被共同拥有并且其内容通过引用以其整体并入本文。在该示例中，每个功率转换器包括降压(buck)转换器，该降压转换器可由控制器106操作以生成给给定区的一个或多个加热元件的期望输出电压(VOUT)。
更具体地，参考图2，给定的功率转换器116包括驱动器电路120和具有控制开关124(图中的“SW”)的降压转换器122，控制开关124也可以被称为功率开关。出于示出的目的，虚线126表示系统100的低电压部分与高电压部分的隔离。驱动器电路120基于来自控制器106的输入信号来操作控制开关124，以调整来自电源118的电压，并将降低的电压输出至一个或多个加热元件128。驱动器电路120包括电子器件，诸如光隔离器、变压器等，以与控制器106通信并使控制器106与功率转换器116隔离。因此，功率转换器系统108可操作用于向加热器102的加热区中的每一个提供可定制的功率量。应当容易理解，尽管在图2中示出了特定部件，但是功率转换器116可以包括其他部件，同时仍在本公开的范围内。
在一种形式中，控制系统104包括互锁129，诸如继电器，以控制在电源118与功率转换器系统108之间流动的功率。如本文所述，互锁129可由控制器106操作作为安全机制，以在异常活动的情况下切断从电源118到功率转换器系统108的功率，并因此切断到加热器102的功率。
参照图1和图2，为了监测加热器102的性能，控制系统104包括参考传感器130和一个或多个加热器传感器电路132。参考传感器130是不同的传感器，其被配置成测量加热器102周围的参考区域的温度(即，参考温度)。例如，在一种形式中，参考传感器130测量被加热器102加热的负载(例如，晶片、管道)的温度，其中负载是参考区域。在另一示例中，参考传感器130沿着加热器102的表面测量温度。参考传感器130可以是红外相机、热电偶、电阻温度检测器、和/或用于测量温度的其他合适的传感器。另外，可以使用多个参考传感器来检测加热器102周围的不同区域。
在使用双线加热器的情况下，加热器传感器电路132(即传感器电路)被配置成测量加热元件的电特性，该加热元件的电特性随后被用于确定加热元件的性能特性，诸如，电阻、温度和其他合适的信息。在一种形式中，提供给定的加热器传感器电路132，以测量从给定的功率转换器116接收功率的一个或多个加热元件的电特性。例如，图2示出了加热器传感器电路132，其耦合至功率转换器116和加热元件128之间的电子电路以测量加热元件128的电特性。电特性包括电流和电压中的至少一项。在一种形式中，传感器电路132包括功率计量芯片134(图中的“PM”)以连续测量电流和/或电压，而不管施加到加热元件的功率如何。传感器电路132还可以包括其他电子器件，诸如，隔离的模数转换器、光电隔离器或变压器等，用于在系统的低电压部分和高电压部分之间传输信号。可以以其他合适的方式来配置传感器电路132，诸如在美国序列号15/624,060中描述的传感器电路，同时仍在本公开的范围内。
来自参考传感器130和/或传感器电路(多个)132的数据被提供给加热器控制器106，以进行进一步处理以控制加热器102的操作。在一种形式中，加热器控制器106可通信地耦合到外部设备，诸如计算设备136，该外部设备可由用户操作以与控制系统104交换信息。例如，计算设备136可以是台式计算机、平板电脑、膝上型计算机等，其经由无线通信链路(例如，WI-FI、蓝牙等)和/或有线通信可通信地耦合至控制器106。在一种形式中，控制器106被配置成通过一个或多个图形用户界面(GUI)与计算设备136交换信息。可以以各种合适的方式配置GUI，以用于中继与加热器102的控制和操作有关的信息(诸如，操作状态、温度曲线、加热器的电特性、以及其他合适的信息)，以及用于接收来自用户的输入，诸如，设定点(例如，温度、功率)、操作变量(例如，变化率、PID变量)、以及对加热器102的控制状态的选择(例如，学习模式、校准、手动控制、状态控制程序)。
控制器106包括电子器件，该电子器件包括一个或多个微处理器和存储器(例如，RAM、ROM等)，该存储器存储由微处理器执行的计算机可读指令(即，软件程序)。通过预定义的计算机可读指令来配置控制器106以执行一个或多个控制过程，诸如：加热器学习状态、状态模型控制、系统保护监测、和/或本文所述的其他合适的过程。
参照图3，在一种形式中，控制器106被配置成操作为接口模块200、性能反馈模块202、加热器学习模块204、功率控制模块206、状态模型控制模块208、状态选择模块210、和系统保护模块212。接口模块200被配置成与一个或多个外部设备通信，诸如计算设备136。关于计算设备，接口模块200被配置成显示GUI，该GUI显示由控制器106的其他模块提供给用户的各种控制选项和系统性能信息。如果用户选择控制选项，则接口模块200将数据传输到控制器106的相应模块。
性能反馈模块202被配置成测量来自参考传感器130和加热器传感器电路132的电响应，以确定参考温度和加热器温度(即，权利要求中的主要温度)。例如，基于传感器电路132的电特性，性能反馈模块202确定相应加热元件的平均电阻，并随后使用将电阻与温度进行关联的预定信息来确定加热元件的温度。性能反馈模块202被配置成基于所使用的参考传感器130的类型来确定参考温度。例如，如果参考传感器130是RTD，则反馈模块202包括将电阻与温度相关联的预定信息，并使用该信息来确定参考区域的温度。
在一种形式中，加热器学习模块204被配置成形成将两个或更多个参数彼此相关联的一种或多种类型的关联数据，并且稍后被用于基于一个参数的测量值来确定另一个参数的值。例如，学习模块204被配置成构造加热器102的性能图，该加热器102的性能绘制图将加热器102的性能与被加热的负载进行关联。具体地，加热器102的温度(即，加热元件的温度)与加热器102的表面处的温度不同并且与放置在加热器102上的负载的温度不同。在一种形式中，加热器学习模块204生成提供加热器102的温度(即，加热器温度)的加热器-负载温度关联数据，并且基于该加热器温度和被施加给加热器102的功率来生成负载达到设定点温度所需的时间量。例如，如果加热器温度为500℃，并且负载温度为470℃，其偏移为30℃，则加热器-负载温度关联数据用于确定适当的加热器温度以用于在期望的时间段内将负载温度增加到例如490℃。
为了生成加热器-负载温度关联数据，加热器学习模块204被配置成执行加热器学习例程，在该加热器学习例程期间，加热器102具有负载或放置在其上用于加热的工件。学习模块204根据预设的操作序列来操作加热器102，该预设的操作序列使功率控制模块206逐渐增加给加热器102的功率以增加加热器温度。加热器学习模块204从性能反馈模块202获得加热元件中的每一个的平均温度和参考温度。
使用加热元件的温度，学习模块204获得整体加热器温度，并将施加的功率、加热操作的持续时间、和加热器温度进行关联。另外，加热器学习模块204将所施加的功率、例程的持续时间、和所测量的参考温度进行关联。使用双关联数据，加热器学习模块204将主要温度(即，加热器温度)与相应参考温度随着功率和时间的变化进行关联，以形成加热器-负载关联数据。在一种形式中，可以在任何时间处执行加热器学习例程以构造甚至更新关联数据。
可以以其他合适的方式配置加热器学习模块204。例如，代替测量负载温度，模块204可以使用参考传感器130来测量加热器102的表面以将加热器温度和表面温度进行关联。可以使用预定义的算法来基于表面温度估计负载的温度，以获得加热器-负载关联数据。
在一种形式中，加热器-负载关联数据被一个或多个状态模型控制利用，该一个或多个状态模型控制包括但不限于速率控制和手动控制，以执行升压补偿以增大负载温度增加的速率。具体地，使用关联数据，控制器106知道加热器102达到特定温度所花费的时间量，并确定加热器温度应该是多少以及负载温度达到期望温度需要多长时间。因此，控制器106可以增大负载温度增加的速率。
除了加热器-负载关联数据之外或代替加热器-负载关联数据，加热器学习模块204被配置成执行自动学习电阻-温度曲线控制，以自动地生成用于双线系统的电阻-温度映射表。在美国专利号7,196,295中公开的双线系统中描述了确定电阻与温度曲线的一个示例。通常，基于参考温度下的基本电阻、用于双线的特定材料的TCR、和温度来确定线的电阻。双线系统可以基于电压和/或电流确定电阻，并且随后可以通过使用电阻、基本电阻和TCR来确定温度。可以基于例如来自引线的任何附加电阻或在参考温度和双线系统之间发现的偏移来调整电阻-温度曲线。
功率控制模块206被配置成基于用于每个转换器116的功率输出命令来操作功率转换器中的每一个。在一种形式中，可以由加热器学习模块204、状态选择模块210和系统保护模块212中的至少一者来提供功率输出命令。在一种形式中，功率控制模块206向驱动器电路120输出控制信号，该驱动器电路120进而操作相应功率转换器116的控制开关124，以将输入电压调整至用于指定的加热元件(多个)的期望输出电压。
状态模型控制模块208和状态选择模块210被配置成构造状态模型控制并选择给定的状态模型以操作加热器102。在一种形式中，状态模型控制模块208被配置成将一个或多个状态模型存储在状态模型控制库214中，并且基于来自用户的输入来修改或构造新的状态模型。例如，以下的表1提供了不同状态模型的示例，这些不同的状态模型是用于在设定条件下控制加热器102的计算机可执行程序。尽管提供了特定示例，但是可以使用其他状态模型，同时仍在本公开的范围内。
表1：示例状态模型
Figure BDA0003562980890000101
Figure BDA0003562980890000111
在一种形式中，状态模型控制由一个或多个操作设置定义，该一个或多个操作设置用于针对相应状态模型控制来控制加热器102。例如，表2提供了可用于定义状态模型控制的各种设置。尽管提供了特定示例，但是其他设置也可以被使用，并且在本公开的范围内。
表2：用于状态模型控制的示例操作设置
Figure BDA0003562980890000112
可以使用不同的设置来定义不同的状态模型，并且还可以定义相同类型的状态模型的不同变化。例如，图4示出了由六个不同状态模型定义的状态模型控制程序250，所述六个不同状态模型包括：上电控制252、软启动控制254、速率控制256、和三个PID控制258、260、262(即稳态控制)。图4示出了给定状态模型到控制程序250的另一状态模型的转变。
每个状态模型由一个或多个设置定义，该一个或多个设置可以由用户经由计算设备136进行固定或调整。例如，图5A至图5E示出了图4的状态模型控制程序250的状态模型1至5的设置。可以基于热系统100的使用来定制可由用户调整的设置的类型和/或数量，因此，在本公开的范围内，可以调整或固定任何数量的设置。
图5A示出了上电控制252的设置，其包括：用于以2％/分钟执行上电的功率设定点；以及转变条件，该转变条件为：当加热器元件(HEC)的电特性大于上电阈值(THPWR-UP)时，移动到状态模型2(软启动控制254)，该上电阈值可以由用户预定义或调整。图5B示出了软启动控制254的设置，其包括：0.5％功率/分钟的速率设置，其中初始功率为0％并且最大功率为5％；以及转变条件，该转变条件为：当电压输出(VO/P)大于5％时，退出控制254至状态模型3(速率控制256)。图5C示出了速率控制256的设置，其包括：12℃/分钟的速率设定点；200℃的比例带(PB)、30秒的积分增益(Ti)，以及0秒的(Td)导数增益(Td)；启动动作，该启动动作是可选择的但当前被设置为无；转变条件，该转变条件为：当系统以1℃的相对参数(Rel.Param 1)接近功率设定点(SP)时，移动到状态模型4(PID-1 258)。图5D和图5E分别示出了状态模型控制4和5(即，PID-1 258和PID-2 260)的设置，并且两者都是被分配了不同设置的PID控制。连同其他设置，状态模型控制4包括两个退出条件，其中：当温度设定点增加了10℃的相对参数(Rel.Param 1)时，第一条件转变到状态模型3(即速率256)；并且如果设定点减少了10℃的相对参数(Rel.Param 2)，则第二条件转变到状态模型5(PID-2 260)。类似地，状态模型控制5也包括两个退出条件，其中：当系统远离设定点(例如，+/-5℃)时第一退出条件转变到状态模型6(PID-3 262)，并且在预定时间已过去之后第二退出条件转变到状态模型4(PID-1 258)。
图5A至图5C示出了用于特定控制程序的不同状态模型的示例设置。应当容易理解，其他设置可以用于不同的状态模型。另外，状态控制程序可以由两个或更多个状态模型定义，并且应当不限于在本文提供的示例。另外，控制器106可以被配置成包括不止一个状态控制程序，以用于控制加热器102的操作。因此，可以创建不同的状态模型控制程序来适应不同类型的负载、加热器和性能标准。
在一种形式中，通过计算设备136，用户从存储的状态控制模型(多个)和状态控制程序(多个)中选择控制操作作为选定的加热器操作状态。状态选择模块210被配置成基于来自性能反馈模块202的信息和为状态模型(多个)定义的在选定的加热器状态操作中提供的设置，执行存储在库214中的选定的加热器操作状态。在操作中，状态选择模块210为加热区114中的每一个确定期望的功率水平以满足正在执行的状态模型的条件，并将该功率水平输出到功率控制模块206。使用来自传感器130和132的反馈信息，状态选择模块210可以调整给加热器102的功率。
因此，状态模型控制模块208和状态选择模块210允许用户动态地改变用于给定状态模型控制的控制方案，以开发用于特定加热器的控制程序(即，指纹)。例如，当从一种状态转变为另一种状态时，积分，即静态功率水平，可以由用户设置为设定值，或者可以以像温度之类的变量为条件。因此，基于状态的模型控制可以针对每个加热器进行调节(tune)，而不是针对所有加热器的固定控制方案。
系统保护模块212被配置成监测热系统100的异常活动，该异常活动可能损坏加热器102和/或控制系统104。在一种形式中，系统保护模块212执行以下保护协议中的至少一个：区与区的监测；区与参考的监测；变化率量规(gauge)；和/或能量限制控制。
区与区的监测以及区与参考的监测是相干控制的示例，以评估热系统100是否沿加热器102维持期望的平衡并最小化或防止对加热器102的损坏，诸如陶瓷破裂。例如，对于区与区的监测，保护模块212基于来自性能反馈模块202的信息来确定加热区114的温度，并确定相邻区之间的温度的差异是否超过温度变化阈值(例如，10℃的差异)。如果是这样，则保护模块212执行保护措施以最小化或防止对热系统100的损坏。
区与参考的监测将加热器102的平均温度与参考温度进行比较，以确定两者之间的温度是否超过温度变化阈值，该温度变化阈值可以与用于区与区的监测的温度变化阈值相同或不同。因此，相干控制可通过例如调整给加热器102的功率或关闭系统来防止热系统100超过变化阈值。
用于热系统100的可能异常操作的另一个指标是加热器102基于所施加的功率进行加热的速率。具体地，在一种形式中，将加热器102的加热器温度和/或电响应基于所施加的功率而变化的速率与相关联的速率范围阈值进行比较，以确定加热器102是否在规格内响应。例如，如果在施加的功率增加时加热器温度没有增加，或者在施加的功率相同或略有增加时加热器温度骤然增加，则保护模块212将这种活动标记为异常并执行保护措施。类似地，能量限制控制对可被施加到加热器102的功率量设置限制，并且如果热系统100超过和/或接近那些限制，则保护模块212输出保护措施。例如，能量限制控制用于设置低电阻启动期间的最大电流以及所递送的最大功率。最大值可以由用户设置或者是基于例如加热器102的规格预定的，并且可以在温度范围内变化。
由系统保护模块212执行的保护措施包括但不限于：指令功率控制模块206降低给一个或多个加热区114的功率以控制该变化，切断给加热器102的功率，向计算设备136输出与显著温度变化有关的信息，和/或通过操作互锁129来关闭提供给功率转换器系统108的功率。
可以以各种合适的方式配置控制器106，以用于执行对如下各项的操作：接口模块200、性能反馈模块202、加热器学习模块204、功率控制模块206、状态模型控制模块208、状态选择模块210、以及系统保护模块212。例如，在一种形式中，控制器106可在学习模式中操作以形成加热器-负载关联数据和/或电阻与温度映射表，并且控制器106可在操作模式中操作以修改状态控制模型和/或执行选定的加热器操作状态。在一种形式中，一旦向加热器102施加功率，控制器106就针对异常活动监测系统100。
参照图6，为了在这些模式之间进行选择，控制器106被配置成经由计算设备136显示例如主菜单GUI 270。在该示例中，各种控制选项被提供作为按钮(例如，学习模式按钮272A和272B以及操作模式按钮274A和27B)。对给定按钮的激活提示控制器106执行一个或多个程序以执行所选择的特定任务，这可以包括生成用于请求所选择的附加信息任务的附加GUI。
除了在学习模式或操作模式中操作控制器106之外，控制器106还可操作用于显示与加热器性能有关的信息。例如，加热器性能可以包括但不限于：沿加热器102的表面的温度分布(即按钮276A)，以用于显示各个区处的温度；功率输出图(即按钮276B)，其提供施加给加热器102的功率、电流、和/或电压的量；以及加热器-负载温度图表(即按钮276C)，用于描述加热操作期间加热器温度和负载温度随时间的变化。应当容易理解的是，控制器106可以被配置成输出其他加热器性能信息。尽管图6示出了主菜单GUI的特定示例，但是可以使用其他GUI，同时在本公开的范围内。
可以以各种结构配置来实现控制系统104。例如，在一种形式中，图7示出了控制系统接口300，该控制系统接口300包括用于容纳控制器、互锁、功率转换器系统、和传感器电路的壳体302。接口300还包括一个或多个通信端口304，以用于连接到一个或多个外部设备，诸如计算设备。基于所使用的参考传感器130的类型，接口300还包括用于从参考传感器130接收输入的辅助端口(未示出)，并且包括用于被连接到加热器102的加热元件的功率端口(未示出)。
参照图8和图9，在一种形式中，为了保护控制系统免受来自电源的高AC功率的影响，本公开的控制系统包括在电源和功率转换器(多个)之间的隔离屏障。更具体地，控制系统350包括设置在电源118与功率转换器系统108的功率转换器(多个)116之间的隔离电路352。尽管未示出，但是控制系统350被配置成包括控制系统104的其他部件，诸如加热器控制器、互锁、加热器传感器电路等。
连同其他部件，隔离电路352包括RMS(均方根)控制电路354和直流(DC)变压器356，该RMS控制电路354控制电桥占空比以控制输出RMS。隔离电路352将功率转换器与进线电力电隔离。输出从地面/大地和L1/L2/L3浮动。
本公开的描述本质上仅是示例性的，并且因此不脱离本公开的实质的变型旨在落在本公开的范围内。这样的变型不应被视为背离本公开的精神和范围。
如本文中所使用的，短语A、B、以及C中的至少一个应该被解释成意味着使用非排他逻辑“或”的逻辑(A“或”B“或”C)，并且不应当被解释成意味着“A中的至少一个、B中的至少一个、以及C中的至少一个”。

Claims (15)

1.一种控制加热器的方法，所述方法包括：
基于控制程序的第一状态模型控制给加热器的功率，其中所述控制程序由至少两个状态模型定义，并且所述至少两个状态模型包括所述第一状态模型；
通过所述控制程序确定是否满足所述第一状态模型的转变条件，其中所述至少两个状态模型中的每个状态模型定义转变条件以及当所述转变条件被满足时要执行的后续状态模型；以及
响应于所述第一状态模型的所述转变条件被满足，通过所述控制程序基于第二状态模型控制给所述加热器的功率，其中所述第二状态模型在所述至少两个状态模型中并且被提供作为所述第一状态模型的所述后续状态模型。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少两个状态模型选自上电控制、软启动控制、设定速率控制、稳态控制和手动控制。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少两个状态模型中的每一个状态模型由一个或多个设置定义，其中所述一个或多个设置包括：电压随时间的变化率、功率随时间的变化率、比例-积分-微分设置、加热器负载温度偏移调整、和传感器旁路设置。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述一个或多个设置被提供为固定值或能调整设置，其中所述能调整设置是用户能选择的。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：
测量所述加热器的电特性，其中所述电特性包括电流和电压中的至少一者；以及
基于所述电特性计算所述加热器的主要温度。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，通过所述控制程序基于所述加热器的所述电特性、所述加热器的主要温度、或所述加热器的所述电特性和所述加热器的主要温度的组合，来确定所述第一状态模型的所述转变条件是否被满足。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包括：
执行保护协议以基于所述电特性、所述主要温度、或所述电特性和所述主要温度的组合来检测异常活动；以及
响应于所述异常活动被检测到，降低给所述加热器的功率。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述转变条件是基于以下各项中的至少一项的：对温度设定点的修改、所述温度设定点与测量温度之间的差异超过预定义阈值、处理时间、以及要由所述加热器加热的新负载的进入。
9.一种用于控制加热器的控制系统，所述控制系统包括：
控制器，所述控制器被配置成用于存储和执行控制程序，其中，所述控制程序由至少两个状态模型定义，其中，在执行所述控制程序时，所述控制器被配置成用于：
确定是否满足第一状态模型的转变条件，并且
响应于所述第一状态模型的所述转变条件被满足，基于第二状态模型控制给所述加热器的功率，其中：
所述至少两个状态模型包括所述第一状态模型和所述第二状态模型，并且
所述第二状态模型响应于所述第一状态模型的所述转变条件被满足而被提供作为所述第一状态模型的后续状态模型。
10.如权利要求9所述的控制系统，其特征在于，所述至少两个状态模型选自上电控制、软启动控制、设定速率控制、稳态控制和手动控制。
11.如权利要求9所述的控制系统，其特征在于，所述至少两个状态模型由一个或多个设置定义，其中所述一个或多个设置包括：电压随时间的变化率、功率随时间的变化率、比例-积分-微分设置、加热器负载温度偏移调整、和传感器旁路设置。
12.如权利要求11所述的控制系统，其特征在于，所述一个或多个设置被提供为固定值或能调整设置。
13.如权利要求9所述的控制系统，其特征在于，进一步包括：
传感器电路，所述传感器电路被配置成用于测量所述加热器的电特性，其中所述电特性包括电流和电压中的至少一者，其中：
所述控制器被进一步配置成用于：基于所述电特性计算所述加热器的主要温度，并基于所述加热器的所述电特性、所述加热器的主要温度、或所述加热器的所述电特性和所述加热器的主要温度的组合确定是否满足所述第一状态模型的所述转变条件。
14.如权利要求13所述的控制系统，其特征在于，所述控制器被进一步配置成用于：
执行保护协议以基于所述电特性、所述主要温度、或所述电特性和所述主要温度的组合来检测异常活动；并且
响应于所述异常活动被检测到，降低给所述加热器的功率。
15.如权利要求9所述的控制系统，其特征在于，所述转变条件是基于以下各项中的至少一项的：对温度设定点的修改、所述温度设定点与测量温度之间的差异超过预定义阈值、处理时间、以及要由所述加热器加热的新负载的进入。
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