CN208029130U

CN208029130U - 一种注塑机电磁加热控制系统

Info

Publication number: CN208029130U
Application number: CN201820053972.0U
Authority: CN
Inventors: 周磊; 孔维功
Original assignee: Beijing Hao Rui Chagn Science And Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Hao Rui Chagn Science And Technology Co Ltd
Priority date: 2018-01-12
Filing date: 2018-01-12
Publication date: 2018-10-30
Anticipated expiration: 2028-01-12

Abstract

本实用新型公开了一种注塑机电磁加热控制系统，包括控制器、电源检测模块、IGBT过温模块、负载过温模块、蜂鸣器、电容滤波模块、液晶显示模块、过流保护模块、IGBT驱动隔离模块、IGBT模块、励磁线圈、电流检测模块和AC‑DC模块，所述AC‑DC模块一端连接AC380V电压，本实用新型控制器性能稳定、控制精度高、具有较好的节能效果；能较好解决了电磁加热的串扰问题，且能根据谐振线圈变热后功率发生变化改变控制信号，实现恒功率控制。

Description

一种注塑机电磁加热控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种控制系统，具体是一种注塑机电磁加热控制系统。

背景技术

塑料生产设备在生产过程中，需要大量的能量对塑料进行加热，而现阶段市场上的塑料机械所用的加热方式普遍为电热圈加热，通过接触传导方式把热量传到料筒上，只有紧靠在料筒表面内侧的热量才能传到料筒上，这样外侧的热量大部分散失到空气中，存在着热传导损失，并导致厂内环境温度上升。另外电阻丝加热还有一个缺点就是功率密度低，很难适用于高温场合，为此，拟采用电磁加热技术来实现加热。

塑料机械电磁加热技术是通过电磁感应原理使金属料筒自身发热，并且可以根据具体情况在料筒外部包裹一定厚度的隔热保温材料，这样就大大减少了热量的散失，提高了热效率，因此节电效果十分显著，可达30％～75％。同时，因为电磁加热圈本身并不发热，而且是采用绝缘材料和高温电缆制造，所以不存在着像原电热圈的电阻丝在高温状态下氧化而缩短使用寿命的问题，具有使用寿命长、升温速率快、无需要维修等优点，减少维修时间，能大大的降低企业的生产成本，而对原生产工艺、操作程序无任何影响和改变。

目前，节能、环保等已经成为政府和社会关注的热点，而在河北任丘、唐山、石家庄新乐、保定等地，有大量的造粒机、注塑机还在使用烧煤、电阻丝等加热进行生产，这样不仅大大增加了产品耗能，还加重了对环境的污染。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种注塑机电磁加热控制系统以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种注塑机电磁加热控制系统，包括控制器、电源检测模块、IGBT过温模块、负载过温模块、蜂鸣器、电容滤波模块、液晶显示模块、过流保护模块、IGBT驱动隔离模块、IGBT模块、励磁线圈、电流检测模块和AC-DC模块，所述AC-DC模块一端连接AC380V电压，另一端通过电容滤波模块连接IGBT模块和励磁线圈，控制器分别连接电源检测模块、IGBT 过温模块、负载过温模块、蜂鸣器、电容滤波模块、液晶显示模块、过流保护模块、IGBT 驱动隔离模块和电流检测模块，IGBT驱动隔离模块还连接IGBT模块，电流检测模块还连接励磁线圈。

作为本实用新型进一步的方案：所述控制器采用AVR的16L单片机ATmega16。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型控制器性能稳定、控制精度高、具有较好的节能效果；能较好解决了电磁加热的串扰问题，且能根据谐振线圈变热后功率发生变化改变控制信号，实现恒功率控制。

附图说明

图1为本实用新型的电路原理图。

图2为巡回扫描控制系统原理图。

图3为谐振电流检测电路图。

图4为过流保护电路图。

图5为谐振频率调理电路图。

图6为PWM脉冲调制电路图。

图7为常用变压器隔离驱动图。

图8为IGBT驱动隔离电路图。

图9为巡回扫描控制CPU电路图。

图10为对应温区状态指示灯电路图。

图11为四温区温度仪表扫描输入电路图。

图12为四温区切换控制图。

图13为某温区切换控制图图。

图14为基于PI控制框图。

图15为电流闭环的恒功控制系统。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-15，本实用新型实施例中，一种注塑机电磁加热控制系统，包括控制器、电源检测模块、IGBT过温模块、负载过温模块、蜂鸣器、电容滤波模块、液晶显示模块、过流保护模块、IGBT驱动隔离模块、IGBT模块、励磁线圈、电流检测模块和AC-DC模块，所述AC-DC模块一端连接AC380V电压，另一端通过电容滤波模块连接IGBT模块和励磁线圈，控制器分别连接电源检测模块、IGBT过温模块、负载过温模块、蜂鸣器、电容滤波模块、液晶显示模块、过流保护模块、IGBT驱动隔离模块和电流检测模块，IGBT驱动隔离模块还连接IGBT模块，电流检测模块还连接励磁线圈。

控制器采用AVR的16L单片机ATmega16。

本实用新型的工作原理是：电磁加热系统的主电路是一个交流-直流-交流(AC-DC-AC) 变换器，由三相桥式整流器和单相半桥电压型谐振变换器构成。三相交流电源经三相不可控桥式整流器变换为脉动的直流电，再经过大电容滤波后成为平滑的直流电，此平滑的直流电经过单相半桥电压谐振变换器变换成频率为20KHz的交流电供给加热线圈，产生交变的磁场，交变的磁场在料筒内部产生涡流，从而加热物料。

如图1所示，为保证系统工作的可靠性，系统增加了驱动隔离电路、电流检测、电源检测、过流保护、IGBT过温、负载过温、液晶显示和单片机控制电路等单元，当系统工作时，励磁线圈缠绕在料筒的不同加热部位，谐振信号通过线圈是料筒自身发热，以实现熔融物料的目的。此时通过电流互感器实时采样谐振电流和谐振频率的大小，并根据设定功率实时调整输出脉冲，同时，系统还设计了IGBT温度、负载(料筒)温度检测、电源检测电路，以实现实时检测系统的目的，同时还将系统的的工作状态通过液晶显示器显示出来，以方便用户使用。

系统还增加了一个巡回扫描控制系统，系统在加热时，巡回检测料筒上的各个温区，对于温度达不到设定要求的部位，通过扫描控制系统，接入当前部位谐振线圈，实现对本温区加热，当某个温区达到所要求温度时则跳过该温区对下一温区进行加热操作，切换时，考虑到大电流工作切换，系统先给谐振控制电路送出停机信号，停止谐振电路工作，当切换完成后，又重新启动谐振控制电路工作。其工作过程为：1区加热→2区加热→3区加热→4区加热→1区加热。扫描过程中不停检测各区温度，达到温度的区不再加热。扫描模块结构如图 2所示。

下面针对控制器设计中的几个关键问题进行分析和介绍。

3.系统主回路的元器件参数设定

(1)整流二极管和滤波电路元件选择

①整流模块的选择

a.整流输出的电压平均值为：

b.电流平均值：输出电流平均值I_R为

I_R＝U_d/R

与单相电路情况一样，电容电流平均值i_C为零、因此

I_d＝I_R

在一个电源周期中，i_d有6个波头，流过每一个二极管的是其中的两个波头，因此二极管电流平均值为I_d的l/3，即

I_VD＝I_d/3＝I_R/3

c.二极管D可能承受的最大正向电压为线电压峰值的1/2，即即

d.二极管D可能承受的最大反向电压为线电压峰值

根据工程设计技术经验和工艺要求,按1～2倍参数选择，整流二极管的反向耐压为 600～1000V左右，导通电流为20～40A，可选择BridgeSemi的三相高频整流桥MDS100/16E，正向工作电流100A，最高反向电压1600V。

②滤波电容的选择

滤波电容器C_d主要起滤波和稳定电压的作用。由于采用三相桥式整流电路，其电压纹波脉动为300Hz，为保证给逆变电路提供稳定的直流电压，滤波电路的时间常数，也即滤波电容器Cd与直流电源的等效负载电阻Rd的乘积，必须为纹波中基波的周期时间的6～10倍以上，这里取6，即

Rd Cd＝6/300

则C_d＝6/300×1/R_d

＝6/300×20/514.8＝7.77(μF)

电容电压必须高于可以选用8uF/1000VAC的CBB61型金属化聚丙烯薄膜电容器，它容量稳定，耐冲击电流，过载能力强。

(2)IGBT和续流二极管的选择

当三相交流电380V整流变成直流电时，其有效值大约在514.8V左右，当IGBT关断时，续流二极管导通，稳压电源的全部输入电压都加在IGBT集-射极的两端。因此，开关管的集-射额定电压UCE必须大于稳压电源的输入电压。

IGBT受到的最大正向电压为逆变器输入端电压源的电压Ud,考虑到开关时的浪涌电压，取额定电压：

U_M＝1.5×U_d＝1.5×514.8＝772.2(V)

额定电流：

根据续流二极管的正向额定电流必须等于开关管的最大集电极电流，以及当开关管截止时，输入电压加在续流二极管的两端，因此，续流二极管的耐压值必须大于输入电压。再者，因为开关管的工作频率很高，续流二极管也只是在IGBT管关断的很短一段时间内工作，因此这种二极管的恢复时间还必须远远小于开关管的工作周期，所以模块自带快速恢复二极管能满足要求。

(3)谐振电容和电感的参数设定

①谐振电容设计

由于此感应加热电源不采用阻抗匹配变压器，因此在设计谐振电容时，主要考虑它与谐振电感的无功能量交换平衡。

感应加热电源直流侧电压为Ud，逆变时在负载上产生正负交变的方波±U_d,经付氏级数展开基波电压有效值为峰值为4Ud/π。

U0＝Ud

U₀₁＝4U_d sinωt/π＝655.5sinωtV

U_01m＝655.5V

U₀₁有效值＝463.5V

P＝U_dI_d＝UIcosφ＝UI

10000＝514.8Id＝463.5I

I＝21.6A

因为工作频率等于谐振频率，所以

U_C＝U_H＝QU

令Q＝10、RL＝3Ω、ω₀＝2πf₀＝2_π×20000弧度/秒

则由

有

C＝0.265×10^-6F＝0.26uF

L＝0.24×10^-3H＝240uH

即可按463.5V、21.6A、240μH设计加热线圈，负载和线圈等效电阻为3Ω左右，谐振电容为0.26uF，耐压为463.5V，可以选用两个0.47uF/1000V AC的CBB61型金属化聚丙烯薄膜电容器串联。

(1)主CPU选择

单片机电磁控制系统的核心，本系统采用了AVR的16L单片机。ATmega 16L是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega16AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。

(2)谐振电流检测及电源检测电路的设计：

如图4所示，电磁加热系统电路的电流检测通过电流互感器取样，得到的感应电流通过取样电阻转换成电压，经放大整理后，输入到Atmega16L的一个A/D端口进行取样，以检测负载的当前工作状态及功率，同时，还能通过它判断负载连接情况，是否能启动。

除此之外，由于工厂电源环境较为恶劣，电磁设备的工作状态易受其影响，为检测电网电源的状态还专门设计了电源状态检测电路，即将主控板的电源采样后送入单片机A/D 口进行实时检测，以防工厂电源发生变化时能及时关停电磁设备，延长其使用寿命。

图4中，谐振电流通过电流互感器采样回来，通过R32转换成电压，输入到由集成运放和U6A和三极管Q7组成的跟随电路中，再经E1滤波成直流信号，由于R31、R30和E1组成的充放电时间较长，而信号的频率较高，所以E1的电压近似为直流，反映当前输入信号的峰值，经R31、R30分压后送单片机PA0作A/D输入值，以判断当前谐振电流峰值。谐振峰值电流I1为85A，变压器变比N1:N2＝1000:1，由变压器原理可知

采样电流I2＝0.085A,经R32转换成电压：

U5(+)＝I2×R32＝4.335V，经R31、R30分压后作为A/D输入值以反映当前谐振电流峰值。

直流供电电源12V经R7和R33分压后送给PA2作为电源电压的A/D值，以反映当前电源的状态。

(3)过流检测装置的设计

如图5所示，为保护IGBT还实时监测谐振电流，^[10]将互感器采样回来的谐振电流通过采样电阻转换成电压后，与设定好的安全电流进行比较，超限时，比较器的输出电平发生变化，单片机中断，及时关闭触发脉冲^[10]，同时还通过硬件及时将PWM输出端口电平拉低，达到保护IGBT的目的。

图中，通过稳压调整器件TL431设置保护电压，并通过R5、R6分压所给单片机作为保护电流的A/D输入。一方面系统能实时了解当前保护电流设定值，另一方面，保护电流的设定值还实时与J1采样回的谐振电流通过U6B进行比较，过流时PA5检测到下降源中断取消IGBT触发脉冲。为提高反应速度，还通过图3的D4及时将PWM输出端口电平拉低保护IGBT。

(4)谐振频率检测电路的设计

将谐振电流转换成相应电压后，经电压比较器整形成方波后，送给图4的变换电路调理成幅值为5V的方波，送给单片机I/O口，进行频率扫描。以使单片机能根据输入频率掌握电磁设备的工作情况，调整送出的PWM脉冲。

(5)PWM脉冲调制电路的设计

单片机输出的PWM脉冲经比较器调理后，通过积分电路转换成三角波，再和采样回的谐振信号进行调制，最终得到IGBT的开关控制脉冲。如图6所示。

(6)IGBT驱动隔离电路的设计：

对于逆变桥的驱动电路本文采用脉冲变压器耦合驱动方式。高频脉冲变压器耦合驱动的特点是不必专设工作电源且速度高，输入输出间耐压可做得较高，成本较低。另外，高频脉冲变压器耦合驱动器信号延迟很小，从实验结果来看，只有几个纳秒，响应速度很快。图7是最简单的变压器隔离驱动电路原理图。

由于驱动电路的输入信号即重叠时间产生电路为12V的方波信号，如果直接采用图7 所示的电路，其推挽输出幅值最大为12V，因此需在推挽输出前加电压提升电路。同时，为保证半桥电路出现短路，驱动部分还增加了死区电路。调制后的PWM脉冲经过推挽放大电路的提升，再一次通过场效应管组成的互锁电路，进行进一步整理，产生死区时间，最终通过脉冲变压器隔离，送给IGBT，如图8所示。

当PWM脉冲信号的上升沿到来，Q4导通而Q5截止，从而导致Q2导通，由于D14的存在，Q3立即停止，电容E4、E5开始通过D15及Q2放电，变压器一次侧流过从上到下的电流流过，致使二次侧感应电压，VT1导通，VT2截止。而当PWM脉冲信号的下降沿到来时， Q5导通而Q4截止，从而导致Q2截止，电容E4、E5的放电结束，Q3由于E9的存在不能立即导通，变压器一次侧无电流流过，因而二次侧无感应电压，致使VT1、VT2均截止，这时，接地端通过D17向E9充电，只有当E9的电压充到满足Q3的开启电压时，电源向电容E4、E5进行充电，变压器一次侧流过从下到上的电流，此时VT2导通，而VT1截止。当PWM脉冲信号的上升沿到来时又重复上述过程。

5.巡回扫描控制电路的设计

为了有效地消除串扰，系统采用巡回扫描式加热控制，即任何时刻，只接入一个负载线圈，对一个温区进行加热，然后对各个温区进行巡回扫描加热，最终达到系统工作要求，如图1所示。

巡回扫描控制采用AT89C2051为主控芯片，它是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128bytes 的随机数据存储器(RAM)、15条可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、6个中断源，可直接驱动LED的输出端口。本系统设计中，它的P3.3-P3.5和P1.6四个I/O口作为料筒四个温区温度测量仪表输入端，每个口用5.1K电阻上拉，加热时，温度仪表为常闭开关信号，光电器件导通，相应I/O端口输入低电平，加热系统正常加热。对应温区状态指示灯闪烁(当温度不到的温区指示灯点亮，达到设定值的温区指示灯熄灭)。当某一温区达到设定温度值时，温度测量仪表输出常开信号，光电隔离器截止，相应I/O端口输入高电平，控制器给主机到温信号，同时加热指示灯熄灭，主控停止加热。

对于各温区切换，考虑到大电流切换，可先让主控电路停止工作，在通过控制交流接触器进行负载线圈切换，如图12所示四温区切换控制图(某温区控制电路如图13所示)。单片机的控制口通过施密特反相芯片HEF40106B隔离驱动，防止抖动，同时在经过反相驱动芯片ULN2003将驱动电平提到固态继电器控制电压9V，最终通过固态继电器控制接触器进行切换。

电磁加热系统控制策略

一般感应加热的调功方式有直流调压调功和逆变调功两种。直流调压调功是指通过对前级整流电路输出电压的控制来调节逆变器输入端直流电压大小，达到调节输出功率的目的。在这种调功方式中，逆变器可以工作于负载谐振频率附近功率器件开关损耗小。直流调压调功可分为相控调压调功和斩波调压调功，但相控调压调功易造成电网谐波污染，斩波调功功率器件工作于硬关短状态，频繁启动损耗大，同时功率器件易受容量限制。

所以本系统采用逆变调功，即通过调节输出电压或电流的频率来调节负载功率因数，在最大功率输出时电路工作在近谐振状态。若此时提高激励脉冲频率，则电路便工作在失谐状态下，功率因数减小，输出功率减小，当然还可通过调节输出电压的有效值的大小(调节占空比)来实现功率调节。

本课题的设计采用脉冲频率调制(PFM)方式，此调制方式，电路简单，实施方便。

电磁加热系统在启动后要求在恒定的功率下工作，即工作频率恒定，要求系统正常工作时，触发信号频率和谐振频率误差较小，只需在小误差范围调整即可，使用PI控制，便能达到很好的稳定性。

电磁加热系统控制策略

Claims

1.一种注塑机电磁加热控制系统，包括控制器、电源检测模块、IGBT过温模块、负载过温模块、蜂鸣器、电容滤波模块、液晶显示模块、过流保护模块、IGBT驱动隔离模块、IGBT模块、励磁线圈、电流检测模块和AC-DC模块，其特征在于，所述AC-DC模块一端连接AC380V电压，另一端通过电容滤波模块连接IGBT模块和励磁线圈，控制器分别连接电源检测模块、IGBT过温模块、负载过温模块、蜂鸣器、电容滤波模块、液晶显示模块、过流保护模块、IGBT驱动隔离模块和电流检测模块，IGBT驱动隔离模块还连接IGBT模块，电流检测模块还连接励磁线圈。

2.根据权利要求1所述的一种注塑机电磁加热控制系统其特征在于，所述控制器采用AVR的16L单片机ATmega16。