六面頂液壓機調功器設計①

何少佳,莫金海,徐祖全,陳智謀,郭滇生

(1.桂林電子科技大學機電工程學院,廣西 桂林 541004;2.桂林桂冶實業有限公司,廣西 桂林 541001)

六面頂液壓機調功器設計①

何少佳1,莫金海1,徐祖全2,陳智謀2,郭滇生2

(1.桂林電子科技大學機電工程學院,廣西 桂林 541004;2.桂林桂冶實業有限公司,廣西 桂林 541001)

針對六面頂液壓機溫度控制存在精度低、抗干擾性差等問題,設計了一種恒功率控制的調功器。根據可控硅移相觸發控制輸出波形的特點,采用霍爾傳感器精密檢測加熱電流、電壓,經適當換算方法獲得實時加熱功率值,通過精密的P I D閉環控制使之穩定。實踐證明,該調功器控制精度高、抗干擾性強,而且運行穩定可靠,有助于提高六面頂液壓機的生產效率和質量。

六面頂液壓機;人造金剛石;功率控制

Abstract:Due to the temperature control of current cubic hinge apparatus has low precision and poor anti-interference and other disadvantage,a power regulator w ith the constant power controlwas designed.A ccording to the output voltage waveform features of SCR phase-shift trigger control,Hall sensors were used to detect heating current and voltage. Real-timeheating power,which obtained from thecurrentand voltage operation,is controlled by analog P I D controller.Practice has proved that the power regulator has characteristics of high control accuracy and strong anti-interference. It is helpful to improve the production efficiency and quality of cubic hinge apparatus.

Keywords:cubic hinge apparatus;synthetic diamond;power control

1 引言

六面頂液壓機是超高壓高溫條件下合成金剛石單晶、聚晶、復合片,以及開發新型超硬材料的主要設備。生產過程中,溫度控制的穩定性及可控性是決定生產效率的重要因素。我國現有的系統加熱控制效果不佳,重復性差,嚴重制約了六面頂液壓機的實際生產質量和效率[1]。

金剛石合成的加熱形成有直流和交流兩種。直流加熱由于功率脈動小,溫度控制效果很好。但是,低電壓大電流直流電源的變流技術相當復雜,而且目前的大功率開關器件導通壓降都較高,變流電路中功率開關器件的導通壓降幾乎與電源輸出電壓相當,熱損耗高效率低,必須增加專門的冷卻裝置。在激烈的市場競爭壓力下,在提倡節能降耗的今天,直流加熱方式一直沒有得到廣泛應用。交流加熱仍然是當前金剛石合成加熱的首選方式。

理論上,采用溫度信號反饋的控制方式最為直接有效。但在生產過程中,六面頂液壓機合成部分處于超高壓、超高溫和密閉狀態,直接測量合成溫度信號技術難度大,生產成本高。此外,由于溫度反饋控制系統時間常數較大,其抑制諸如電網電壓波動等干擾信號的效果較差。故一般采用間接的溫度控制方式。間接控制方式主要有恒平均電壓、恒有效電壓和恒功率三種。三種控制方式中,又以前者最為容易實現,因此,在生產實踐中得到廣泛應用。但是,深入研究的結果表明,恒功率控制效果更為有效[2-3]。因此,本文介紹一種高性能的加熱調功器,這種加熱調功器采用的是恒功率交流控制的方式。

2 系統工作原理

恒功率交流調功加熱系統原理如圖1所示,主要分為主電路和檢測控制兩部分。主電路由可控硅移相控制交流調壓和加熱變壓器構成,變壓器提供有效值約4V/1000A的低壓加熱電流。加熱功率的調節通過控制可控硅觸發角大小來實現。系統采用P I D控制的形式,控制信號使脈沖發生電路產生相應的移相觸發信號,經高低壓電隔離后驅動可控硅的導通。反饋信號取自加熱電流和電壓。

3 電路設計

根據圖1系統工作原理,設計出如下各主要單元電路。

圖1 加熱控制系統原理圖Fig.1 Principle graph of heating system

3.1 電流電壓信號檢測

檢測精度是影響控制精度的一大關鍵因素,對被控對象的測量要求精度要高,而且對于六面頂金剛石壓機加熱系統這樣的強實時性系統而言,測量速率的快慢也直接關系系統的控制效果。基于這些考慮,本系統的電壓和電流的檢測采用霍爾傳感器。

霍爾電壓、電流傳感器分別應用霍爾效應閉環、開環原理,能在電隔離條件下測量直流、交流、脈沖以及各種不規則波形的電壓、電流。與傳統的電流互感器和變壓器檢測電流和電壓相比,采用霍爾傳感器作為電流和電壓的檢測器件主要具有以下優點:原邊和副邊高度絕緣、高精度和良好的線性度、低溫漂、響應時間快,以及頻帶寬和共模抑制比強,非常適合本系統的性能要求。

圖2、圖3分別為霍爾電流、電壓檢測電路。需要注意的是,輸出電阻Ri選取不當會導致檢測精度降低,甚至損壞器件。這里,Ri取15kΩ/2 W。

圖2 電流檢測電路Fig.2 Current detection circuit

圖3 電壓檢測電路Fig.3 Voltage detection circuit

3.2 功率轉換與濾波電路

功率轉換電路如圖4所示。由于負載消耗的功率為非負值,故電流、電壓輸入反饋信號均取絕對值,電路采用單電源的供電方式。該電路具有速度快、精度高的特點。

圖4 功率轉換電路Fig.4 Power conversion circuit

ICL 8048/ICL 8049是對數/反對數放大器,內帶自動溫度補償電路,工作特性穩定,參數調節方便。

為了獲取加熱平均功率,采用巴特沃斯濾波器MAX7418進行濾波。巴特沃斯濾波器的特點是通頻帶內的頻率響應曲線最大限度平坦,沒有起伏,而在阻頻帶則逐漸下降為零;在振幅的對數對角頻率的波特圖上,從某一邊界角頻率開始,振幅隨著角頻率的增加而逐步減少,趨向負無窮大。MAX7418是五階、零誤差、開關電容式巴特沃茲低通濾波器,其應用電路如圖5所示。

圖5 MAX7418濾波器Fig.5 MAX7418 filter

3.3 同步信號檢測電路

為提高移相觸發控制精度,設計了專門的過零檢測電路,如圖6所示。該電路主要由比較器、斯密特觸發器和RC濾波電路等構成。Vsyn為輸入同步信號,取自被控正弦波交流電源。當Vsyn>0時,即在同步信號正半波時,VO輸出為高電平;當Vsyn<0時,即在同步信號負半波時,則VO輸出為低電平。這樣就把正弦波電壓轉換成了與之同相位的方波信號。方波信號再通過六反向斯密特觸發器74HC14整形后輸出,作為同步控制信號。比較器選用LM 311高速比較器,它具備驅動能力強、靈活性高和比較速度快等特點。

圖6 同步信號過零檢測電路Fig.6 Synchronous signal zero-crossing detection circuit

3.4 P I D控制器

P I D控制具有技術成熟、適用性寬、易于實現和易于調試等特點,廣泛應用于工業實時控制系統。P I D控制器輸出信號通過相控芯片TCA 785,轉換成0～180°的移相脈沖,經光電隔離驅動可控硅。P I D控制器電路如圖7所示。

圖7 P I D控制器電路Fig.7 P I D controller circuit

4 試驗結果

圖8 實驗結果(電源電壓變化20%)Fig.8 Practical heating power curve in 20%supply voltage change

應用中,為檢驗系統運行特性和抗干擾能力,功率給定設為2kW,電源輸入如圖8中曲線①所示,實際功率輸出為曲線②。當電源電壓波動±20%時,功率輸出波動小于8%,并很快趨于穩定,穩態誤差幾乎為零。

5 結論

實踐表明,恒功率交流加熱調功器具有良好的動態和靜態性能,抗干擾能力強,經濟實用。但由于反饋控制不是直接采用合成溫度信號,所以,應用前需要進行功率對應合成溫度實際值的標定。此外,由于在生產過程中,合成塊內阻會發生些小的變化而導致溫度產生相應的波動,控制功率的方法并不能很好地解決這一問題。鑒于功率信號反饋控制和直接溫度反饋控制兩種方式不同的優缺點,若能解決合成溫度檢測這一難點,加熱控制系統應以功率、溫度雙閉環控制更好,其中功率反饋控制為內環,溫度反饋控制為外環。

[1] Yang Zhijun,L i Hongzhong,PengM ingsheng,Chen Jun,L in Feng,Su Yuwei.Study on the HPHT synthetic diamond crystal from Fe-C(H)system and its significance[J].Chinese Science Bulletin.2008,53(1):137-144.

[2] 莫金海,韋壽祺,何少佳,等.人造金剛石加熱系統分析及其精密交流調功器設計[J].人工晶體學報,2009,38(3):612-619.

[3] 姜榮華,鄭利敏.六面頂金剛石壓機加熱電源智能化研究[J].超硬材料工程,2005,17(6):24-28.

[4] N.Mohan,and W. P. Robbins,PowerElectronics-Converters,Applications,and Design[J].Beijing:Higher Education Press,2004.

[5] Zhang Peng,et al.Design of Control System of M an-made Diamond Press M achine [J]. Computer Automated M easurement and Control.2004,12(7):645-648.

Design for the regulator used in cubic hinge apparatus

HE Shao-jia1,MO Jin-hai1,XU Zu-quan2,CHEN Zhi-mou2,GUO D ian-sheng2
(1.S chool of M echanical and E lectrical Eng ineering,Guilin U niversity of E lectronic T echnology,Guilin541004,China;2.Guilin M etallurg icalM achinery General Factory,Guilin541001,China)

TP271+.4;TQ 164

A

1673-1433(2010)01-0045-04

2010-02-18

何少佳(1963-),男,博士,副教授,主要研究方向為工業自動化。郵箱:hmhsj@guet.edu.cn(或者:hmhsj@sina.com)

廣西科學研究與技術開發計劃項目(桂科攻0992002-15)