六面顶液压机调功器设计①

何少佳,莫金海,徐祖全,陈智谋,郭滇生

(1.桂林电子科技大学机电工程学院,广西 桂林 541004;2.桂林桂冶实业有限公司,广西 桂林 541001)

六面顶液压机调功器设计①

何少佳1,莫金海1,徐祖全2,陈智谋2,郭滇生2

(1.桂林电子科技大学机电工程学院,广西 桂林 541004;2.桂林桂冶实业有限公司,广西 桂林 541001)

针对六面顶液压机温度控制存在精度低、抗干扰性差等问题,设计了一种恒功率控制的调功器。根据可控硅移相触发控制输出波形的特点,采用霍尔传感器精密检测加热电流、电压,经适当换算方法获得实时加热功率值,通过精密的P I D闭环控制使之稳定。实践证明,该调功器控制精度高、抗干扰性强,而且运行稳定可靠,有助于提高六面顶液压机的生产效率和质量。

六面顶液压机;人造金刚石;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

六面顶液压机是超高压高温条件下合成金刚石单晶、聚晶、复合片,以及开发新型超硬材料的主要设备。生产过程中,温度控制的稳定性及可控性是决定生产效率的重要因素。我国现有的系统加热控制效果不佳,重复性差,严重制约了六面顶液压机的实际生产质量和效率[1]。

金刚石合成的加热形成有直流和交流两种。直流加热由于功率脉动小,温度控制效果很好。但是,低电压大电流直流电源的变流技术相当复杂,而且目前的大功率开关器件导通压降都较高,变流电路中功率开关器件的导通压降几乎与电源输出电压相当,热损耗高效率低,必须增加专门的冷却装置。在激烈的市场竞争压力下,在提倡节能降耗的今天,直流加热方式一直没有得到广泛应用。交流加热仍然是当前金刚石合成加热的首选方式。

理论上,采用温度信号反馈的控制方式最为直接有效。但在生产过程中,六面顶液压机合成部分处于超高压、超高温和密闭状态,直接测量合成温度信号技术难度大,生产成本高。此外,由于温度反馈控制系统时间常数较大,其抑制诸如电网电压波动等干扰信号的效果较差。故一般采用间接的温度控制方式。间接控制方式主要有恒平均电压、恒有效电压和恒功率三种。三种控制方式中,又以前者最为容易实现,因此,在生产实践中得到广泛应用。但是,深入研究的结果表明,恒功率控制效果更为有效[2-3]。因此,本文介绍一种高性能的加热调功器,这种加热调功器采用的是恒功率交流控制的方式。

2 系统工作原理

恒功率交流调功加热系统原理如图1所示,主要分为主电路和检测控制两部分。主电路由可控硅移相控制交流调压和加热变压器构成,变压器提供有效值约4V/1000A的低压加热电流。加热功率的调节通过控制可控硅触发角大小来实现。系统采用P I D控制的形式,控制信号使脉冲发生电路产生相应的移相触发信号,经高低压电隔离后驱动可控硅的导通。反馈信号取自加热电流和电压。

3 电路设计

根据图1系统工作原理,设计出如下各主要单元电路。

图1 加热控制系统原理图Fig.1 Principle graph of heating system

3.1 电流电压信号检测

检测精度是影响控制精度的一大关键因素,对被控对象的测量要求精度要高,而且对于六面顶金刚石压机加热系统这样的强实时性系统而言,测量速率的快慢也直接关系系统的控制效果。基于这些考虑,本系统的电压和电流的检测采用霍尔传感器。

霍尔电压、电流传感器分别应用霍尔效应闭环、开环原理,能在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形的电压、电流。与传统的电流互感器和变压器检测电流和电压相比,采用霍尔传感器作为电流和电压的检测器件主要具有以下优点:原边和副边高度绝缘、高精度和良好的线性度、低温漂、响应时间快,以及频带宽和共模抑制比强,非常适合本系统的性能要求。

图2、图3分别为霍尔电流、电压检测电路。需要注意的是,输出电阻Ri选取不当会导致检测精度降低,甚至损坏器件。这里,Ri取15kΩ/2 W。

图2 电流检测电路Fig.2 Current detection circuit

图3 电压检测电路Fig.3 Voltage detection circuit

3.2 功率转换与滤波电路

功率转换电路如图4所示。由于负载消耗的功率为非负值,故电流、电压输入反馈信号均取绝对值,电路采用单电源的供电方式。该电路具有速度快、精度高的特点。

图4 功率转换电路Fig.4 Power conversion circuit

ICL 8048/ICL 8049是对数/反对数放大器,内带自动温度补偿电路,工作特性稳定,参数调节方便。

为了获取加热平均功率,采用巴特沃斯滤波器MAX7418进行滤波。巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦,没有起伏,而在阻频带则逐渐下降为零;在振幅的对数对角频率的波特图上,从某一边界角频率开始,振幅随着角频率的增加而逐步减少,趋向负无穷大。MAX7418是五阶、零误差、开关电容式巴特沃兹低通滤波器,其应用电路如图5所示。

图5 MAX7418滤波器Fig.5 MAX7418 filter

3.3 同步信号检测电路

为提高移相触发控制精度,设计了专门的过零检测电路,如图6所示。该电路主要由比较器、斯密特触发器和RC滤波电路等构成。Vsyn为输入同步信号,取自被控正弦波交流电源。当Vsyn>0时,即在同步信号正半波时,VO输出为高电平;当Vsyn<0时,即在同步信号负半波时,则VO输出为低电平。这样就把正弦波电压转换成了与之同相位的方波信号。方波信号再通过六反向斯密特触发器74HC14整形后输出,作为同步控制信号。比较器选用LM 311高速比较器,它具备驱动能力强、灵活性高和比较速度快等特点。

图6 同步信号过零检测电路Fig.6 Synchronous signal zero-crossing detection circuit

3.4 P I D控制器

P I D控制具有技术成熟、适用性宽、易于实现和易于调试等特点,广泛应用于工业实时控制系统。P I D控制器输出信号通过相控芯片TCA 785,转换成0～180°的移相脉冲,经光电隔离驱动可控硅。P I D控制器电路如图7所示。

图7 P I D控制器电路Fig.7 P I D controller circuit

4 试验结果

图8 实验结果(电源电压变化20%)Fig.8 Practical heating power curve in 20%supply voltage change

应用中,为检验系统运行特性和抗干扰能力,功率给定设为2kW,电源输入如图8中曲线①所示,实际功率输出为曲线②。当电源电压波动±20%时,功率输出波动小于8%,并很快趋于稳定,稳态误差几乎为零。

5 结论

实践表明,恒功率交流加热调功器具有良好的动态和静态性能,抗干扰能力强,经济实用。但由于反馈控制不是直接采用合成温度信号,所以,应用前需要进行功率对应合成温度实际值的标定。此外,由于在生产过程中,合成块内阻会发生些小的变化而导致温度产生相应的波动,控制功率的方法并不能很好地解决这一问题。鉴于功率信号反馈控制和直接温度反馈控制两种方式不同的优缺点,若能解决合成温度检测这一难点,加热控制系统应以功率、温度双闭环控制更好,其中功率反馈控制为内环,温度反馈控制为外环。

[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,韦寿祺,何少佳,等.人造金刚石加热系统分析及其精密交流调功器设计[J].人工晶体学报,2009,38(3):612-619.

[3] 姜荣华,郑利敏.六面顶金刚石压机加热电源智能化研究[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,主要研究方向为工业自动化。邮箱:hmhsj@guet.edu.cn(或者:hmhsj@sina.com)

广西科学研究与技术开发计划项目(桂科攻0992002-15)