摘要：針對目前普遍采用的火焰加熱式熱處理設備溫度控制精度低的缺點，設計了一種適合于制動梁加熱的中頻電源。該方案以DSP為控制核心，采用模糊PID溫度控制策略，增強了系統(tǒng)對負載參數(shù)變化和外部干擾的適應性，有效提高了溫度控制精度。分析了加熱電源的結構和原理，并對控制電路和控制方法進行了設計。通過實驗對該系統(tǒng)的性能進行了驗證，結果表明，該系統(tǒng)提高了制動梁熱處理溫度控制精度，能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)要求，可用于對現(xiàn)有制動梁熱處理系統(tǒng)進行改造。
關鍵詞：中頻電源；制動梁；恒溫控制

1 引言
    Q460E等級新型微合金化鋼滿足L-B型組合式制動梁的強度設計要求，在加熱時對加熱溫度的控制精度要求較高，加熱溫度過高會使梁架中產(chǎn)生魏氏組織，影響梁架的沖擊強度。感應加熱質(zhì)量高，表面氧化和脫碳很少，加熱效果穩(wěn)定，加熱的時間和溫度易于控制，便于實現(xiàn)自動化，非常適用于對制動梁坯料進行加熱。
    火車制動梁中頻加熱電源，以DSP為控制核心，采用以溫度環(huán)為外環(huán)，以電壓環(huán)、電流環(huán)和阻抗環(huán)為內(nèi)環(huán)的恒溫控制方案，集控制、觸發(fā)、顯示、上位機通信于一體，可實現(xiàn)恒溫控制。

2 加熱電源的結構
    該加熱電源采用如圖1所示的中頻感應加熱主電路及控制電路。

    三相交流電經(jīng)全控整流橋整流，再經(jīng)平波電抗器濾波變?yōu)橐粋€恒定直流電流源，單相可控逆變將直流電流逆變成一定頻率的中頻交流電，負載是由補償電容和感應線圈組成的并聯(lián)諧振電路?？刂齐娐钒ǎ喝嗤叫盘栯娐?、溫度給定電路、整流觸發(fā)脈沖隔離及功放電路、中頻電壓反饋電路、中頻頻率采樣電路、逆變觸發(fā)脈沖隔離及功放電路、模擬量采樣電路、鍵盤輸入及模擬量數(shù)字顯示電路等。同時控制電路中還包括三相過流保護、三相電源斷相保護、中頻電壓過壓保護、冷卻水的欠壓保護及控制板電源欠壓等保護電路。一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，即可進入逆變保護狀態(tài)，然后可靠地停機。為保護晶閘管安全運行，每個晶閘管還加了阻容吸收電路來減小器件的開關損耗。
2．1 整流觸發(fā)
    整流觸發(fā)電路由三相同步、數(shù)字觸發(fā)和末級驅(qū)動等電路組成。三相整流的同步信號由共陽極晶閘管的陰極引線從主電路三相進線上取得，并送入DSP的ADC模塊，經(jīng)轉換后得到同步電壓。在每個數(shù)據(jù)采樣程序里判斷電壓是否過零(包括由正到負和由負到正電壓的過零)，如果過零，則記下該時刻通用定時器的計數(shù)值，并在此后的時間里實時地根據(jù)觸發(fā)角α的變化比較定時器計數(shù)值，如果相等則發(fā)出相應晶閘管觸發(fā)脈沖信號，實現(xiàn)雙窄脈沖觸發(fā)。DSP輸出的窄脈沖經(jīng)過放大，驅(qū)動脈沖變壓器輸出觸發(fā)脈沖，通過改變整流控制角來改變整流器輸出電壓。
2．2 逆變控制
    以全控型器件作為開關的逆變器控制常采用他激轉自激的控制策略，即在開機或負載電壓低于閾值時采用開環(huán)定頻控制，工作在他激狀態(tài)；當輸出負載電壓大于閾值電壓時進行自動切換，這時逆變器工作在閉環(huán)狀態(tài)，跟蹤負載頻率變化。
    中頻電壓反饋信號是從中頻反饋變壓器取得，經(jīng)過零比較電路得到與中頻電壓同頻率的方波，該方波和輸出的PWM控制脈沖一起經(jīng)過鑒相器鑒相，得到二者的相位差；再經(jīng)過低通濾波器得到反映該相位差大小的直流電平。該電平經(jīng)過A／D采樣送入DSP中進行PI調(diào)節(jié)并輸出相應頻
率的控制脈沖模擬壓控振蕩器(VCO)的功能。
    在并聯(lián)逆變電路中開關管必須遵循先導通后關斷的原則，因此控制脈沖必須具有一個重疊死區(qū)。此處采用在DSP的PWM輸出端口接上反相器的方法，將DSP輸出的帶有死區(qū)的PWM脈沖反相，實現(xiàn)帶重疊區(qū)的PWM脈沖輸出信號。

3 保護電路設計
    晶閘管中頻電源在運行時會遇到各種非正常情況，對這些情況必須采取一定的保護措施。保護電路主要包括：冷卻水壓過低，直流電流過流保護，中頻電壓過高等。為保證故障檢測實時性，保護電路采用模擬電路。[!--empirenews.page--]
3．1 水壓保護電路
    在冷卻水回路中安裝一個帶觸點的水壓表。水壓低于設定值時，壓力發(fā)出一個閉合觸點信號，該信號兩端接至控制器水壓檢測接口。圖2示出水壓檢測電路。當水壓過低時，水壓信號閉合接地，9013關斷，電源通過電阻給電容充電，拉高TRIG和THR引腳的電壓。當電壓升至2Vcc／3時，定時器輸出翻轉為“0”，DIS接地，發(fā)光二極管亮。

3．2 直流過流檢測
    直流過流保護電路如圖3所示，電流轉換成的電壓信號送至555定時器THR引腳。當引腳上電壓大于2Vcc／3時，OUT引腳輸出“0”，輸出保護信號；DIS引腳導通接地，過流指示燈亮。

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3．3 中頻過壓保護
    中頻電壓過壓保護電路如圖4所示，中頻電壓信號整流后，經(jīng)電阻分壓再送至555定時器THR引腳。當引腳上電壓大于2Vcc／3時，OUT引腳輸出“0”，輸出保護信號；DIS引腳導通接地，中頻過壓指示燈亮。

4 控制策略及控制流程
    在制動梁生產(chǎn)中，由于存在各種擾動，中頻感應加熱電源必須具有自動調(diào)節(jié)能力，才能使系統(tǒng)可靠工作，保證加熱質(zhì)量。系統(tǒng)采用溫度控制外環(huán)與電壓環(huán)、電流環(huán)以及阻抗3個閉環(huán)相結合的恒溫控制方式?？刂葡到y(tǒng)結構如圖5所示。

    電壓和電流調(diào)節(jié)器組成常規(guī)電壓、電流雙閉環(huán)控制。在啟動和運行的整個階段，電流環(huán)始終參與工作，電壓環(huán)只在運行階段工作。下面主要分析模糊PID溫度控制策略。
    溫度閉環(huán)采用調(diào)節(jié)電源輸出功率的方式來控制加熱溫度。在中頻電源中，中頻輸出功率PH與工件終點溫度T之間關系為：
   
    式中：UH為中頻電壓；RH為等效電阻。
    由式(1)，式(2)得，由于T>>T0，所以由上式可得，可知，調(diào)節(jié)UH即可達到調(diào)節(jié)溫度的目的。當測得的坯料溫度高于設定范圍時，中頻電源會自動降低輸出功率，反之溫度低于設定溫度范圍時，中頻電源會自動升高輸出功率，使加熱溫度始終保持在規(guī)定范圍內(nèi)。為克服中頻電源加熱時，受負載影響較大、參數(shù)變化等問題，溫度控制閉環(huán)采用模糊PID調(diào)節(jié)方式。模糊控制器以加熱時間作為一個輸入量，以第n個采樣周期中頻加熱系統(tǒng)的溫度偏差e(t)作為另一個輸入量，設計3個模糊控制器對PID控制中的3個參數(shù)進行在線調(diào)整。PID控制器根據(jù)整定后的參數(shù)、輸入溫度設定值以及檢測得到的溫度計數(shù)控制輸出量。參數(shù)自整定模糊控制器的結構如圖6所示。[!--empirenews.page--]

    控制系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)他激轉自激啟動、溫度制動控制、人機接口程序等功能?？刂瞥绦蛄鞒倘鐖D7所示。

    系統(tǒng)上電后，進行初始化、開中斷，然后檢測有無報警信號，完成與上位機的握手協(xié)議，正常后采樣輸入加熱溫度設定值，溫度設定后按啟動按鈕，之后系統(tǒng)由他激轉自激啟動，當啟動成功后，系統(tǒng)開始升高輸出功率，進入溫度自動跟蹤階段，若有擾動則系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)輸出功率。

5 實驗及結論
    根據(jù)上述分析，設計了一套250 kW／1．5 kHz的火車制動梁中頻熱處理感應加熱電源。圖8示出實驗波形。圖8a中ua為α=30°時a相輸入電壓波形，ugVT為a相下橋臂晶閘管整流觸發(fā)脈沖波形，圖中前一個窄脈沖上升沿基本在正弦波30°，兩個窄脈沖上升沿約相差20°。

    當中頻電壓大于設定值時，外部模擬電路將輸出過壓保護信號，DSP接到過壓保護信號后執(zhí)行過壓保護程序發(fā)出高頻觸發(fā)脈沖，通過多次短暫通斷，達到逐步釋放能量的目的。圖8b下側波形與上側波形相比，觸發(fā)脈沖的頻率升高。
    實驗結果表明，提出的基于DSP的火車制動梁中頻感應加熱電源，其整流觸發(fā)、逆變觸發(fā)以及保護電路都能可靠工作。溫度閉環(huán)基本可根據(jù)溫度變化調(diào)節(jié)輸出功率，實現(xiàn)了制動梁加熱的恒溫控制，可解決制動梁熱處理時恒溫控制問題，基于該方案研制的控制系統(tǒng)可應用在制動梁生產(chǎn)中。