摘要：為了實現(xiàn)電阻爐的快速升溫及溫度控制，采用運放退飽和的方法，當電阻爐溫度未達到設定值時，運放飽和輸出，所控制的驅動電路輸出脈沖的占空比zui大，IGBT近似全導通，電爐加熱功率zui大，溫度快速上升；當溫度達到設定值時，運放開始退飽和，輸出電壓逐漸減小，從而減小驅動電路輸出脈沖的占空比，IGBT導通時間變短，電爐加熱功率減小，實現(xiàn)溫度控制。通過Multisim軟件仿真及硬件電路測試，驗證了本設計的可行性。該溫度控制系統(tǒng)具有升溫速度快、易于操作、滯后性較低的優(yōu)點。
　　
　　關鍵詞：電阻爐；溫度控制；運放；退飽和；IGBT
　　
　　引言
　　
　　電阻爐在熱處理工藝中被廣泛應用，研究電阻爐控制方法具有重要意義。目前，電爐溫度控制主要采用PID控制或基于PID的衍生控制方法，PID控制整定方便，適應性好，是目前過程控制中應用廣泛的一種控制方法，但對于滯后大的過程，如溫度控制，PID穩(wěn)定時間較長。本文中提出的通過運放退飽和來調節(jié)驅動脈沖的占空比，從而控制IGBT關斷與導通時間，實現(xiàn)對電爐溫度的控制和調節(jié)的方法，簡單實用，升溫速度快，為溫度控制提出了另一種可行性方法。
　　
　　1、電路控制原理
　　
　　本設計的系統(tǒng)框圖如圖1所示，由IGBT輸出作為電阻絲電源，IGBT的導通和關斷時間由555多諧振蕩輸出脈沖的占空比控制，555電路輸出脈沖占空比由系統(tǒng)框圖中反饋控制電路的輸出電壓控制。　　
　　本文主要討論反饋控制電路，電路設計思路是當溫度低于設定溫度時，運放飽和輸出，555振蕩電路輸出脈沖具有zui大占空比，IGBT接近于全導通，電路具有zui大輸出功率，電阻爐快速升溫。當溫度接近設定溫度時，運放開始退飽和，輸出電壓減小，從而555振蕩電路輸出脈沖的占空比減小，IGBT導通時間變短，從而電爐功率減小。　　
　　基于以上設計思路，設計出一套由兩級運放組成的反饋控制電路，電路圖如圖2所示。電路輸入是由熱電偶從電爐反饋回的熱電動勢，經(jīng)*級運放放大后與溫度控制信號Vcon進行差值運算后經(jīng)第二級放大輸出。當熱電偶反饋信號小于Vcon時，第二級運放飽和輸出，555電路輸出脈沖占空比zui大，從而IGBT導通時間zui長，電爐加熱功率zui大。當熱電偶反饋信號超過Vcon時，第二級運放開始退飽和，輸出減小，555電路輸出占空比減小，IGBT導通時間變短，電爐加熱功率變小，從而使電爐溫度在設定溫度上下變化。設定溫度值可以通過改變溫度控制信號Vcon與Rf、R2的值來改變，電路簡單實用，便于調整。
　　
　　2、數(shù)據(jù)分析與仿真
　　
　　為了驗證電路設計參數(shù)以及與實際電路的運行結果進行對照，利用Multisire仿真軟件對電路進行了仿真測試。電路采用K型鎳鉻一鎳硅熱電偶進行反饋，K型鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表如表1所示。　　
　　仿真中，設定900℃為溫度期望值，使運放在820℃時開始退飽和，查表1可知820℃時熱電偶反饋電動勢為34．095mV，通過調整、Rf及R2使設定溫度為此值對應溫度。首先，在圖2所示電路輸入端加上連續(xù)變化的正弦信號（低頻）來模擬熱電偶反饋信號，正弦信號幅度為45mV，即反饋信號Vi在0～45mV周期性變化，查表1可知，相當于電爐溫度是在0～1100℃周期性變化，仿真結果如圖3所示，雙蹤示波器A路（線1）顯示幅度為45mV的正弦輸入信號，B路（線2）顯示第二級運放的輸出信號，可以看到運放是從Vi=34．321mV處開始退飽和，由表1知對應溫度稍高于820℃，誤差較小，符合設計預期。　　
　　圖4所示為輸出電壓、占空比與溫度關系圖，可以看出，運放在820℃左右開始退飽和，運放輸出電壓逐漸減小，555輸出方波占空比隨之減小，從而達到減小主電路功率輸出的目的。當溫度達到900℃左右時，運放輸出電壓減小到約6．4V，此時555電路輸出的驅動脈沖占空比只有0．3左右，電爐溫度趨于穩(wěn)定。
　　
　　3、硬件電路測試結果
　　
　　圖5所示為相同設定下不同退飽和點時的溫度上升曲線。當退飽和點設定較高時（即線1），由于升溫速度快和溫度的滯后作用，溫度一旦超過設定值后再穩(wěn)定至設定溫度。當退飽和點設定較低時（即線3），需要較長的時間逐漸達到設定溫度值。當退飽和點設定合適時（即線2），可以達到較理想的快速升溫曲線。　　
　　4、結語
　　
　　本文提出一種基于運放退飽和和反饋控制設計電爐電路的方法，給出了具體的設計電路圖及軟硬件測試結果。實驗結果表明本系統(tǒng)簡單實用，升溫速度快，可以根據(jù)需要設定不同的溫度閾值，為電阻爐溫度控制提出了另一種可行性方法。同時，本設計也有很大的改進空間，通過地計算電路參數(shù)，并將控制電壓設為由MCU或PLC控制，可以實現(xiàn)自動化調節(jié)，使操作更簡單，精度更高。希望本文對從事電阻爐改造和設計的人員提供有益幫助。