何少佳,莫金海,徐祖全,陳智謀,郭滇生

(1.桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,廣西 桂林 541004;2.桂林桂冶實(shí)業(yè)有限公司,廣西 桂林 541001)

六面頂液壓機(jī)調(diào)功器設(shè)計(jì)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(xué)機(jī)電工程學(xué)院,廣西 桂林 541004;2.桂林桂冶實(shí)業(yè)有限公司,廣西 桂林 541001)

針對(duì)六面頂液壓機(jī)溫度控制存在精度低、抗干擾性差等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種恒功率控制的調(diào)功器。根據(jù)可控硅移相觸發(fā)控制輸出波形的特點(diǎn),采用霍爾傳感器精密檢測(cè)加熱電流、電壓,經(jīng)適當(dāng)換算方法獲得實(shí)時(shí)加熱功率值,通過(guò)精密的P I D閉環(huán)控制使之穩(wěn)定。實(shí)踐證明,該調(diào)功器控制精度高、抗干擾性強(qiáng),而且運(yùn)行穩(wěn)定可靠,有助于提高六面頂液壓機(jī)的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

六面頂液壓機(jī);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(jī)是超高壓高溫條件下合成金剛石單晶、聚晶、復(fù)合片,以及開(kāi)發(fā)新型超硬材料的主要設(shè)備。生產(chǎn)過(guò)程中,溫度控制的穩(wěn)定性及可控性是決定生產(chǎn)效率的重要因素。我國(guó)現(xiàn)有的系統(tǒng)加熱控制效果不佳,重復(fù)性差,嚴(yán)重制約了六面頂液壓機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)質(zhì)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(dòng)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(shù)相當(dāng)復(fù)雜,而且目前的大功率開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通壓降都較高,變流電路中功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通壓降幾乎與電源輸出電壓相當(dāng),熱損耗高效率低,必須增加專(zhuān)門(mén)的冷卻裝置。在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力下,在提倡節(jié)能降耗的今天,直流加熱方式一直沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。交流加熱仍然是當(dāng)前金剛石合成加熱的首選方式。

理論上,采用溫度信號(hào)反饋的控制方式最為直接有效。但在生產(chǎn)過(guò)程中,六面頂液壓機(jī)合成部分處于超高壓、超高溫和密閉狀態(tài),直接測(cè)量合成溫度信號(hào)技術(shù)難度大,生產(chǎn)成本高。此外,由于溫度反饋控制系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)較大,其抑制諸如電網(wǎng)電壓波動(dòng)等干擾信號(hào)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(shí)現(xiàn),因此,在生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。但是,深入研究的結(jié)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(diào)功器,這種加熱調(diào)功器采用的是恒功率交流控制的方式。

2 系統(tǒng)工作原理

恒功率交流調(diào)功加熱系統(tǒng)原理如圖1所示,主要分為主電路和檢測(cè)控制兩部分。主電路由可控硅移相控制交流調(diào)壓和加熱變壓器構(gòu)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(diào)節(jié)通過(guò)控制可控硅觸發(fā)角大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)采用P I D控制的形式,控制信號(hào)使脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生相應(yīng)的移相觸發(fā)信號(hào),經(jīng)高低壓電隔離后驅(qū)動(dòng)可控硅的導(dǎo)通。反饋信號(hào)取自加熱電流和電壓。

3 電路設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1系統(tǒng)工作原理,設(shè)計(jì)出如下各主要單元電路。

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

3.1 電流電壓信號(hào)檢測(cè)

檢測(cè)精度是影響控制精度的一大關(guān)鍵因素,對(duì)被控對(duì)象的測(cè)量要求精度要高,而且對(duì)于六面頂金剛石壓機(jī)加熱系統(tǒng)這樣的強(qiáng)實(shí)時(shí)性系統(tǒng)而言,測(cè)量速率的快慢也直接關(guān)系系統(tǒng)的控制效果?；谶@些考慮,本系統(tǒng)的電壓和電流的檢測(cè)采用霍爾傳感器。

霍爾電壓、電流傳感器分別應(yīng)用霍爾效應(yīng)閉環(huán)、開(kāi)環(huán)原理,能在電隔離條件下測(cè)量直流、交流、脈沖以及各種不規(guī)則波形的電壓、電流。與傳統(tǒng)的電流互感器和變壓器檢測(cè)電流和電壓相比,采用霍爾傳感器作為電流和電壓的檢測(cè)器件主要具有以下優(yōu)點(diǎn):原邊和副邊高度絕緣、高精度和良好的線性度、低溫漂、響應(yīng)時(shí)間快,以及頻帶寬和共模抑制比強(qiáng),非常適合本系統(tǒng)的性能要求。

圖2、圖3分別為霍爾電流、電壓檢測(cè)電路。需要注意的是,輸出電阻Ri選取不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)精度降低,甚至損壞器件。這里,Ri取15kΩ/2 W。

圖2 電流檢測(cè)電路Fig.2 Current detection circuit

圖3 電壓檢測(cè)電路Fig.3 Voltage detection circuit

3.2 功率轉(zhuǎn)換與濾波電路

功率轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。由于負(fù)載消耗的功率為非負(fù)值,故電流、電壓輸入反饋信號(hào)均取絕對(duì)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(diǎn)。

圖4 功率轉(zhuǎn)換電路Fig.4 Power conversion circuit

ICL 8048/ICL 8049是對(duì)數(shù)/反對(duì)數(shù)放大器,內(nèi)帶自動(dòng)溫度補(bǔ)償電路,工作特性穩(wěn)定,參數(shù)調(diào)節(jié)方便。

為了獲取加熱平均功率,采用巴特沃斯濾波器MAX7418進(jìn)行濾波。巴特沃斯濾波器的特點(diǎn)是通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦,沒(méi)有起伏,而在阻頻帶則逐漸下降為零;在振幅的對(duì)數(shù)對(duì)角頻率的波特圖上,從某一邊界角頻率開(kāi)始,振幅隨著角頻率的增加而逐步減少,趨向負(fù)無(wú)窮大。MAX7418是五階、零誤差、開(kāi)關(guān)電容式巴特沃茲低通濾波器,其應(yīng)用電路如圖5所示。

圖5 MAX7418濾波器Fig.5 MAX7418 filter

3.3 同步信號(hào)檢測(cè)電路

為提高移相觸發(fā)控制精度,設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)的過(guò)零檢測(cè)電路,如圖6所示。該電路主要由比較器、斯密特觸發(fā)器和RC濾波電路等構(gòu)成。Vsyn為輸入同步信號(hào),取自被控正弦波交流電源。當(dāng)Vsyn>0時(shí),即在同步信號(hào)正半波時(shí),VO輸出為高電平;當(dāng)Vsyn<0時(shí),即在同步信號(hào)負(fù)半波時(shí),則VO輸出為低電平。這樣就把正弦波電壓轉(zhuǎn)換成了與之同相位的方波信號(hào)。方波信號(hào)再通過(guò)六反向斯密特觸發(fā)器74HC14整形后輸出,作為同步控制信號(hào)。比較器選用LM 311高速比較器,它具備驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、靈活性高和比較速度快等特點(diǎn)。

圖6 同步信號(hào)過(guò)零檢測(cè)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(shù)成熟、適用性寬、易于實(shí)現(xiàn)和易于調(diào)試等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于工業(yè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。P I D控制器輸出信號(hào)通過(guò)相控芯片TCA 785,轉(zhuǎn)換成0～180°的移相脈沖,經(jīng)光電隔離驅(qū)動(dòng)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(yàn)結(jié)果

圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果(電源電壓變化20%)Fig.8 Practical heating power curve in 20%supply voltage change

應(yīng)用中,為檢驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行特性和抗干擾能力,功率給定設(shè)為2kW,電源輸入如圖8中曲線①所示,實(shí)際功率輸出為曲線②。當(dāng)電源電壓波動(dòng)±20%時(shí),功率輸出波動(dòng)小于8%,并很快趨于穩(wěn)定,穩(wěn)態(tài)誤差幾乎為零。

5 結(jié)論

實(shí)踐表明,恒功率交流加熱調(diào)功器具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能,抗干擾能力強(qiáng),經(jīng)濟(jì)實(shí)用。但由于反饋控制不是直接采用合成溫度信號(hào),所以,應(yīng)用前需要進(jìn)行功率對(duì)應(yīng)合成溫度實(shí)際值的標(biāo)定。此外,由于在生產(chǎn)過(guò)程中,合成塊內(nèi)阻會(huì)發(fā)生些小的變化而導(dǎo)致溫度產(chǎn)生相應(yīng)的波動(dòng),控制功率的方法并不能很好地解決這一問(wèn)題。鑒于功率信號(hào)反饋控制和直接溫度反饋控制兩種方式不同的優(yōu)缺點(diǎn),若能解決合成溫度檢測(cè)這一難點(diǎn),加熱控制系統(tǒng)應(yīng)以功率、溫度雙閉環(huán)控制更好,其中功率反饋控制為內(nèi)環(huán),溫度反饋控制為外環(huán)。

[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(tǒng)分析及其精密交流調(diào)功器設(shè)計(jì)[J].人工晶體學(xué)報(bào),2009,38(3):612-619.

[3] 姜榮華,鄭利敏.六面頂金剛石壓機(jī)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?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化。郵箱:hmhsj@guet.edu.cn(或者:hmhsj@sina.com)

廣西科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(桂科攻0992002-15)