本發(fā)明涉及電磁加熱技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于pid控制的電磁加熱系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

電磁加熱系統(tǒng)利用電磁原理，通電線圈在交流電產(chǎn)生的變化電場作用下產(chǎn)生高頻磁場，金屬棒在高頻磁場作用下會自動加熱，但是目前的電磁加熱系統(tǒng)存在加熱速度慢、效率低、散熱速度低，輸出頻率不穩(wěn)定等問題。因此本發(fā)明提出一種基于pid控制的電磁加熱系統(tǒng)及方法，加熱速度慢、效率低、輸出頻率穩(wěn)定。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提出一種基于pid控制的電磁加熱系統(tǒng)及方法，該電磁加熱系統(tǒng)及方法加熱速度慢、效率低、輸出頻率穩(wěn)定。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種基于pid控制的電磁加熱系統(tǒng)，包括：單片機(jī)、pid控制器、雙pwm發(fā)生器、鎖相環(huán)控制電路、隔離驅(qū)動器、半橋/全橋電路、主電源、線圈、功率諧振電容、高頻信號采樣電路、高頻過流保護(hù)電路、軟啟動、輸入電流檢測模塊、電網(wǎng)電壓檢測模塊、igbt溫度檢測模塊、負(fù)載檢測模塊、供電電源、顯示器、指示燈、風(fēng)扇驅(qū)動、散熱器、風(fēng)扇，所述單片機(jī)的輸出端分別連接所述pid控制器、顯示器、指示燈、風(fēng)扇驅(qū)動，其中所述風(fēng)扇驅(qū)動電連接所述風(fēng)扇，所述風(fēng)扇設(shè)于所述散熱器中，所述單片機(jī)的輸入端分別連接所述輸入電流檢測模塊、電網(wǎng)電壓檢測模塊、igbt溫度檢測模塊、負(fù)載檢測模塊、供電電源、軟啟動，所述pid控制器的輸出端依次連接所述雙pwm發(fā)生器、鎖相環(huán)控制電路，所述鎖相環(huán)控制電路的輸出端連接所述隔離驅(qū)動器的輸入端，所述隔離驅(qū)動器的輸出端連接所述半橋/全橋電路，所述主電源連接所述半橋/全橋電路的輸入端，所述半橋/全橋電路的輸出端分別連接所述線圈、功率諧振電容，所述線圈雙向連接所述功率諧振電容，所述功率諧振電容的輸出端連接所述高頻信號采樣電路，所述高頻信號采樣電路的輸出端連接所述高頻過流保護(hù)電路，所述高頻過流保護(hù)電路的輸出端分別連接所述單片機(jī)、雙pwm發(fā)生器和鎖相環(huán)控制電路，所述負(fù)載檢測模塊、igbt溫度檢測分別連接負(fù)載。

進(jìn)一步，所述散熱器包括側(cè)板、底板和頂板，所述散熱器底板上設(shè)有凹槽，凹槽中設(shè)有冷水管，所述冷水管連接有水泵。

進(jìn)一步，所述線圈纏繞在負(fù)載上，其中，所述負(fù)載為一加熱管，所述加熱管上均勻纏繞多段線圈，每段線圈各自連接一個所述隔離驅(qū)動器，所述隔離驅(qū)動器之間加載有一個同步信號。

進(jìn)一步，所述輸入電流檢測模塊包括：電流檢測芯片、第一至第四電阻、二極管，所述電流檢測芯片的第一輸入端連接所述半橋/全橋電路，所述電流檢測芯片的第二輸入端連接第一電阻的第一端，電流檢測芯片的第三輸入端連接第二電阻的第一端，第一電阻的第二端和第三電阻的第一端連接二極管的陽極，二極管的陰極連接第四電阻，第二電阻、第三電阻和第四電阻的第二端均接地，電流檢測芯片的輸出端連接單片機(jī)的輸入端。

進(jìn)一步，所述風(fēng)扇驅(qū)動包括：驅(qū)動芯片、場效應(yīng)管、第五電阻，所述驅(qū)動芯片的電壓端接12v電壓，驅(qū)動芯片的輸出端連接風(fēng)扇，驅(qū)動芯片的輸入端連接場效應(yīng)管的集電極，場效應(yīng)管的基極連接第五電阻，場效應(yīng)管的發(fā)射極接地。

進(jìn)一步，所述隔離驅(qū)動器采用igbt驅(qū)動，包括：第一至第四穩(wěn)壓管、第一至第四場效應(yīng)管、電壓互感器，第一場效應(yīng)管與第二場效應(yīng)管串聯(lián)后與串聯(lián)的第三場效應(yīng)管與第四場并聯(lián)，第三場效應(yīng)管和第四場效應(yīng)管連接電壓互感器的初級，第一穩(wěn)壓管與第二穩(wěn)壓管反向串聯(lián)后連接到電壓互感器的第一次級，第三穩(wěn)壓管與第四穩(wěn)壓管反相串聯(lián)后連接到電壓互感器的第二次級。

進(jìn)一步，所述單片機(jī)采用工業(yè)級單片機(jī)，其型號為stc89c52rc。

一種基于pid控制的電磁加熱系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，包括如下步驟：

步驟s1：軟啟動開啟，對電磁加熱系統(tǒng)上電；

步驟s2：負(fù)載檢測模塊檢測是否有負(fù)載；

步驟s3：讀取設(shè)定溫度和反饋溫度，計算溫度差δt和頻率δf,如果δt小于預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)溫度差，則保持當(dāng)前頻率，如果δt大于或等于預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)溫度差，則pid調(diào)節(jié)頻率δf；

步驟s4：電網(wǎng)電壓監(jiān)測模塊將采集的電網(wǎng)電壓發(fā)送至單片機(jī)，單片機(jī)將采集電壓與額定電壓比較，如果大于額定電壓，則過壓報警退出，如果沒有過壓則繼續(xù)進(jìn)行過流檢測；

步驟s5：輸入電流檢測模塊將采集的線圈輸入電流發(fā)送至單片機(jī)，單片機(jī)將采集電流與額定電流進(jìn)行比較，如果過流則標(biāo)記故障，進(jìn)行線圈過熱檢測，如果沒有過流，則直接進(jìn)行線圈過熱檢測；

步驟s6：如果線圈過熱則標(biāo)記故障，并通過風(fēng)扇驅(qū)動開啟風(fēng)扇，進(jìn)行散熱，并返回至步驟s3，繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)步驟，如果線圈沒有過熱，則關(guān)風(fēng)扇返回至步驟s3，繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)步驟。

進(jìn)一步，所述pid調(diào)節(jié)頻率的計算方法如下：

δf＝kp(ek-ek-1)+ki·ek·tsample

δf為每次采樣周期的控制增量(頻率)輸出；

kp為pid調(diào)節(jié)器中比例系數(shù)；

ek為第k次采樣后的誤差值，ek＝g-tk，g為溫度給定值，tk為第k采樣的溫度反饋值；

ek-1為第k-1次采樣后的誤差值；

ki為pid調(diào)節(jié)器中積分系數(shù)；

tsample為每次采樣的時間間隔；

當(dāng)溫度誤差δt>>預(yù)設(shè)溫度差時，為了使溫度調(diào)節(jié)更快而溫度超調(diào)較小，增大比例系數(shù)kp，減小積分系數(shù)ki；

當(dāng)溫度誤差≥預(yù)設(shè)溫度差時，為了消除溫度靜態(tài)誤差，減小比例系數(shù)kp，增大積分系數(shù)ki。

進(jìn)一步，為了能夠連續(xù)的調(diào)節(jié)kp和ki，利用系數(shù)α來調(diào)節(jié)，如下所示

kp＝kpα；ki＝ki(1-α)

其中，kp為比例系數(shù)的最大值，ki為積分系數(shù)的最大值，α為與溫度誤差成正比的一個系數(shù)，

本發(fā)明的優(yōu)點在于：1、為了提高加熱速度，在一個負(fù)載上均勻纏繞多段線圈，每段線圈各自連接一個隔離驅(qū)動器，并且為了防止其中一個線圈工作時產(chǎn)生的磁通干擾甚至損壞其臨近線圈的隔離驅(qū)動器，采用一個同步信號加載至所有的隔離驅(qū)動器，使得每個隔離驅(qū)動器控制的高頻開關(guān)都能同時開通，同時關(guān)斷，將每個線圈對其他線圈的干擾降到最低，進(jìn)一步提高了可靠性；

2、為了提高散熱速度和提高效率，采用自然冷卻和風(fēng)冷、水冷相結(jié)合的方式進(jìn)行冷卻，即在散熱器底板上設(shè)置凹槽，通冷卻水，并在散熱器上裝風(fēng)扇，進(jìn)行風(fēng)冷，在溫度低時，利用散熱器葉片進(jìn)行自然冷卻，當(dāng)溫度過高時，采用風(fēng)冷或水冷方式進(jìn)行冷卻，并且可以根據(jù)溫度高低調(diào)節(jié)風(fēng)扇驅(qū)動力或水泵的轉(zhuǎn)速，從而降低能量損耗，提高效率；

3、在隔離驅(qū)動器和pid控制器之間設(shè)置鎖相環(huán)控制電路，實現(xiàn)輸出頻率對輸入頻率的自動跟蹤，提高了輸出頻率信號的穩(wěn)定性；

4、為了防止線圈輸入電流過大燒毀線圈，在線圈與單片機(jī)之間設(shè)置高頻過流保護(hù)電路，延長了線圈的使用壽命。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明具體實施方式或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對具體實施方式或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施方式，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明的一種基于pid控制的電磁加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明的一種基于pid控制的電磁加熱系統(tǒng)的電路原理圖；

圖3為本發(fā)明的一種基于pid控制的電磁加熱系統(tǒng)的鎖相環(huán)控制電路原理圖；

圖4為本發(fā)明的一種基于pid控制的電磁加熱方法流程圖。

其中：1、單片機(jī)；2、顯示器；3、指示燈；4、風(fēng)扇驅(qū)動；5、軟啟動；6、pid控制器；7、雙pwm發(fā)生器；8、鎖相環(huán)控制電路；9、隔離驅(qū)動器；10、半橋/全橋電路；11、主電源；12、線圈；13、功率諧振電容；14、高頻信號采樣電路；15、高頻過流保護(hù)電路；16、輸入電流檢測模塊；17、電網(wǎng)電壓檢測模塊；18、igbt溫度檢測模塊；19、負(fù)載檢測模塊；20、供電電源。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術(shù)語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

如圖1所示，本發(fā)明實施例的一種基于pid控制的電磁加熱系統(tǒng)，包括：單片機(jī)1、pid控制器6、雙pwm發(fā)生器7、鎖相環(huán)控制電路8、隔離驅(qū)動器9、半橋/全橋電路10、主電源11、線圈12、功率諧振電容13、高頻信號采樣電路14、高頻過流保護(hù)電路15、軟啟動5、輸入電流檢測模塊16、電網(wǎng)電壓檢測模塊17、igbt溫度檢測模塊18、負(fù)載檢測模塊19、供電電源20、顯示器2、指示燈3、風(fēng)扇驅(qū)動4、散熱器、風(fēng)扇，所述單片機(jī)1的輸出端分別連接所述pid控制器6、顯示器2、指示燈3、風(fēng)扇驅(qū)動4，其中所述風(fēng)扇驅(qū)動4電連接所述風(fēng)扇，所述風(fēng)扇設(shè)于所述散熱器中，所述單片機(jī)1的輸入端分別連接所述輸入電流檢測模塊16、電網(wǎng)電壓檢測模塊17、igbt溫度檢測模塊18、負(fù)載檢測模塊19、供電電源20、軟啟動5，所述pid控制器6的輸出端依次連接所述雙pwm發(fā)生器7、鎖相環(huán)控制電路8，所述鎖相環(huán)控制電路8的輸出端連接所述隔離驅(qū)動器9的輸入端，所述隔離驅(qū)動器9的輸出端連接所述半橋/全橋電路10，所述主電源11連接所述半橋/全橋電路10的輸入端，所述半橋/全橋電路10的輸出端分別連接所述線圈12、功率諧振電容13，所述線圈12雙向連接所述功率諧振電容13，所述功率諧振電容13的輸出端連接所述高頻信號采樣電路14，所述高頻信號采樣電路14的輸出端連接所述高頻過流保護(hù)電路15，所述高頻過流保護(hù)電路15的輸出端分別連接所述單片機(jī)1、雙pwm發(fā)生器7和鎖相環(huán)控制電路8，所述負(fù)載檢測模塊19、igbt溫度檢測分別連接負(fù)載。

進(jìn)一步，所述散熱器包括側(cè)板、底板和頂板，為了提高散熱速度和提高效率，采用自然冷卻和風(fēng)冷、水冷相結(jié)合的方式進(jìn)行冷卻，即在散熱器底板上設(shè)置凹槽，凹槽中設(shè)有冷水管，所述冷水管連接有水泵，通冷卻水，并在散熱器上裝風(fēng)扇，進(jìn)行風(fēng)冷，在溫度低時，利用散熱器葉片進(jìn)行自然冷卻，當(dāng)溫度過高時，采用風(fēng)冷或水冷方式進(jìn)行冷卻，并且可以根據(jù)溫度高低調(diào)節(jié)風(fēng)扇驅(qū)動4力或水泵的轉(zhuǎn)速，從而降低能量損耗，提高效率

進(jìn)一步，所述線圈12纏繞在負(fù)載上，其中，所述負(fù)載為一加熱管，所述加熱管上均勻纏繞多段線圈12，每段線圈12各自連接一個所述隔離驅(qū)動器9，提高了加熱速度，并且為了防止其中一個線圈12工作時產(chǎn)生的磁通干擾甚至損壞其臨近線圈12的隔離驅(qū)動器9，采用一個同步信號加載至所有的隔離驅(qū)動器9，使得每個隔離驅(qū)動器9控制的高頻開關(guān)都能同時開通，同時關(guān)斷，將每個線圈12對其他線圈12的干擾降到最低，進(jìn)一步提高了可靠性；

如圖2所示，所述輸入電流檢測模塊16包括：電流檢測芯片、第一至第四電阻、二極管，所述電流檢測芯片的第一輸入端連接所述半橋/全橋電路10，所述電流檢測芯片的第二輸入端連接第一電阻的第一端，電流檢測芯片的第三輸入端連接第二電阻的第一端，第一電阻的第二端和第三電阻的第一端連接二極管的陽極，二極管的陰極連接第四電阻，第二電阻、第三電阻和第四電阻的第二端均接地，電流檢測芯片的輸出端連接單片機(jī)1的輸入端。

進(jìn)一步，所述風(fēng)扇驅(qū)動4包括：驅(qū)動芯片、場效應(yīng)管、第五電阻，所述驅(qū)動芯片的電壓端接12v電壓，驅(qū)動芯片的輸出端連接風(fēng)扇，驅(qū)動芯片的輸入端連接場效應(yīng)管的集電極，場效應(yīng)管的基極連接第五電阻，場效應(yīng)管的發(fā)射極接地。

進(jìn)一步，所述隔離驅(qū)動器9采用igbt驅(qū)動，包括：第一至第四穩(wěn)壓管、第一至第四場效應(yīng)管、電壓互感器，第一場效應(yīng)管q1與第二場效應(yīng)管q3串聯(lián)后與串聯(lián)的第三場效應(yīng)管q2與第四場效應(yīng)管q4并聯(lián)，第三場效應(yīng)管q2和第四場效應(yīng)管q4連接電壓互感器t2的初級，第一穩(wěn)壓管zd1與第二穩(wěn)壓管zd4反向串聯(lián)后連接到電壓互感器t2的第一次級，第三穩(wěn)壓管zd2與第四穩(wěn)壓管zd4反相串聯(lián)后連接到電壓互感器t2的第二次級。

進(jìn)一步，所述單片機(jī)1采用工業(yè)級單片機(jī)1，其型號為stc89c52rc。

如圖3所示，為鎖相環(huán)控制電路8原理圖，實現(xiàn)輸出頻率對輸入頻率的自動跟蹤，提高了輸出頻率信號的穩(wěn)定性。

如圖4所示，本發(fā)明實施例的一種基于pid控制的電磁加熱系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，包括如下步驟：

步驟s1：軟啟動5開啟，對電磁加熱系統(tǒng)上電；

步驟s2：負(fù)載檢測模塊19檢測是否有負(fù)載；

步驟s3：讀取設(shè)定溫度和反饋溫度，計算溫度差δt和頻率δf,如果δt小于預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)溫度差，則保持當(dāng)前頻率，如果δt大于或等于預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)溫度差，則pid調(diào)節(jié)頻率δf；

步驟s4：電網(wǎng)電壓監(jiān)測模塊將采集的電網(wǎng)電壓發(fā)送至單片機(jī)1，單片機(jī)1將采集電壓與額定電壓比較，如果大于額定電壓，則過壓報警退出，如果沒有過壓則繼續(xù)進(jìn)行過流檢測；

步驟s5：輸入電流檢測模塊16將采集的線圈12輸入電流發(fā)送至單片機(jī)1，單片機(jī)1將采集電流與額定電流進(jìn)行比較，如果過流則標(biāo)記故障，進(jìn)行線圈12過熱檢測，如果沒有過流，則直接進(jìn)行線圈12過熱檢測；

步驟s6：如果線圈12過熱則標(biāo)記故障，并通過風(fēng)扇驅(qū)動4開啟風(fēng)扇，進(jìn)行散熱，并返回至步驟s3，繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)步驟，如果線圈12沒有過熱，則關(guān)風(fēng)扇返回至步驟s3，繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)步驟。

進(jìn)一步，所述pid調(diào)節(jié)頻率的計算方法如下：

δf＝kp(ek-ek-1)+ki·ek·tsample

δf為每次采樣周期的控制增量(頻率)輸出；

kp為pid調(diào)節(jié)器中比例系數(shù)；

ek為第k次采樣后的誤差值，ek＝g-tk，g為溫度給定值，tk為第k采樣的溫度反饋值；

ek-1為第k-1次采樣后的誤差值；

ki為pid調(diào)節(jié)器中積分系數(shù)；

tsample為每次采樣的時間間隔；

當(dāng)溫度誤差δt>>預(yù)設(shè)溫度差時，為了使溫度調(diào)節(jié)更快而溫度超調(diào)較小，增大比例系數(shù)kp，減小積分系數(shù)ki；

當(dāng)溫度誤差≥預(yù)設(shè)溫度差時，為了消除溫度靜態(tài)誤差，減小比例系數(shù)kp，增大積分系數(shù)ki。

進(jìn)一步，為了能夠連續(xù)的調(diào)節(jié)kp和ki，利用系數(shù)α來調(diào)節(jié)，如下所示

kp＝kpα；ki＝ki(1-α)

其中，kp為比例系數(shù)的最大值，ki為積分系數(shù)的最大值，α為與溫度誤差成正比的一個系數(shù)，

最后應(yīng)說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的范圍。