基于DSP的火車制動梁中頻加熱電源研制

摘要：針對目前普遍采用的火焰加熱式熱處理設(shè)備溫度控制精度低的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(qiáng)了系統(tǒng)對負(fù)載參數(shù)變化和外部干擾的適應(yīng)性，有效提高了溫度控制精度。分析了加熱電源的結(jié)構(gòu)和原理，并對控制電路和控制方法進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)對該系統(tǒng)的性能進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)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(jìn)行改造。
關(guān)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(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，在加熱時(shí)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(qiáng)度。感應(yīng)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(shí)間和溫度易于控制，便于實(shí)現(xiàn)自動化，非常適用于對制動梁坯料進(jìn)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(jī)通信于一體，可實(shí)現(xiàn)恒溫控制。

2 加熱電源的結(jié)構(gòu)
    該加熱電源采用如圖1所示的中頻感應(yīng)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€(gè)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(fù)載是由補(bǔ)償電容和感應(yīng)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(shí)控制電路中還包括三相過流保護(hù)、三相電源斷相保護(hù)、中頻電壓過壓保護(hù)、冷卻水的欠壓保護(hù)及控制板電源欠壓等保護(hù)電路。一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，即可進(jìn)入逆變保護(hù)狀態(tài)，然后可靠地停機(jī)。為保護(hù)晶閘管安全運(yùn)行，每個(gè)晶閘管還加了阻容吸收電路來減小器件的開關(guān)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(jìn)線上取得，并送入DSP的ADC模塊，經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到同步電壓。在每個(gè)數(shù)據(jù)采樣程序里判斷電壓是否過零(包括由正到負(fù)和由負(fù)到正電壓的過零)，如果過零，則記下該時(shí)刻通用定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，并在此后的時(shí)間里實(shí)時(shí)地根據(jù)觸發(fā)角α的變化比較定時(shí)器計(jì)數(shù)值，如果相等則發(fā)出相應(yīng)晶閘管觸發(fā)脈沖信號，實(shí)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(guān)的逆變器控制常采用他激轉(zhuǎn)自激的控制策略，即在開機(jī)或負(fù)載電壓低于閾值時(shí)采用開環(huán)定頻控制，工作在他激狀態(tài)；當(dāng)輸出負(fù)載電壓大于閾值電壓時(shí)進(jìn)行自動切換，這時(shí)逆變器工作在閉環(huán)狀態(tài)，跟蹤負(fù)載頻率變化。
    中頻電壓反饋信號是從中頻反饋?zhàn)儔浩魅〉?，?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(jìn)行PI調(diào)節(jié)并輸出相應(yīng)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(guān)管必須遵循先導(dǎo)通后關(guān)斷的原則，因此控制脈沖必須具有一個(gè)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(shí)現(xiàn)帶重疊區(qū)的PWM脈沖輸出信號。

3 保護(hù)電路設(shè)計(jì)
    晶閘管中頻電源在運(yùn)行時(shí)會遇到各種非正常情況，對這些情況必須采取一定的保護(hù)措施。保護(hù)電路主要包括：冷卻水壓過低，直流電流過流保護(hù)，中頻電壓過高等。為保證故障檢測實(shí)時(shí)性，保護(hù)電路采用模擬電路。[!--empirenews.page--]
3．1 水壓保護(hù)電路
    在冷卻水回路中安裝一個(gè)帶觸點(diǎn)的水壓表。水壓低于設(shè)定值時(shí)，壓力發(fā)出一個(gè)閉合觸點(diǎn)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(dāng)水壓過低時(shí)，水壓信號閉合接地，9013關(guān)斷，電源通過電阻給電容充電，拉高TRIG和THR引腳的電壓。當(dāng)電壓升至2Vcc／3時(shí)，定時(shí)器輸出翻轉(zhuǎn)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(hù)電路如圖3所示，電流轉(zhuǎn)換成的電壓信號送至555定時(shí)器THR引腳。當(dāng)引腳上電壓大于2Vcc／3時(shí)，OUT引腳輸出“0”，輸出保護(hù)信號；DIS引腳導(dǎo)通接地，過流指示燈亮。

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3．3 中頻過壓保護(hù)
    中頻電壓過壓保護(hù)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(shí)器THR引腳。當(dāng)引腳上電壓大于2Vcc／3時(shí)，OUT引腳輸出“0”，輸出保護(hù)信號；DIS引腳導(dǎo)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(yīng)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(gè)閉環(huán)相結(jié)合的恒溫控制方式?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)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(yùn)行的整個(gè)階段，電流環(huán)始終參與工作，電壓環(huán)只在運(yùn)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(diǎn)溫度T之間關(guān)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(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。當(dāng)測得的坯料溫度高于設(shè)定范圍時(shí)，中頻電源會自動降低輸出功率，反之溫度低于設(shè)定溫度范圍時(shí)，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(shí)，受負(fù)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(shí)間作為一個(gè)輸入量，以第n個(gè)采樣周期中頻加熱系統(tǒng)的溫度偏差e(t)作為另一個(gè)輸入量，設(shè)計(jì)3個(gè)模糊控制器對PID控制中的3個(gè)參數(shù)進(jìn)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(shè)定值以及檢測得到的溫度計(jì)數(shù)控制輸出量。參數(shù)自整定模糊控制器的結(jié)構(gòu)如圖6所示。[!--empirenews.page--]

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

    系統(tǒng)上電后，進(jìn)行初始化、開中斷，然后檢測有無報(bào)警信號，完成與上位機(jī)的握手協(xié)議，正常后采樣輸入加熱溫度設(shè)定值，溫度設(shè)定后按啟動按鈕，之后系統(tǒng)由他激轉(zhuǎn)自激啟動，當(dāng)啟動成功后，系統(tǒng)開始升高輸出功率，進(jìn)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(shí)驗(yàn)及結(jié)論
    根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)了一套250 kW／1．5 kHz的火車制動梁中頻熱處理感應(yīng)加熱電源。圖8示出實(shí)驗(yàn)波形。圖8a中ua為α=30°時(shí)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(gè)窄脈沖上升沿基本在正弦波30°，兩個(gè)窄脈沖上升沿約相差20°。

    當(dāng)中頻電壓大于設(shè)定值時(shí)，外部模擬電路將輸出過壓保護(hù)信號，DSP接到過壓保護(hù)信號后執(zhí)行過壓保護(hù)程序發(fā)出高頻觸發(fā)脈沖，通過多次短暫通斷，達(dá)到逐步釋放能量的目的。圖8b下側(cè)波形與上側(cè)波形相比，觸發(fā)脈沖的頻率升高。
    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的基于DSP的火車制動梁中頻感應(yīng)加熱電源，其整流觸發(fā)、逆變觸發(fā)以及保護(hù)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(shí)現(xiàn)了制動梁加熱的恒溫控制，可解決制動梁熱處理時(shí)恒溫控制問題，基于該方案研制的控制系統(tǒng)可應(yīng)用在制動梁生產(chǎn)中。