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PET吹瓶機加熱功率控制系統設計 |
添加時(shí)間：2016-5-18 |
采用32位嵌入式處理器LPC2292作為核心控制器，以單向可控硅作為執行部件，運用相位觸發(fā)調功和電壓相位補償的原理，設計了基于LPC2292的PET吹瓶機加熱系統。經(jīng)過(guò)不斷地調試，該系統有效地實(shí)現了加熱功率線(xiàn)性跟蹤調節控制，能夠控制多路紅外線(xiàn)燈管穩定加熱。在對電壓相位觸發(fā)設計的基礎上，根據采樣檢測到的電源電壓，對不同電壓的觸發(fā)相位進(jìn)行補償，最終實(shí)現加熱功率的線(xiàn)性跟蹤調節，本設計已成功應用于PET吹瓶機加熱控制系統中。 1.引言 PET（Polythyleneterephtha- late，俗稱(chēng)滌綸樹(shù)脂）吹瓶機是將聚酯材料的瓶坯通過(guò)一定的工藝手段吹制成瓶子的機器，用以吹制礦泉水瓶、各種碳酸飲料瓶以及多種瓶裝的塑料中空容器。PET吹瓶機一般由供坯系統、加熱系統、吹氣系統及其它輔助系統組成。在坯料進(jìn)入模具開(kāi)始拉伸前，其加熱溫度對坯料的成型起著(zhù)至關(guān)重要的作用，為了防止瓶身出現發(fā)白、不透明、不均勻等現象，使產(chǎn)品各個(gè)位置的厚度達到技術(shù)要求，溫度一般在80℃到120℃之間進(jìn)行精確控制。 目前PET吹瓶機的加熱控制方式主要是交流調壓和交流調功來(lái)實(shí)現輸出加熱功率。交流調壓在每半個(gè)周波對晶閘管開(kāi)通相位進(jìn)行控制，實(shí)現輸出電壓有效值的調節。交流調功以交流電的周期為基本單位，通過(guò)對晶閘管的控制來(lái)改變晶閘管通斷周期數的比，可方便調節輸出功率的平均值。文獻提出了電路拓撲結構的優(yōu)化方案，比較了調相觸發(fā)與過(guò)零周期波觸發(fā)的優(yōu)缺點(diǎn)，指出調相觸發(fā)很難實(shí)現線(xiàn)性調功。人們用模糊PID控制、內�？刂�、隨機自適應預測控制、變系數PID調節等技術(shù)對PET吹瓶機溫度控制進(jìn)行了理論研究、仿真與應用。但在實(shí)際中由于這些控制方法計算量大，在線(xiàn)計算較難，且外界影響因素較為復雜，難以滿(mǎn)足實(shí)際工藝要求。 本文針對PET吹瓶機加熱系統的特點(diǎn)，立足于產(chǎn)品的具體應用，以簡(jiǎn)單實(shí)用為設計原則，選用LPC2292作為核心控制器，使用相位觸發(fā)調功和電壓補償對加熱功率進(jìn)行控制，實(shí)現了加熱過(guò)程中穩定準確調節輸出功率。 2.加熱功率控制原理 2.1 PET吹瓶機系統結構 根據PET吹瓶機加熱系統的要求，確定加熱系統結構如圖1所示。上位機通過(guò)Profibus總線(xiàn)與14臺調功器通信，每臺調功器由10路紅外燈管組成加熱器，上位機控制各調功器中燈管的輸出加熱功率。上位機可以設定調功器的輸出功率值、控制方式、總線(xiàn)開(kāi)關(guān)、傳感器等參數，同時(shí)監控調功器的輸出功率、母線(xiàn)電流電壓、過(guò)流過(guò)壓、燈管異常、超溫報警等信息。 2.2 相位觸發(fā)調功原理 在系統設計的初始分析階段，在理論上比較分析了交流調功與交流調壓方案，現場(chǎng)運行顯示交流調功方式存在紅外線(xiàn)燈管閃爍現象，這個(gè)會(huì )影響溫度的穩定性，而交流調壓就不存在這樣的問(wèn)題，故依據產(chǎn)品需要，選擇了交流調壓來(lái)實(shí)現加熱功率的線(xiàn)性跟蹤輸出，同時(shí)，根據功率量化和電壓量化的實(shí)驗結果，選擇了效果較好的電壓量化。 如圖2所示為可控硅控制電路原理圖，電路通過(guò)調節一對反向并聯(lián)的單向可控硅VT1、VT2的觸發(fā)角α控制燈絲的發(fā)熱功率，輸入電壓為UAB。如圖3為觸發(fā)角α時(shí)UAB波形圖，設輸入電壓有效值為UAB。 設觸發(fā)為α，燈管負載的有效電壓為U0，電流有效值為I0，由圖3所示波形可得： 實(shí)際控制時(shí)，加熱功率P0為輸出量，可以根據輸入UAB和α來(lái)確定。由式（3）可知，由于其加熱功率輸出為一超越方程，難以得到解析解，即使得到解析解，但由于外部電壓是變化的，會(huì )導致所建立的數組異常龐大，這是移相觸發(fā)調節很難實(shí)現的原因之一，為了得到精確的觸發(fā)角，考慮到UAB和α對輸出功率P0的影響，其算法設計分兩步來(lái)實(shí)現，首先設定在輸出功率PS，輸入電壓US的條件下，依照公式（4）精確量化計算出對應1000個(gè)輸出觸發(fā)角，將觸發(fā)相位角存放在數組S[]中，觸發(fā)角量化模型如圖4所示，然后檢測實(shí)際輸入電壓的大小，與設定電壓US比較，建立觸發(fā)角補償機制，從而得到實(shí)際的輸出功率觸發(fā)角。 本系統將交流電壓在半周期內嚴格量化成1000個(gè)點(diǎn)，平均量化精度可達到1μs，完全可以滿(mǎn)足設計要求，設觸發(fā)時(shí)間為ti，單位為μs，當ti從1000μs逐漸減少到0時(shí)，觸發(fā)角慢慢變小，相應的輸出功率變大，當觸發(fā)時(shí)間點(diǎn)量化計算滿(mǎn)足關(guān)系式（4）時(shí)，保存相應的觸發(fā)值。 將代入到公式（4）中，即可建立α與US的關(guān)系表S。 當輸入的實(shí)際電壓為Ur時(shí)，相應的輸出功率為Pr，則Pr、Ur、α三者的關(guān)系如公式（5）所示， 從公式（5）可知，當外部電壓變化時(shí)，實(shí)際輸出功率就會(huì )偏離設定電壓US下的輸出功率PS。 設Kc為電壓相位補償系數，其表達式為公式（6）所示： 將上位機設定輸出的功率轉換成對應的電壓相位觸發(fā)時(shí)間序列值時(shí)，在外部輸入電壓降低或升高時(shí)，可以啟動(dòng)電壓相位補償功能，使Kc能對導通時(shí)間進(jìn)行相應的調整，保證輸出功率的線(xiàn)性跟蹤特性。 綜上所述，即建立如下關(guān)系： 通過(guò)上面的關(guān)系即可實(shí)現加熱功率的線(xiàn)性跟蹤輸出。 3.控制系統硬件設計 硬件部分核心控制器采用NXP公司的以ARM7TDMI-S為內核的32位微處理器LPC2292作為核心控制器，其功耗極低，性?xún)r(jià)比很高。 該系統的硬件結構簡(jiǎn)圖如圖5所示，其中檢測電路包括電流檢測電路、溫度檢測電路、電壓檢測電路、過(guò)零檢測電路、燈管狀態(tài)檢測電路，驅動(dòng)電路由LPC2292發(fā)出控制脈沖，通過(guò)光耦，觸發(fā)可控硅的導通，實(shí)現功率的線(xiàn)性輸出。E2PROM選用AT24C02，將LPC2292作為主機，AT24C02作為從機，選用I2C總線(xiàn)方式設定傳感器的參數。 4.控制系統軟件設計 本系統的程序包括上位機程序和下位機程序，上位機程序主要完成設定各個(gè)燈管的功率值、控制方式、各種狀態(tài)顯示等，下位機的主程序結構流程。 5.實(shí)驗測量數據比較 產(chǎn)品所選紅外線(xiàn)加熱燈管為400V、2kw，在10路紅外線(xiàn)燈管中，選擇其中一路燈管，使其輸出功率從1%增加到100%，每次增加1%，啟動(dòng)電壓相位補償設置，使用遠方智能電量測試儀PF9811，對其輸出功率進(jìn)行測量，得到實(shí)際輸出功率值，計算理論輸出功率值，將兩者進(jìn)行比較，實(shí)際輸出功率和理論輸出功率關(guān)系。 實(shí)線(xiàn)為PF9811所測實(shí)際輸出功率，虛線(xiàn)為理論計算輸出功率值，在所測的功率值當中，在理論輸出功率為500W時(shí)，實(shí)際輸出為530W，偏離設定值6%，此時(shí)對應的誤差最大。其它設定值誤差均小于6%。 6.結論 經(jīng)過(guò)實(shí)驗數據分析可知，在功率調節的過(guò)程中，加熱功率對理論功率呈線(xiàn)性跟蹤輸出，從實(shí)踐中驗證了本文所采用的相位觸發(fā)調功和電壓相位補償的方法在PET吹瓶機加熱功率控制系統中的有效性。
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