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PET吹瓶機加熱功率控制系統(tǒng)設(shè)計
添加時間: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(zhí)行部件,運用相位觸發(fā)調(diào)功和電壓相位補償?shù)脑,設(shè)計了基于LPC2292的PET吹瓶機加熱系統(tǒng)。經(jīng)過不斷地調(diào)試,該系統(tǒng)有效地實現(xiàn)了加熱功率線性跟蹤調(diào)節(jié)控制,能夠控制多路紅外線燈管穩(wěn)定加熱。在對電壓相位觸發(fā)設(shè)計的基礎(chǔ)上,根據(jù)采樣檢測到的電源電壓,對不同電壓的觸發(fā)相位進行補償,最終實現(xiàn)加熱功率的線性跟蹤調(diào)節(jié),本設(shè)計已成功應(yīng)用于PET吹瓶機加熱控制系統(tǒng)中。

  1.引言

  PET(Polythyleneterephtha-

  late,俗稱滌綸樹脂)吹瓶機是將聚酯材料的瓶坯通過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(tǒng)、加熱系統(tǒng)、吹氣系統(tǒng)及其它輔助系統(tǒng)組成。在坯料進入模具開始拉伸前,其加熱溫度對坯料的成型起著至關(guān)重要的作用,為了防止瓶身出現(xiàn)發(fā)白、不透明、不均勻等現(xiàn)象,使產(chǎn)品各個位置的厚度達到技術(shù)要求,溫度一般在80℃到120℃之間進行精確控制。

  目前PET吹瓶機的加熱控制方式主要是交流調(diào)壓和交流調(diào)功來實現(xiàn)輸出加熱功率。交流調(diào)壓在每半個周波對晶閘管開通相位進行控制,實現(xiàn)輸出電壓有效值的調(diào)節(jié)。交流調(diào)功以交流電的周期為基本單位,通過對晶閘管的控制來改變晶閘管通斷周期數(shù)的比,可方便調(diào)節(jié)輸出功率的平均值。文獻提出了電路拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案,比較了調(diào)相觸發(fā)與過零周期波觸發(fā)的優(yōu)缺點,指出調(diào)相觸發(fā)很難實現(xiàn)線性調(diào)功。人們用模糊PID控制、內(nèi)?刂、隨機自適應(yīng)預(yù)測控制、變系數(shù)PID調(diào)節(jié)等技術(shù)對PET吹瓶機溫度控制進行了理論研究、仿真與應(yīng)用。但在實際中由于這些控制方法計算量大,在線計算較難,且外界影響因素較為復(fù)雜,難以滿足實際工藝要求。

  本文針對PET吹瓶機加熱系統(tǒng)的特點,立足于產(chǎn)品的具體應(yīng)用,以簡單實用為設(shè)計原則,選用LPC2292作為核心控制器,使用相位觸發(fā)調(diào)功和電壓補償對加熱功率進行控制,實現(xiàn)了加熱過程中穩(wěn)定準確調(diào)節(jié)輸出功率。

  2.加熱功率控制原理

  2.1 PET吹瓶機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

  根據(jù)PET吹瓶機加熱系統(tǒng)的要求,確定加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。上位機通過Profibus總線與14臺調(diào)功器通信,每臺調(diào)功器由10路紅外燈管組成加熱器,上位機控制各調(diào)功器中燈管的輸出加熱功率。上位機可以設(shè)定調(diào)功器的輸出功率值、控制方式、總線開關(guān)、傳感器等參數(shù),同時監(jiān)控調(diào)功器的輸出功率、母線電流電壓、過流過壓、燈管異常、超溫報警等信息。

  2.2 相位觸發(fā)調(diào)功原理

  在系統(tǒng)設(shè)計的初始分析階段,在理論上比較分析了交流調(diào)功與交流調(diào)壓方案,現(xiàn)場運行顯示交流調(diào)功方式存在紅外線燈管閃爍現(xiàn)象,這個會影響溫度的穩(wěn)定性,而交流調(diào)壓就不存在這樣的問題,故依據(jù)產(chǎn)品需要,選擇了交流調(diào)壓來實現(xiàn)加熱功率的線性跟蹤輸出,同時,根據(jù)功率量化和電壓量化的實驗結(jié)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,電路通過調(diào)節(jié)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?xí)rUAB波形圖,設(shè)輸入電壓有效值為UAB。

  設(shè)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:

  實際控制時,加熱功率P0為輸出量,可以根據(jù)輸入UAB和α來確定。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,會導(dǎo)致所建立的數(shù)組異常龐大,這是移相觸發(fā)調(diào)節(jié)很難實現(xiàn)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(shè)計分兩步來實現(xiàn),首先設(shè)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(yīng)1000個輸出觸發(fā)角,將觸發(fā)相位角存放在數(shù)組S[]中,觸發(fā)角量化模型如圖4所示,然后檢測實際輸入電壓的大小,與設(shè)定電壓US比較,建立觸發(fā)角補償機制,從而得到實際的輸出功率觸發(fā)角。

  本系統(tǒng)將交流電壓在半周期內(nèi)嚴格量化成1000個點,平均量化精度可達到1μs,完全可以滿足設(shè)計要求,設(shè)觸發(fā)時間為ti,單位為μs,當ti從1000μs逐漸減少到0時,觸發(fā)角慢慢變小,相應(yīng)的輸出功率變大,當觸發(fā)時間點量化計算滿足關(guān)系式(4)時,保存相應(yīng)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。

  當輸入的實際電壓為Ur時,相應(yīng)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,實際輸出功率就會偏離設(shè)定電壓US下的輸出功率PS。

  設(shè)Kc為電壓相位補償系數(shù),其表達式為公式(6)所示:

  將上位機設(shè)定輸出的功率轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓相位觸發(fā)時間序列值時,在外部輸入電壓降低或升高時,可以啟動電壓相位補償功能,使Kc能對導(dǎo)通時間進行相應(yīng)的調(diào)整,保證輸出功率的線性跟蹤特性。

  綜上所述,即建立如下關(guān)系:

  通過上面的關(guān)系即可實現(xiàn)加熱功率的線性跟蹤輸出。

  3.控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

  硬件部分核心控制器采用NXP公司的以ARM7TDMI-S為內(nèi)核的32位微處理器LPC2292作為核心控制器,其功耗極低,性價比很高。

  該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)簡圖如圖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、過零檢測電路、燈管狀態(tài)檢測電路,驅(qū)動電路由LPC2292發(fā)出控制脈沖,通過光耦,觸發(fā)可控硅的導(dǎo)通,實現(xiàn)功率的線性輸出。E2PROM選用AT24C02,將LPC2292作為主機,AT24C02作為從機,選用I2C總線方式設(shè)定傳感器的參數(shù)。

  4.控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

  本系統(tǒng)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(shè)定各個燈管的功率值、控制方式、各種狀態(tài)顯示等,下位機的主程序結(jié)構(gòu)流程。

  5.實驗測量數(shù)據(jù)比較

  產(chǎn)品所選紅外線加熱燈管為400V、2kw,在10路紅外線燈管中,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%,啟動電壓相位補償設(shè)置,使用遠方智能電量測試儀PF9811,對其輸出功率進行測量,得到實際輸出功率值,計算理論輸出功率值,將兩者進行比較,實際輸出功率和理論輸出功率關(guān)系。

  實線為PF9811所測實際輸出功率,虛線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,實際輸出為530W,偏離設(shè)定值6%,此時對應(yīng)的誤差最大。其它設(shè)定值誤差均小于6%。

  6.結(jié)論

  經(jīng)過實驗數(shù)據(jù)分析可知,在功率調(diào)節(jié)的過程中,加熱功率對理論功率呈線性跟蹤輸出,從實踐中驗證了本文所采用的相位觸發(fā)調(diào)功和電壓相位補償?shù)姆椒ㄔ赑ET吹瓶機加熱功率控制系統(tǒng)中的有效性。

 
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