基于运放退饱和的电阻炉温度控制系统设计

摘要：为了实现电阻炉的快速升温及温度控制，采用运放退饱和的方法，当电阻炉温度未达到设定值时，运放饱和输出，所控制的驱动电路输出脉冲的占空比最大，IGBT近似全导通，电炉加热功率最大，温度快速上升；当温度达到设定值时，运放开始退饱和，输出电压逐渐减小，从而减小驱动电路输出脉冲的占空比，IGBT导通时间变短，电炉加热功率减小，实现温度控制。通过Multisim软件仿真及硬件电路测试，验证了本设计的可行性。该温度控制系统具有升温速度快、易于操作、滞后性较低的优点。
关键词：电阻炉；温度控制；运放；退饱和；IGBT

0 引言
电阻炉在热处理工艺中被广泛应用，研究电阻炉控制方法具有重要意义。目前，电炉温度控制主要采用PID控制或基于PID的衍生控制方法，PID控制整定方便，适应性好，是目前过程控制中应用广泛的一种控制方法，但对于滞后大的过程，如温度控制，PID稳定时间较长。本文中提出的通过运放退饱和来调节驱动脉冲的占空比，从而控制IGBT关断与导通时间，实现对电炉温度的控制和调节的方法，简单实用，升温速度快，为温度控制提出了另一种可行性方法。

1 电路控制原理
本设计的系统框图如图1所示，由IGBT输出作为电阻丝电源，IGBT的导通和关断时间由555多谐振荡输出脉冲的占空比控制，555电路输出脉冲占空比由系统框图中反馈控制电路的输出电压控制。

本文主要讨论反馈控制电路，电路设计思路是当温度低于设定温度时，运放饱和输出，555振荡电路输出脉冲具有最大占空比，IGBT接近于全导通，电路具有最大输出功率，电阻炉快速升温。当温度接近设定温度时，运放开始退饱和，输出电压减小，从而555振荡电路输出脉冲的占空比减小，IGBT导通时间变短，从而电炉功率减小。