利用比例式功率控制實(shí)現(xiàn)恒溫器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在工業(yè)控制和過(guò)程控制領(lǐng)域，經(jīng)常必須準(zhǔn)確控制過(guò)程溫度?？衫谩伴_(kāi)關(guān)”（Bang-Bang）法來(lái)控制多數(shù)加熱元件，即在預(yù)定設(shè)置點(diǎn)給它們通電或斷電。被加熱物質(zhì)的溫度始終在設(shè)置點(diǎn)附近波動(dòng)?？衫帽壤焦β士刂苼?lái)實(shí)現(xiàn)高得多的溫度精度。借助這種方法，控制器監(jiān)視溫度時(shí)，按照比例改變加熱器功率，來(lái)使溫度盡可能接近設(shè)置點(diǎn)。PID（比例積分導(dǎo)數(shù)）控制環(huán)通?？蓪?shí)現(xiàn)這種功能。以線(xiàn)性比例方式改變通往加熱元件的交流電，這既不容易，也不簡(jiǎn)單。

本設(shè)計(jì)借鑒了Delta-Sigma調(diào)制器概念。控制器按照Delta-Sigma調(diào)制器確定的方式把AC線(xiàn)路的周期發(fā)送給負(fù)載。例如，當(dāng)輸入控制電壓是滿(mǎn)刻度的15%時(shí)，100個(gè)AC周期中，只有15個(gè)到達(dá)負(fù)載。同樣，在85%時(shí)，100個(gè)周期中，有85個(gè)到達(dá)（圖1）?？刂齐妷狠斎爰?jí)IC1A是反相放大器，增益為-1。該級(jí)使控制電壓范圍大于0V。在本例中，控制電壓輸入范圍是0至2V滿(mǎn)刻度。控制電壓的輸入阻抗為100 kΩ。

下一級(jí)IC1B是積分器。積分器輸出可上升或下降，這取決于輸入電流的極性。它的升降速度取決于輸入電流的大小。積分器是Delta-Sigma調(diào)制器的核心。一般而言，它會(huì)強(qiáng)制R4中的控制電壓電流和R6中的反饋電流之間保持平衡。換言之，IC3A（是CMOS D型雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器）的輸出的占空比必須匹配滿(mǎn)刻度的控制電壓百分比。

比較器IC2A檢測(cè)積分器的輸出是否為正（因此需要更多反饋電流）或負(fù)（因此需要較少反饋，以便保持平衡）。比較器的輸出在0V和5V之間切換。雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器在60Hz時(shí)鐘的下一個(gè)上升沿鎖住比較器的結(jié)果。

只要雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器向積分器提供反饋電流，PNP晶體管Q1和光隔離SCR（光控整流器）IC4就會(huì)驅(qū)動(dòng)負(fù)載切換SCR1，使之進(jìn)入導(dǎo)電狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載SCR接通時(shí)，指示器LED1點(diǎn)亮。變壓器T1的次級(jí)檢測(cè)AC電源線(xiàn)路的零交叉，這些交叉提供60Hz時(shí)鐘。比較器IC2B的輸出在AC線(xiàn)路處于正半周期時(shí)切換至高電平，在負(fù)半周期時(shí)切換至低電平。電阻R15提供很小的正偏置，導(dǎo)致60Hz時(shí)鐘的邊緣略早出現(xiàn)，在此情況下比晚出現(xiàn)更好。如果太晚關(guān)斷SCR，則它的自鎖性可能會(huì)導(dǎo)致它在本該關(guān)斷的另外半個(gè)周期處于接通狀態(tài)。

比較器IC2A和IC2B均使用少量滯后來(lái)促進(jìn)快速純凈的切換。其余元件生成穩(wěn)定的5V和–5V電源。變壓器T1和光隔離器IC4提供針對(duì)AC電源線(xiàn)路的隔離。

本設(shè)計(jì)對(duì)于恒溫器控制等應(yīng)用很好用，但對(duì)于光線(xiàn)亮度調(diào)低或電機(jī)速度控制卻不好用，這是因?yàn)檩敵龉β示哂刑鴦?dòng)性?？奢p松調(diào)整該設(shè)計(jì)，使其工作于240V交流電（50Hz）。

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