基于电磁感应的注塑机加热系统研究与开发

摘要

随着工业的发展，塑料制品得到了越来越广泛的应用。在塑料加工行业中，注塑机是一种进行塑料加工成型的重要设备。随着消费者对塑料制品要求的提高，注塑机也在不断的发展变化。高效能、高精度、大功率、智能化是注塑机未来的发展趋势。
　　目前注塑机加热系统主要有传统电阻式加热和电磁加热两种。电阻式加热效率低下且寿命短，而目前市场上注塑机电磁加热系统性能参差不齐，多半采用电磁炉的原理进行设计，导致感应加热系统稳定性差、效率低和返修率高等问题。本课题的主要目的是设计一种稳定可靠的注塑机感应加热系统，以满足市场的需求，推动感应加热技术在塑料加工行业的应用。
　　本文首先对感应加热原理进行介绍，分析感应加热在注塑机上的应用优势。其次对串联谐振型逆变结构和并联谐振型逆变结构进行理论分析和对比，对各种功率调节方式进行介绍，最终选择了串联谐振型逆变结构和移相PWM调功方式，并给出了注塑机感应加热系统的整体设计方案。
　　在感应加热系统设计中，本文介绍了系统中的核心芯片，并对温度采集与处理电路、锁相环电路、移相控制电路、IGBT驱动电路和人机交互模块的具体实现进行阐述。着重分析了锁相环频率跟踪模块工作原理，将CD4046锁相环与UC3879移相控制芯片结合起来使用，保证了系统能稳定工作在偏感性谐振状态，并实现输出功率的大范围调节。本文使用STM32F103作为主控制芯片。使用了FSMC接口来驱动液晶屏，并通过液晶屏、独立按键来实现人机交互。本文分析了IGBT的驱动原理，使用集成IC封装芯片HCPL316J设计了IGBT的驱动电路，并通过移相电路来控制IGBT驱动电路，保证了感应加热系统能稳定工作在谐振状态。在系统软件设计中，本文给出了系统软件设计的思路与流程，并结合硬件设计使系统的各个功能模块得以实现。重点分析了模糊PID控制算法的原理并将其应用到感应加热系统中，实现了对负载温度的闭环控制。最后使用MATLAB对负载逆变电路进行仿真实验，并完成对实验结果的分析，验证了系统的可行性、可靠性和稳定性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 电磁加热技术在注塑机加热系统的应用分析

1．2．1 注塑机加热系统工作原理

1．2．2 注塑机加热系统的现状

1．2．3 注塑机电磁加热的优势

1．3 电磁加热的基本原理

1．3．1 法拉第电磁感应定律

1．3．2 集肤效应及感应电流透入深度

1．3．3 热传导

1．4 功率半导体器件的选用

1．5 电磁加热技术的发展现状

1．6 电磁加热技术的发展趋势

1．7 本文的主要内容

1．8 本章小结

2 系统整体设计方案

2．1 电源系统整体需求分析

2．1．1 注塑机感应加热系统技术规范

2．1．2 注塑机感应加热系统基本功能

2．2 电磁感应加热系统拓扑图

2．2．1 整流滤波电路

2．2．2 注塑机感应加热系统的逆变电路

2．3 谐振逆变器结构的选择

2．3．1 两种谐振逆变结构的比较

2．4 电源功率调节方式的选择

2．4．1 直流侧功率调节方法

2．4．2 逆变侧功率调节方法

2．4．3 感性移相PWM调功分析

2．4．4 电源系统整体框图

2．5 本章小结

3 控制系统的硬件设计

3．1 控制系统硬件总体设计

3．1．1 系统控制器的选取

3．1．2 控制系统总体设计

3．2 锁相环电路

3．2．1 锁相环的工作原理

3．2．2 锁相环电路设计

3．3 移相控制电路的设计

3．3．1 UC3879芯片简介

3．3．2 移相控制电路设计

3．3．3 移相芯片电路与锁相环电路的结合

3．4 负载信号采集电路

3．4．1 负载电压采集电路

3．4．2 负载电流采集信号

3．5 IGBT驱动电路的设计

3．5．1 IGBT驱动原理

3．5．2 IGBT驱动电路设计

3．6 人机交互设计

3．6．1 液晶显示模块

3．6．2 键盘电路

3．7 温度信号的采集与调理电路

3．7．1 测温元件

3．7．2 温度信号调理电路设计

3．8 本章小结

4 控制系统的软件设计

4．1 系统主程序设计

4．1．1 系统初始化

4．1．2 感应加热系统主程序

4．2 温度控制模块

4．2．1 温度信号采集

4．2．2 温度控制算法

4．3 电流电压采样程序设计

4．4 人机交互软件设计

4．4．1 液晶显示模块

4．4．2 键盘模块

4．4．3 菜单模块

4．5 本章小结

5 电路仿真

5．1 MATLAB仿真

5．1．1 MATLAB仿真电路

5．1．2 仿真结果

5．2 本章小结

6 总结与展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果