專利名稱：一種自動控制輝光離子氮化爐升溫和保溫的電源裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及ー種熱化學處理設備，尤其涉及ー種用于自動控制輝光離子氮化爐升溫和保溫的電源裝置。
背景技術：
自七十年代以來，我國研制了第一臺輝光離子氮化爐使得氮化這一新エ藝得以應用和推廣，該設備電源部分采用電阻器來限制電流的上升，以保障電器元件不致損壞，電路工作狀態穩定，以及避免エ件因過流而燒傷。該直流電源由以下部分組成
可調直流電源；儲能電容器；觸發電路；清洗階段打弧電阻。該電源在控制電路上驅動和保護仍不夠完善，影響了設備的可靠性，有待改進，缺點是檢測控制弧光放電電路復雜，判斷速度不快，影響電源的可靠性；清洗階段需接入電阻造成能源浪費，操作繁瑣；由于輝 光離子氮化在升溫階段和保溫階段，エ藝要求的放電電壓常低于輝光點燃所需的電壓，為此增加了一組點燃電路；不能解決離子氮化工藝的自動實現，始終避免不了很多人為的因素，比如升溫時間過長，エ件定點打弧，損壞エ件。這些因素一直制約著離子氮化爐的應用推廣。
公開日為2000年09月13日、公開號為CN 2396572Y的專利文獻公開了這樣的技術方案，ー種輝光離子氮化爐脈沖電源，主要包括可調直流電源、主控電路和控制電路，可調直流電源后接主控電路，主控電路包括與可調直流電源并聯的儲能電容C，串聯在主控電路主回路中的功率開關元件K和由限流電感L與續流ニ級管D組成的保護電路，控制電路是對主控電路中功率開關元件K的工作狀態進行控制的電路等，從主控回路取主回路中的打弧判斷信號并延時，控制方波的輸出，方波輸出至驅動電路的控制端，驅動電路的輸出接功率開關元件的控制極，采用檢測打弧電流和電壓兩個信號，在最短時間內可靠關斷功率開關元件，保護功率器件的安全。該方案的不足之處是不能判斷打弧的性質，以及升溫時對電壓電流的自動調整、保溫自動控制等，因而，電源方案不夠完善。

發明內容
本發明主要目的在于提供ー種自動控制輝光離子氮化爐升溫和保溫的電源裝置，它自動判定打弧狀態，并進行快速滅弧、電源電壓控制，在保證エ件不被定點打弧損壞的前提下，實現按設定要求的自動升溫和保溫過程。本發明針對現有技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的，一種自動控制輝光離子氮化爐升溫和保溫的電源裝置，包括使用移相觸發電路控制的可調直流電源，控制電路，儲能電容器，控制電路連接移相觸發電路控制可調直流電源的輸出，控制電路包括
弧檢測電路，它通過采集可調直流電源輸出回路的電流和電壓來檢測是否發生打弧，在打弧發生時輸出打弧信號；
溫控PID調節器，溫控PID調節器檢測爐內溫度井根據設定溫度輸出PID調節電壓信號去控制可調直流電源的輸出；處理器電路，處理器電路依據弧檢測電路輸出的打弧信號判斷是否為定點打弧；輸出處理器調節電壓去控制可調直流電源的輸出；依據設定保溫時間進行保溫時間控制；滅弧后及時對移相觸發電路進行觸發，依據起輝設定、爐內真空檢測進行起輝電壓控制；
控制電壓綜合電路，控制電壓綜合電路將PID調節電壓信號、處理器調節電壓和可調直流電源的電流反饋合成后輸出到移相觸發電路。在這里，弧檢測電路通過打弧時電壓與電流的關系來檢測是否發生打弧，過程迅速，將打弧檢測結果送處理器電路進行滅弧處理。打弧時處理器在最短的時間內降低可調直流電源電壓滅弧，滅弧后迅速給出點燃電壓，從而抑制過電流、過電壓出現，在保證エ件不被定點打弧損壞、功率器件安全的同時，實現自動升溫控制。溫控PID控制器按設定爐溫進行升溫，到達設定溫度后按保溫時間進行 保溫，保溫時間到后切斷可調直流電源，停止對輝光離子氮化爐供電。處理器電路對打弧性質進行判斷，如果是定點打弧則處理器電路及時降低可調直流電源輸出電流(爐體內電流)直到弧光消失為止，并將定點打弧時的電流作為參考，避免大于或等于該參考電流的電流出現；如果為非定點打弧則適當降低可調直流電源輸出電壓以及升壓速度，保持安全升溫。控制電壓綜合電路將PID調節電壓信號、處理器調節電壓和可調直流電源的電流反饋合成后輸出到移相觸發電路來調整可調直流電源的輸出。作為優選，弧檢測電路的ー輸入端連接電壓采樣電路，一輸入端連接電流采樣電路，弧檢測電路的輸出端連接處理器電路和移相觸發電路；溫控PID調節器連接爐溫檢測電路、溫度設定裝置、處理器電路和控制電壓綜合電路ー輸入端，控制電壓綜合電路還ー輸入端連接電流采樣電路，還ー輸入端連接處理器電路，處理器電路還連接真空檢測電路、起輝設定裝置、保溫設定裝置，電流采樣電路，溫度設定裝置。弧檢測電路的打弧輸出信號除發送處理器電路進行打弧性質判斷、滅弧處理外，還直接輸送到移相觸發電路進行關閉可調直流電源輸出，進ー步増加滅弧控制。溫控PID調節器根據檢測爐溫、設定溫度進行爐溫調節控制，在達到設定溫度后通知處理器電路，處理器電路開始計時，在達到所設定的保溫時間后切斷可調直流電源的輸出。處理器電路檢測爐內真空度、接收起輝電壓設定；接收保溫設定、采集定點打弧時的電流等。作為優選，弧檢測電路依據電壓下降同時電流増大來檢測打弧發生，并通過脈沖吸收電路濾除電源回路中脈沖跳變影響。 作為優選，弧檢測電路還包括過流檢測電路，過流檢測電路進行可調直流電源的輸出電流過載檢測。為增加電路安全性，將電流通過弧檢測電路進行檢測，在出現可調直流電源的輸出電流過載時，弧檢測電路關閉移相觸發電路輸出，直至過載電流消失。作為優選，處理器電路包括單片機，數模轉換器，模數轉換器，運算放大器，單片機數據輸入輸出端連接數模轉換器數據輸入端，運算放大器輸入端連接數模轉換器的模擬量輸出端，運算放大器輸出斜坡電壓到控制電壓綜合電路，模數轉換器的數據輸出端連接單片機數據輸入輸出端。采用斜坡電壓輸出控制，以避免調整電壓出現跳變影響可調直流電源穩定輸出，模數轉換器用于采集可調直流電源回路的電流數值。作為優選，單片機通過測量打弧的持續時長來判定是否為定點打弧。根據爐體、エ件等具體因素確定持續打弧的時長，超過規定的打弧時長則認為是定點打弧。
作為優選，單片機還連接報警電路。在出現定點打弧、保溫開始、保溫結束等狀態時，發出聲、光報警，提醒管理人員注意。作為優選，單片機連接ー串ロ顯示器，用于各種參數顯示。本發明帶來的有益效果是，通過弧檢測電路檢測和處理器電路控制，如果為非定點打弧則在迅速滅弧后適當降低可調直流電源輸出電壓以及升壓速度，保持安全升溫；如果為定點打弧時則迅速滅弧，并將定點打弧時的電流作為參考電流，控制大于或等于該參考電流的電流出現；在滅弧后處理器電路迅速給出點燃電壓并逐步安全升壓，從而抑制過電流、過電壓出現，在保證エ件不被定點打弧損壞、功率器件安全的同時，實現自動升溫控制以及保溫控制。


圖I是本發明的ー種原理框圖； 圖2是本發明的一種處理器電路；
圖3是本發明的一種弧檢測電路；
圖4是本發明的一種控制電壓綜合電路；
圖5是移相觸發電路；
圖6是エ藝基本流程；
圖7是本發明的ー種基本工作流程圖。其中I是可調直流電源，1-1是移相觸發電路，2是處理器電路，3是控制電壓綜合電路，4是弧檢測電路，5是起輝設定裝置，6是溫度設定裝置，7是溫控PID調節器，8是真空檢測電路，9是溫度設定裝置，10是爐溫檢測電路，11是電壓檢測電路，12是電流采樣電路，13是輝光離子氮化爐，14是報警電路，15是繼電器開關，16是抽真空裝置，C是儲能電容器。
具體實施例方式下面通過實施例，并結合附圖，對本發明的技術方案作進ー步具體說明。實施例如圖I所示，本發明是一種自動控制輝光離子氮化爐升溫和保溫的電源裝置，可調直流電源I的移相觸發電路1-1連接控制電路，可調直流電源I輸出端連接儲能電容器C和輝光離子氮化爐13。其中，控制電路包括
弧檢測電路4連接電壓采樣電路11和電流采樣電路12，進行打弧檢測和電流過載檢測，輸出打弧信號到處理器電路2進行打弧處理，同時輸出打弧信號到移相觸發電路直接關閉移相觸發；
溫控PID調節器7連接爐溫檢測電路10和溫度設定裝置9，輸出的調節電壓信號到控制電壓綜合電路3，當測得爐內溫度達到設定溫度時發送到溫信號給處理器電路2進行保溫計時，并維持當前爐溫，達到設定保溫時間后，處理器電路2關閉可調直流電源I ;
處理器電路2連接起輝設定裝置5、保溫設定裝置6、真空檢測電路8、爐溫設定裝置9、電流采樣電路12、報警電路14、繼電器開關15等，進行綜合管理控制；
控制電壓綜合電路3的輸入端分別連接處理器電路2輸出的電壓調整信號、溫度PID調節器7的調節電壓信號和電流采樣電路12，輸出端連接移相觸發電路1-1。
起輝設定裝置5用于設定起輝電壓，保溫設定裝置6用于保溫時長設定，爐溫設定裝置9用于爐溫設定。起輝設定裝置5、保溫設定裝置6為簡化處理器電路，使用4X4行列式鍵盤代替完成相關數據輸入，爐溫設定裝置9采用與溫控PID調節器7配套使用的溫度表，報警電路14采用燈光和揚聲器完成聲光提示，繼電器開關15的控制端連接處理器電路2的輸出端，繼電器開關15的接點控制交流電源的通斷。圖2所述為處理器電路，單片機采用TA89C51，數模轉換器為DAC0832，模數轉換器采用ADC0809，運算放大器采用LM358。TA89C51的P2 ロ連接4X4行列式鍵盤，作為設定參數輸入裝置，PO ロ作為數據輸入、輸出ロ連接DAC0832和ADC0809，P1. O作為DAC0832片選線，Pl. I作為ADC0809片選線，Pl. 5至Pl. 7為ADC0809通道選擇線，溫控PID調節器7在達到設定控制溫度時發出到溫信號到P3. 4端ロ進行計時器中斷控制，計時時間到保溫時長后Pl. 4關斷交流電源；打弧信號輸入到Pl. 2端ロ，收到打弧信號后開始計吋，打弧信號消失停止計時，當計時時長達到規定時長則認為是定點打弧；報警信號、繼電器開關控制信號分別由Pl. 3和Pl. 4輸出；P3. 5設置為輸入/輸出功能狀態，控制抽真空裝置啟動、停機。在TA89C51的控制下，電阻R3上得到斜坡電壓并輸出到控制電壓綜合電路3。真空采樣信 號、電流采樣信號、爐溫檢測信號分別連接模數轉換器ADC0809的輸入端；TA89C51的串ロ(P3. 0、P3. I)連接串ロ顯示器(型號為EBD035Z10)進行輸入參數、狀態參數顯示。圖3所示為弧檢測電路，電壓采樣電路11的電壓信號首先經電容濾波濾除脈沖跳變，再經閥值設定電路等處理后送到與非門電路；電流采樣電路12的電流信號首先經電容濾波濾除脈沖跳變，再經閥值設定電路等處理后送到與非門電路；在電壓下降而同時電流上升現象出現時，與非門電路輸出的打弧信號經單穩態電路74LS123處理后以矩形波方式輸出到單片機TA80C51進行滅弧處理。在弧檢測電路中還設置有過載電流檢測，當可調直流電源回路中出現過載電流時，來自于電流采樣電路12的電流信號首先經閥值設定電路，在超過設定閥值時向單穩態電路74LS123輸出電流過載信號，單片機TA89C51輸出電壓調節信號降低可調直流電源輸出電壓。圖4是控制電壓綜合電路，處理器電路的處理器調節電壓與PID調節電壓合成放大后，再與電流反饋信號一同作為移相觸發信號送到移相觸發電路。圖5所述為移相觸發電路，采用先進的高性能晶閘管三相移相觸發集成電路TC787。控制電壓綜合電路3的移相觸發信號發送到TC787的移相控制電壓輸入端，進行可調直流電源輸出電壓控制；弧檢測電路4的打弧信號和過流信號作為滅弧/過流保護信號發送到TC787的輸出脈沖禁止端，禁止TC787的輸出，在滅弧/過流保護信號消失后TC787立即恢復輸出。圖6是基本エ藝流程，在エ藝準備階段完成エ件清洗、抽真空、氨微量氣體導入等；電壓、電流逐步增加進入升溫階段，在升溫階段依據打弧情況控制電壓升高速率；當爐內溫度達到設定溫度時進入保溫階段，由溫控PID調節器進行保溫控制；保溫時間達到設定值切斷電源進入降溫階段。圖7是基本工作流程圖，包括步驟
步驟101，輸入保溫時間、起輝電壓等參數，之后進行抽真空、爐內真空檢測、微量氣體加入等準備工作；步驟102，在處理器電路2和溫控PID調節器7控制下開始升溫；
步驟103，逐步提高電源電壓；
步驟104，判斷是否有打弧發生，如果有打弧發生，則轉步驟107滅弧；
步驟105，按打弧持續時長判斷是否為定點打弧，如果為定點打弧則轉步驟106 ；
步驟106，檢測打弧時的電流，并將該電流作為參考電流存儲，以供升壓時作為參考，控制升壓幅度；
步驟107，進行滅弧處理，在滅弧時處理器電路2降低可調直流電源的輸出電壓，并在移相控制電路1-1中關閉脈沖輸出，以迅速滅弧；
步驟108，在滅弧后，處理器電路2迅速給出點燃電壓控制，使輝光離子氮化爐13迅速起輝，并逐步升高電壓繼續升溫；
步驟109，降低升壓速度、控制電流不超過參考電流，進行安全升溫；
步驟110，判斷是否達到設定爐溫，當達到設定爐溫后，溫控PID調節器7給出到溫信號，處理器電路2開始計時，溫控PID調節器7進行保溫控制，并進行聲光提示；
步驟111，在計時時長達到保溫設定時長后，處理器電路2切斷交流電源，并進行聲光提示。所以本發明具有通過弧檢測電路檢測和處理器電路控制，對于非定點打弧則在迅速滅弧后適當降低可調直流電源輸出電壓以及升壓速度，保持安全升溫；處理器電路判斷為定點打弧時則迅速滅弧，并將定點打弧時的電流作為參考電流，控制大于或等于該參考電流的電流出現；在滅弧后處理器電路迅速給出點燃電壓并逐步安全升壓，從而抑制過電流、過電壓出現，在保證エ件不被定點打弧損壞、功率器件安全的同時，實現自動升溫控制以及保溫控制等特征。
權利要求
1.一種自動控制輝光離子氮化爐升溫和保溫的電源裝置，包括使用移相觸發電路控制的可調直流電源，控制電路，儲能電容器，所述控制電路連接移相觸發電路控制可調直流電源的輸出，其特征在于，所述控制電路包括 弧檢測電路，所述弧檢測電路通過采集可調直流電源輸出回路的電流和電壓來檢測是否發生打弧，在打弧發生時輸出打弧信號； 溫控PID調節器，所述溫控PID調節器檢測爐內溫度并根據設定溫度輸出PID調節電壓信號去控制可調直流電源的輸出； 處理器電路，所述處理器電路依據弧檢測電路輸出的打弧信號判斷是否為定點打弧；輸出處理器調節電壓去控制可調直流電源的輸出；依據設定保溫時間進行保溫時間控制；滅弧后及時對移相觸發電路進行觸發，依據起輝設定、爐內真空檢測進行起輝電壓控制； 控制電壓綜合電路，所述控制電壓綜合電路將PID調節電壓信號、處理器調節電壓和可調直流電源的電流反饋合成后輸出到所述移相觸發電路。
2.根據權利要求I所述一種自動控制輝光離子氮化爐升溫和保溫的電源裝置，其特征在于所述弧檢測電路的一輸入端連接電壓采樣電路，一輸入端連接電流采樣電路，所述弧檢測電路的輸出端連接處理器電路和移相觸發電路；所述溫控PID調節器連接爐溫檢測電路、溫度設定裝置、處理器電路和控制電壓綜合電路一輸入端，所述控制電壓綜合電路還一輸入端連接電流采樣電路，還一輸入端連接處理器電路，所述處理器電路還連接真空檢測電路、起輝設定裝置、保溫設定裝置，電流采樣電路，溫度設定裝置。
3.根據權利要求I所述一種自動控制輝光離子氮化爐升溫和保溫的電源裝置，其特征在于所述弧檢測電路依據電壓下降同時電流增大來檢測打弧發生，并通過脈沖吸收電路濾除電源回路中脈沖跳變影響。
4.根據權利要求I或2或3所述一種自動控制輝光離子氮化爐升溫和保溫的電源裝置，其特征在于所述弧檢測電路還包括過流檢測電路，所述過流檢測電路進行可調直流電源的輸出電流過載檢測。
5.根據權利要求I所述一種自動控制輝光離子氮化爐升溫和保溫的電源裝置，其特征在于所述處理器電路包括單片機，數模轉換器，模數轉換器，運算放大器，所述單片機數據輸入輸出端連接數模轉換器數據輸入端，運算放大器輸入端連接數模轉換器的模擬量輸出端，所述運算放大器輸出處理器調節電壓到控制電壓綜合電路，所述模數轉換器的數據輸出端連接單片機數據輸入輸出端。
6.根據權利要求5所述一種自動控制輝光離子氮化爐升溫和保溫的電源裝置，其特征在于所述單片機通過測量打弧的持續時長來判定是否為定點打弧。
7.根據權利要求5所述一種自動控制輝光離子氮化爐升溫和保溫的電源裝置，其特征在于所述單片機還連接報警電路。
8.根據權利要求5或6或7所述一種自動控制輝光離子氮化爐升溫和保溫的電源裝置，其特征在于所述單片機連接一串口顯示器。
全文摘要
本發明公開了提供一種自動控制輝光離子氮化爐升溫和保溫的電源裝置，它自動判定打弧狀態，并進行快速滅弧、電源電壓控制，在保證工件不被定點打弧損壞的前提下，實現按設定要求的自動升溫和保溫過程，它包括使用移相觸發電路控制的可調直流電源，控制電路，儲能電容器，控制電路連接移相觸發電路，控制電路包括弧檢測電路，溫控PID調節器，處理器電路，控制電壓綜合電路等。
文檔編號C23C8/36GK102676984SQ201210009860
公開日2012年9月19日 申請日期2012年1月13日 優先權日2012年1月13日
發明者孫作善, 許嵐, 郭小鋼 申請人:杭州市機械科學研究院有限公司