基于STM32的逆變電源設(shè)計說明

1、 目錄長江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書XIX畢業(yè)論文(設(shè)計)開題報告XXI長江大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計)指導(dǎo)教師評審意見XXVI長江大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計)評閱教師評語XXVII長江大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計)答辯會議記錄XXVIII摘要XXIX前言XXXI第一章 緒論11.1課題研究背景11.2國外感應(yīng)加熱電源現(xiàn)狀和應(yīng)用前景31.2.1感應(yīng)加熱技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀31.2.2感應(yīng)加熱電源技術(shù)的發(fā)展趨勢41.3課題主要的研究容61.3.1感應(yīng)加熱電源逆變部分61.3.2基于STM32F4單片機(jī)的控制器的設(shè)計61.3.3基于IAR開發(fā)環(huán)境的STM32軟件的設(shè)計6第二章 STM32數(shù)字逆變系統(tǒng)的設(shè)計方法72.1 STM32數(shù)

2、字逆變系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)72.1.1 STM32數(shù)字逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖的主要組成72.1.2 STM32數(shù)字逆變系統(tǒng)工作原理說明72.2 STM32數(shù)字逆變系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)詳細(xì)介紹82.2.1 單相橋式并聯(lián)諧振逆變電路82.2.2檢測反饋單元112.2.3 STM32控制單元142.2.4 感應(yīng)加熱原理分析152.3 相關(guān)參數(shù)分析162.4 基于STM32F407的最小系統(tǒng)設(shè)計182.4.1 時鐘電路設(shè)計182.4.2 復(fù)位電路設(shè)計192.4.3 程序下載接口電路設(shè)計202.4.4 最小系統(tǒng)設(shè)計21第三章 STM32F407程序設(shè)計213.1 STM32數(shù)控逆變器的總體程序設(shè)計213.1.1程序流程圖

3、223.1.2主函數(shù)程序分析223.2 STM32各程序模塊的設(shè)計233.2.1數(shù)字化逆變器啟動233.2.2逆變穩(wěn)定運行273.2.3電壓信號相位錯誤處理29一容錯處理29二錯誤報警與保護(hù)293.2.4數(shù)字化逆變器停止29第四章 STM32逆變電源系統(tǒng)的軟件調(diào)試與結(jié)論304.1 STM32F407-discovery開發(fā)板314.2 IAR開發(fā)軟件與調(diào)試和下載界面314.3系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果32結(jié)論35參考文獻(xiàn)36致38導(dǎo)教師/職稱 葉獻(xiàn)方副教授 1.畢業(yè)設(shè)計(論文)題目：基于STM32的逆變電源設(shè)計2.畢業(yè)設(shè)計（論文）起止時間：2014年 3月 3 日2014 年5月30日3畢業(yè)論文(設(shè)計)所需

4、資料及原始數(shù)據(jù)（指導(dǎo)教師選定部分）1 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ).模擬部分M.高等教育，2006:66-2842 周俊杰，錢曉耀，上挺.一種基于PIC系列單片機(jī)的SPWM逆變電源J.機(jī)電工程，2008,25（4）：99-101. 3 ZHANG Kai-ru、XING Cheng-cheng、LIU Xiang-nan. A type of inverter power supply based on harmonic elimination PWM control. Shandong University of Science and Technology, 2013,25(3):1674-804

5、2.4 廖冬初，聶漢平電力電子技術(shù) 華中科技大學(xué) 2008年.5 譚浩強(qiáng)C語言程序設(shè)計 清華大學(xué) 2004年.6 寧基于MDK的STM32處理器的開發(fā)應(yīng)用 航空航天大學(xué)出版 2008年.7 丁衛(wèi)東，郭前崗，周.一種基于FPGA的SPWM波的實時生成方法J.計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2001.21(2):211-214.8 徐健，冬娥，鄧均，等. 復(fù)雜可編程器件和單片機(jī)在坐標(biāo)測試中的應(yīng)用J.探測與控制學(xué)報,2010,32(3)：61-64. 9 STM32F407系列參考手冊 高性能數(shù)字信號控制器.4畢業(yè)論文(設(shè)計)應(yīng)完成的主要容1) 查閱與課題有關(guān)的近五年的文獻(xiàn)并做好記錄。2) 閱讀與研究課題有關(guān)的英

6、文參考資料不少于5萬印刷符，寫出3千字左右漢文譯文。3) 寫出3千漢字以上的開題報告。4) 完成不少于1.2萬字的畢業(yè)論文。5畢業(yè)論文(設(shè)計)的目標(biāo)及具體要求a) 掌握STM32F407單片機(jī)的工作原理，并完成基于STM32F407單片機(jī)的控制器的設(shè)計。b) 學(xué)習(xí)并熟悉感應(yīng)加熱電源工作原理。c) 深入理解并掌握感應(yīng)加熱電源的逆變部分工作原理。d) 根據(jù)系統(tǒng)的實現(xiàn)框圖，完善好硬件的設(shè)計。e) 完成以逆變電源數(shù)字控制部分為主的總體方案設(shè)計。6、完成畢業(yè)論文(設(shè)計)所需的條件及上機(jī)時數(shù)要求1) 相關(guān)圖書資料。2) 實驗室的實驗設(shè)備。3) 上機(jī)學(xué)時為100個小時。任務(wù)書批準(zhǔn)日期 2014 年 2月 2

7、0 日 教研室(系)主任(簽字) 任務(wù)書下達(dá)日期 2014年 2月 27 日 指導(dǎo)教師(簽字) 完成任務(wù)日期 2014 年 5 月 30日 學(xué)生（簽名） 輔 導(dǎo) 教 師 葉獻(xiàn)方/副教授 開題報告日期 2014年3月15日 基于STM32的逆變電源設(shè)計導(dǎo)師現(xiàn)有課題。1、 研究目的與意義 近些年來，隨著光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、車載電源等多種供電技術(shù)的發(fā)展，蓄電池等儲能設(shè)備逐漸成為主要的供電裝置，而上述系統(tǒng)一般為交流工頻供電負(fù)載，因此，需要逆變電源將蓄電池的直流電能變換成交流電。此外，在交流不間斷電源、變頻調(diào)速器、應(yīng)急電源 EPS(Emergence Power Supply)、岸電電源SP

8、S（Shore Power Supply）等電源系統(tǒng)中，逆變電源也被廣泛應(yīng)用。逆變電源控制信號電路作為逆變電源的核心電子系統(tǒng)，其性能優(yōu)劣、成本高低等直接影響整個電源系統(tǒng)的性能?；赟TM32的逆變電源是數(shù)字化IGBT感應(yīng)加熱電源的一部分。利用STM處理器高速特性，取代鎖相環(huán)器件，實現(xiàn)逆變頻率的跟蹤功能，以及對IGBT的軟關(guān)斷功能。數(shù)字化后的IGBT電源能提高系統(tǒng)可靠性、并增加控制功能。本文采用STM32為主控制芯片，具有控制靈活、穩(wěn)定的特點，而且成本相對于以往的硬件電路低得多。具有很大的發(fā)展前景。2、 國主要參考文獻(xiàn)及資料名稱1 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ).模擬部分M.高等教育，2006:66-28

9、42 周俊杰，錢曉耀，上挺.一種基于PIC系列單片機(jī)的SPWM逆變電源J.機(jī)電工程，2008,25（4）：99-101. 3 ZHANG Kai-ru、XING Cheng-cheng、LIU Xiang-nan. A type of inverter power supply based on harmonic elimination PWM control. Shandong University of Science and Technology, 2013,25(3):1674-8042.4 廖冬初，聶漢平電力電子技術(shù) 華中科技大學(xué) 2008年.5 譚浩強(qiáng)C語言程序設(shè)計 清華大學(xué) 20

10、04年.6 寧基于MDK的STM32處理器的開發(fā)應(yīng)用 航空航天大學(xué)出版 2008年.7 丁衛(wèi)東，郭前崗，周.一種基于FPGA的SPWM波的實時生成方法J.計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2001.21(2):211-214.8 徐健，冬娥，鄧均，等. 復(fù)雜可編程器件和單片機(jī)在坐標(biāo)測試中的應(yīng)用J.探測與控制學(xué)報,2010,32(3)：61-64. 9 STM32F407系列參考手冊 高性能數(shù)字信號控制器.3、 國外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究主攻方向感應(yīng)加熱電源的發(fā)展與電力電子學(xué)及電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展密切相關(guān)。50年代末半導(dǎo)體硅晶閘管的出現(xiàn)標(biāo)志著以固態(tài)半導(dǎo)體器件為核心的現(xiàn)代電力電子學(xué)的開始。由此引起了感應(yīng)加熱電源技術(shù)

11、以至整個電力電子學(xué)的一場革命，感應(yīng)加熱電源及其應(yīng)用得到了飛速發(fā)展。感應(yīng)加熱電源技術(shù)的發(fā)展與功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展密不可分，隨著功率器件的大容量化、高頻化發(fā)展，感應(yīng)加熱電源必將向著如下方向發(fā)展：大容量化、高頻化、高功率因數(shù)、低諧波、應(yīng)用圍擴(kuò)大化、數(shù)字化、智能化控制。其中智能化指的是功率半導(dǎo)體集成電路本身。包括過電壓、欠電壓、過電流、過熱等檢測與保護(hù)功能。隨著數(shù)字集成芯片,單片機(jī),ARM,FPGA 的發(fā)展,電源的控制已經(jīng)由模擬控制,模數(shù)混合控制,進(jìn)入到全數(shù)字控制階段。且隨著感應(yīng)加熱處理生產(chǎn)線自動化控制程度及對電源可靠性要求的提高,感應(yīng)加熱電源正向智能化控制方案發(fā)展,具有計算機(jī)智能接口遠(yuǎn)程控制、故障自

12、動診斷等控制性能的感應(yīng)加熱電源正成為下一代發(fā)展目標(biāo)。而本文采用STM32為主控制芯片，具有控制靈活可以根據(jù)輸出要求改變輸出的幅值、頻率以及功率因數(shù)等等，而且硬件電路簡單、設(shè)備體積小、成本相對于以往的設(shè)計要低得多。具有很大的發(fā)展前景。STM32F4系列32位閃存微控制器使用了ARM公司最新的Cortex-M4核,該核集高性能、低功耗、低成本于一體，能夠應(yīng)用于諸多嵌入式領(lǐng)域。對于PWM控制，STM32具有獨特的優(yōu)勢，即定時器可產(chǎn)生6路PWM輸出，具有互補(bǔ)輸出和死區(qū)控制；具有硬件上的乘法和除法單周期指令；STM32的嵌套向量中斷控制器把中斷之間延遲降到6個CPU周期等?；赟TM32的逆變電源是數(shù)字

13、化IGBT感應(yīng)加熱電源的一部分。利用STM處理器高速特性，取代鎖相環(huán)器件，實現(xiàn)逆變頻率的跟蹤功能，以及對IGBT的軟關(guān)斷功能。數(shù)字化后的IGBT電源能提高系統(tǒng)可靠性、并增加控制功能。4、 主要研究容、需重點研究的關(guān)鍵問題及解決思路5.1主要研究容以ARM系列STM32F407為主控芯片，利用芯片的定時計數(shù)器、AD轉(zhuǎn)換功能實現(xiàn)對IGBT逆變電路進(jìn)行實時可控的驅(qū)動，以及實時的輸出檢測，達(dá)到逆變部分有較高功率因數(shù)而且穩(wěn)定的輸出要求。最終要達(dá)到通過按鍵控制，來改變輸出波形的幅值和周期，并通過LCD顯示相關(guān)參數(shù)。5.2需要重點關(guān)注的問題解決思路需重點研究STM32單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)和編程方法及最小系統(tǒng)；以

14、及IGBT硬件電路接法和濾波整形電路的設(shè)計。5.3解決思路努力學(xué)習(xí)STM32單片機(jī)在IAR環(huán)境下的編程技巧以及各外設(shè)的使用方法，查找相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)籍，以實際效果為標(biāo)準(zhǔn)，去設(shè)計更好的硬件電路。5、 完成畢業(yè)設(shè)計所必須具備的工作條件及解決辦法實驗設(shè)備;8051 STM32最小系統(tǒng)板;電腦（可以連接到校網(wǎng)）、鍵盤、顯示器件、IAR FOR ARM軟件、Proteus 仿真軟件解決辦法：在校圖書館借相關(guān)的書籍，向?qū)W校實驗室借用設(shè)備，購買相關(guān)器材，主動尋求老師和同學(xué)幫助6、 工作的主要階段與時間安排安排在考研結(jié)束后,計劃四月初開始.先利用開發(fā)板跑跑程序,學(xué)習(xí)一些運用STM32的必備知識;開始硬件電路的設(shè)計;

15、編寫程序:仿真:做成實物.可工作分為三個階段：一是整體規(guī)劃階段，包括搜集材料、構(gòu)思結(jié)構(gòu)框架、學(xué)習(xí)熟悉所用的軟件；二是上機(jī)的具體設(shè)計階段，包括程序設(shè)計及代碼的編寫；三是例題驗證階段。 工作的進(jìn)度與時間安排如下表： 時間安排（周）工 作 進(jìn) 度 安 排第一周制定畢業(yè)設(shè)計安排；查詢畢業(yè)設(shè)計開題報告的有關(guān)要求；搜集相關(guān)資料。第二周撰寫畢業(yè)設(shè)計開題報告；查詢英文翻譯原稿。第三周完成畢業(yè)設(shè)計開題報告；完成英文翻譯資料初稿；根據(jù)導(dǎo)師審定意見進(jìn)行修改。第四周交英文翻譯原稿；畢業(yè)設(shè)計方案審定。第五、六周學(xué)習(xí)STM32在IAR環(huán)境下的編程，做英文翻譯。第七周設(shè)計并實驗硬件電路，繼續(xù)學(xué)習(xí)STM32單片機(jī)的相關(guān)外設(shè)應(yīng)

16、用和最小系統(tǒng)板的設(shè)計第八、九周編寫相關(guān)程序，并且進(jìn)行調(diào)試、仿真。第十周初步完成所設(shè)計程序和硬件電路的制作。第十一周整體驗證自己的設(shè)計，完善不足之處。第十二周開始寫畢業(yè)論文。第十三周完成畢業(yè)論文。第十四周畢業(yè)設(shè)計答辯，整理上交各種資料。8 指導(dǎo)老師審查意見長江大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計)指導(dǎo)教師評審意見評審參考容：畢業(yè)論文(設(shè)計)的研究容、研究方法及研究結(jié)果，難度及工作量，質(zhì)量和水平，存在的主要問題與不足。學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和組織紀(jì)律，學(xué)生掌握基礎(chǔ)和專業(yè)知識的情況，解決實際問題的能力，畢業(yè)論文(設(shè)計)是否完成規(guī)定任務(wù)，達(dá)到了學(xué)士學(xué)位論文的水平，是否同意參加答辯。評審意見：指導(dǎo)教師簽名： 評定成績（百分制）：

17、_分長江大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計)評閱教師評語評閱教師職 稱評閱日期評閱參考容：畢業(yè)論文(設(shè)計)的研究容、研究方法及研究結(jié)果，難度及工作量，質(zhì)量和水平，存在的主要問題與不足。學(xué)生掌握基礎(chǔ)和專業(yè)知識的情況，解決實際問題的能力，畢業(yè)論文(設(shè)計)是否完成規(guī)定任務(wù)，達(dá)到了學(xué)士學(xué)位論文的水平，是否同意參加答辯。評語：評閱教師簽名： 評定成績（百分制）：_分（注：此頁不夠，請轉(zhuǎn)反面）長江大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計)答辯會議記錄電氣11003班答辯地點一、答辯小組組成答辯小組組長：成 員：二、答辯記錄摘要答辯小組提問（分條摘要列舉）學(xué)生回答情況評判三、答辯小組對學(xué)生答辯成績的評定（百分制）：_分 畢業(yè)論文(設(shè)計)最終成績

18、評定(依據(jù)指導(dǎo)教師評分、評閱教師評分、答辯小組評分和學(xué)校關(guān)于畢業(yè)論文(設(shè)計)評分的相關(guān)規(guī)定)等級(五級制)：_答辯小組組長(簽名) ： 秘書(簽名)： 年 月 日院(系)答辯委員會主任(簽名)： 院(系)(蓋章)基于STM32的逆變電源設(shè)計【摘要】本設(shè)計是以感應(yīng)加熱電源中的逆變及其控制部分的設(shè)計為現(xiàn)實背景設(shè)計的。首先介紹了感應(yīng)加熱的一些基本知識，感應(yīng)加熱的國外發(fā)展現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢等。然后根據(jù)目前在國感應(yīng)加熱的逆變部分存在的不足,設(shè)計了一種新型的數(shù)字化控制的逆變電路。在國，雖然在中頻大功率感應(yīng)加熱電源方面有許多的研究,但是在控制方式上和選取的功率元件上卻有不同,利用高速的ARM芯片去控制功率元件

19、IGBT方面的研究并不多，特別是在輸出功率因數(shù)的控制方面。數(shù)字化控制以其方便可靠地的優(yōu)勢必將是一種趨勢, 而IGBT控制靈活,驅(qū)動簡單,從而將逐步取代晶閘管,GTO等元件。本文設(shè)計的基于STM32的逆變電源設(shè)計，它是數(shù)字化IGBT感應(yīng)加熱電源的一部分。利用STM處理器高速特性，取代鎖相環(huán)器件，實現(xiàn)逆變頻率的跟蹤功能，以及對IGBT的軟關(guān)斷功能。數(shù)字化后的IGBT電源能提高系統(tǒng)可靠性、并增加控制功能。本文主要以并聯(lián)諧振型感應(yīng)加熱電源為研究對象,采用了IGBT為功率開關(guān)元件的主電路,利用STM32的高速特性，實現(xiàn)逆變頻率的跟蹤功能，控制輸出能量的功率因數(shù)，最大限度降低加熱電源的功耗，并減少對環(huán)境的

20、電磁污染。通過在MATLAB環(huán)境下建立一個功率時變的并聯(lián)諧振型感應(yīng)加熱系統(tǒng)的仿真模型,對整流調(diào)功、鎖相環(huán)頻率跟蹤、逆變器的啟動等仿真波形進(jìn)行了重點分析并得出結(jié)論。在此理論基礎(chǔ)上,設(shè)計了基于STM32F407感應(yīng)加熱電源的控制器,其中重點研究了鎖相環(huán)頻率跟蹤系統(tǒng)、換向重疊時間、IGBT的通斷特性、輸出反饋延時和相序判斷以及逆變器啟動的全數(shù)字化控制。同時,設(shè)計了過壓過流保護(hù)電路以及外圍采樣電路、檢測電路,以便使電源和IGBT更安全的工作。最后,對本文所提出的控制方案進(jìn)行實驗驗證,證明了本文理論計算分析的正確性和控制方案的可行性。 【關(guān)鍵詞】 感應(yīng)加熱電源； IGBT； ARM； 逆變Th

21、e design of the inverter power supply Based on the STM32Name: LuShanshan ,School of electronic informationProfessor：YeXianfang, Yangtze university Abstract This design is based on induction heating power supply of the inverter and the design of control part designed for realistic background. Firstly

22、 introduces some basic knowledge of induction heating, the development present situation at home and abroad and its development trend of induction heating, etc. Then according to the current in the shortage of domestic induction heating inverter part designs a new kind of digital control inverter ci

23、rcuit.In the domestic, while in the aspect of intermediate frequency high-power induction heating power supply has a lot of research, but on the control mode and selection of power components are different, the research of use the high speed ARM chip to control the IGBT power components is not a lot

24、, especially in terms of the control of power factor. With the advantage of convenient and reliable Digital control will become a kind of trend. IGBT control flexible, simple drive, which will gradually replace the thyristor, decision and other components. In this paper, design of inverter power sup

25、ply design based on STM32, it is part of the digital IGBT induction heating power supply. Using STM processor speed characteristics, instead of the phase-locked loop device, achieve the function of inverter frequency tracking, as well as to the IGBT soft shut off function. After digital IGBT power c

26、an improve the system reliability, and increase the control function. This article mainly type parallel resonant induction heating power supply as the research object, the main circuit of IGBT as the power switch component is adopted, using high speed characteristic of the STM32, achieve the functio

27、n of inverter frequency tracking, control the power factor of the output energy, utmost reduce the power consumption of the heating power, and to reduce the electromagnetic pollution to the environment. Established in MATLAB environment through a time-varying type parallel resonant induction heating

28、 power system simulation model of the rectification work, phase-locked loop frequency tracking and inverter startup focuses on the simulation waveform analysis and conclusions. On the basis of the theory, design the controller based on STM32F407 induction heating power supply, which mainly studies t

29、he phase-locked loop frequency tracking system, overlapping commutation time, the on-off characteristics of IGBT, the output feedback delay and the phase sequence and run the full digital control of inverter. At the same time, design the over-voltage and over-current protection circuit and periphera

30、l sampling circuit, detection circuit, so that the power source and IGBT work safer. Finally, experimental verification was carried out on the control scheme proposed in this paper, proved the correctness of the theoretical calculation and analysis in this paper and the feasibility of the control sc

31、heme. Keyword: Induction heating power supply; IGBT; ARM; inverter前言在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常要用到感應(yīng)加熱電源，如對熔煉金屬及對工件進(jìn)行透熱、淬火和彎管等?？煽毓钁?yīng)用前多該領(lǐng)域多采用中頻發(fā)電機(jī)，但自從晶閘管出現(xiàn)以后，六十年代后期發(fā)展了感應(yīng)加熱用晶閘管中頻電源，八十年代IGBT感應(yīng)加熱電源逐漸開始應(yīng)用，由于它們較中頻發(fā)電機(jī)有若干技術(shù)經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)點，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。且隨著感應(yīng)加熱處理生產(chǎn)線自動化控制程度及對電源可靠性要求的提高,感應(yīng)加熱電源正向智能化控制方案發(fā)展,具有計算機(jī)智能接口遠(yuǎn)程控制、故障自動診斷等控制性能的感應(yīng)加熱電源正

32、成為下一代發(fā)展目標(biāo)。本設(shè)計是對傳統(tǒng)感應(yīng)加熱電源的模擬部分進(jìn)行改進(jìn)，利用高速的可編程數(shù)字器件，去取代傳統(tǒng)逆變電路中的鎖相環(huán)，、觸發(fā)電路等等。利用數(shù)字電路的控制靈活性，可以很容易做到模擬電路達(dá)不到的控制要求，比如逆變電路輸出功率控制。本設(shè)計的主要目的就是通過高速數(shù)字芯片STM32控制全橋逆變電路的觸發(fā)脈沖頻率，從而達(dá)到控制輸出功率因數(shù)的目的。本文在編寫過程中的到了長江大學(xué)葉獻(xiàn)方副教授的幫助和支持，在此表示衷心的感！第一章 緒論1.1課題研究背景感應(yīng)加熱電源是一種將三相工頻（50Hz）交流電轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗嘀蓄l交流電的裝置。變頻電路分為兩種：交-交變頻電路和交-直-交變頻電路，前者的特點是將50Hz的交流

33、電直接變成頻率為f的中頻交流電，沒有直流中間環(huán)節(jié)，這種變頻電路的優(yōu)點是效率較高，但電路復(fù)雜，目前應(yīng)用極少。交-直-交變頻電路的特點是有直流環(huán)節(jié)，通過整流電路先將工頻交流電整流成直流電，再通過逆變電路將將他變成頻率為f的交流電。它具有電路簡單調(diào)試方便，運行可靠，效率可達(dá)90%以上的特點，目前國為應(yīng)用較多。感應(yīng)加熱電源逆變電路輸出的中頻電能，通過感應(yīng)線圈施加到負(fù)載上，進(jìn)行感應(yīng)加熱。按照逆變電路和負(fù)載電路的不同組合，感應(yīng)加熱組要分為并聯(lián)逆變電路和串聯(lián)逆變電路。本文設(shè)計的加熱電源采用的是交-直-交變頻電路，先將工頻交流電整流成為直流電，再通過逆變轉(zhuǎn)化為所需要的電能形式和要求。而且本文研究的感應(yīng)加熱組為

34、并聯(lián)逆變電路。圖1為電路主電路原理圖圖1. 并聯(lián)諧振式交-直-交變頻電路原理圖如圖所示，A為電路的三相橋式整流電路部分，將三相工頻（50Hz）交流電轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動的直流電。而且可以通過控制晶閘管觸發(fā)脈沖來控制輸出的直流電壓的幅值。B為整流輸出直流的濾波電路，將整流輸出的脈動直流過濾成平滑的直流電，而且可以起到隔離50Hz工頻網(wǎng)絡(luò)與中頻網(wǎng)絡(luò)的作用。C是單相橋式逆變電路，有四個IGBT管組成，他的作用是通過控制其觸發(fā)脈沖頻率將輸入直流電逆變?yōu)闈M足功率因數(shù)要求的交流電，為本文的重點研究環(huán)節(jié)。逆變輸出交流電被送到負(fù)載電路D,D是由電容器和感應(yīng)器組成的并聯(lián)諧振電路對工件進(jìn)行感應(yīng)加熱。本設(shè)計是基于并聯(lián)型逆變輸

35、出設(shè)計的，并聯(lián)逆變電路的主電路如圖1中的D部分所示，為單相橋式逆變電路，其中T1，T2，T3和T4為4個IGBT管，負(fù)載為電容器與電感器的并聯(lián)。它他的輸入為整流器輸出做平波處理后的直流電壓，由于平波電感的存在，可以認(rèn)為逆變器的輸入為恒流源。IGBT的驅(qū)動脈沖由STM32的PWM輸出控制，因此逆變電路輸出電流為頻率和幅值都可控的（幅值由整流電路確定，頻率有觸發(fā)脈沖的頻率確定），控制T1、T4與T2、T3互補(bǔ)導(dǎo)通，故輸入電流為方波電流如圖2所示。而輸出電壓的幅值和相位由負(fù)載決定。通過傅里葉變換可知電流波形中含有明顯的基波和諧波，接近諧振頻率的基波電流通入并聯(lián)諧振電路時震蕩電路呈現(xiàn)很小的阻抗，所以方

36、波電流通過并聯(lián)諧振電路負(fù)載的時候，感應(yīng)器負(fù)載電壓非常接近正弦波形（如圖3所示）。并聯(lián)逆變電路對負(fù)載的適應(yīng)能力強(qiáng)，目前這種電路應(yīng)用十分的廣泛，主要用于中頻熔煉和透熱的電源。圖2.逆變電路輸出電流波形圖3.逆變器輸出電壓波形1.2國外感應(yīng)加熱電源現(xiàn)狀和應(yīng)用前景感應(yīng)加熱電源的發(fā)展與電力電子學(xué)及電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展密切相關(guān)。50年代末半導(dǎo)體硅晶閘管的出現(xiàn)標(biāo)志著以固態(tài)半導(dǎo)體器件為核心的現(xiàn)代電力電子學(xué)的開始。由此引起了感應(yīng)加熱電源技術(shù)以至整個電力電子學(xué)的一場革命，感應(yīng)加熱電源及其應(yīng)用得到了飛速發(fā)展。1.2.1感應(yīng)加熱技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀目前, 在低頻(<=150Hz)圍時感應(yīng)加熱電源普遍采用傳統(tǒng)的工頻感應(yīng)爐

37、。功率最高可為數(shù)百兆瓦,常用于大型工件（十噸級別）的透熱或的鋼水（百噸級別）保溫。在中頻(150Hzl0kHz)圍,因為晶閘管的出現(xiàn),歐洲各國先后開始研制晶閘管中頻裝置。至今,晶閘管感應(yīng)加熱裝置已完全取代了傳統(tǒng)的中頻發(fā)電機(jī)組和電磁倍頻器,成為主導(dǎo)產(chǎn)品,國外的中頻感應(yīng)加熱裝置容量己達(dá)數(shù)十兆瓦。在超音頻(l0kHzl00kHz)圍,八十年代開始隨著一系列新型功率器件的相繼出現(xiàn),主要有 GTO、GTR、IGBT,以這些新型器件構(gòu)成的結(jié)構(gòu)簡單的全橋型超音頻固態(tài)感應(yīng)加熱電源逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位,其中以 IGBT 應(yīng)用最為普遍。在國,感應(yīng)加熱技術(shù)從 50 年代開始就被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。60 年代末開始

38、研制晶閘管中頻電源。到目前已經(jīng)形成了一定圍的系列化產(chǎn)品,并開拓了較為廣闊的應(yīng)用市場。 在中頻領(lǐng)域,晶閘管中頻電源裝置基本上取代了旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)。但國產(chǎn)中頻電源大多采用并聯(lián)諧振逆變器結(jié)構(gòu),因此在開發(fā)更大容量的并聯(lián)逆變中頻感應(yīng)加熱電源的同時,盡快研制出結(jié)構(gòu)簡單,易于頻繁起動的串聯(lián)諧振逆變中頻電源也是中頻領(lǐng)域有待解決的問題。目前，國的感應(yīng)加熱技術(shù)的發(fā)展與國外相比相對比較落后?？v觀我國感應(yīng)加熱用中頻電源的發(fā)展歷史，我們可把其發(fā)展概括為 70 年代的開發(fā)研究期、80年代的成熟應(yīng)用期、90年代的大圍推廣期、20 世紀(jì)末期的提高性能期。在中頻段，國已經(jīng)形成 200Hz8000Hz，功率為 100kw3000kw

39、 的系列化產(chǎn)品。但是總的來說,在容量、頻率和控制手段等方面國與國外的水平有一定的差距。近年來，數(shù)字式感應(yīng)加熱電源成為感應(yīng)加熱電源發(fā)展的熱點。在這方面，和國外相比，國還有不少差距。在容量上，中頻電源國外最高容量為 10MW，而國為 2MW。在控制技術(shù)手段上，國外大量采用集成電路，數(shù)字顯示，微機(jī)控制，國則大部分是分立元件和繼電器控制，只有少部分采用集成電路控制，采用微機(jī)控制的則更少。1.2.2感應(yīng)加熱電源技術(shù)的發(fā)展趨勢感應(yīng)加熱電源技術(shù)的發(fā)展與功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展密不可分，隨著功率器件的大容量化、高頻化發(fā)展，感應(yīng)加熱電源必將向著如下方向發(fā)展： a大容量化根據(jù)加熱物質(zhì)對象及噸位不同，電源的功率容量可以

40、從數(shù)百伏安到幾十兆伏安不等。從擴(kuò)展感應(yīng)電源的功率容量角度來考慮感應(yīng)加熱電源的大容量化，可將大容量技術(shù)分為四大類: 第一類，提高單體半導(dǎo)體功率器件的容量。第二類，功率器件的串并聯(lián)。采取功率器件串、并聯(lián)的工作方式，來提高輸出電壓或電流，提升加熱電源的功率容量。功率器件串聯(lián)使用時，必須妥善解決好器件間均壓問題；而并聯(lián)使用時，必須妥善解決好器件間均流問題，同時還需要對器件的參數(shù)進(jìn)行測試、篩選、配對使用。用于串、并聯(lián)的功率器件還應(yīng)根據(jù)串、并聯(lián)個數(shù)實行降額使用，以提高電源的可靠性。第三類，多橋的串并聯(lián)。電源多整流橋路的串聯(lián)可增大整流器輸出電壓，而并聯(lián)則可加大電源的電流輸入，這兩者均有利于改善諧波，且串并聯(lián)

41、數(shù)目越多，越有利于改善諧波。類似于功率器件的串并聯(lián)，多整流橋路串聯(lián)時仍需解決各橋間的均壓問題，并聯(lián)時解決各橋的均流問題。此外，多逆變橋的串并聯(lián)也是一種常用的提高功率的方法，相比于功率器件的串并聯(lián)，更具實際意義。例如，超大功率感應(yīng)電源運用該技術(shù)，把原來的逆變橋作為一個單元或者模塊，通過這些模塊的串并聯(lián)組成一個新的逆變橋。第四類，多臺獨立電源的并聯(lián)擴(kuò)容。功率器件的串、并聯(lián)數(shù)目受器件參數(shù)離散型導(dǎo)致可靠性下降及控制驅(qū)動復(fù)雜的制約。在器件串、并聯(lián)不能滿足功率容量時，采用多臺加熱電源并聯(lián)工作擴(kuò)充電源的總?cè)萘?。電源并?lián)工作擴(kuò)容，應(yīng)該保證各臺電源均勻輸出，并有冗余設(shè)計。并聯(lián)均流可以采用簡單的軟連接方式，也可以

42、采用專用均流控制芯片，電流不均勻性控制在 5%以下，以保證各并聯(lián)電源組件的安全運行。目前超音頻以上的小功率電源，可以通過多個獨立電源的串并聯(lián)來提高功率，具有很大的市場前景。 b高頻化目前，感應(yīng)加熱電源在中頻頻段主要采用晶體管，超音頻頻段主要采用IGBT，而高頻段，由于 SIT 存在高導(dǎo)通損耗等缺陷，國際上主要發(fā)展 MOSFET 電源。加熱頻率主要與加熱工藝要求和性質(zhì)有關(guān)，頻率越高，功率密度越集中，表面加熱深度淺。感應(yīng)加熱電源諧振逆變器中采用的功率器件有利于實現(xiàn)軟開關(guān)，但是，感應(yīng)加熱電源通常功率較大，對功率器件、無源器件、電纜、布線、接地、屏蔽等均有許多特殊要求，尤其是高頻電源。因此實現(xiàn)感應(yīng)加熱

43、電源高頻化仍有許多應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)需進(jìn)一步探討，特別是新型高頻大功率器件(如 MCT. IGCT 及 SIC 功率器件等)的問世將進(jìn)一步促進(jìn)高頻感應(yīng)加熱電源的發(fā)展。提高感應(yīng)加熱電源的頻率除了可以選用工作頻率高的電力半導(dǎo)體器件外，還有另外兩個途徑：采用軟開關(guān)技術(shù)和倍頻式逆變橋電路拓?fù)涮岣吖ぷ黝l率。c高功率因數(shù)、低諧波電源 新型功率器件的通態(tài)電阻很小，通態(tài)壓降小，所以損耗首先表現(xiàn)在基極或門極驅(qū)動電路的損耗上。隨著功率器件的發(fā)展，再加上驅(qū)動電路的不斷完善和優(yōu)化，使得整個裝置的損耗明顯降低。另外，由于感應(yīng)加熱電源一般功率都很大，隨著對電網(wǎng)無功要求的提高，具有高功率因數(shù)的電源是今后的發(fā)展趨勢。目前諧振技術(shù)的

44、引入，一方面降低了電源中開關(guān)器件的開通和關(guān)斷損耗，同時利用鎖相技術(shù)將逆變器的工作頻率鎖定在槽路的固有諧振頻率，使得該電源始終運行在負(fù)載功率因數(shù)接近 1 的狀態(tài)。d. 應(yīng)用圍擴(kuò)大化 采用感應(yīng)加熱方法對鍛造鋼坯透熱,節(jié)水節(jié)電,無污染;鑄造熔煉方面可以實現(xiàn)普通鋼、特種鋼、非鐵金屬材料的精細(xì)熔煉,同時可提高效率、無污染、金屬成份可控;感應(yīng)釬焊效率高,對被焊母材無損傷,適用于精度高、批量大的工件和體積大、難移動的母材局部釬焊及各類金屬管材的焊接;各類零部件的表面熱處理大量采用感應(yīng)加熱方法;鋼塑材料制造、鋁塑薄膜加工以及食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)的封口工藝也大量地采用感應(yīng)加熱的方式。 e. 數(shù)字化、智能化控制 智

45、能化指的是功率半導(dǎo)體集成電路本身。包括過電壓、欠電壓、過電流、過熱等檢測與保護(hù)功能。隨著數(shù)字集成芯片,單片機(jī),DSP,FPGA 的發(fā)展,電源的控制已經(jīng)由模擬控制,模數(shù)混合控制,進(jìn)入到全數(shù)字控制階段。且隨著感應(yīng)加熱處理生產(chǎn)線自動化控制程度及對電源可靠性要求的提高,感應(yīng)加熱電源正向智能化控制方案發(fā)展,具有計算機(jī)智能接口遠(yuǎn)程控制、故障自動診斷等控制性能的感應(yīng)加熱電源正成為下一代發(fā)展目標(biāo)。1.3課題主要的研究容本課題主要研究了感應(yīng)加熱電源逆變部分、基于STM32F4單片機(jī)的控制器設(shè)計、基于IAR開發(fā)環(huán)境的STM32軟件的設(shè)計3個方面的容。1.3.1感應(yīng)加熱電源逆變部分實現(xiàn)逆變部分在穩(wěn)定運行過程中輸出電

46、壓、電流的幅值、相位、頻率等數(shù)據(jù)的檢測，并通過變頻控制逆變部分的輸出，確保輸出功率因數(shù)在符合要求的圍，并在錯誤運行時對外界做出報警，并立即采取相應(yīng)的應(yīng)急處理措施，防止對器件的損壞、減小對負(fù)載的影響以及減少電能的浪費。1.3.2基于STM32F4單片機(jī)的控制器的設(shè)計STM32F4系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的32位ARM Cortex-M4核。STM32F407VGT6片有1024KB FLASH，192 KB RAM，采用LQFP封裝，有100個引腳。對于PWM控制，STM32具有獨特的優(yōu)勢，即定時器可產(chǎn)生6路PWM輸出，具有互補(bǔ)輸出和死區(qū)控制；具有硬件

47、上的乘法和除法單周期指令；STM32的嵌套向量中斷控制器把中斷之間延遲降到6個CPU周期等。1.3.3基于IAR開發(fā)環(huán)境的STM32軟件的設(shè)計在程序中應(yīng)完成3個容，第一、初始起振，在開始運行時是，較快而且較準(zhǔn)確的找到負(fù)載的起振頻率；第二、輸出電壓相位檢測，利用定時器檢測輸出電壓與輸出電流的的時間差，結(jié)合周期算出相位差，來確定輸出功率因數(shù)；第三、與整流上位機(jī)的通信以及出錯時的應(yīng)急處理。第二章 STM32數(shù)字逆變系統(tǒng)的硬件設(shè)計本章主要討論感應(yīng)加熱電源的逆變部分的總體結(jié)構(gòu)，根據(jù)總體結(jié)構(gòu)來設(shè)計出基于STM32的逆變電源的方案，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真，并做出實物來驗證方法的可行性。以下將主要從三個方面進(jìn)行闡

48、述：一，感應(yīng)加熱電源逆變部分的總體結(jié)構(gòu)；二，感應(yīng)加熱電源逆變部分主要結(jié)構(gòu)的詳細(xì)介紹；三，感應(yīng)加熱電源逆變部分與其他部分的配合使用。2.1 STM32數(shù)字逆變系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)單相橋式逆變電路并聯(lián)型諧振電路STM32主控制系統(tǒng)電壓互感器過零比較器有效值檢測電路圖4 STM32數(shù)字逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.1.1 STM32數(shù)字逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖的主要組成從圖3可以看出，感應(yīng)加熱電源逆變部分結(jié)構(gòu)框圖主要包括四部分：（1）逆變主電路單相橋式逆變電路；（2）總電路的控制、驅(qū)動及保護(hù)部分STM32主控制系統(tǒng)；（3）總電路的檢測反饋部分電壓互感器、過零比較器和有效值檢測電路；（4）能量傳遞部分并聯(lián)型諧振電路2.1.2

49、 STM32數(shù)字逆變系統(tǒng)工作原理說明圖3為STM32數(shù)字逆變器的工作流程圖，STM32主控制系統(tǒng)通過部定時器為單相橋式逆變電路的4個IGBT管提供穩(wěn)定的觸發(fā)脈沖，驅(qū)動逆變主電路穩(wěn)定工作。由電壓互感器和過零比較器組成的輸出電壓檢測電路，將逆變輸出的正弦波形轉(zhuǎn)化為相同頻率的方波，在將方波信號傳遞給STM32進(jìn)行相位檢測，通過檢測輸出電流與電壓的相位差來確定輸出的功率因數(shù)，如果輸出功率因數(shù)不滿足要求，再通過STM32改變輸出觸發(fā)脈沖的頻率，讓其接近并聯(lián)諧振電路的諧振頻率（準(zhǔn)諧振狀態(tài)），從而提高輸出功率因數(shù)。電路的能量傳遞部分為一個并聯(lián)諧振電路，能量通過電路中的電感器與負(fù)載電感器形成互感器，將能量傳遞

50、到負(fù)載，負(fù)載互感器根據(jù)渦流原理將電能轉(zhuǎn)化為加熱所需的熱能。2.2 STM32數(shù)字逆變系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)詳細(xì)介紹本節(jié)主要介紹了單相橋式逆變電路、STM32控制部分、輸出電壓有效值和相位檢測部分、能量傳遞及轉(zhuǎn)化部分。STM32通過采集逆變輸出電壓幅值和相位確定逆變輸出電能的功率因數(shù)，同時控制IGBT驅(qū)動的頻率來實時保證輸出電能功率因數(shù)的穩(wěn)定；并聯(lián)諧振部分起到能量傳遞的作用。2.2.1 單相橋式并聯(lián)諧振逆變電路圖5 單相橋式并聯(lián)諧振逆變電路電路圖一 . 并聯(lián)諧振逆變電路的概念逆變電路是指將直流電壓或電流變?yōu)榻涣麟妷夯螂娏鞯碾娐?，因此可分為電流型逆變器或電壓型逆變器；本設(shè)計中為電流型單相橋式逆變電路，將整

51、流器（上位機(jī)）輸出的直流電流逆變?yōu)榭煽氐慕涣麟娏鳌８袘?yīng)加熱電源是通過負(fù)載線圈將能量傳遞給負(fù)載的，負(fù)載線圈一般可以等效成電感和電阻串聯(lián)的形式。等效的電感、電阻是感應(yīng)器和負(fù)載耦合的結(jié)果，其值受耦合程度的影響。這種負(fù)載都是功率因數(shù)很低的感性負(fù)載，為了提高功率因數(shù)，常采用連接電容法以補(bǔ)償無功功率。根據(jù)補(bǔ)償電容與負(fù)載線圈的連接方式不同，一般有串聯(lián)補(bǔ)償和并聯(lián)補(bǔ)償兩種方式，從而形成兩種基本的諧振電路：串聯(lián)諧振電路、并聯(lián)諧振電路。二 . 單相橋式并聯(lián)諧振逆變電路的原理（一）單相橋式逆變電路工作原理簡述如圖3中所示，電路由4個IGBT管組成，其中T1與T4、T2與T3為一組，同一組中兩個IGBT管（如T1與T4

52、）同時導(dǎo)通、同時關(guān)閉；另一組（T2與T3）與其互補(bǔ)導(dǎo)通，當(dāng)前一組導(dǎo)通時這一組關(guān)閉，前一組關(guān)閉時這一組導(dǎo)通。當(dāng)T1與T4導(dǎo)通時諧振電路的電流從上至下，當(dāng)T2與T3導(dǎo)通時諧振電路的電流從下至上，故輸出電流波形為頻率可控的方波。當(dāng)電路穩(wěn)定運行時，為得到更高的能量利用率，希望得到較高的功率因數(shù)，故會通過改變觸發(fā)脈沖的頻率來時并聯(lián)諧振電路工作在準(zhǔn)諧振狀態(tài)，由于處于諧振狀態(tài)時具有最大阻抗，對于基波電流呈現(xiàn)高阻抗，而對高次諧波電流呈現(xiàn)低阻抗，高次諧波分量電壓都被衰減，所以負(fù)載兩端的電壓接近正弦波。由于并聯(lián)逆變器是恒流源供電，為了防止逆變器上、下橋臂開關(guān)器件同時關(guān)斷，造成開路，換流時必須遵循先開通后關(guān)斷的原則

53、，即有一段時間所有的開關(guān)期間都是導(dǎo)通的，這段時間稱為重疊時間。觸發(fā)脈沖如下圖5所示：圖6 逆變電路觸發(fā)脈沖（二）并聯(lián)諧振電路原理簡述在圖3電感和電容并聯(lián)的電路中，當(dāng)容抗的大小恰恰使電路中的電壓與電流同相位（容抗與感抗抵消，電路呈現(xiàn)電阻性），即電源電能全部為電阻消耗，成為電阻電路時，稱為并聯(lián)諧振。 并聯(lián)諧振是一種完全的補(bǔ)償，電源無需提供無功功率，只提供電阻所需要的有功功率。諧振時，電路的總電流最小，而支路的電流往往大于電路的總電流，因此，并聯(lián)諧振也稱為電流諧振。發(fā)生并聯(lián)諧振時，在電感和電容元件中流過很大的電流。當(dāng)負(fù)載變化是，會改變電路中電抗器的值，使電路偏離諧振狀態(tài)，功率因數(shù)降低。故此

54、時需要調(diào)整電流電壓頻率（與觸發(fā)脈沖相同）來時容抗與感抗匹配，使電路重新回到諧振狀態(tài)。與串聯(lián)諧式振逆變器先比，并聯(lián)諧振式振逆變器更符合感應(yīng)加熱電源的要求，故本設(shè)計用選用并聯(lián)諧振式逆變器。并聯(lián)諧振式逆變器與串聯(lián)諧振式逆變器的區(qū)別：1）串聯(lián)逆變器的負(fù)載電路對電源呈現(xiàn)低阻抗，要求由電壓源供電，所以經(jīng)過整流的直流電源末端要并聯(lián)一個大的濾波電容。而并聯(lián)逆變器的負(fù)載電路對電源呈現(xiàn)高阻抗，要求由電流源供電，所以經(jīng)過整流后的直流電源末端要串聯(lián)一個大的電抗器。 2）串聯(lián)逆變器輸入端的電壓恒定，逆變器輸出電壓為方波，由于負(fù)載電路是 L、R、C 串聯(lián)，諧振時對基波電壓呈現(xiàn)低阻抗，所以輸出電流近似正弦波。而并聯(lián)逆變器輸

55、入端的電流恒定，逆變器輸出電流為方波，由于負(fù)載是 L、R 和 C 并聯(lián)，諧振時對基波電流呈現(xiàn)高阻抗，所以輸出電壓近似正弦波。 3）串聯(lián)逆變器感應(yīng)線圈上的電壓和電容器上的電壓，都為逆變器輸出電壓的 Q倍，流過感應(yīng)線圈的電流等于逆變器的輸出電流。并聯(lián)逆變器的感應(yīng)線圈和槽路電容器上的電壓，都等于逆變器的輸出電壓，而流過的電流都是逆變器輸出電流的 Q倍。 4）串聯(lián)逆變器的開關(guān)器件需反并聯(lián)快恢復(fù)二極管，為負(fù)載電流提供續(xù)流通路。并聯(lián)逆變器的每一橋臂需串接快恢復(fù)二極管，以承受反壓。 5）為避免上、下橋臂開關(guān)器件直通短路，串聯(lián)逆變器的開關(guān)器件必須保證先關(guān)斷，后開通的原則，即包含一段死區(qū)時間。為避免開路，并聯(lián)逆變器的開關(guān)器件必須保證先開通，后關(guān)斷的原則，即包含一段重疊時間。 6）為保證逆變器的安全運行，串聯(lián)逆變器一般工作在小感性狀態(tài)，而并聯(lián)逆變器一般工作在小容性狀態(tài)。 7）串聯(lián)逆變器中的開關(guān)器件由于承受矩形波電壓，故 du/dt 值比較大，吸收電路起著關(guān)鍵作用，而對 di/dt 要