數(shù)字化感應(yīng)加熱電源調(diào)功鎖相控制研究

數(shù)字化感應(yīng)加熱電源調(diào)功鎖相控制研究（1.肇慶學(xué)院，電子與電氣工程學(xué)院，廣東肇慶2.廣東華茂精密制造股份有限公司，廣東肇慶526200；3.廣東艾匹斯特科技有限公司，廣東肇慶52化新型調(diào)功和鎖相控制策略，給出了控制時序圖。同時以TMS320F2MODBUS通訊，從核實現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán)，通過電壓電流雙閉環(huán)控制可以實現(xiàn)功率自動調(diào)節(jié)，關(guān)鍵詞：感應(yīng)加熱電源；功率自適應(yīng)；數(shù)字Researchonpowerregulationandph2.GuangdongHuamaoPrecisionManufacturingCo.,Ltd.，Zhaoqing526200;3.GuangdongIPSTTechnologyAbstract：AimingatthedefectsoftraditionalanalogpoweradjustingandphaselockingcontrolbasedonDSPisdesigned.ThethescreenMODBUScommunication,andthesecondarycorerealizesthedigitalphase-lockedloop,thepowercanbeadjustedautomaticallybyvoltageandcurandthefrequency-conversionadaptivecontrolcanberealizedbydigitalphase-lockedloopalgorithm,sothattheconsheatingsystemcanberealized,thustheaimofdigitalcontrolofinductionheatingpowersupplyisachieved.Theexperimentalresultsshowthatthesystemhreliability,remarkableeffectandFoundationProject：SupportedbyKeyFieldsSpeandUniversities(NewGenerationInformScienceandTechnology,KeyDisciplineofZhaoqingUniversities；TheseventhkeydisciplineofZhaoqingUniversity-ElectricalEngin晶閘管UCULABC平波電抗器RIGBTL晶閘管UCULABC平波電抗器RIGBTL焊接、熱套、電真空器件去氣加熱、半導(dǎo)體材料煉制、塑料熱合、烘烤和提純等場合，利用在高頻磁場作用下產(chǎn)生的感應(yīng)電流引起導(dǎo)體自身發(fā)熱而進(jìn)行加熱。感應(yīng)加熱與氣體非接觸、速度快、效率高、工序簡單、容易實現(xiàn)自動化等顯著優(yōu)點(diǎn)。隨著工業(yè)發(fā)展和科氣等傳統(tǒng)加熱方式，是一種很有前途的電加熱方式。采用IGBT或MOSFET的感應(yīng)加熱百千赫茲，且結(jié)構(gòu)大為簡化，設(shè)備可靠性、功率因數(shù)等其它品質(zhì)均得以提高。傳統(tǒng)采用鎖相精度不高，電路復(fù)雜，存在頻率跟蹤范圍較窄、死區(qū)時間需要用輔助電路實現(xiàn)、可靠性差等缺點(diǎn)，數(shù)字調(diào)功鎖相控制系統(tǒng)具有控制參數(shù)容易調(diào)整，電路簡單，可以更好的提升電源的工作性能和效率,使電源更容易調(diào)試和安全可靠，便于實現(xiàn)控制的智能化和網(wǎng)絡(luò)化[1]。加熱爐部分為并聯(lián)諧振電路，主要由補(bǔ)償電容和感應(yīng)加熱線圈并聯(lián)組成，加熱電源工作原理是：三相交流工頻電經(jīng)過三相全波整流橋轉(zhuǎn)換為直流電，經(jīng)濾波電抗器送入全橋逆輪流導(dǎo)通，將直流電流轉(zhuǎn)換成單相交流電，供給并聯(lián)諧振電路，在加熱過程中，諧振頻率會產(chǎn)生變化，需要進(jìn)行頻率跟蹤。為防止功率開關(guān)器件因尖峰電壓損壞，并聯(lián)型逆變器應(yīng)當(dāng)避免工作在感性狀態(tài)。容性工作狀態(tài)是一種良好的工作狀態(tài)，在實際運(yùn)行中也是可靠的，當(dāng)然容性相角即超前角的大小要適息技術(shù))（2021ZDZX1082肇慶市高校重點(diǎn)學(xué)科-程作者簡介：肖奇軍（1975—男，博士/教授，研當(dāng)，過小的容性相角可能會因為換流電壓太小換流時間太短將不能實現(xiàn)橋臂間主動的完全換流，負(fù)載電壓就已處于反向狀態(tài)了，可靠換流只能靠強(qiáng)制關(guān)斷來實現(xiàn)。但是過大的容性相角會使負(fù)載功率因數(shù)降低，在一定的輸入直流電壓的情況下使得功率開關(guān)及負(fù)載電容的電壓容量提高，在保證以上環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，并聯(lián)諧振逆變電源工作于弱容性狀態(tài)時是一種較好的工作狀態(tài)。在實驗中，逆變整流橋逆變橋并聯(lián)諧振電路I本控制系統(tǒng)由TMS320F28377作為控制核心，核心控制框圖如圖2所示[4-5]，TMS320F28377芯片具有雙核結(jié)構(gòu)，主核做調(diào)功和通訊，從核做數(shù)字鎖相環(huán)，通過IPC進(jìn)行雙核通訊，進(jìn)行控制協(xié)同，負(fù)載電流真有效值電路、進(jìn)線電流平均值電路、調(diào)功電到功率調(diào)節(jié)器，獲取整流導(dǎo)通角，轉(zhuǎn)化為整路雙窄整流脈沖，再通過整流驅(qū)動電路輸送到整流橋路進(jìn)行整流。逆變輸出電壓過壓保護(hù)電路、進(jìn)線電流過流保護(hù)電路、直流側(cè)漏接，當(dāng)有過壓過流信號時，產(chǎn)生中斷，進(jìn)行示連接，SCI接口與上位機(jī)相連，均采用變化進(jìn)行監(jiān)控，外設(shè)輸入輸出控制電路與復(fù)位等按鈕輸入信號，顯示儀表的輸入端與SPI輸出端口連接，負(fù)載電壓過零電路產(chǎn)生 + ADCADCADCPWM功率調(diào)節(jié)器導(dǎo)通角PWMGPIOXINT485通訊XINTXINT串口通訊SPIECAPDPLL整流驅(qū)動電路整流橋CPLD外設(shè)輸入輸出控制屏幕顯示上位機(jī)顯示儀表逆變驅(qū)動電路逆變橋 + ADCADCADCPWM功率調(diào)節(jié)器導(dǎo)通角PWMGPIOXINT485通訊XINTXINT串口通訊SPIECAPDPLL整流驅(qū)動電路整流橋CPLD外設(shè)輸入輸出控制屏幕顯示上位機(jī)顯示儀表逆變驅(qū)動電路逆變橋與逆變橋路連接。該系統(tǒng)可實現(xiàn)變頻啟動、故障顯示與保護(hù)、通訊。整個控制系統(tǒng)由完成的功能有：用于功率計算的負(fù)載電壓真有效值采樣和進(jìn)線電流信號平均值采樣，用于過壓過流保護(hù)的逆變輸出電壓過壓保護(hù)和進(jìn)線電流過流保護(hù)以及直流側(cè)漏電保護(hù)，用于頻率跟蹤用的負(fù)載電壓過零采樣。軟件部分主要包括數(shù)字鎖相環(huán)、功率閉環(huán)調(diào)節(jié)等功能。通過算法可以實現(xiàn)變頻自適應(yīng)，功率自動調(diào)節(jié)，功率因數(shù)大于0.95，實現(xiàn)熱感應(yīng)加調(diào)功電位計電路負(fù)載電壓真有效值電路進(jìn)線電流平均值電路逆變輸出電壓過壓保護(hù)電路進(jìn)線電流過流保護(hù)電路直流側(cè)漏電保護(hù)電路負(fù)載電壓過零電路Fig.2Blockdiagramofcontrolsystem3控制算法為實現(xiàn)對感應(yīng)加熱電源的控制，需要對電壓、電流和功率進(jìn)行控制，通過調(diào)功算法移相角，實現(xiàn)功率的調(diào)節(jié)。在加熱過程中，由于負(fù)載的變化，導(dǎo)致逆變器的工作頻率與負(fù)載諧振頻率相差越大時，等效阻抗越高，功率因數(shù)較小，為增大功率因數(shù)，并聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源要求其工作頻率必須跟蹤負(fù)載的工作頻率，因此，需要數(shù)字鎖相環(huán)進(jìn)行實3.1功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)算法研究U=512cos（1）為防止燒毀IGBT，在停止?fàn)顟B(tài)和復(fù)位狀態(tài)，要處于拉逆變狀態(tài)，即起始整流調(diào)功頻//Fig.3TherelationshipbetweenregulationfrequencyandrectifiervoPI調(diào)節(jié)器后獲得限壓控制器輸出，兩者小值，再和較大值相加作為電流控制器的給電壓過零（GPIO16)eCAP1輸入eCAP2輸入GPIO0互補(bǔ)輸出逆變電路GPIO1（GPIO電壓過零（GPIO16)eCAP1輸入eCAP2輸入GPIO0互補(bǔ)輸出逆變電路GPIO1（GPIO12）ePWM輸出（GPIO10)eCAP5輸入Fig.4Controlblockdiagramofvoltageand3.2數(shù)字鎖相環(huán)算法研究一般由數(shù)字鑒相器、環(huán)路濾波器和數(shù)字壓控率和弱容性工作狀態(tài)，以電流超前于電壓18°為鎖相環(huán)控制目標(biāo)，逆變控制頻率從輸入的電壓過零信號進(jìn)入數(shù)字鑒相器，獲取相位差，再經(jīng)過環(huán)路濾波器獲得逆變觸發(fā)周期，經(jīng)過數(shù)字壓控振蕩器后獲得輸出頻率，補(bǔ)償?shù)幕パa(bǔ)信號施加在逆變電路上，在負(fù)載上產(chǎn)生相應(yīng)的實際電壓，GPIO0輸出信前電壓過零信號18°,實現(xiàn)弱容性控制。數(shù)字鎖相環(huán)數(shù)字鑒相器環(huán)路濾波器數(shù)字壓控振蕩器右移18°Fig.5Digitalphase-lockedloopcon次上升沿對應(yīng)在捕捉寄存器CAP1中的值次上升沿對應(yīng)在捕捉寄存器CAP1中的值的中斷同步起來，比較C1n和C2n的值就可器CAP3的值C3n和eCAP2捕捉寄存器CAP3θ=2π（2）error(i)為鑒相器的第i次輸出與給定值0的差3.數(shù)字壓控振蕩器根據(jù)環(huán)路濾波器輸出u(n)產(chǎn)生新的逆變觸發(fā)周期[8]，進(jìn)行限幅輸出，再經(jīng)過互補(bǔ)輸出獲得同相輸出和反相輸出，同相輸出即電流輸出，再將同相輸出輸同頻滯后18°相位的方波信號,再輸入到eCAP2,與eCAP1輸入的負(fù)載電壓過零信號進(jìn)行數(shù)字鑒相。3.3控制時序發(fā)出逆變啟動信號，在電流環(huán)作用下整流頻發(fā)出鎖相環(huán)使能信號，在鎖相環(huán)作用下，逆啟動成功，當(dāng)停止時，系統(tǒng)收到外部啟動信號變化，同時逆變啟動信號變化，不發(fā)出加外部啟動信號逆變啟動信號整流調(diào)功頻率鎖相環(huán)投入使能外部啟動信號逆變啟動信號整流調(diào)功頻率鎖相環(huán)投入使能逆變脈沖加熱成功信號57ms 38ms實驗中，啟動過程中電壓、電流和整流啟動過程中首先電流控制器啟動，整流調(diào)功頻率上升，電路處于給電抗器充磁狀態(tài)，判斷電流是否達(dá)到閾值，達(dá)到閾值后，給鎖相環(huán)使能發(fā)出啟動信號，當(dāng)鎖相成功，數(shù)字鎖相環(huán)輸出逆變頻率，從而在負(fù)載上產(chǎn)生交流電壓，通過真有效值電路獲取有效值，當(dāng)電流和電壓上升到給定的穩(wěn)定值，這時啟動過程結(jié)束，當(dāng)判斷調(diào)功開關(guān)打開，進(jìn)入調(diào)功狀態(tài)，在電壓電流雙閉環(huán)作用下，電流控制器Fig.7Therelationsh