数字化感应加热电源调功锁相控制研究

数字化感应加热电源调功锁相控制研究（1.肇庆学院，电子与电气工程学院，广东肇庆2.广东华茂精密制造股份有限公司，广东肇庆526200；3.广东艾匹斯特科技有限公司，广东肇庆52化新型调功和锁相控制策略，给出了控制时序图。同时以TMS320F2MODBUS通讯，从核实现数字锁相环，通过电压电流双闭环控制可以实现功率自动调节，关键词：感应加热电源；功率自适应；数字Researchonpowerregulationandph2.GuangdongHuamaoPrecisionManufacturingCo.,Ltd.，Zhaoqing526200;3.GuangdongIPSTTechnologyAbstract：AimingatthedefectsoftraditionalanalogpoweradjustingandphaselockingcontrolbasedonDSPisdesigned.ThethescreenMODBUScommunication,andthesecondarycorerealizesthedigitalphase-lockedloop,thepowercanbeadjustedautomaticallybyvoltageandcurandthefrequency-conversionadaptivecontrolcanberealizedbydigitalphase-lockedloopalgorithm,sothattheconsheatingsystemcanberealized,thustheaimofdigitalcontrolofinductionheatingpowersupplyisachieved.Theexperimentalresultsshowthatthesystemhreliability,remarkableeffectandFoundationProject：SupportedbyKeyFieldsSpeandUniversities(NewGenerationInformScienceandTechnology,KeyDisciplineofZhaoqingUniversities；TheseventhkeydisciplineofZhaoqingUniversity-ElectricalEngin晶闸管UCULABC平波电抗器RIGBTL晶闸管UCULABC平波电抗器RIGBTL焊接、热套、电真空器件去气加热、半导体材料炼制、塑料热合、烘烤和提纯等场合，利用在高频磁场作用下产生的感应电流引起导体自身发热而进行加热。感应加热与气体非接触、速度快、效率高、工序简单、容易实现自动化等显著优点。随着工业发展和科气等传统加热方式，是一种很有前途的电加热方式。采用IGBT或MOSFET的感应加热百千赫兹，且结构大为简化，设备可靠性、功率因数等其它品质均得以提高。传统采用锁相精度不高，电路复杂，存在频率跟踪范围较窄、死区时间需要用辅助电路实现、可靠性差等缺点，数字调功锁相控制系统具有控制参数容易调整，电路简单，可以更好的提升电源的工作性能和效率,使电源更容易调试和安全可靠，便于实现控制的智能化和网络化[1]。加热炉部分为并联谐振电路，主要由补偿电容和感应加热线圈并联组成，加热电源工作原理是：三相交流工频电经过三相全波整流桥转换为直流电，经滤波电抗器送入全桥逆轮流导通，将直流电流转换成单相交流电，供给并联谐振电路，在加热过程中，谐振频率会产生变化，需要进行频率跟踪。为防止功率开关器件因尖峰电压损坏，并联型逆变器应当避免工作在感性状态。容性工作状态是一种良好的工作状态，在实际运行中也是可靠的，当然容性相角即超前角的大小要适息技术)（2021ZDZX1082肇庆市高校重点学科-程作者简介：肖奇军（1975—男，博士/教授，研当，过小的容性相角可能会因为换流电压太小换流时间太短将不能实现桥臂间主动的完全换流，负载电压就已处于反向状态了，可靠换流只能靠强制关断来实现。但是过大的容性相角会使负载功率因数降低，在一定的输入直流电压的情况下使得功率开关及负载电容的电压容量提高，在保证以上环节的基础上，并联谐振逆变电源工作于弱容性状态时是一种较好的工作状态。在实验中，逆变整流桥逆变桥并联谐振电路I本控制系统由TMS320F28377作为控制核心，核心控制框图如图2所示[4-5]，TMS320F28377芯片具有双核结构，主核做调功和通讯，从核做数字锁相环，通过IPC进行双核通讯，进行控制协同，负载电流真有效值电路、进线电流平均值电路、调功电到功率调节器，获取整流导通角，转化为整路双窄整流脉冲，再通过整流驱动电路输送到整流桥路进行整流。逆变输出电压过压保护电路、进线电流过流保护电路、直流侧漏接，当有过压过流信号时，产生中断，进行示连接，SCI接口与上位机相连，均采用变化进行监控，外设输入输出控制电路与复位等按钮输入信号，显示仪表的输入端与SPI输出端口连接，负载电压过零电路产生 + ADCADCADCPWM功率调节器导通角PWMGPIOXINT485通讯XINTXINT串口通讯SPIECAPDPLL整流驱动电路整流桥CPLD外设输入输出控制屏幕显示上位机显示仪表逆变驱动电路逆变桥 + ADCADCADCPWM功率调节器导通角PWMGPIOXINT485通讯XINTXINT串口通讯SPIECAPDPLL整流驱动电路整流桥CPLD外设输入输出控制屏幕显示上位机显示仪表逆变驱动电路逆变桥与逆变桥路连接。该系统可实现变频启动、故障显示与保护、通讯。整个控制系统由完成的功能有：用于功率计算的负载电压真有效值采样和进线电流信号平均值采样，用于过压过流保护的逆变输出电压过压保护和进线电流过流保护以及直流侧漏电保护，用于频率跟踪用的负载电压过零采样。软件部分主要包括数字锁相环、功率闭环调节等功能。通过算法可以实现变频自适应，功率自动调节，功率因数大于0.95，实现热感应加调功电位计电路负载电压真有效值电路进线电流平均值电路逆变输出电压过压保护电路进线电流过流保护电路直流侧漏电保护电路负载电压过零电路Fig.2Blockdiagramofcontrolsystem3控制算法为实现对感应加热电源的控制，需要对电压、电流和功率进行控制，通过调功算法移相角，实现功率的调节。在加热过程中，由于负载的变化，导致逆变器的工作频率与负载谐振频率相差越大时，等效阻抗越高，功率因数较小，为增大功率因数，并联谐振感应加热电源要求其工作频率必须跟踪负载的工作频率，因此，需要数字锁相环进行实3.1功率自适应调节算法研究U=512cos（1）为防止烧毁IGBT，在停止状态和复位状态，要处于拉逆变状态，即起始整流调功频//Fig.3TherelationshipbetweenregulationfrequencyandrectifiervoPI调节器后获得限压控制器输出，两者小值，再和较大值相加作为电流控制器的给电压过零（GPIO16)eCAP1输入eCAP2输入GPIO0互补输出逆变电路GPIO1（GPIO电压过零（GPIO16)eCAP1输入eCAP2输入GPIO0互补输出逆变电路GPIO1（GPIO12）ePWM输出（GPIO10)eCAP5输入Fig.4Controlblockdiagramofvoltageand3.2数字锁相环算法研究一般由数字鉴相器、环路滤波器和数字压控率和弱容性工作状态，以电流超前于电压18°为锁相环控制目标，逆变控制频率从输入的电压过零信号进入数字鉴相器，获取相位差，再经过环路滤波器获得逆变触发周期，经过数字压控振荡器后获得输出频率，补偿的互补信号施加在逆变电路上，在负载上产生相应的实际电压，GPIO0输出信前电压过零信号18°,实现弱容性控制。数字锁相环数字鉴相器环路滤波器数字压控振荡器右移18°Fig.5Digitalphase-lockedloopcon次上升沿对应在捕捉寄存器CAP1中的值次上升沿对应在捕捉寄存器CAP1中的值的中断同步起来，比较C1n和C2n的值就可器CAP3的值C3n和eCAP2捕捉寄存器CAP3θ=2π（2）error(i)为鉴相器的第i次输出与给定值0的差3.数字压控振荡器根据环路滤波器输出u(n)产生新的逆变触发周期[8]，进行限幅输出，再经过互补输出获得同相输出和反相输出，同相输出即电流输出，再将同相输出输同频滞后18°相位的方波信号,再输入到eCAP2,与eCAP1输入的负载电压过零信号进行数字鉴相。3.3控制时序发出逆变启动信号，在电流环作用下整流频发出锁相环使能信号，在锁相环作用下，逆启动成功，当停止时，系统收到外部启动信号变化，同时逆变启动信号变化，不发出加外部启动信号逆变启动信号整流调功频率锁相环投入使能外部启动信号逆变启动信号整流调功频率锁相环投入使能逆变脉冲加热成功信号57ms 38ms实验中，启动过程中电压、电流和整流启动过程中首先电流控制器启动，整流调功频率上升，电路处于给电抗器充磁状态，判断电流是否达到阈值，达到阈值后，给锁相环使能发出启动信号，当锁相成功，数字锁相环输出逆变频率，从而在负载上产生交流电压，通过真有效值电路获取有效值，当电流和电压上升到给定的稳定值，这时启动过程结束，当判断调功开关打开，进入调功状态，在电压电流双闭环作用下，电流控制器Fig.7Therelationsh