吳岳芬,張 舸,萬 力,周嘉偉,馮彩英

(湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院,湖南 岳陽 414006)

數(shù)字控制感應(yīng)加熱電磁爐的設(shè)計(jì)*

吳岳芬*,張 舸,萬 力,周嘉偉,馮彩英

(湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院,湖南 岳陽 414006)

設(shè)計(jì)了基于DSP的大功率數(shù)字控制感應(yīng)加熱電磁爐,該系統(tǒng)采用DSP作為控制核心,主電路采用半橋諧振逆變電路,外圍電路包括過流、過壓、欠壓、過功率和故障報(bào)警等保護(hù)電路。詳細(xì)分析了半橋諧振逆變電路的工作原理,給出了其負(fù)載工作在感性、容性和電阻狀態(tài)下的電路工作條件,并選擇電路工作在感性狀態(tài)才能確保主電路安全可靠的工作。最后制作了樣機(jī)并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果,實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。

感應(yīng)加熱;數(shù)字控制;自動(dòng)保護(hù);模塊化設(shè)計(jì)

感應(yīng)加熱相對于燃?xì)?、和煤等傳統(tǒng)加熱方式,它具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)加熱速度快;(2)熱損少和加熱效率高;(3)綠色環(huán)保無污染;(4)易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制;(5)實(shí)現(xiàn)了加熱部分和變換器部分的隔離,避免了因保護(hù)層的損壞而導(dǎo)致的漏電,在安全性上大大提高了[1-2]。目前科研人員在感應(yīng)加熱電源方面做了大量的工作,比如文獻(xiàn)[1]利用全橋諧振電路設(shè)計(jì)了2 kW的感應(yīng)加熱電源,能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)器件的軟開通,文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了數(shù)字控制的感應(yīng)加熱電磁爐,相對于模擬控制的感應(yīng)加熱電源,可以實(shí)現(xiàn)更多的控制功能,而且便于升級和維護(hù)。正是基于以上原因本文設(shè)計(jì)基于一種數(shù)字控制的大功率感應(yīng)加熱電源,主電路采用半橋變換器,相對于文獻(xiàn)[1]本文設(shè)計(jì)的采用半橋變換器,只有兩個(gè)功率管工作,因此可以減少開關(guān)損耗,提高系統(tǒng)效率。相對于文獻(xiàn)[2]中所設(shè)計(jì)的數(shù)字感應(yīng)加熱電磁爐,本本文設(shè)計(jì)的采用半橋變換器,操作方便,而且性價(jià)比比較高。本文對電磁爐的工作方式以及數(shù)字控制電路進(jìn)行了詳細(xì)分析,最后制作了樣機(jī),驗(yàn)證了理論分析的正確性。

1 感應(yīng)加熱電磁爐主電路的工作原理

感應(yīng)加熱電磁爐的系統(tǒng)框圖如圖1所示。輸入交流電為380 V,經(jīng)過二極管整流橋以及濾波后變?yōu)?10 V左右的直流,然后經(jīng)過半橋逆變電路作用后,可以在負(fù)載兩端的感應(yīng)線圈中產(chǎn)生變化的磁場,從而使金屬材料中產(chǎn)生渦流,最終產(chǎn)生熱量。

圖1 感應(yīng)加熱電磁爐系統(tǒng)框圖

接下來詳細(xì)分析感應(yīng)加熱電磁爐所采用的半橋電路處在諧振工作情況下的工作原理,其半橋電路原路圖如圖2所示[3-5]。

圖2 半橋電路原理圖

圖3 半橋電路感性負(fù)載工作過程的原圖理

圖2所示的開關(guān)管S1和S2為IGBT,并且S1和S2兩端都反并聯(lián)一個(gè)二極管D1和D2。第1種情況,當(dāng)變換器工作頻率高于諧振頻率時(shí),電流相位滯后電壓,此時(shí)負(fù)載特性表現(xiàn)為感性負(fù)載。如果這個(gè)時(shí)候令開關(guān)管S1處于開通,S2關(guān)斷,負(fù)載中流過電流,電路工作原理如圖3(a)所示。當(dāng)S1關(guān)斷時(shí),由于電感對電流起阻礙作用,此時(shí)電流方向不能突變,電流方向還是保持原來的流向,這個(gè)時(shí)候讓二極管D2開通,電流通過D2續(xù)流,如圖3(b)所示。二極管D2開通,此時(shí)D2導(dǎo)通壓降為1 V,因?yàn)镈2跟開關(guān)管S2并聯(lián),所以開關(guān)管S2兩端電壓保持為1 V左右,此時(shí)如果給S2高電平,S2實(shí)現(xiàn)開通,同時(shí)D2關(guān)斷,如果能夠正好在續(xù)流結(jié)束之前讓S2開通,則可以讓S2實(shí)現(xiàn)軟開關(guān),即零電壓開通,同時(shí)二極管D2也可以實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷,減少了電路的開關(guān)損耗,可以提高系統(tǒng)的效率。

圖4 半橋電路容性負(fù)載工作過程的原圖理

第2種情況當(dāng)變換器的工作頻率低于諧振頻率時(shí),電壓相位滯后電流,此時(shí)負(fù)載特性表現(xiàn)為容性負(fù)載。如果這個(gè)時(shí)候令開關(guān)管S1處于導(dǎo)通狀態(tài),負(fù)載中流過電流,工作原理跟圖3(a)完全一致。由于負(fù)載呈容性,所以電壓相位滯后電流,因此在S1仍保持開通,然后電流減小直至到零,然后電流反向流過二極管D1,工作原理圖如圖4(a)所示。圖4(a)中的二極管D1開通后,S1失去對電流的控制作用,當(dāng)S1保持關(guān)斷,S2保持開通,此時(shí)D1將承受反向電壓而關(guān)斷,由于二極管自身的特性,其在關(guān)斷過程中有反向電流流過D1,其反向電流也會(huì)經(jīng)過S2,從而會(huì)使電源VCC短路,而致使開關(guān)器件IGBT損壞,此時(shí)電路原理圖如圖4(b)所示。另外,如果當(dāng)S2保持關(guān)斷,電流會(huì)再次反向,D2保持導(dǎo)通。如果S1保持開通,此時(shí)二極管D2由于承受負(fù)電壓,致使其關(guān)斷,同理由于二極管D2本身的特性,有反向恢復(fù)電流流過D2,繼而使D2和S2使電源VCC短路,從而損壞IGBT。

第3種情況,當(dāng)變換器的工作頻率和諧振頻率相同時(shí),電流與電壓相位相同,負(fù)載呈純電阻性,此時(shí)電路工作模式與常規(guī)半橋電路工作原理完全一致,相當(dāng)于S1與S2反并聯(lián)二極管D1與D2不存在。

從以上分析可得出:當(dāng)變換器的負(fù)載呈容性阻抗時(shí),開關(guān)器件IGBT的輪流開通,此時(shí)二極管反向恢復(fù)電流較大,因此開關(guān)器件IGBT功率損耗比較大,在工作頻率較高的場合不太合適。當(dāng)變換器的負(fù)載呈感性負(fù)載時(shí),開關(guān)器件IGBT可以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān),不但能保證變換器的安全,而且系統(tǒng)損耗也比較低。最后可以得出在諧振變換器工作在感性負(fù)載時(shí),才能確保變換器安全工作。

圖7 TMS320F2812供電電路

2 基于DSP的控制電路設(shè)計(jì)

硬件電路除了半橋諧振逆變電路的主電路以外,還包括由DSP TMS320F2812構(gòu)成的控制電路,其數(shù)字控制框圖如圖5所示。

圖5 感應(yīng)加熱電磁爐數(shù)字控制系統(tǒng)框圖

從圖5可以看出,控制系統(tǒng)[3]主要由以下幾部分組成:DSP及其外圍電路、輸入電壓和電流檢測和調(diào)理電路、驅(qū)動(dòng)電路和故障與保護(hù)電路,其中DSP外圍電路包括DSP外接SRAM電路、復(fù)位電路、系統(tǒng)時(shí)鐘電路和DSP供電電源電路[6-8]。

2.1 DSP供電電源模塊電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)供電電路由兩部分組成,一部分是由220 V輸入交流電壓經(jīng)變壓器整流濾波后變成9 V電壓供給MC7805,讓MC7805輸出TMS320F2812需要的+5 V電壓。另一部分是將輸出+5 V電壓通過電源芯片TPS767D318轉(zhuǎn)換成DSP所需要的+3.3 V和+1.8 V。電路圖如6所示。

圖6 TPS767D318供電電路

TPS767D318是德州儀器公司出品的線形低壓降LDO高精度數(shù)字穩(wěn)壓電源,TPS767D318主要是為DSP的應(yīng)用而設(shè)計(jì),它可以提供兩路電壓輸出,一路為固定3.3 V,另外一路為可變的可設(shè)置為1.8 V或者2.5 V;其中每一路最大可提供最大為1 A的直流電流,足以滿足TMS320F2812的供電要求。TMS320F2812所需求的電源種類:(1)內(nèi)核數(shù)字電源為1.8 V;(2)I/O數(shù)字電源3.3 V;(3)I/O模擬電源3.3 V;(4)ADC數(shù)字電源3.3 V;(5)ADC模擬電源3.3 V;(6)FLASH編程電源3.3 V。TMS320F2812供電系統(tǒng)如圖7所示。

2.2 電壓和電流檢測和調(diào)理電路設(shè)計(jì)

由于其電壓和電流的檢測和調(diào)理電路原理類似,在這里就只給出電流檢測和調(diào)理電路,其工作電路原理圖如圖8所示。圖8中電流傳感器輸出的電流信號(hào)經(jīng)測量電阻RM轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后,由運(yùn)算放大器U10A構(gòu)成的放大器的增益與RM的阻值配合決定,可以使輸出的雙極性信號(hào)恰好落在-3.3 V～+3.3 V的范圍內(nèi)。運(yùn)算放大器U10B和U10C構(gòu)成電平極性轉(zhuǎn)換電路,主要作用是把雙極性信號(hào)按比例轉(zhuǎn)換成單極性信號(hào)。由R13和C5構(gòu)成的RC低通濾波器,目的是濾除交流輸入電流中的開關(guān)頻率中的高次諧波信號(hào),兩個(gè)二極管VD1和VD2為鉗位二極管。

圖8 電流檢測和調(diào)理電路

2.3 故障和保護(hù)電路設(shè)計(jì)

在感應(yīng)加熱電磁爐工作過程中,如果由于外部原因,如電網(wǎng)波動(dòng),或者內(nèi)部原因,如控制回路和驅(qū)動(dòng)電路誤動(dòng)作造成輸出電路短路,此時(shí)電路會(huì)流過大電流,從而會(huì)損壞開關(guān)器件IGBT。由于電流變化快,而且開關(guān)器件承受高壓和高電流,在保護(hù)電路中需要設(shè)計(jì)具有快速檢測出過流的電路。具體設(shè)計(jì)運(yùn)用2SD315A自身檢測和檢測直流母線的雙重保護(hù)方法。并在故障發(fā)生的時(shí)候,采用軟件和硬件同步保護(hù)的方法[8],故障檢測原理圖如圖9所示。

圖9 故障和保護(hù)電路

3 軟件程序設(shè)計(jì)

數(shù)字控制感應(yīng)加熱電磁爐的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序和各類功能實(shí)現(xiàn)程序構(gòu)成。由于需要實(shí)現(xiàn)的功能眾多,邏輯關(guān)系復(fù)雜,因此采取目前通用的模塊化的程序設(shè)計(jì)方法,將獨(dú)立的功能設(shè)計(jì)為程序模塊[9-10],例如軟件鎖相環(huán)(SPLL)、A/D轉(zhuǎn)換、485通訊、鍵盤采樣,顯示、故障中斷處理等。熱電源系統(tǒng)主程序流程圖如圖10所示。

圖10 主程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

數(shù)字控制感應(yīng)加熱電磁爐的技術(shù)指標(biāo)如下:輸入電壓三相380 V,輸出功率15 kW,系統(tǒng)效率為85%。為了驗(yàn)證理論分析的正確性,制做了實(shí)物,并給出了實(shí)驗(yàn)波形,其中圖11為零電流開關(guān)狀態(tài)下的電流和電壓波形圖,圖12為諧振電流和反饋電壓波形。從圖11可以看出電流為正弦波形,電壓波形為矩形波,而且電壓相位超前與電流相位,說明半橋電路工作頻率高于諧振頻率,變換器工作在阻感性負(fù)載狀態(tài)。此時(shí)可以使電路工作在零電壓開通狀態(tài),可以降低開關(guān)損耗,提升系統(tǒng)效率。

圖11 零電流開關(guān)電壓和電流波形

圖12 諧振電流和反饋電壓波形

5 結(jié)論

本文詳細(xì)的介紹大功率數(shù)字控制感應(yīng)加熱電磁爐主電路半橋諧振變換器的工作原理,并重點(diǎn)闡述其控制電路的設(shè)計(jì),最后制作了實(shí)驗(yàn)機(jī)并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。采用DSP數(shù)字控制,能夠使感應(yīng)加熱電磁爐體積更小,更容易升級和維護(hù),值得推廣。

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The Design of Digital Control Induction Heating Cooker*

WUYuefen*,ZHANGGe,WANLi,ZHOUJiawei,FENGCaiying

(School of Information and Communication Engineering,Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang Hu’nan 404006,China)

A high power and induction heating cooker is designed based on DSP digital controlling,and the system uses DSP as control core. The main circuit adopts a half-bridge resonant inverter circuit,and the peripheral circuit includes the over-current circuit,the over-voltage circuit,the under-voltage circuit,and the protection circuits for power and fault alarm,etc. The working principle of the half-bridge resonant inverter circuit is analyzed in detail,and the work load in works conditions in the perceptual,capacitive and resistive circuit are given,and the circuit works in the Inductive state to make sure that the main circuit is safe and reliable. At last the paper makes a prototype and gives the experimental results,and the experimental results validate the correctness of theoretical analysis.

induction heating;digital control;automatic protection;modular design

項(xiàng)目來源:湖南省教育廳一般項(xiàng)目(16C0718)

2016-03-17 修改日期:2016-05-10

C:5140

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.048

TM46

A

1005-9490(2017)02-0506-05