基于DSP的數(shù)字化中頻感應(yīng)加熱電源仿真研究

鐘舒陽

ZHONG Shu-yang

（上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240）

0 引言

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，感應(yīng)加熱領(lǐng)域?qū)Ω咂焚|(zhì)電源設(shè)備的需求日益增多，提高中頻感應(yīng)加熱電源性能的研究也越來越受到關(guān)注。但是由于我國傳統(tǒng)的中頻電源在控制方面還是采用模擬控制為主，存在功率因素底、可靠性差等缺點，嚴重阻礙了中頻電源的發(fā)展。

為了彌補傳統(tǒng)中頻電源控制方面存在的問題，本文提出了基于DSP數(shù)字控制方法，通過采用數(shù)字控制方法可以以提高系統(tǒng)頻率跟蹤的穩(wěn)定性和加強系統(tǒng)工作的可靠性。高性能的數(shù)字控制器不但解決了模擬控制中參數(shù)隨溫度漂移的問題，而且控制靈活，易采用多種控制策略相結(jié)合的方式來改進逆變控制器的性能，使得所設(shè)計的電源產(chǎn)品不僅性能可靠，而且更有易于實現(xiàn)產(chǎn)品的更新?lián)Q代。

試驗證明基于DSP的數(shù)字化中頻感應(yīng)加熱電源的可行性和有效性，并將其應(yīng)用在已開發(fā)的某些工業(yè)控制中，取得了良好的試驗效果。

1 中頻電源結(jié)構(gòu)

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)及功率半導(dǎo)體器件的飛速發(fā)展，感應(yīng)加熱電源的拓撲結(jié)構(gòu)也在不斷完善，形成了常用的AC/DC/AC變換形式，感應(yīng)加熱電源的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 中頻感應(yīng)加熱電源基本結(jié)構(gòu)

由圖1可知，中頻感應(yīng)加熱電源主要有整流器、濾波器、逆變器、負載槽路和控制保護電路等幾部分組成。工作原理：三相或單相的工頻交流電經(jīng)整流器整流并經(jīng)濾波器濾波后成為平滑的直流電，送入逆變器中，逆變器采用電力半導(dǎo)體器件作為開關(guān)器件，通過逆變控制電路控制，把直流變?yōu)樗桀l率的交流電供給負載。本文中整流部分采用可控硅模塊進行半控整流，逆變部分采用半橋形式，它由串聯(lián)的兩組IGBT構(gòu)成，負載工作方式為串聯(lián)諧振。這種主電路整體結(jié)構(gòu)簡單可靠。

2 數(shù)字控制電路結(jié)構(gòu)

選用TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2407 型DSP 作為控制處理器，它主要具有以下特點：采用高性能靜態(tài)CMOS 技術(shù)，供電電壓為3.3 V，功耗小；具有40 MIPS 的執(zhí)行速度，提高了控制器的實時控制能力；芯片內(nèi)部有兩組事件管理器（EVA， EVB）；有41個通用I/O引腳；ADC 模塊有16個模擬量輸入通道。

DSP控制電路結(jié)構(gòu)電流相位在負載處用電流互感器從母線排側(cè)取出，在發(fā)出聲光報警提示的同時，并能判別和顯示故障原因。與以往的逆變電源不同，在本設(shè)計中對電源的工作模式采用了智能化設(shè)計，即可以在電源啟動之前可通過按鍵和LCD顯示器對工作參數(shù)和流程進行預(yù)先設(shè)定，使其可以滿足更多的工藝要求。通過預(yù)留的I2C接口，可實現(xiàn)遠程對系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)控，很容易實現(xiàn)對多臺逆變電源的集散控制。

3 控制策略研究

電源開機時，用電流互感器從三相電的任意一相取出同步電壓信號，信號經(jīng)過光耦隔離后送入DSP的捕獲端。DSP通過控制可控硅模塊PWM3、4、5的占空比來進行整流軟啟動，從而實現(xiàn)直流側(cè)電壓逐漸上升。

3.1 逆變側(cè)控制

因為主電路負載屬于串聯(lián)諧振電路，所以電源啟動后應(yīng)使IGBT開關(guān)頻率略大于負載固有頻率，此時輸入阻抗略呈感性，負載電流頻率和IGBT驅(qū)動電壓頻率相差較大，適宜采用PI調(diào)節(jié)方式對外環(huán)電流頻率進行快速的跟蹤。而當系統(tǒng)進入正常工作狀態(tài)時，由于頻率已經(jīng)非常接近，比較適合采用鎖相的方式對驅(qū)動電壓信號和負載的電流信號之間存在相位做精細的修正。因此，可通過設(shè)定頻率判定值的方式對控制算法進行動態(tài)的無擾動切換，這樣可以結(jié)合兩種控制算法的優(yōu)點，彌補了單一算法的不足。本文在頻率跟蹤方面采用雙閉環(huán)的復(fù)合PID控制策略，

系統(tǒng)的初始頻率可通過按鍵設(shè)定，存儲在匹配寄存器中，開機后通過檢測PWM信號相位和負載電流相位信號，并通過得到的相位差和頻率計算其整定值。即通過將計算得到的系統(tǒng)匹配寄存器與檢測頻率的差值與設(shè)定的 相比較，判斷采取何種控制算法。

3.2 死區(qū)控制

由于電壓型串聯(lián)諧振電路的直流側(cè)可以等效為直流電壓源，如果上下橋臂直接通路會發(fā)生短路現(xiàn)象，產(chǎn)生電流尖峰，從而造成開關(guān)器件IGBT模塊的損壞。為了避免上下橋臂之間的直接通路，應(yīng)在兩路驅(qū)動信號之間留有一定的死區(qū)時間。死區(qū)形成通常都采用固定的模式，在保證電路可靠運行的前提下設(shè)置死區(qū)寬度，電源開機運行后其寬度不能隨系統(tǒng)狀態(tài)自動調(diào)整，而死區(qū)的寬度與開關(guān)器件的開關(guān)損耗和逆變器運行性能密切相關(guān)，這樣，在系統(tǒng)不需要較大的死區(qū)寬度時，會在一定程度上降低逆變器的工作效率。為了保證串聯(lián)逆變器高效可靠的運行，研究最佳死區(qū)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有十分重要的意義。

最佳死區(qū)時間應(yīng)包括器件關(guān)斷時間和輸出電容放電時間之和。根據(jù)理論推導(dǎo)，最佳死區(qū)時間為：

式中，toff表示開關(guān)器件的關(guān)斷時間，V表示負載電壓的有效值，I表示負載電流的有效值，f表示負載的諧振頻率，其中ω＝2πf，Ci表示逆變橋臂上IGBT的輸出電容值；（i＝1，2，3，4）。

通過上式可以得出，對于確定的電源來Ci是不變的，能影響驅(qū)動死區(qū)的因素只有中頻電壓、中頻電流和現(xiàn)場負載頻率。把這三個經(jīng)過采樣電路，送入控制器后就可以通過計算自動調(diào)節(jié)死區(qū)的大小。

電源正常運行時，數(shù)字控制系統(tǒng)循環(huán)進行系統(tǒng)頻率差值檢測和A/D轉(zhuǎn)換，當差頻△f≠0時，CPU自動讀取A/D轉(zhuǎn)換后存儲的中頻電壓和中頻電流，并進行計算。把計算結(jié)果所對應(yīng)的上升沿/下降匹配時間送入PWM匹配寄存器，當逆變器到下一開關(guān)周期時，PWM波形自動被更新，輸出的死區(qū)大小也隨之更改。利用PWM匹配更新死區(qū)的方法，無需添加額外的電路，而且是最直接有效的方式。

3.3 數(shù)字鎖相控制

數(shù)字鎖相環(huán)除了具有數(shù)字電路固有的可靠性高、體積小、價格低等優(yōu)點，還再一定程度上克服了模擬鎖相環(huán)遇到的困難。數(shù)字鎖相環(huán)簡稱DPLL，它實質(zhì)是一個相位差自動糾偏調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在廣播通信、頻率合成、自動控制及時鐘同步等技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

當參考輸入信號Vi（t）與輸出信號Vo（t）之間有相位差時，鑒相器輸出與相位差大小成比例的信號Vd（t），經(jīng)數(shù)字環(huán)路濾波器濾波后產(chǎn)生的控制電壓Vc（t）作用于數(shù)字壓控振蕩器的輸入端，使輸出信號Vo（t）發(fā)生變化，直至兩者的相位差為零，達到同頻同相為止。

4 軟件部分

頻率跟蹤部分的主程序流程如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

工作原理：電源開機后，首先對系統(tǒng)進行初始化。然后進入?yún)?shù)設(shè)定環(huán)節(jié)，需設(shè)定的參數(shù)主要包括初始頻率、初始輸出功率大小、功率調(diào)節(jié)方式等。參數(shù)設(shè)置之后便進入工作狀態(tài)，此時先發(fā)出IGBT的開關(guān)信號，頻率為固定不變的初始值，隨后開始整流軟啟動，此時隨著負載頻率信號的出現(xiàn)，系統(tǒng)頻率開始逐漸跟隨負載頻率變化。隨著直流電壓逐漸上升，IGBT輸出的功率也逐漸達到初始設(shè)定輸出值，此時，電源已正常啟動。最后，系統(tǒng)在頻率跟蹤進程中循環(huán)工作。

5 仿真結(jié)果分析

根據(jù)本文所設(shè)計的方案，采用MATLAB/SIMULINK建立仿真模型，對系統(tǒng)進行仿真分析。系統(tǒng)初始頻率設(shè)為3KHz，電源在開機后能迅速跟蹤到負載諧振頻率處。頻率跟蹤后負載輸出的波形如圖3所示。

仿真結(jié)果表明，本文采用基于雙閉環(huán)系統(tǒng)的PID復(fù)合控制策略，能使系統(tǒng)同時擁有PID調(diào)節(jié)動態(tài)響應(yīng)快和數(shù)字鎖相環(huán)穩(wěn)態(tài)精度高的優(yōu)點。基于DSP控制的中頻感應(yīng)加熱電源能可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)的頻率跟蹤。在調(diào)節(jié)功率的同時，未發(fā)生頻率跟蹤延遲和跳相等問題。另外，故障保護部分工作正常，在設(shè)定瞬間過流范圍內(nèi)，瞬間過流測試時并未發(fā)生停機的現(xiàn)象。

圖3 復(fù)合PID逆變電源滿功率輸出電壓電流波形

6 結(jié)論

試驗結(jié)果證明，本文提出的基于DSP的數(shù)字化中頻感應(yīng)電源設(shè)計方案合理可靠，達到了要求的各項性能指標。在實現(xiàn)了傳統(tǒng)中頻感應(yīng)電源功能的基礎(chǔ)上，同時還具有功率因數(shù)高、起動簡便、恒額定功率輸出、頻率自動跟蹤等優(yōu)點，具有一定的先進性，而電源在控制智能化、軟開關(guān)技術(shù)等方面，還可以進一步地進行研究。

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