基于STM32的半橋諧振感應加熱系統設計與實現

史延東，王 凱，寧 飛，江欣怡

（西北工業大學自動化學院，陜西 西安 710029）

0 引言

隨著我國工業化進程的加快，能源與環境問題日漸突出，為緩解上述壓力，引入電磁加熱器，其用電來取代燃煤、煤氣和天然氣等基本燃料，順應了時代的發展，具有廣闊的發展前景。現有電磁加熱系統多基于MCS-51等單片機實現功能控制，存在控制方式簡單，保護功能單一等功能［1］，為此，有必要分析、設計和完善電磁加熱系統的保護功能，確保系統運行的安全。引入基于ARM核的32位控制芯片STM32F103C8，以其為核心設計具有完善保護功能的大功率電磁加熱系統，增加了電磁加熱系統運行的安全系數。

1 系統總體設計與工作原理

系統主要由整流模塊、逆變模塊、顯控模塊及保護模塊等組成［2］。整流模塊將三相交流電轉換為直流電供后級變換，同時對整流、濾波后的直流電進行采樣進行系統過壓、欠壓及缺相的判斷；逆變環節主要由半橋逆變電路和加熱爐盤組成，其將前級直流電轉換為頻率可調的交流電，經負載電感電容諧振加熱做功；控制及保護模塊由控制芯片、電源模塊、通訊接口和信號調理電路等組成，該模塊實現對逆變電路驅動脈沖的控制，同時通過外圍檢測電路實時監控系統工作狀態，實現系統過壓、欠壓、缺相和過流等保護；通過通信接口實現控制芯片與顯控單元之間的數據通信，從而完成系統工作狀態的實時顯示與控制。

系統主電路是功率流動的主要通路，其結構如圖1所示。

圖1 半橋逆變電路結構

以T1所在回路為例說明電路工作過程：首先C1，C2被充電到直流電壓的一半，即1／2Ud，然后T1導通，此時流過負載感應線圈的電流包括兩部分，流經T1，RL，L和C1的諧振電流，另一路是通過T1，RL，L向C2充電的充電電流，兩路電流的振蕩頻率相同。T2回路與T1回路工作過程相同［3］。

對于逆變電路中的主開關器件，其上下橋臂的驅動信號理論上應為互補的，但是，考慮到IGBT開關特性，安全起見最終在STM32F103C8控制芯片PWM模塊中由程序產生具有1.5μs死區時間的脈沖［4］，由其驅動開關管的通斷實現對功率的控制。

2 電路參數計算

系統參數：最大輸出功率為15kW，輸入電壓為380V，工作檔位為6檔可調。

假設系統功率因數為cosφ，工作頻率為40 kHz，考慮輸入電壓有10%的波動，則有直流側最小電壓為：

Q為系統品質因數，在此可設為4.5，則VC=239.6×4.5=1078V。

諧振電容C的阻抗為：

3 芯片特點及保護電路設計

系統采用STM32F103作為控制核心，其是一款基于Cortex-M3內核的32位微控制器。片上集成128kB的Flash存儲器和20kB的SRAM存儲器，最高工作頻率達72MHz，并且內部具有2個I2C接口、3個USART接口和2個SPI接口等外設接口，可以滿足系統的設計要求。

針對大功率加熱系統存在短路、過流、欠壓和缺相等故障，設計了相應的保護電路，如圖2所示。

通過變比為2000∶1的TBC200AP霍爾傳感器采集交流側負載電流，轉換為電壓后與給定值比較，當檢測電壓達到1.96V時，交流側電流達到59.4A，此時認為負載短路，從而一方面通過PMBT3904輸出低電平封鎖逆變器驅動脈沖，另一方面通過74HC123輸出低電平送控制芯片進行處理并顯示故障代碼。

圖2 短路保護電路

圖3 直流電流檢測電路

直流電流檢測電路如圖3所示，其功能是檢測主電路直流側電流，分別進行直流過流保護、短路保護和送控制芯片進行數據采集和處理。同樣選用TBC200AP進行電流采集 ，并將直流過流保護點設為42.8A，當直流電流超過這一數值后，LM393負極信號也將超過其正極分壓信號1.2V，從而輸出低電平，控制芯片封鎖PWM信號并顯示故障代碼；若直流電流小于4.6A，則另一路LM393正極輸入電壓低于0.1288V，將低于其負極電壓0.129V，其輸出低電平從而引起控制芯片封鎖PWM信號并顯示故障代碼；同時，由于短路故障較過流故障電流更大，為此對短路故障考慮不通過芯片而直接進行硬件保護：當直流電壓超過52A而直流過流保護未動作時，第三路LM393反轉，輸出高電平，從而引起單穩態觸發器74HC123輸出一個持續時間為50 μs的高電平，此高電平使PMBT3904輸出一個低電平，直接封鎖觸發脈沖，實現硬件保護，同時74HC123的另一路輸出送控制芯片顯示故障代碼并關閉PWM發生器。

電壓檢測電路如圖4所示。光耦TLP521陽極檢測直流側電壓，隔離輸出，經過電壓跟隨器緩沖后送控制芯片直流采集端口進行顯示和處理。此外，為滿足對不同加熱功率的要求，設計有6檔加熱模式，每一檔對應固定脈沖頻率，通過對控制芯片內脈沖發生模塊的控制即可實現對加熱功率的控制。

圖4 電壓檢測電路

4 系統軟件設計

系統上電后，首先完成各模塊初始化，之后進入主循環，通過檢測各個標志位的狀態來執行對應的處理程序。在進行完硬件電路檢測及工作檔位判斷后，如果進入正常運行模式，軟件將監控加熱系統的工作狀態，確保系統工作于安全狀態并在故障出現時能夠迅速退出運行，為此專門設計有保護程序。

系統運行中首先確保控制芯片和顯控單元之間的正常通信（基于MODBUS-RTU通訊協議），在此基礎上進行額定功率加載并計時，當電流達到相應檔位對應值時，分別檢測反饋電流、散熱器溫度和爐盤溫度，當上述檢測值超過設定保護門限時執行保護操作，并將系統工作參數送給顯示器實時顯示。

運行工作模式中由于整流濾波的局限性無法做到直流側是常值，同時由于逆變電路本身的特性導致對信號的采樣具有極大的波動，而控制芯片要執行程序保護又必須為確定量，為此在參數采集中采用多次采集存儲，最后求其平均值的方法來進行，即在系統工作時每隔一定時間對系統某一個參數進行固定次數的采集并存儲，當采集次數到達設定值后停止采集并計算所存儲數據的平均值，此均值即認為是采集物理量的實際采集值，然后進行下一個周期循環采［5］集。經實驗，采用該方法能在很大程度上達實現對系統工作狀態的準確監控，并抑制由于工作中的隨機性尖峰電流或電壓而導致的誤判斷和誤操作。

5 實驗結果

圖5為控制芯片產生并通過調理電路處理后加到IGBT門極與發射極之間的驅動脈沖。第1節中提到過安全起見應為2路脈沖設計死區時間以防上下橋壁直通，故2路脈沖之間有1.5μs死區，從而一路開關管由導通轉為斷開期間，另一路由于驅動脈沖電壓幅值的限制保持斷開狀態，直至驅動脈沖上升到驅動門限，從而確保了任意時刻兩只主開關管中只有一只導通且切換時先斷開導通的一只，之后再導通另外一只，有效防止直通的發生。

圖5 2路觸發脈沖波形

圖6為驅動脈沖與主電路直流側電壓波形。可見當電壓上升到一定數值后驅動脈沖封鎖，實現了過壓保護。其保護參數由圖4所示電路采集并經控制芯片解算后確定。

圖6 過壓保護波形

圖7為系統工作時交流側電流波形。通過控制功率器件的開通和關斷實現負載電流的諧振，從而實現諧振加熱。

經測試，當輸入電壓在額定值380V，系統工作于設定最大功率15kW時，實際加熱功率為14.14 kW，從而系統熱效率可達94.3%，完全滿足現階段商用電磁加熱的應用要求，并且在模擬故障下控制系統能夠及時停止運行并為用戶提供檢修通道，保證了系統的安全、可靠運行。

圖7 交流側電流采樣波形

6 結束語

大功率電磁加熱系統在工業領域具有廣闊的應用前景，在能源短缺的背景下，開發具有高度安全性的大功率電磁加熱系統具有極大的商業價值。與已有大功率電磁加熱系統相比，研究著眼于建立基于軟、硬件的完善的保護功能和措施，并重點通過軟件系統進行設計優化。針對電磁感應加熱的特點，系統加熱效率還有提高的空間且具有一定的經濟價值。

［1］劉慶豐.基于多電平變換技術的高頻感應加熱電源的研究［D］.西安：西安理工大學，2008.

［2］倪徐良.50kHz IGBT串聯諧振感應加熱研制［D］.西安：西安理工大學，2008.

［3］師 璞.基于單臺感應加熱設備的諧波分析與研究［D］.河北：華北電力大學，2006.

［4］王志升.大功率電磁爐電控系統設計與實現［D］.武漢：武漢理工大學，2008.

［5］汪 軍.串聯諧振感應加熱逆變電源的研制［D］.杭州：浙江大學，2006.