數字式感應加熱電源實驗平臺的設計與實現

呂 淼，李金剛

（西安理工大學，陜西 西安 710048）

1 引言

國內感應加熱電源在控制方面還是采用模擬控制為主，還沒實現全數字化控制，電源的核心控制部分（功率控制、頻率跟蹤）仍然采用模擬電路來實現。數字控制的感應加熱電源具有穩定性好、控制精度高、可實現最優控制算法以及遠程監控等優點，采用數字控制設計的電源產品不僅性能可靠，而且更有易于實現產品的更新換代，是感應加熱技術的一個研究熱點和發展趨勢。而目前設計的數字控制的感應加熱電源只是一部樣機，采用單一的調功方式或控制算法，穩定性較差，且設計成本較高［1,2］。

本文在現有研究基礎上，開發一臺基于DSP320F2812的全數字控制感應加熱電源實驗研究平臺，把多種調功方式和控制算法集成在一臺控制器和一套主電路上，為深入研究感應加熱電源新的控制策略和特性性能提供了一個便于操作的研究平臺，并對相關參數和外圍電路進行優化。

2 平臺控制系統設計

2.1 功率調節方式選擇

固態感應加熱電源對于功率調節方式來說，主要分為直流器側調功和逆變器側調功兩類［3］。不同的調功方式都有其自身的優缺點，如表1所示。

表1 功率調節方式對照表

中小功率的固態感應加熱電源一般采用逆變器側調功，以簡化主電路，而對于中大功率的固態感應加熱電源，主要采用整流器側調功，使諧振逆變器獲得最佳的工作性能。本文針對數字控制感應加熱電源已有的研究狀況，調功部分最終選擇直流側斬波調功和逆變側脈沖寬度調制 (PWM)調功兩種方式。

2.2 控制算法選擇

隨著電力電子技術的高速發展，數字化、智能化控制的感應加熱電源是目前研究熱點方向。數字控制方式利用先進的控制策略使感應加熱電源具有更好的穩定性和靈活性。本文采用數字鎖相環調功，逆變器開關管驅動PWM自動跟蹤負載電流，并在數字鎖相環的控制下很快保持同頻同相，因而負載功率因數可達到最高。

另外，因為電磁感應加熱系統是典型的非線性系統，工作過程中需要對感應加熱電源的輸出功率進行控制，即，對負載功率進行控制，因此一個精準、快速、穩定的功率控制系統非常重要。傳統的感應加熱電源功率調節多采用PID控制方法，PID方法對于線性的系統非常有效，是一種穩定的、實現簡單的控制方法［4］。而對于非線性系統，一般采用模糊算法，該方法對非線性復雜變化的控制對象在線辨識，具有參數準確、數字實現簡單、參數修改方便等優點；并且可以根據負載的溫度變化進行提前預測進行控制，因此非常適合感應加熱電源的功率調節［5］。以下介紹兩種控制算法對系統控制性能的影響。

（1）PID調節對系統性能的影響

首先將模擬量離散化，得到PID控制的離散形式：

式（1）是位置式PID控制算式。為了增加控制系統的可靠性，采用增量式PID控制算式，即讓DSP只輸出控制量u（k）的增量Δu（k）。由式（1）可得增量式PID控制算式如下式所示：

令式中KD=0，則得到增量式PID控制算式：

式中：A=（KP＋KI），B=KP。

使用PID功率調節算法能夠實現在不同諧振參數下感應加熱電源的頻率跟蹤控制以及輸出功率連續調節，并且具有較好的閉環控制特性。

（2）模糊控制對系統性能的影響

感應加熱電源的功率調節采用模糊控制時，鎖相環能使逆變器很好地跟蹤負載的諧振頻率，系統很快從啟動到給定功率并保持穩定精確匹配；當負載功率改變時，功率調節波形超調很小，并且在很短的時間內就達到穩定并和給定功率達到精確匹配。逆變電源在功率因數接近或等于1的狀態下運行，提高了效率，在工業控制中具有一定的實用意義。

3 感應加熱電源平臺的設計與實現

3.1 控制面板設計

本文以串聯諧振負載感應加熱電源為對象，集成已有的調功方式和控制算法，設計特性組合選擇實驗平臺。如圖1所示。

圖1 感應加熱電源平臺的控制面板選擇圖

3.2 主電路拓撲

感應加熱實驗平臺主電路拓撲如圖2所示，由整流環節(AC-DC)、Buck斬波器、濾波器、逆變器(DC-AC)、負載槽路及相關的控制電路和保護電路等構成。采用串聯諧振逆變電路，以IGBT為主開關器件，由功率反饋跟蹤電路進行閉環功率調節，用頻率跟蹤電路控制逆變器的工作頻率，使逆變器始終工作于諧振狀態，逆變器輸出功率因數接近于1，整機工作效率較高。

當感應加熱實驗平臺采用直流側調功方式時，控制算法可以選擇PI調節方式以及模糊控制。平臺直流側以三相不可控整流加Buck斬波為主電路，采用串聯諧振負載，通過調節Buck斬波電路開關管的驅動占空比來調節實驗平臺的輸出功率。

平臺采用逆變側方式調功時，通過帶鎖相環的移相PWM控制方式控制逆變輸出，即通過調節IGBT管的驅動占空比調節輸出電壓，從而達到調節輸出功率的目的，控制算法可以選擇PI調節或者模糊控制。

圖2 感應加熱實驗平臺主電路拓撲

3.3 感應加熱電源平臺的設計方案

本文按照以下參數進行設計：輸入為380V/50Hz三相交流電，電網電壓波動范圍±10%；輸出功率10kW；逆變器工作頻率范圍：20kHz－50kHz。

感應加熱電源平臺直流側調功控制框圖如3（a）所示。當逆變器的輸入直流電壓為Ud時，固定臂和移相臂錯開角度θ，逆變器的輸出功率PH為：

逆變側調功式控制框圖如3（b）所示。檢測輸出電壓及電流變化，將反饋信號輸入到DSP的ADC采樣端口，進行模數轉換，得到電壓與電流的反饋值，然后通過乘法器將兩者相乘，再與給定比較，功率調節器的輸出控制逆變器的移相角度，使系統的輸出功率保持恒定。逆變器的輸出功率PH為：

圖3 感應加熱電源平臺控制系統框圖

根據以上要求，搭建感應加熱電源實驗平臺，完成接口的外控制，包括電源開關、切換開關、過壓過流過熱保護按鈕等。

3.4 基于DSP控制系統的實現

本文采用TMS320F2812實現數字控制系統。該芯片具有單周期32×32位的乘與加運算功能，每秒可執行1.5億次指令(150MIPS)，具有大容量的Flash存儲器，最多可以發出12路PWM信號，并具有16通道的ADC單元，共有6個CAP捕獲單元，可滿足本文數字控制感應加熱平臺的需求［6］。

串聯諧振式感應加熱電源平臺控制系統如圖4所示。采用TMS320F2812作為數字控制系統主芯片，配合外圍電路，即可構成平臺的控制系統。

圖4 感應加熱實驗平臺控制系統圖

平臺工作時，研究人員通過操作面板上的數字鍵盤完成不同控制方式的切換，按下按鍵后，系統進入相應的控制方案進行運行。平臺實驗特性的組合選擇流程如圖5所示。

圖5 實驗特性的組合選擇流程圖

4 實驗結果與分析

當控制面板選擇PWM移相調功與PID算法相結合時，圖6所示為負載電感L≈105μH，補償電容C=0.4μF時，固有諧振頻率等于24.6kHz，負載變化時閉環控制的實驗波形。在實驗過程中，功率給定不變，改變負載串聯電阻的大小。圖6（a）、（b）中負載串聯電阻分別為R=5.2Ω，R=10Ω。負載串聯電阻的改變會引起負載電流的變化，從圖中可以看出，在閉環控制的作用下，輸出電壓的占空比發生相應變化。

圖6 PWM與PID算法結合時電壓電流波形(給定電壓為20V)

令給定功率不變，僅改變直流側輸入電壓，重復進行上述實驗，當平臺輸入電壓為25V時，在恒功率閉環控制的作用下，平臺逆變輸出電壓Uab的占空比隨之減小，得到圖7所示的逆變器輸出電壓與輸出電流實驗波形。可以看出，直流側輸入電壓變化后，逆變輸出電壓Uab與輸出電流IO保持同頻同相，系統工作特性與前述相同。實驗結果與理論分析一致。

圖7 PWM與PID算法結合時電壓電流波形（給定電壓為25V）

當控制面板選擇Buck斬波調功與模糊算法相結合時，選擇參數M=0.78，N=0.008，數字鎖相環控制效果最好，平臺運行最穩定。實驗過程中，當功率給定逐漸增大時，Buck電路開關管驅動波形占空比相應增大，如圖8所示。

圖8 Buck與模糊算法結合時功率給定與Buck驅動波形

實驗結果表明，選擇不同特性方式的組合，逆變器輸出電壓與輸出電流波形始終保持同頻同相，并且具有非常好的穩定性和快速性。這表明本文設計的感應加熱電源實驗平臺是正確可行的。

5 結束語

本文設計了一臺數字式集成多種調功方式和控制算法的綜合性研究開發平臺，即在一個平臺上可以實現不同控制方案的運行而不改變硬件。實驗證明選擇不同的控制策略，感應加熱電源研究平臺正確可行，并具有可靠性好、實時性和快速性的優點。用戶可以進行多種控制策略的學習、開發和進一步研究，在工業控制中具有重要的實用意義。

［1］李江.基于TMS320F2810的數字控制感應加熱電源研究［D］.西安理工大學，2010.

［2］樊寶林.基于模糊控制的感應加熱電源研究［D］.西安理工大學，2011.

［3］李金剛.電壓型負載諧振變換器諧振槽路參數優化設計與負載匹配的研究［D］.西安理工大學，2007.

［4］Qinghua Xiao，Jie Zhao，Mingfa Wang.Research on Frequency Tracking Capacitive PWM of Induction HeatingPower Supply［J］.International Conference on Challenges in EnvironmentalScienceand ComputerEngineering（CESCE），2010，2：377－380.

［5］Yiwang Wan.Study of Induction Heating Power Supply Based on Fuzzy Controller［J］.4th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications，2009，Page（s）：726－729.

［6］韓豐田.TMS320F281xDSP原理及應用技術［M］.北京：清華大學出版社，2011.