鐘舒陽(yáng)

ZHONG Shu-yang

（上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)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(lái)越受到關(guān)注。但是由于我國(guó)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(diǎn)，嚴(yán)重阻礙了中頻電源的發(fā)展。

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)中頻電源控制方面存在的問(wèn)題，本文提出了基于DSP數(shù)字控制方法，通過(guò)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(qiáng)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(wèn)題，而且控制靈活，易采用多種控制策略相結(jié)合的方式來(lái)改進(jìn)逆變控制器的性能，使得所設(shè)計(jì)的電源產(chǎn)品不僅性能可靠，而且更有易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的更新?lián)Q代。

試驗(yàn)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(kāi)發(fā)的某些工業(yè)控制中，取得了良好的試驗(yàn)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?fù)浣Y(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(fù)載槽路和控制保護(hù)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(kāi)關(guān)器件，通過(guò)逆變控制電路控制，把直流變?yōu)樗桀l率的交流電供給負(fù)載。本文中整流部分采用可控硅模塊進(jìn)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(fù)載工作方式為串聯(lián)諧振。這種主電路整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)：采用高性能靜態(tài)CMOS 技術(shù)，供電電壓為3.3 V，功耗??；具有40 MIPS 的執(zhí)行速度，提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力；芯片內(nèi)部有兩組事件管理器（EVA， EVB）；有41個(gè)通用I/O引腳；ADC 模塊有16個(gè)模擬量輸入通道。

DSP控制電路結(jié)構(gòu)電流相位在負(fù)載處用電流互感器從母線(xiàn)排側(cè)取出，在發(fā)出聲光報(bào)警提示的同時(shí)，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(jì)中對(duì)電源的工作模式采用了智能化設(shè)計(jì)，即可以在電源啟動(dòng)之前可通過(guò)按鍵和LCD顯示器對(duì)工作參數(shù)和流程進(jìn)行預(yù)先設(shè)定，使其可以滿(mǎn)足更多的工藝要求。通過(guò)預(yù)留的I2C接口，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)控，很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)逆變電源的集散控制。

3 控制策略研究

電源開(kāi)機(jī)時(shí)，用電流互感器從三相電的任意一相取出同步電壓信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離后送入DSP的捕獲端。DSP通過(guò)控制可控硅模塊PWM3、4、5的占空比來(lái)進(jìn)行整流軟啟動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓逐漸上升。

3.1 逆變側(cè)控制

因?yàn)橹麟娐坟?fù)載屬于串聯(lián)諧振電路，所以電源啟動(dòng)后應(yīng)使IGBT開(kāi)關(guān)頻率略大于負(fù)載固有頻率，此時(shí)輸入阻抗略呈感性，負(fù)載電流頻率和IGBT驅(qū)動(dòng)電壓頻率相差較大，適宜采用PI調(diào)節(jié)方式對(duì)外環(huán)電流頻率進(jìn)行快速的跟蹤。而當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)時(shí)，由于頻率已經(jīng)非常接近，比較適合采用鎖相的方式對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)和負(fù)載的電流信號(hào)之間存在相位做精細(xì)的修正。因此，可通過(guò)設(shè)定頻率判定值的方式對(duì)控制算法進(jìn)行動(dòng)態(tài)的無(wú)擾動(dòng)切換，這樣可以結(jié)合兩種控制算法的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)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(guò)按鍵設(shè)定，存儲(chǔ)在匹配寄存器中，開(kāi)機(jī)后通過(guò)檢測(cè)PWM信號(hào)相位和負(fù)載電流相位信號(hào)，并通過(guò)得到的相位差和頻率計(jì)算其整定值。即通過(guò)將計(jì)算得到的系統(tǒng)匹配寄存器與檢測(cè)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(huì)發(fā)生短路現(xiàn)象，產(chǎn)生電流尖峰，從而造成開(kāi)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(dòng)信號(hào)之間留有一定的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)形成通常都采用固定的模式，在保證電路可靠運(yùn)行的前提下設(shè)置死區(qū)寬度，電源開(kāi)機(jī)運(yùn)行后其寬度不能隨系統(tǒng)狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整，而死區(qū)的寬度與開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗和逆變器運(yùn)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(shí)，會(huì)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(yùn)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(shí)間應(yīng)包括器件關(guān)斷時(shí)間和輸出電容放電時(shí)間之和。根據(jù)理論推導(dǎo)，最佳死區(qū)時(shí)間為：

式中，toff表示開(kāi)關(guān)器件的關(guān)斷時(shí)間，V表示負(fù)載電壓的有效值，I表示負(fù)載電流的有效值，f表示負(fù)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(guò)上式可以得出，對(duì)于確定的電源來(lái)Ci是不變的，能影響驅(qū)動(dòng)死區(qū)的因素只有中頻電壓、中頻電流和現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載頻率。把這三個(gè)經(jīng)過(guò)采樣電路，送入控制器后就可以通過(guò)計(jì)算自動(dòng)調(diào)節(jié)死區(qū)的大小。

電源正常運(yùn)行時(shí)，數(shù)字控制系統(tǒng)循環(huán)進(jìn)行系統(tǒng)頻率差值檢測(cè)和A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)差頻△f≠0時(shí)，CPU自動(dòng)讀取A/D轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)的中頻電壓和中頻電流，并進(jìn)行計(jì)算。把計(jì)算結(jié)果所對(duì)應(yīng)的上升沿/下降匹配時(shí)間送入PWM匹配寄存器，當(dāng)逆變器到下一開(kāi)關(guān)周期時(shí)，PWM波形自動(dòng)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(wú)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(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，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(jiǎn)稱(chēng)DPLL，它實(shí)質(zhì)是一個(gè)相位差自動(dòng)糾偏調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在廣播通信、頻率合成、自動(dòng)控制及時(shí)鐘同步等技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

當(dāng)參考輸入信號(hào)Vi（t）與輸出信號(hào)Vo（t）之間有相位差時(shí)，鑒相器輸出與相位差大小成比例的信號(hào)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(hào)Vo（t）發(fā)生變化，直至兩者的相位差為零，達(dá)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(kāi)機(jī)后，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。然后進(jìn)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(jìn)入工作狀態(tài)，此時(shí)先發(fā)出IGBT的開(kāi)關(guān)信號(hào)，頻率為固定不變的初始值，隨后開(kāi)始整流軟啟動(dòng)，此時(shí)隨著負(fù)載頻率信號(hào)的出現(xiàn)，系統(tǒng)頻率開(kāi)始逐漸跟隨負(fù)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(dá)到初始設(shè)定輸出值，此時(shí)，電源已正常啟動(dòng)。最后，系統(tǒng)在頻率跟蹤進(jìn)程中循環(huán)工作。

5 仿真結(jié)果分析

根據(jù)本文所設(shè)計(jì)的方案，采用MATLAB/SIMULINK建立仿真模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。系統(tǒng)初始頻率設(shè)為3KHz，電源在開(kāi)機(jī)后能迅速跟蹤到負(fù)載諧振頻率處。頻率跟蹤后負(fù)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(shí)擁有PID調(diào)節(jié)動(dòng)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(diǎn)。基于DSP控制的中頻感應(yīng)加熱電源能可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的頻率跟蹤。在調(diào)節(jié)功率的同時(shí)，未發(fā)生頻率跟蹤延遲和跳相等問(wèn)題。另外，故障保護(hù)部分工作正常，在設(shè)定瞬間過(guò)流范圍內(nèi)，瞬間過(guò)流測(cè)試時(shí)并未發(fā)生停機(jī)的現(xiàn)象。

圖3 復(fù)合PID逆變電源滿(mǎn)功率輸出電壓電流波形

6 結(jié)論

試驗(yàn)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(jì)方案合理可靠，達(dá)到了要求的各項(xiàng)性能指標(biāo)。在實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)中頻感應(yīng)電源功能的基礎(chǔ)上，同時(shí)還具有功率因數(shù)高、起動(dòng)簡(jiǎn)便、恒額定功率輸出、頻率自動(dòng)跟蹤等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的先進(jìn)性，而電源在控制智能化、軟開(kāi)關(guān)技術(shù)等方面，還可以進(jìn)一步地進(jìn)行研究。

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