著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，中頻加熱電源被越來(lái)越多的應(yīng)用于多領(lǐng)域。并逐步取代傳統(tǒng)的加熱方式。這就對(duì)中頻加熱電源的性能要求也越來(lái)越高。這也對(duì)逆變控制系統(tǒng)提出了越來(lái)越高的要求，以前模擬控制器已不能滿足時(shí)代的發(fā)展。而數(shù)字控制器相比模擬控制器，它有著抗干擾性能強(qiáng)、控制精度高、易于調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)。

本文采用TI公司生產(chǎn)的DSP芯片TMS320F2808，采用全數(shù)字控制的方式。應(yīng)用閉環(huán)控制和重復(fù)控制原理，分別對(duì)電壓和電流進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，實(shí)時(shí)對(duì)功率跟蹤動(dòng)態(tài)進(jìn)行功率反饋，消除穩(wěn)態(tài)誤差。

圖1 單相全橋逆變等效電路如圖

中頻加熱電源的結(jié)構(gòu)及工作原理

原理圖如圖1。共有4個(gè)橋臂，可以看成由兩個(gè)半橋臂電路組合而成。V1和V4一對(duì)，V2和V3另一對(duì)，成對(duì)的橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩對(duì)交替導(dǎo)通。直流側(cè)電壓為Ud，直流電容為C1，通過(guò)IGBT逆變橋逆變出交流電壓，通過(guò)LC串聯(lián)諧振電路給負(fù)載R提供能量加熱。系統(tǒng)控制IGBT的開通和關(guān)斷時(shí)間，使輸出的電壓U0和電流i0達(dá)到目標(biāo)值。

圖2 串聯(lián)諧振等效電路圖

由圖1可得，當(dāng)T1和T4開通、T2和T3關(guān)斷時(shí)，向負(fù)載提供能量。純電阻時(shí)，流過(guò)負(fù)載的電流為i0，由電源電壓Ud和電源反電動(dòng)勢(shì)E0決定，穩(wěn)定值i0=（Ud- E0）/R，當(dāng)T1、T4、T2、T3全部關(guān)斷時(shí)，負(fù)載向電壓反饋能量。

輸出電壓為U0(t)，輸出電流為i0(t)，電路等效電阻為r，逆變橋輸出電壓Ui(t)。為關(guān)系式為式（1）所示。

進(jìn)行拉普拉斯變換得

感應(yīng)加熱系統(tǒng)的負(fù)載采用的是LC串聯(lián)諧振回路。當(dāng)電路呈現(xiàn)純電阻特性時(shí)，電路上將出現(xiàn)最大電流，電路上的有用功率將會(huì)達(dá)到最大。串聯(lián)諧振等效電路圖如圖2所示。

根據(jù)諧振的條件，補(bǔ)償電容可以由公式（4）所示。

（4）

當(dāng)達(dá)到諧振頻率時(shí)，此時(shí)電感和電容上的電壓為大小相等，而方向相反的兩個(gè)值。電路阻抗最小且為純電阻。即

（5）

上式虛部為零，電流最大，功率因數(shù)為1。

（6）

在中頻電源加熱過(guò)程中，加熱物體電阻隨著溫度的變化而變化。而L、C的值保持不變。串聯(lián)諧振回路中電流和頻率的關(guān)系圖如圖3所示

圖3 電流和頻率的關(guān)系曲線

串聯(lián)諧振電路中，處于容性狀態(tài)時(shí)，開關(guān)管是在大電流下開通，二極管在非零電流下關(guān)斷，急劇上升的二極管反向恢復(fù)電流會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞開關(guān)管等，電源可靠性將大大降低。所以串聯(lián)諧振電路中運(yùn)行頻率在諧振點(diǎn)€%r0附近，且處于感性區(qū)域。

PWM功率控制的策略和設(shè)計(jì)

圖4 數(shù)字鎖相環(huán)PWM流程圖

諧振點(diǎn)的跟蹤

采用掃頻的方式進(jìn)行，采用數(shù)字鎖相環(huán)，通過(guò)DPLL算法，檢測(cè)輸出電壓及電流數(shù)據(jù)變化，將反饋信號(hào)輸入到DSP的ADC采樣端口，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到電壓與電流的反饋值，然后通過(guò)乘法器將兩者相乘，再與給定比較，功率調(diào)節(jié)器的輸出控制逆變器的移相角度，使輸出功率保持恒定。因?yàn)楦袘?yīng)加熱電源系統(tǒng)負(fù)載的慣性比較大，即參數(shù)變化比較慢。因此，可以不考慮PID微分環(huán)節(jié)，采用PI調(diào)節(jié)，就可以滿足系統(tǒng)的控制要求。算法流程圖4所示。

相位補(bǔ)償

由于系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中硬件滯后的影響或是程序執(zhí)行效率的影響，在沒有進(jìn)行相位補(bǔ)償?shù)臅r(shí)候，控制信號(hào)必滯后于反饋信號(hào)某一角度。在實(shí)際應(yīng)用中常采用外部相位 補(bǔ)償電路實(shí)現(xiàn)輸出與反饋的相位同步，同樣也可以在程序中進(jìn)行補(bǔ)償。如圖5所示。

圖5 相位補(bǔ)償圖

啟動(dòng)問題

感應(yīng)加熱電源在啟動(dòng)時(shí)，負(fù)載還沒有電流，因此無(wú)法進(jìn)行頻率跟蹤，所以必須先通過(guò)他激信號(hào)使電源啟動(dòng)，當(dāng)反饋電流達(dá)到一定幅值后再轉(zhuǎn)換為自激狀態(tài)，然后ADC采樣單元不斷檢測(cè)負(fù)載電流有效值反饋，設(shè)定閥值，當(dāng)反饋電流有效值高于閥值時(shí)，跳出掃頻程序進(jìn)入到數(shù)字鎖相環(huán)程序，使系統(tǒng)工作在自激狀態(tài)，算法流程圖如圖6所示。

圖6 啟動(dòng)流程圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)編程運(yùn)行，連接感應(yīng)加熱中頻電源樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

從圖中可以看出，輸出電壓與輸出電流一直保持固定不變的相位關(guān)系，這說(shuō)明數(shù)字鎖相環(huán)正常工作。實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)的算法是穩(wěn)定有效的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合理論分析?；贒SP構(gòu)成的感應(yīng)加熱電源移相式閉環(huán)控制中中頻電源系統(tǒng)，可以完成對(duì)串聯(lián)諧振式感應(yīng)加熱電源的頻率跟蹤與輸出功率的連續(xù)可調(diào)，具有較好的閉環(huán)控制特性。

（粟堅(jiān)定單位：湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院； 蔡羅強(qiáng)單位：湘電集團(tuán)技術(shù)中心； 陳軍華單位：大唐耒陽(yáng)發(fā)電廠）