呂 淼，李金剛

（西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048）

1 引言

國內(nèi)感應(yīng)加熱電源在控制方面還是采用模擬控制為主，還沒實(shí)現(xiàn)全數(shù)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(shí)現(xiàn)。數(shù)字控制的感應(yīng)加熱電源具有穩(wěn)定性好、控制精度高、可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制算法以及遠(yuǎn)程監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)，采用數(shù)字控制設(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，是感應(yīng)加熱技術(shù)的一個(gè)研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。而目前設(shè)計(jì)的數(shù)字控制的感應(yīng)加熱電源只是一部樣機(jī)，采用單一的調(diào)功方式或控制算法，穩(wěn)定性較差，且設(shè)計(jì)成本較高［1,2］。

本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，開發(fā)一臺(tái)基于DSP320F2812的全數(shù)字控制感應(yīng)加熱電源實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)，把多種調(diào)功方式和控制算法集成在一臺(tái)控制器和一套主電路上，為深入研究感應(yīng)加熱電源新的控制策略和特性性能提供了一個(gè)便于操作的研究平臺(tái)，并對(duì)相關(guān)參數(shù)和外圍電路進(jìn)行優(yōu)化。

2 平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 功率調(diào)節(jié)方式選擇

固態(tài)感應(yīng)加熱電源對(duì)于功率調(diào)節(jié)方式來說，主要分為直流器側(cè)調(diào)功和逆變器側(cè)調(diào)功兩類［3］。不同的調(diào)功方式都有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)，如表1所示。

表1 功率調(diào)節(jié)方式對(duì)照表

中小功率的固態(tài)感應(yīng)加熱電源一般采用逆變器側(cè)調(diào)功，以簡(jiǎn)化主電路，而對(duì)于中大功率的固態(tài)感應(yīng)加熱電源，主要采用整流器側(cè)調(diào)功，使諧振逆變器獲得最佳的工作性能。本文針對(duì)數(shù)字控制感應(yīng)加熱電源已有的研究狀況，調(diào)功部分最終選擇直流側(cè)斬波調(diào)功和逆變側(cè)脈沖寬度調(diào)制 (PWM)調(diào)功兩種方式。

2.2 控制算法選擇

隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字化、智能化控制的感應(yīng)加熱電源是目前研究熱點(diǎn)方向。數(shù)字控制方式利用先進(jìn)的控制策略使感應(yīng)加熱電源具有更好的穩(wěn)定性和靈活性。本文采用數(shù)字鎖相環(huán)調(diào)功，逆變器開關(guān)管驅(qū)動(dòng)PWM自動(dòng)跟蹤負(fù)載電流，并在數(shù)字鎖相環(huán)的控制下很快保持同頻同相，因而負(fù)載功率因數(shù)可達(dá)到最高。

另外，因?yàn)殡姶鸥袘?yīng)加熱系統(tǒng)是典型的非線性系統(tǒng)，工作過程中需要對(duì)感應(yīng)加熱電源的輸出功率進(jìn)行控制，即，對(duì)負(fù)載功率進(jìn)行控制，因此一個(gè)精準(zhǔn)、快速、穩(wěn)定的功率控制系統(tǒng)非常重要。傳統(tǒng)的感應(yīng)加熱電源功率調(diào)節(jié)多采用PID控制方法，PID方法對(duì)于線性的系統(tǒng)非常有效，是一種穩(wěn)定的、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的控制方法［4］。而對(duì)于非線性系統(tǒng)，一般采用模糊算法，該方法對(duì)非線性復(fù)雜變化的控制對(duì)象在線辨識(shí)，具有參數(shù)準(zhǔn)確、數(shù)字實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、參數(shù)修改方便等優(yōu)點(diǎn)；并且可以根據(jù)負(fù)載的溫度變化進(jìn)行提前預(yù)測(cè)進(jìn)行控制，因此非常適合感應(yīng)加熱電源的功率調(diào)節(jié)［5］。以下介紹兩種控制算法對(duì)系統(tǒng)控制性能的影響。

（1）PID調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)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(tǒng)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(diào)節(jié)算法能夠?qū)崿F(xiàn)在不同諧振參數(shù)下感應(yīng)加熱電源的頻率跟蹤控制以及輸出功率連續(xù)調(diào)節(jié)，并且具有較好的閉環(huán)控制特性。

（2）模糊控制對(duì)系統(tǒng)性能的影響

感應(yīng)加熱電源的功率調(diào)節(jié)采用模糊控制時(shí)，鎖相環(huán)能使逆變器很好地跟蹤負(fù)載的諧振頻率，系統(tǒng)很快從啟動(dòng)到給定功率并保持穩(wěn)定精確匹配；當(dāng)負(fù)載功率改變時(shí)，功率調(diào)節(jié)波形超調(diào)很小，并且在很短的時(shí)間內(nèi)就達(dá)到穩(wěn)定并和給定功率達(dá)到精確匹配。逆變電源在功率因數(shù)接近或等于1的狀態(tài)下運(yùn)行，提高了效率，在工業(yè)控制中具有一定的實(shí)用意義。

3 感應(yīng)加熱電源平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 控制面板設(shè)計(jì)

本文以串聯(lián)諧振負(fù)載感應(yīng)加熱電源為對(duì)象，集成已有的調(diào)功方式和控制算法，設(shè)計(jì)特性組合選擇實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。如圖1所示。

圖1 感應(yīng)加熱電源平臺(tái)的控制面板選擇圖

3.2 主電路拓?fù)?/h3>

感應(yīng)加熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主電路拓?fù)淙鐖D2所示，由整流環(huán)節(jié)(AC-DC)、Buck斬波器、濾波器、逆變器(DC-AC)、負(fù)載槽路及相關(guān)的控制電路和保護(hù)電路等構(gòu)成。采用串聯(lián)諧振逆變電路，以IGBT為主開關(guān)器件，由功率反饋跟蹤電路進(jìn)行閉環(huán)功率調(diào)節(jié)，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(tài)，逆變器輸出功率因數(shù)接近于1，整機(jī)工作效率較高。

當(dāng)感應(yīng)加熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用直流側(cè)調(diào)功方式時(shí)，控制算法可以選擇PI調(diào)節(jié)方式以及模糊控制。平臺(tái)直流側(cè)以三相不可控整流加Buck斬波為主電路，采用串聯(lián)諧振負(fù)載，通過調(diào)節(jié)Buck斬波電路開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)占空比來調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的輸出功率。

平臺(tái)采用逆變側(cè)方式調(diào)功時(shí)，通過帶鎖相環(huán)的移相PWM控制方式控制逆變輸出，即通過調(diào)節(jié)IGBT管的驅(qū)動(dòng)占空比調(diào)節(jié)輸出電壓，從而達(dá)到調(diào)節(jié)輸出功率的目的，控制算法可以選擇PI調(diào)節(jié)或者模糊控制。

圖2 感應(yīng)加熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主電路拓?fù)?/p>

3.3 感應(yīng)加熱電源平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案

本文按照以下參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)：輸入為380V/50Hz三相交流電，電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍±10%；輸出功率10kW；逆變器工作頻率范圍：20kHz－50kHz。

感應(yīng)加熱電源平臺(tái)直流側(cè)調(diào)功控制框圖如3（a）所示。當(dāng)逆變器的輸入直流電壓為Ud時(shí)，固定臂和移相臂錯(cuò)開角度θ，逆變器的輸出功率PH為：

逆變側(cè)調(diào)功式控制框圖如3（b）所示。檢測(cè)輸出電壓及電流變化，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，使系統(tǒng)的輸出功率保持恒定。逆變器的輸出功率PH為：

圖3 感應(yīng)加熱電源平臺(tái)控制系統(tǒng)框圖

根據(jù)以上要求，搭建感應(yīng)加熱電源實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完成接口的外控制，包括電源開關(guān)、切換開關(guān)、過壓過流過熱保護(hù)按鈕等。

3.4 基于DSP控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本文采用TMS320F2812實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制系統(tǒng)。該芯片具有單周期32×32位的乘與加運(yùn)算功能，每秒可執(zhí)行1.5億次指令(150MIPS)，具有大容量的Flash存儲(chǔ)器，最多可以發(fā)出12路PWM信號(hào)，并具有16通道的ADC單元，共有6個(gè)CAP捕獲單元，可滿足本文數(shù)字控制感應(yīng)加熱平臺(tái)的需求［6］。

串聯(lián)諧振式感應(yīng)加熱電源平臺(tái)控制系統(tǒng)如圖4所示。采用TMS320F2812作為數(shù)字控制系統(tǒng)主芯片，配合外圍電路，即可構(gòu)成平臺(tái)的控制系統(tǒng)。

圖4 感應(yīng)加熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制系統(tǒng)圖

平臺(tái)工作時(shí)，研究人員通過操作面板上的數(shù)字鍵盤完成不同控制方式的切換，按下按鍵后，系統(tǒng)進(jìn)入相應(yīng)的控制方案進(jìn)行運(yùn)行。平臺(tái)實(shí)驗(yàn)特性的組合選擇流程如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)特性的組合選擇流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

當(dāng)控制面板選擇PWM移相調(diào)功與PID算法相結(jié)合時(shí)，圖6所示為負(fù)載電感L≈105μH，補(bǔ)償電容C=0.4μF時(shí)，固有諧振頻率等于24.6kHz，負(fù)載變化時(shí)閉環(huán)控制的實(shí)驗(yàn)波形。在實(shí)驗(yàn)過程中，功率給定不變，改變負(fù)載串聯(lián)電阻的大小。圖6（a）、（b）中負(fù)載串聯(lián)電阻分別為R=5.2Ω，R=10Ω。負(fù)載串聯(lián)電阻的改變會(huì)引起負(fù)載電流的變化，從圖中可以看出，在閉環(huán)控制的作用下，輸出電壓的占空比發(fā)生相應(yīng)變化。

圖6 PWM與PID算法結(jié)合時(shí)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(cè)輸入電壓，重復(fù)進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)，當(dāng)平臺(tái)輸入電壓為25V時(shí)，在恒功率閉環(huán)控制的作用下，平臺(tái)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(shí)驗(yàn)波形。可以看出，直流側(cè)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(tǒng)工作特性與前述相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致。

圖7 PWM與PID算法結(jié)合時(shí)電壓電流波形（給定電壓為25V）

當(dāng)控制面板選擇Buck斬波調(diào)功與模糊算法相結(jié)合時(shí)，選擇參數(shù)M=0.78，N=0.008，數(shù)字鎖相環(huán)控制效果最好，平臺(tái)運(yùn)行最穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)功率給定逐漸增大時(shí)，Buck電路開關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形占空比相應(yīng)增大，如圖8所示。

圖8 Buck與模糊算法結(jié)合時(shí)功率給定與Buck驅(qū)動(dòng)波形

實(shí)驗(yàn)結(jié)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(wěn)定性和快速性。這表明本文設(shè)計(jì)的感應(yīng)加熱電源實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是正確可行的。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)數(shù)字式集成多種調(diào)功方式和控制算法的綜合性研究開發(fā)平臺(tái)，即在一個(gè)平臺(tái)上可以實(shí)現(xiàn)不同控制方案的運(yùn)行而不改變硬件。實(shí)驗(yàn)證明選擇不同的控制策略，感應(yīng)加熱電源研究平臺(tái)正確可行，并具有可靠性好、實(shí)時(shí)性和快速性的優(yōu)點(diǎn)。用戶可以進(jìn)行多種控制策略的學(xué)習(xí)、開發(fā)和進(jìn)一步研究，在工業(yè)控制中具有重要的實(shí)用意義。

［1］李江.基于TMS320F2810的數(shù)字控制感應(yīng)加熱電源研究［D］.西安理工大學(xué)，2010.

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

［3］李金剛.電壓型負(fù)載諧振變換器諧振槽路參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與負(fù)載匹配的研究［D］.西安理工大學(xué)，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(yīng)用技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.