鄒傳智，李曉麗

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620)

基于STM32的超音頻感應(yīng)加熱電源設(shè)計

鄒傳智，李曉麗

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620)

提出一種利用STM32作為控制芯片來控制實現(xiàn)超音頻感應(yīng)加熱的電源方案。讓STM32的高級定時器輸出四路PWM控制逆變?nèi)珮虻腎GBT管門極，通過檢測負載回路電壓及電流波形的相位差實時調(diào)控輸送給門極PWM的頻率，使系統(tǒng)達到準諧振狀態(tài)，從而將無功功率的消耗控制到最小，并且通過改變逆變電橋左右橋臂的IGBT門極輸入的驅(qū)動波形的相位來改變電源的輸出功率。

STM32；超音頻電源；脈沖寬度調(diào)制；移相

0 引言

傳統(tǒng)的加熱方法普遍采用電阻絲加熱和燃爐加熱等方式，這些方式不僅效率低而且環(huán)境污染大，并且控制精度差。在當(dāng)今對環(huán)境保護以及能源利用很重視的條件下，超音頻感應(yīng)加熱得以廣泛應(yīng)用。在工業(yè)環(huán)境中，它利用電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生渦流損耗而對金屬類工件進行加熱，達到熔煉、透熱、淬火等要求[1]。這不僅改善了傳統(tǒng)加熱方法加熱不均、效率低、速度慢等問題，還改善了不易實現(xiàn)自動控制的問題。但現(xiàn)有的感應(yīng)加熱電源很多都是模擬化控制，存在著硬件老化帶來偏差以及不方便等因素。故本文提出一種基于STM32芯片的數(shù)字化控制的超音頻感應(yīng)加熱電源。

目前在感應(yīng)加熱電源功率調(diào)節(jié)的方法上有晶閘管全控整流調(diào)功法、直流斬波調(diào)功法和逆變調(diào)功法。晶閘管全控整流法在晶閘管的控制角比較大時，電路的功率因數(shù)會很低。直流斬波相對于晶閘管全控整流方案提高了電路功率因數(shù)，但是自身的開關(guān)損耗比較大。逆變調(diào)功是在逆變環(huán)節(jié)對開關(guān)功率器件的通斷進行控制，通過調(diào)節(jié)輸出電壓的頻率來調(diào)節(jié)負載功率因數(shù)，調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值大小，從而調(diào)節(jié)輸出功率。它的優(yōu)點是控制電路比前面兩種方案簡單，調(diào)節(jié)輸出功率的速度比晶閘管全控整流方案要快。

逆變調(diào)功的方案又分為脈沖頻率調(diào)制(PFM)方法、脈沖密度調(diào)整(PDM)方法和脈沖寬度調(diào)制(PWM)方法。PFM方法通過改變逆變器輸出電壓頻率來改變負載功率因數(shù)，從而調(diào)節(jié)輸出功率的大小，其主要缺點是工作頻率在功率調(diào)節(jié)過程中不斷變化，導(dǎo)致集膚深度也會改變，這在很多要求嚴格的場合中不適用。PDM方法通過控制負載饋送能量的時間控制輸出功率，它的優(yōu)點是開關(guān)損壞相對較小，缺點是工作穩(wěn)定性比較差[2]。PWM方式是通過改變兩斜對開關(guān)管驅(qū)動信號之間的相位差來改變輸出電壓的有效值，以此來調(diào)節(jié)功率，它可以實現(xiàn)對輸出功率的大范圍調(diào)節(jié)而頻率變化很小，還有利于數(shù)字化實現(xiàn)，易于實現(xiàn)電路的準諧振軟開關(guān)條件。

在對電路進行無功功耗的優(yōu)化時，都要考慮功率管的開關(guān)頻率是否匹配負載的諧振頻率，只有當(dāng)二者相等時，無功功率造成的損耗才最小。而在頻率匹配的方法上，目前普遍采用的是鎖相環(huán)技術(shù)，它是一個相位反饋控制系統(tǒng)，作用是實現(xiàn)對輸入信號頻率和相位的自動跟蹤。這種系統(tǒng)適用范圍廣而且抗干擾能力較強，但它是一種模擬化的控制方法，并且存在頻率跟蹤范圍窄和響應(yīng)速度較慢的缺點[3]。本文提出一種對負載電壓及電流同頻方波進行相位檢測并利用二分法方案快速調(diào)節(jié)PWM頻率，使系統(tǒng)工作在準諧振狀態(tài)。

1 超音頻感應(yīng)加熱電源的系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的超音頻感應(yīng)加熱電源主電路首先是從工頻三相電接入三相不可控整流電路，然后通過濾波電路得到脈動直流電，接著是過壓過流保護電路，再接入逆變環(huán)節(jié)輸出頻率可變、功率可調(diào)的交流電。將交流電通到由銅線繞成的銅管上，把工件放入其中便可進行感應(yīng)加熱。這里被加熱的工件可以視為一個電阻加電感，在此串聯(lián)一個補償電容以抵消電感作為負載帶來的無功損耗。

控制系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)負載諧振頻率的跟蹤和輸出功率的調(diào)節(jié)。首先在負載端對負載電壓和負載電流進行采集，得到與負載電壓和電流同頻的方波，并用一個定時器對這兩個方波進行采集，計算出相位差，再對給到逆變電路的驅(qū)動信號的頻率進行調(diào)節(jié)。利用霍爾元件可以采集到負載的有效電流和有效電壓，由此可以計算出輸出功率的有效值。整個系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 諧振頻率的跟蹤

在輸入為交流電的RLC負載電路下，電壓和電流是同頻率的，電感L會使電路呈現(xiàn)出感性，表現(xiàn)是電流的相位滯后于電壓。電容C會讓電路呈現(xiàn)出容性，表現(xiàn)是電流相位超前于電壓。整個負載電路的電抗計算公式為：

(1)

(2)

圖2 二分法控制功率管開關(guān)頻率跟蹤諧振頻率示意圖

這里設(shè)定剛開始左右橋臂功率管門極驅(qū)動信號的相位差為0°，這樣逆變輸出的電壓就不會有零電壓區(qū)，對電源輸出電壓及電流的相位比較就不會造成影響。一旦諧振頻率跟蹤完成就保持不變，直到檢測到電流有效值變?yōu)橐粋€極小值，也就是更換工件的情況，才開始一次新的諧振頻率跟蹤。由于工件在整個加熱過程中感抗變化值不大，對負載的諧振頻率不會造成太大影響，而且逆變器功率管的開關(guān)頻率不斷變化會造成工作的不穩(wěn)定，故這里只考慮每一次更換工件時快速對該負載進行諧振頻率的跟蹤。

這種頻率跟蹤方法相對于傳統(tǒng)的鎖相環(huán)有3個優(yōu)點：(1)更有利于數(shù)字化控制；(2)比鎖相環(huán)響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)速度更快；(3)不需要鎖相環(huán)方法下的啟動切換模式，在鎖相環(huán)方法下先要給一個外激的驅(qū)動信號去啟動逆變器，在啟動后再切換到鎖相環(huán)自激模式，本文的方法就省去了啟動切換的步驟，更加便捷。

3 STM32定時器與PWM控制

STM32用的是Cortex-M3的內(nèi)核，其采用ARMV7-M架構(gòu)，比曾經(jīng)風(fēng)靡一時的ARMV4T架構(gòu)擁有更強的性能，更高的代碼密度，更高的性價比[4]。本文采用的是STM32F103ZET6控制芯片，其內(nèi)部有8個定時器，其中定時器1和定時8是高級定時器，其余為普通定時器，一個高級定時器可以輸出7路PWM，還可以輸出3路互補的波形。這里由IGBT構(gòu)成的逆變橋路是全橋，故需要輸出4路PWM。其中，為了防止短路，每個橋臂上下的PWM必須是互補的，但是在實際中，IBGT的導(dǎo)通與關(guān)斷是需要時間的，一般情況下為3μs，那么對給到上下橋臂IBGT的PWM就得考慮死區(qū)時間了，每次一個IGBT管關(guān)斷后大概要過3μs另一個才能導(dǎo)通[5]。

為滿足上述要求這里采用高級定時器1就可滿足要求，選擇其中的兩個通道，每個通道輸出兩路PWM。其中TIM1_CH1和TIM1_CH1N互補，TIM1_CH2和TIM1_CH2N互補。這里設(shè)置ARR寄存器就和預(yù)分頻系數(shù)就可確定輸出波形的頻率，因為要考慮輸出PWM的移相，故這里選擇輸出比較模式而不選擇脈沖寬度調(diào)制模式。給自動重裝載寄存器ARR設(shè)置一個初值并設(shè)置為向上計數(shù)模式，當(dāng)計數(shù)值達到初值時便清零開始從新計數(shù)。向捕獲/比較寄存器CCR寫入初值，在輸出比較模式下，當(dāng)ARR寄存器的計數(shù)值與CCR寄存器設(shè)定的值相等時輸出引腳便會發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)，在PWM模式下，PWM的頻率計算公式為：

(3)

這里CLK表示總線頻率，因為高級定時器1掛載在APB2下，故時鐘為72MHz；arr表示自動重裝載寄存器的設(shè)定值；psc表示預(yù)分頻系數(shù)。然而，在輸出比較模式下，ARR寄存器每重裝載兩次才輸出一次完整周期的PWM，故這里的頻率為PWM模式下輸出頻率的1/2。其工作過程如圖3所示。

圖3 PWM的生成及移相原理圖

這里使用的是移相調(diào)功，設(shè)置占空比為50%不變，改變CCR2的值就可以改變兩路PWM的移相角。同一個通道輸出互補的PWM還要考慮死區(qū)時間，這可以直接通過設(shè)置高級定時器里的剎車和死區(qū)寄存器BDTR的第0～7位來改變死區(qū)時間。

4 試驗結(jié)果

在實驗中，利用KeiluVision和MATLAB做了仿真。設(shè)定初始的PWM輸出頻率為20kHz，并且設(shè)定上下橋臂的死區(qū)時間為3μs。帶死區(qū)時間且移相角分別為30°和60°的仿真圖分別如圖4和圖5所示。

圖4 4路帶死區(qū)時間且移相角為30°的仿真波形

圖5 4路帶死區(qū)時間且移相角為60°的仿真波形

進行負載諧振頻率跟蹤后，不同移相角的負載端電壓和電流波形分別如圖6和圖7所示。

圖6 移相角為30°的電壓及電流波形

圖7 移相角為60°的電壓及電流波形

5 結(jié)論

本文設(shè)計的基于STM32F103控制器的超音頻感應(yīng)加熱電源充分利用了此控制器的優(yōu)越性能，有效地完成了負載諧振頻率的跟蹤，通過改變逆變電橋兩個橋臂IGBT驅(qū)動的信號相位差有效地改變了輸出功率。

[1]GWAN-BONK,GUN-WOOM.Analysisanddesignofphaseshiftfullbridgeconverterwithseries-connectedtwotransformers[J].IEEETransactiononPowerElectronics, 2004,19(2):411-419.

[2] 馮雪梅.基于IGBT的大功率變頻感應(yīng)式加熱電源[D].成都：電子科技大學(xué)，2014.

[3] 賀昆，王景芹，于新昌，等.基于DSP技術(shù)的超音頻感應(yīng)加熱電源的仿真模型[J].電氣應(yīng)用，2006，25(1)：86-89.

[4]STM32中文參考手冊_V10.意法半導(dǎo)體(中國)投資有限公司[Z].2010

[5] 張志遠，王建軍，羅應(yīng)力.基于STM32的逆變弧焊電源控制器設(shè)計[J].微型電腦應(yīng)用，2012，28(1)：5-8.

Design of super-frequency induction heating power supply based on STM32

ZouChuanzhi，LiXiaoli

(SchoolofInformationScienceandTechnology,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

Thispaperproposesamethodtocontrolsuper-frequencyinductionheatingpowersupplybasedonSTM32.ItusestheseniortimerofSTM32tocontrolthegateofIGBTwhichformsfullbridgeinverter.Bydetectingthedifferenceofphasebetweencircuitloadvoltageandcurrentinrealtimesenttothegate-controlPWMfrequency,thissystemworksinquasi-resonantstate,andminimizesthedepletionofreactivepower.Beyondthat,itcanchangepowersupply’soutputpowerbychangingthephaseofdrivingwaveoutputtothetwobridgeofinverter’sgateofIGBT.

STM32;super-frequencypowersupply;PWM;phaseshift

TM

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.22.008

鄒傳智，李曉麗. 基于STM32的超音頻感應(yīng)加熱電源設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2016,35(22)：29-32.

2016-06-24)

鄒傳智(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向:高頻開關(guān)電源和嵌入式系統(tǒng)。

李曉麗(1980-)，女，博士，副教授，主要研究方向:分布式協(xié)作控制、群體機器人系統(tǒng)、移動傳感器網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等。