余慶喜

（廣東新功電器有限公司，廣東 潮州 515700）

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，感應加熱技術(shù)得到了發(fā)展，并在較多領域得到了應用。而在電磁爐設計方面，感應加熱技術(shù)也得到了應用，具有高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢，得到了人們的關(guān)注。但采用感應加熱電磁爐后，在工作頻率較高的情況下，會產(chǎn)生較大的能量損耗，并給電磁爐的工作帶來安全威脅。因此，還應加強數(shù)字控制感應加熱電磁爐的設計，以便使電磁爐維持安全、可靠運行。

1 感應加熱電磁爐的數(shù)字控制需求分析

從結(jié)構(gòu)上看，感應電磁爐由加熱線圈、控制電路、金屬外殼等構(gòu)成，需要利用20～40 kHz交變電流加熱線圈產(chǎn)生高頻交變磁場。將金屬鍋具放在電磁爐上，可以感應獲得渦流，促使鍋具產(chǎn)生損耗發(fā)熱。從原理上來看，電磁爐中感應加熱電源產(chǎn)生的交變電流通過線圈后，會導致交變磁場的產(chǎn)生。而在磁場的切割交變磁力線中進行導磁性物體的放置，可以使物體內(nèi)部產(chǎn)生交變電流，即渦流。在渦流的作用下，物體內(nèi)部原子將發(fā)生高速無規(guī)則運動，相互碰撞和摩擦，導致熱能的產(chǎn)生。相比于采用電熱片、電熱圈等熱傳導方式進行緩慢加熱的電磁爐，感應加熱電磁爐效率更高。但采用感應加熱電磁爐，需要利用二極管整流橋和濾波電路對輸入交流電進行處理，以獲得直流電。而直流電需要經(jīng)過半橋逆變電路加載在負載兩端的感應線圈中，促使磁場產(chǎn)生。在感應加熱電源中，包含整流器、濾波器、逆變器、變換器、控制器和負載，負載由感應線圈和被加熱件構(gòu)成，就像一個變壓器。在工作頻率較高的場合下，半橋逆變電路的變換器負載為容性阻抗，開關(guān)器件將輪流開通，促使二極管產(chǎn)生較大的反向恢復電流，造成器件損耗較大。如果變換器負載為感性負載，開關(guān)器件可實現(xiàn)軟開關(guān)，但無法保證變換器安全，因此，也將導致系統(tǒng)產(chǎn)生較大損耗。為了保證電磁爐安全工作，還要使諧振變換器為感性負載，所以，需要實現(xiàn)半橋諧振逆變電路的數(shù)字控制。

2 數(shù)字控制感應加熱電磁爐的設計

2.1 系統(tǒng)總體設計思路

結(jié)合感應加熱電磁爐的數(shù)字控制需求，可以采用DSP芯片進行感應加熱電磁爐數(shù)字控制系統(tǒng)設計。感應加熱電磁爐采用調(diào)節(jié)工頻方式進行功率輸出調(diào)節(jié)，逆變部分采用全橋逆變，整流部分采用單相不控整流橋，控制部分采用DSP芯片實現(xiàn)數(shù)字化控制。在電磁爐工作過程中，將實現(xiàn)單相交流輸出，經(jīng)過橋式不控整流和大電容濾波后，可以得到平滑直流電壓，然后將電壓提供給逆變器。逆變采用全橋逆變，并采用負溫度系數(shù)的熱敏電阻對系統(tǒng)加電瞬間產(chǎn)生的浪涌電流進行抑制。

從系統(tǒng)控制部分的設計看，核心控制芯片為TMS320F2812，外部與采樣電路、故障保護電路、驅(qū)動電路相連接，芯片外圍電路包含RAM電路、時鐘電路、供電電路和復位電路等。TMS320F2812為32位定點微控制單元（MCU），芯片主頻高達150 MHz，擁有I2C、SPI、CAN、PWM等總線接口，能夠用于實現(xiàn)各種設備的控制。該芯片具有體積小、性能強、便攜性高的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)高低溫、振動測試。采用系統(tǒng)進行感應加熱電磁爐控制，可以在半橋電路工作頻率比諧振頻率高的情況下，促使電壓相位超前于電流相位，使變換器在阻感性負載狀態(tài)工作。此時，電路能夠在零電壓開通狀態(tài)下工作，因此，可以使開關(guān)損耗得到降低，并使系統(tǒng)效率得到提高。

2.2 系統(tǒng)硬件設計

2.2.1 逆變整流模塊設計

在系統(tǒng)逆變整流模塊設計上，采用單相橋式整流電路中，各二極管平均電流僅為負載電流平均值的一半，并在交流輸入電壓半個周期內(nèi)通過電流?？紤]到電網(wǎng)電壓波動和二極管承受的反向電壓大小，還要選用KBPC3510單相整流橋，其額定電流和電壓分別為35A和1 000 V。經(jīng)過大電容濾波后，得到的直流電壓將達到264 V，諧振功率達到最大，逆變器輸出最大電流為12.6A。因此，在選擇開關(guān)器件時，需要完成額定電流為60A的IMBH60D-100的IGBT選取，其額定電壓為1 000 V。通過并聯(lián)緩沖電容、吸收電阻和快恢復二極管，則能對開關(guān)軌跡進行改善，促使電壓應力得到減輕，因此可以保證開關(guān)器件可靠工作。

2.2.2 系統(tǒng)供電模塊設計

實際進行電磁爐設計時，還要加強系統(tǒng)供電模塊設計。系統(tǒng)供電包含2部分，即220 V輸入交流電壓和輸出+5 V電壓。在交流電壓輸入后，經(jīng)過變壓器整流濾波，可以得到9 V電壓，為MV7805芯片供電，促使其輸出+5 V電壓，為DSP芯片供電。輸出的+5 V電壓流經(jīng)電源芯片TPS767D318，可以得到DSP需的+1.8 V和+3.3 V電壓。采用的電源芯片為線形低壓降LDO高精度數(shù)字穩(wěn)壓電源，專為DSP設計，可以提供兩路電壓輸出。而芯片各路都能提供1A直流電流，因此可以使DSP供電需求得到滿足。利用1.8 V輸出電壓，能夠為DSP內(nèi)核提供電源。利用3.3 V輸出電壓，可以為芯片F(xiàn)LASH編程、I/O模擬、ADC模擬等提供電源。

2.2.3 系統(tǒng)檢測調(diào)理模塊設計

利用數(shù)字控制系統(tǒng)實現(xiàn)感應加熱電磁爐設計，還要實現(xiàn)對電路中電流、電壓等信號的檢測，以便通過信號控制實現(xiàn)電壓、電流調(diào)節(jié)。為此，還要完成系統(tǒng)檢測調(diào)理模塊設計，采用傳感器進行電流、電壓的檢測。而由傳感器輸出的電流經(jīng)過測量電阻轉(zhuǎn)換后，可以得到電壓信號。根據(jù)運算放大器增益和阻值，則能確定電壓大小，確保輸出的雙極性信號在－3.3～+3.3 V范圍內(nèi)。

在電平極性轉(zhuǎn)換電路中，運算放大器可以按比例將雙極性信號轉(zhuǎn)換為單極性信號。采用低通濾波器，可以對交流輸入電流中高次諧波信號的濾除，因此，能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)頻率的有效調(diào)節(jié)，實現(xiàn)電流檢測和調(diào)理。

2.2.4 系統(tǒng)故障保護模塊設計

感應加熱電磁爐工作環(huán)境相對較差，容易受外部因素干擾。比如在電網(wǎng)波動的情況下，就容易導致驅(qū)動電路或控制回路誤動，繼而導致電磁爐輸出電路短路。而電路中的電流過大，將導致開關(guān)器件遭到損壞?？紤]到電流變化速度較快，開關(guān)器件中時常出現(xiàn)高電流和高電壓，所以，還要實現(xiàn)故障保護電力設計，實現(xiàn)對過流電路的迅速檢測。在實際設計中，需要采用2SD315A檢測直流母線和自檢測的方法，加強對線路的雙重保護。一旦有故障發(fā)生，則可以利用硬件和軟件同時加強線路保護，及時完成故障檢測。

2.3 系統(tǒng)軟件設計

從系統(tǒng)軟件設計上來看，主要需要實現(xiàn)系統(tǒng)主程序設計。在各類功能實現(xiàn)上，則要進行子程序的設計。由于系統(tǒng)功能較多，擁有復雜的邏輯關(guān)系，所以，還要采用模塊化設計方法，將各功能設計為程度模塊，比如顯示模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、軟件鎖相環(huán)模塊和故障中斷處理模塊等。在系統(tǒng)工作的過程中，通過調(diào)用不同的模塊則能實現(xiàn)不同的功能。從系統(tǒng)主程序來看，在開始工作后，系統(tǒng)將進行自檢，確認工作是否正常，并確認能否正常關(guān)機，如果不正常，則將進行報警。確認一切正常后，系統(tǒng)會為主電路供電，促使感應加熱電磁爐以最大頻率起動，并實現(xiàn)頻率跟蹤。通過對電流、電壓等參數(shù)進行檢測，實現(xiàn)各參數(shù)監(jiān)測，判斷系統(tǒng)是否存在過流、過壓或欠壓情況，如果需要，則會將開關(guān)器件關(guān)斷并報警。如果系統(tǒng)內(nèi)部無故障，則需要確定電流、電壓等值是否超出設定值范圍，超出范圍時需要將電源切斷，未超出范圍時需要進行平均功率的發(fā)送，并根據(jù)功率給定值完成工作時間計算。在工作時間為0的情況下，需要將開關(guān)器件關(guān)斷，否則需要繼續(xù)進行電流、電源等參數(shù)的檢測。采用該種措施，則可以使感應加熱電磁爐始終處在良好工作狀態(tài)下，保證電磁爐穩(wěn)定工作。

3 結(jié)論

通過研究可以發(fā)現(xiàn)，在設計數(shù)字控制感應加熱電磁爐的過程中，還要在分析感應加熱電磁爐工作原理和數(shù)字控制需求的基礎上，實現(xiàn)電磁爐數(shù)字控制系統(tǒng)的合理設計，采用科學的方法實現(xiàn)系統(tǒng)硬件和軟件設計，確保系統(tǒng)穩(wěn)定工作，繼而使電磁爐始終處在良好工作狀態(tài)下，保持較高的工作效率。

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