魏寧 盧軍 孫大湖 王歡 趙程

摘要：本項目主要研究內(nèi)容主要有三方面：一是設計精確、低成本、快速的電流檢測電路;二是設計可以處理感應加熱電源的過流、IGBT故障以及主控可以根據(jù)需求封鎖控制信號的電路;三是開發(fā)基于 Android 系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡監(jiān)控裝置。

關鍵詞：感應加熱;故障檢測;無線監(jiān)控

1 引言

傳統(tǒng)的感應加熱電源常采用獨立分散控制，無法實現(xiàn)網(wǎng)絡化遠程監(jiān)控，自動化程度低，安全性差。網(wǎng)絡化遠程監(jiān)控系統(tǒng)可同時監(jiān)控數(shù)臺高頻感應加熱電源的并列運行，大大提高了生產(chǎn)效率和設備的利用率，基于Android系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡監(jiān)控裝置，輕便靈活，無地域限制。

電流檢測電路摒棄整流橋，采用運放整流，減少了二極管導通分壓，可以測量小信號，電流檢測的范圍更廣。保護模塊不僅提供了硬件故障處理機制，還保留了軟件故障處理機制以及主控屏蔽故障的功能，不僅增加了設備故障處理的速度，也提高了設備的可靠性，應用更加靈活。硬件故障處理具有自鎖功能，使設備安全可靠的運行。

2 電流檢測

電流檢測電路主要完成電流信號檢測以及產(chǎn)生過流脈沖，具有響應速度快、靈敏 度高、實時電流采集、檢測小信號能力強等特點，主要由電流信號轉換模塊、信號放大模塊、信號整流模塊、過流脈沖產(chǎn)生模塊以及模擬生成AD模塊組成。

電流檢測模塊利用交流互感器采集設備運行的實時電流，并把其轉化為對應的電壓信號。利用一級運放對信號進行放大，根據(jù)實際應用設計運放參數(shù)。利用二級運放對一級運放輸出的信號進行整流與適當放大，整流后的信號經(jīng)過一階濾波后輸出給主控芯片進行處理;與此同時將整流后的信號經(jīng)比較器，判斷是否過流，若過流則產(chǎn)生過流脈沖。

設計的電流檢測電路采集到的交流信號穩(wěn)定、波形失真小、輸出電壓精度高，達到了采集的要求，較好地滿足了感應加熱電源系統(tǒng)的需求。尤其是過流脈沖生成功能的加入，使得系統(tǒng)運行更加安全可靠。

電流檢測電路主要完成電流信號檢測以及產(chǎn)生過流脈沖，感應加熱電源的逆變器輸出是200A左右的強交流電，不宜直接測量。電流互感器是依據(jù)電磁感應原理，把匝數(shù)較少的一次繞組串聯(lián)在需要測量電流的回路中，而匝數(shù)較多的二次繞組串聯(lián)到電流檢測電路中，其作用是把數(shù)值較大的一次電流通過一定的變比轉換為數(shù)值較小、易于檢測和處理的二次電流。

之后用信號放大模塊主要是對交流互感器傳出的信號進行放大，以達到主控板AD模塊的輸入要求。用2個反相運放電路完成交流信號的整流，為主控器提供采集電流的幅值信息，產(chǎn)生過流脈沖起到保護的功能。使用濾波模塊對電流信號進行整流、放大之后把部分負半軸的雜波接到地上，將負電平迅速釋放掉，電容濾波將交流信號轉變?yōu)橹绷餍盘?，由DSP控制器通過AD芯片采集。同時過流脈沖產(chǎn)生模塊可以預設限制感應線圈的最大電流，當設備運行中電流超過預設時生成過流脈沖，使設備安全可靠地運行。

3 故障處理電路

硬件故障處理電路主要完成設備的故障處理工作，故障邏輯運算模塊主要完成在硬件電路對多個故障檢測之前進行一次運算處理，生成一個總的故障信號，主要由與非門以及非門組成。很多故障信號是脈沖信號，如過流故障、欠壓故障等，處理這些故障需要硬件電路具有故障自鎖與解鎖的功能。故障封鎖與自鎖模塊主要完成故障信號自鎖以及主控解除故障封鎖的功能，為使設備安全可靠的運行要根據(jù)故障封鎖信號決定是否輸出PWM信號，系統(tǒng)正常工作，輸出則為高電平，當任意故障信號有效（低電平）時，故障邏輯運算模塊使低電平總故障信號輸出，總故障信號觸發(fā)故障檢測與自鎖電路輸出故障封鎖信號，實現(xiàn)對PWM信號的封鎖。故障解除之后，將控制器拉高一個時鐘，故障檢測與自鎖電路進入故障檢測工作模式，輸出故障封鎖信號為高電平，PWM封鎖模塊進入正常工作模式，實現(xiàn)解鎖。

故障處理電路通過CPLD實現(xiàn)了故障發(fā)生時封鎖PWM信號，故障清除時解鎖PWM信號的邏輯功能。另外，通過設計故障邏輯運算模塊大大簡化了電路的整體設計。通過硬件電路進行故障處理，相比于軟件處理，具有實時性好、處理速度 快的優(yōu)勢，且不占用主控芯片資源，增加了控制系統(tǒng)的擴展性。

4 無線網(wǎng)絡監(jiān)控裝置

在進行高頻感應加熱電源控制系統(tǒng)硬件設計過程中需要基于整流器以及逆變器兩個方面，選擇適合的電路類型，以設計合適的硬件電路，在選擇器件參數(shù)的過程中需要對整流電路以及逆變電路的控制方式進行系統(tǒng)的分析，并且將這些電路有機整合起來，在設計驅動保護電路時需要做到工作的有序，可以使電路精簡，節(jié)約成本，并且為電路的有效運行提供必要的保障。

在整個電源控制系統(tǒng)的程序中主要包括主程序，逆變器驅動脈沖生成程序等，這些程序就是構成控制系統(tǒng)的軟件部分，在這些軟件的啟動過程中，需要主電路通電，整流器率先啟動工作，并且可以輸出穩(wěn)定的直流電壓，而在激起逆變器的過程中需要保證流過負載的電流足夠大，同時需要電壓電流的閉環(huán)來穩(wěn)定逆變器的輸出量，以最終實現(xiàn)電源功率調(diào)節(jié)的目的。

采用 AVR 單片機ATmega328P-PU 為核心的Arduino Uno開發(fā)板做數(shù)據(jù)采集上傳端。W5100EthernetShield網(wǎng)絡擴展板與Arduino Uno搭配使用實現(xiàn)Internet接入，將數(shù)據(jù)上傳到指定服務器。W5100網(wǎng)絡擴展板使用RJ45接口與無線路由器LAN口相連，無線路由器接入互聯(lián)網(wǎng)，開啟DHCP功能。在程序中設定Arduino Uno控制板IP地址，智能手機終端打開Wi-Fi功能，連接無線路由器自動獲得IP地址與Arduino Uno處于同一無線局域網(wǎng)段中。此時Android智能手機通過自帶的瀏覽器就能訪問到作為WEB服務器的Arduino Uno板，可以監(jiān)控到連接到Arduino Uno板上的傳感器數(shù)據(jù)。開發(fā)的基于Android系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡監(jiān)控裝置就可以實時控制感應加熱電源。

5結束語

基于Android系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡監(jiān)控裝置可通過網(wǎng)絡遠程監(jiān)控數(shù)臺高頻感應加熱電源的并列運行，輕便靈活，無地域限制。大大提高了生產(chǎn)效率和設備的利用率，降低成本，提高產(chǎn)品競爭力。

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（作者單位：湖北汽車工業(yè)學院電氣與信息工程學院）