基于DSP TMS320F2808的中頻電源逆變器研究

著現代工業的發展，中頻加熱電源被越來越多的應用于多領域。并逐步取代傳統的加熱方式。這就對中頻加熱電源的性能要求也越來越高。這也對逆變控制系統提出了越來越高的要求，以前模擬控制器已不能滿足時代的發展。而數字控制器相比模擬控制器，它有著抗干擾性能強、控制精度高、易于調控等優點。

本文采用TI公司生產的DSP芯片TMS320F2808，采用全數字控制的方式。應用閉環控制和重復控制原理，分別對電壓和電流進行數據采樣，實時對功率跟蹤動態進行功率反饋，消除穩態誤差。

圖1 單相全橋逆變等效電路如圖

中頻加熱電源的結構及工作原理

原理圖如圖1。共有4個橋臂，可以看成由兩個半橋臂電路組合而成。V1和V4一對，V2和V3另一對，成對的橋臂同時導通，兩對交替導通。直流側電壓為Ud，直流電容為C1，通過IGBT逆變橋逆變出交流電壓，通過LC串聯諧振電路給負載R提供能量加熱。系統控制IGBT的開通和關斷時間，使輸出的電壓U0和電流i0達到目標值。

圖2 串聯諧振等效電路圖

由圖1可得，當T1和T4開通、T2和T3關斷時，向負載提供能量。純電阻時，流過負載的電流為i0，由電源電壓Ud和電源反電動勢E0決定，穩定值i0=（Ud- E0）/R，當T1、T4、T2、T3全部關斷時，負載向電壓反饋能量。

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)。為關系式為式（1）所示。

進行拉普拉斯變換得

感應加熱系統的負載采用的是LC串聯諧振回路。當電路呈現純電阻特性時，電路上將出現最大電流，電路上的有用功率將會達到最大。串聯諧振等效電路圖如圖2所示。

根據諧振的條件，補償電容可以由公式（4）所示。

（4）

當達到諧振頻率時，此時電感和電容上的電壓為大小相等，而方向相反的兩個值。電路阻抗最小且為純電阻。即

（5）

上式虛部為零，電流最大，功率因數為1。

（6）

在中頻電源加熱過程中，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。串聯諧振回路中電流和頻率的關系圖如圖3所示

圖3 電流和頻率的關系曲線

串聯諧振電路中，處于容性狀態時，開關管是在大電流下開通，二極管在非零電流下關斷，急劇上升的二極管反向恢復電流會嚴重損壞開關管等，電源可靠性將大大降低。所以串聯諧振電路中運行頻率在諧振點€%r0附近，且處于感性區域。

PWM功率控制的策略和設計

圖4 數字鎖相環PWM流程圖

諧振點的跟蹤

采用掃頻的方式進行，采用數字鎖相環，通過DPLL算法，檢測輸出電壓及電流數據變化，將反饋信號輸入到DSP的ADC采樣端口，進行模數轉換，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，功率調節器的輸出控制逆變器的移相角度，使輸出功率保持恒定。因為感應加熱電源系統負載的慣性比較大，即參數變化比較慢。因此，可以不考慮PID微分環節，采用PI調節，就可以滿足系統的控制要求。算法流程圖4所示。

相位補償

由于系統在實際運行中硬件滯后的影響或是程序執行效率的影響，在沒有進行相位補償的時候，控制信號必滯后于反饋信號某一角度。在實際應用中常采用外部相位 補償電路實現輸出與反饋的相位同步，同樣也可以在程序中進行補償。如圖5所示。

圖5 相位補償圖

啟動問題

感應加熱電源在啟動時，負載還沒有電流，因此無法進行頻率跟蹤，所以必須先通過他激信號使電源啟動，當反饋電流達到一定幅值后再轉換為自激狀態，然后ADC采樣單元不斷檢測負載電流有效值反饋，設定閥值，當反饋電流有效值高于閥值時，跳出掃頻程序進入到數字鎖相環程序，使系統工作在自激狀態，算法流程圖如圖6所示。

圖6 啟動流程圖

實驗結果及結論

通過實驗編程運行，連接感應加熱中頻電源樣機實驗，進行實驗調節，實驗結果如下。

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系，這說明數字鎖相環正常工作。實驗表明，該設計的算法是穩定有效的，實驗結果符合理論分析。基于DSP構成的感應加熱電源移相式閉環控制中中頻電源系統，可以完成對串聯諧振式感應加熱電源的頻率跟蹤與輸出功率的連續可調，具有較好的閉環控制特性。

（粟堅定單位：湘潭大學信息工程學院； 蔡羅強單位：湘電集團技術中心； 陳軍華單位：大唐耒陽發電廠）