基于串聯諧振式逆變器的頻率跟蹤控制系統的研究

郁 琰

（江陰職業技術學院，江蘇 江陰214405）

0 引 言

為提高串聯諧振式逆變器的輸出效率，減小裝置功率器件的開關損耗，確保功率器件的零電流開關（ZCS）模式，逆變控制環節需要采用相應的頻率跟蹤控制電路對負載的諧振頻率進行動態的跟蹤，使逆變器開關頻率fc能自動跟蹤負載固有諧振頻率fo，并始終保證fc＝fo［1，2］。隨著逆變器工作頻率的提高，對頻率跟蹤控制電路的穩定性、準確性、快速性的要求也相應提高。采用數字鎖相環能夠較好地實現頻率跟蹤，但當負載參數變化較大時，可能會出現 “失鎖”的現象。利用PID與數字鎖相環相結合，能較好地解決 “失鎖”現象，使系統的頻率跟蹤控制具有更好的頻率調節特性。

本文在簡要分析了串聯諧振式逆變器數字鎖相環的基礎上，提出了PID與數字鎖相環相結合的頻率跟蹤控制策略，并在MATLAB環境下，對采用PID控制前后的兩種頻率跟蹤控制策略進行了比較。在此基礎上提出了采用T MS320F2812對該頻率跟蹤控制系統進行軟硬件設計的方法。

1 基于串聯諧振式逆變器的頻率跟蹤控制系統拓撲

基于串聯諧振式逆變器的頻率跟蹤系統拓撲如圖1所示［3］，取串聯諧振式逆變器的電流作為頻率跟蹤的輸入。

圖1 基于串聯諧振式逆變器的頻率跟蹤控制系統拓撲

圖1中逆變部分采用由MOSFET管和反向并聯續流VD管構成的H型全橋逆變器，高頻匹配變壓器T、串聯諧振電容CS和電感LS組成輸出回路［2］。頻率跟蹤控制則采用PID與數字鎖相環相結合的方法，并用T MS320F2812來實現，使逆變器的工作頻率始終與負載的諧振頻率保持同步。

2 頻率跟蹤控制策略

2.1 基于數字鎖相環的頻率跟蹤控制

針對傳統模擬鎖相環存在鎖頻范圍窄、有溫漂、抗干擾能力差等缺點，本文采用高速數字信號處理芯片T MS320F2812來實現頻率跟蹤控制，對串聯諧振式逆變器的工作頻率實時控制，使之與負載諧振頻率保持同步。這就要求把傳統的控制方案數字化處理。

數字鎖相環的組成框圖如圖2所示，它由數字鑒相器（PD）、數字環路濾波器（DLF）、數字壓控振蕩器（DCO）三部分組成［4］。

圖2 數字鎖相環的組成框圖

其線性Z域模型如圖3所示。

圖3 數字鎖相環的線性Z域模型

2.2 基于PID與數字鎖相環相結合的頻率跟蹤控制

采用數字鎖相環能較好地實現頻率跟蹤，但當負載參數變化較大時，可能會出現 “失鎖”的現象。為此，本文提出了一種基于PID的數字鎖相環控制，對串聯諧振式逆變器的開關頻率實時控制，使之與負載諧振頻率保持同步。其控制原理如圖4所示［5］。

圖4 PID與數字鎖相環相結合的頻率跟蹤控制原理圖

當逆變器開關頻率與負載固有諧振頻率誤差值大于或等于偏差設定值時，采用PID控制，只進行頻率修正，依靠閉環系統的糾偏控制快速將逆變器開關頻率引入鎖相范圍；當頻率誤差值小于偏差設定值時，采用數字鎖相環控制，進行頻率和相位同時高精度修正［5，6］。

2.3 PID控制前后兩種頻率跟蹤控制的仿真

根據PID與數字鎖相環相結合的頻率跟蹤控制的原理，采用MATLAB對其動態過程進行仿真與分析。設電源系統的穩態工作頻率為100 k Hz，選取系統的設定值ξ等于10 k Hz，當ξ大于或等于10 k Hz時，系統采用PID控制方式；當ξ小于10 k Hz時，系統將采用單純的數字鎖相環進行頻率跟蹤控制。仿真模型見圖5所示，在仿真中，MATLAB的環境仿真參數設為ode23，濾波器采樣時間為0.01 ms，R1＝25 kΩ，R2＝1.5 kΩ，C＝50 n F。利用PID控制器參數對控制性能的影響，對KP、TI和TD進行了修正，修正后KP＝10，TI＝0.1，TD＝0。

圖5 PID控制前后兩種頻率跟蹤控制仿真模型

未加入擾動時，PID控制前后階躍響應對比分析如圖6所示。圖中a為單純依靠數字鎖相控制的階躍響應曲線，b為在數字鎖相控制的基礎上加入PID時的階躍響應曲線。

圖6 未加擾動前PID控制前后階躍響應對比分析圖

為仿真控制器對參數變化系統的響應，在0.4 ms時加入大小為－40 k Hz的干擾信號。仿真結果如圖7所示，圖7a為單純采用數字鎖相控制的信號跟蹤曲線；圖7b為在數字鎖相控制的基礎上加入PID時的信號跟蹤曲線。

圖7 加入擾動后PID控制前后信號跟蹤對比分析圖

仿真結果表明：當系統啟動或受到大的負載擾動時，采用單純的數字鎖相環控制方法，則超調量大，過渡時間較長；而在單純的數字鎖相環基礎上加入PID后，系統啟動時超調量變得很小，過渡時間也變短，從而保證電源啟動時沒有過大的振蕩，有利于電源的啟動；另外當參數變化較大時，能夠快速減小誤差，且超調量非常小，幾乎為0，有利于電源穩定運行。可見，該頻率控制系統響應快速、超調量小、抗干擾能力強，具有良好的動靜態特性，能確保開關器件工作在ZCS軟開關模式，提高電源的效率。

3 基于TMS320F2812頻率跟蹤控制系統設計

3.1 硬件設計

本控制系統采用T MS320F2812作為控制核心，主要由采樣電路、驅動電路、鍵盤顯示等外設電路構成，如圖8所示［7］。

圖8 DSP外圍接口示意圖

在整個系統中，首先需要對負載的電壓模擬量和電流模擬量進行數據采集，采集的數據經轉換輸入T MS320F2812芯片。通過T MS320F2812的A／D轉換，可以獲得電壓、電流的相位差，再由離散化數字PID控制器進行相位偏差調節和校正，改變T MS320F2812芯片的EVB模塊，使內置PWM的控制頻率發生改變，從而使功率器件的工作頻率fc和負載的諧振頻率相匹配，始終保證＝［7］。

3.2 軟件設計

該頻率跟蹤控制系統的算法流程圖如圖9所示［8］。

圖9 PID與數字鎖相環相結合的控制算法流程圖

系統首先讀取電壓和電流的相位，用e（k）＝Q1（k）－Q2（k）計算相位差，并判斷該相位差是否在允許的范圍內。如果在允許范圍，則繼續輸出原來的觸發周期；如果不在允許范圍，則由DSP程序開始計算新的觸發周期，大于ξ采用PID控制，小于ξ采用DPLL控制，從而產生新的周期觸發信號。

4 結 論

仿真結果表明采用PID與數字鎖相環相結合的頻率跟蹤控制策略解決了頻率跟蹤控制中的“失鎖”現象，提高了頻率跟蹤控制系統的動態響應和穩態精度，運行可靠，能夠使逆變器工作在準諧振狀態，確保開關器件工作在ZCS軟開關模式，提高電源的效率。尤其適用于負載參數變化較大的場合。

同時采用T MS320F2812設計的串聯諧振式逆變器不僅較好地克服了模擬鎖相環存在的不足，而且控制靈活，系統升級方便，只需通過修改控制軟件，就可以提高原有系統的控制性能。

［1］ 毛 鴻，吳兆麟.感應加熱電源無相差頻率跟蹤控制電路［J］.電力電子技術，1998，32（2）：69～72.

［2］ 郁 琰，惠 晶.T MS320F2812在串聯諧振高頻逆變電源中的應用［J］.現代電子技術，2008，13：76～78.

［3］ 惠 晶，蔡愛軍，等.新型ZCS－PLL控制的大功率高頻逆變電源的研究［J］.電力電子技術，2004，38（6）：89～91.

［4］ Roland E.Best.Phase－Locked Loops Design，Simulation，and Applications（5th Ed.）［M］.The Mc Graw－Hill Co mpanies，Inc.，2003：109～114.

［5］ 惠 晶，臧小惠，張峰久.基于PI－DPLL復合控制的高頻逆變電源研究［J］.電力電子技術，2007，41（1）：32～34.

［6］ 臧小惠.基于PI－DPLL的高頻逆變電源頻率跟蹤系統的研究［D］：［碩士學位論文］.無錫：江南大學，2006.

［7］ 郁 琰.基于ZCS－DPLL控制的高頻逆變電源的研究［D］：［碩士學位論文］.無錫：江南大學，2008.

［8］ N.S.Bayindir，O.Kukrer and M.Yakup.DSP－based PLL－controlled 50－100k Hz 20k W high－frequency induction heating system for surface hardening and welding applications［A］.IEE Proc.Electr.Power Appl［C］，2003，150（3）：365～371.