基于S3F9454單片機感應加熱電源的研制

高中學，張育增，潘道元，吳朋朋

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基于S3F9454單片機感應加熱電源的研制

高中學，張育增，潘道元，吳朋朋

（無錫德林船舶設備有限公司，江蘇無錫 214191）

針對傳統感應加熱電源控制電路的穩定性差、動態控制效果不理想的缺陷，采用應用較為廣泛的S3F9454單片機與PWM控制器SG3525的結合的控制策略，增強系統對負載參數變化和外部干擾的適應性，實現更為先進、準確的控制。文章介紹了感應加熱電源系統結構，控制程序的軟件流程，樣機實驗結果表明本設計控制方式的可行性和正確性，改變了傳統的加熱方法，適用于中小功率逆變電源。

感應加熱電源 頻率跟蹤 S3F9454 SG3525

0 引言

感應加熱電源的早期控制電路以模擬電路為主。模擬電路在溫度波動時極易使參數變化，可靠性低，抗干擾能力不強，很難實現智能化。采用單片機的電路，具有儲存容量大，處理信息快捷，相對于模擬電路，系統的穩定性和智能化大幅提高[1]。

以SG3525芯片組成的頻率跟蹤電路，因其芯片優良的性能、使頻率跟蹤電路運用更加方便，可靠性提高，因其輸出驅動是推拉輸出形式，驅動能力增加，解決了原有頻率跟蹤電路跟蹤速度及穩定性差的問題[2]。

1 感應加熱電源系統結構

感應加熱電源的主電路及控制電路框圖如圖1所示。采用韓國三星公司生產的8位高性能微處理器S3F9454為核心的控制芯片，其價格低廉、控制能力強、穩定性高。內置RC振蕩、看門狗定時器、A/D轉換器，該單片機主要用于控制和數據處理。與SG3525結合控制，實現了更為準確、可靠的頻率跟蹤。SG3525產生的PWM脈沖信號經過光耦隔離器驅動IGBT的導通和關斷[3]。

1.1 主電路設計與原理分析

感應加熱電源由整流部分、濾波部分、逆變部分和輸出負載四部分，實現AC-DC-AC的轉換。通過整流和濾波后，使電網電壓變換為514~540 V左右平滑的直流高壓，再經逆變電路，最終轉換為能供給負載使用的20 kHz的方波交流電壓[4]。

感應加熱電源整流電路的結構采用三相橋式不可控整流，因功率二極管的自身特性，不用附加任何控制執行電路。相對于晶閘管全控整流器，此種控制方式產生的諧波電壓、諧波電流得以抑制，也減少了對電網的對電網的污染及影響，所以減少了在網側的諧波治理措施，基于以上因素，三相橋式不可控整流在現代感應加熱電源中應用普遍。

圖1 感應加熱電源的主電路及控制電路框圖

逆變部分采用的半橋式串聯諧振逆變。如圖2所示為逆變結構圖，它由兩個半橋電路并聯而成，目的是減輕管子在開通和關斷過程中承受的過電壓及過電流。在逆變過程中，若上半橋臂因為關閉延遲而未完全關斷，下半橋臂就已經開通，使上下兩橋臂直通，造成逆變失敗。為了防止此種情況出現，設計驅動信號時，兩組脈沖之間應該留有死區時間，死區時間應大于IGBT關斷的延遲時間，設計的死區時間為=1 μs左右。

1.2 控制電路的硬件設計

針對本加熱電源的特點，選用了一款三星S3F9454型號的單片機，該單片機具有C-51單片機的一切功能，并且內部集成了A/D轉化模塊，一路PWM發生器。與其它微處理器相比，控制簡單可靠，編程容易，成本底，是一個廣泛用于簡單定時器/計數器、PWM的通用微控制器。此外，它還能提供低功耗和寬廣的操作電壓范圍。綜上所述，其更適用于本文的控制系統。S3F9454單片機作為系統的控制核心，用來控制備的本地/遠端啟停，實時將采集溫度、頻率、電壓、電流等模擬量信號并進行AD轉化，將檢測值終顯示在數碼管上。通過軟件實現過熱、過流、過壓等保護。

如圖3所示，為S3F9454單片機控制核心電路圖。單片機的復位電路采用光耦PC817構成，其中soft boot為自鎖開關，當按鍵按下時，RESET引腳為高電平，系統正常工作。起振電路采用外接晶振振蕩器構成。CN4、CN5、CN6分別用來檢測系統的功率，IGBT溫度和負載溫度的傳感器，數據采集之后送到單片機的AD5，AD4，AD2口，完成模擬量的轉換。單片機將轉換完的模擬量通過串行通信的方式送到TM1628中，其中P2.4與TM1628的DIO（數據輸入/輸出端）相連，P2.5與TM1628的CLK（時鐘線）端相相連接。

本系統采用內部的低電壓（LVR）復位，上電后單片機自動復位，由圖3可知復位引腳P1.2設為普通I/O口，作為設備的啟停控制輸入。為防止電動開關抖動的干擾，啟動部分由光耦隔離控制，系統上電復位后，當沒有輸入信號時輸入為低電平，系統不工作；當啟動開關按下后光耦導通輸出高電平，此時系統開始工作。

圖2 半橋串聯諧振逆變電路圖

圖3 單片機控制核心電路圖

1.3 頻率跟蹤控制電路

在感應加熱過程中，隨著加熱工件溫度等參數的變化，負載諧振頻率也會隨之改變。為了確保系統始終都能工作在負載諧振頻率附近，頻率自動跟蹤技術顯得尤為重要。電路接收到來自負載側輸出電壓和電流的反饋波形，經過處理，用來控制之后PWM生成電路的工作，實現對負載諧振頻率的實時跟蹤[5]。

圖4 SG3525的工作電路圖

相比于其他的控制器，采用專用的PWM控制器SG3525來產生PWM波形，實現了系統的簡化和可靠性的提高。S3F9454單片機已經內置了看門狗定時器、A/D 轉換器，所以采樣信號可直接在單片機中進行A/D轉換，然后通過比較器LM339得出電流和電壓的相位差。SG3525控制器利用采集到的相位差信號，控制系統的輸出頻率，以實現工作頻率對負載頻率的實時跟蹤。相比于其它微處理器，系統更加簡化實用[6]。

頻率跟蹤電路如圖4所示。通過引腳5和引腳7之間的外接電阻來調節死區時間；6腳與外電路連接，用來調節脈沖頻率；脈沖信號由11腳和14腳輸出產生，經過光耦隔離器驅動IGBT的導通和關斷。

圖5 軟件流程圖

2 保護與軟件流程

本系統利用單片機實現人機交互與智能控制[7]。單片機接收到各模塊采集發到的電壓信號、電流信號和溫度信號后，通過控制程序完成對過壓、過流、過熱等保護的設置。控制程序的軟件流程如圖7所示。系統上電后，進行初始化、開中斷，然后檢測有無報警信號。當逆變啟動成功后，開始進行模擬量采樣，進入頻率自動跟蹤階段。若有擾動則系統自動調節輸出頻率。

3 實驗結果及結論

根據上述分析，研制了一臺20 kHz/5 kW的串聯諧振式的感應加熱電源樣機，并在輸水管加熱負載上進行了實驗調試。圖6是SG3525產生的控制波形，是兩路互補的PWM波，經光耦合器隔離傳輸到開關器件的控制柵極。

圖6 互補的PWM波形

圖7就是經過光耦隔離后的PWM脈沖，直接驅動IGBT的通斷。經實驗測得，提供給IGBI的驅動電壓約是12.6 V，占空比為48%，預留的死區時間為1 μs。圖8為頻率跟蹤電路的波形圖，實驗測得跟蹤的頻率范圍為16~23 kHz，諧振頻率為18 kHz。

圖7 IGBT驅動波形

圖8 頻率跟蹤波形圖

圖9為負載端電壓、電流輸出波形。輸出電壓近似為方波，輸出電流近似為正弦波。工作輸出電流為7~8 A。功率管的兩端電壓波形稍超前于功率管的兩端電流波形，說明此串聯諧振電路處于弱感性狀態，滿足理論設計所要求。

圖9 為負載端電壓、電流輸出波形

實驗結果表明本設計控制方式的可行性和正確性。而且設備成本低，電路結構簡單，易操作，有很強的實用價值。該設備已在葫蘆島市試運行半年，工作穩定可靠，加熱速度快，效率高達90%以上。

[1] 曲學基, 曲敬愷, 于明揚. 逆變技術基礎與應用[M].北京: 電子工業出版社, 2007.

[2] 趙晶, 齊鉑金, 張偉, 吳紅杰. PI調節逆變式IGBT感應加熱電源頻率自動跟蹤技術[J]. 電力電子技術, 2003, 37(2): 12-14.

[3] 李定宣, 丁增敏. 現代高頻感應加熱電源工程設計與應用[M]. 北京: 中國電力出版社, 2010.

[4] 熊一頻. 基于IGBT倍頻式180 kHz感應加熱電源研究. 電力電子技術, 2008, (8).

[5] N.J.Park, D.Y.Lee, D.S.Hyun, et al. A power control scheme with constant frequency in class-D inverter for induction-heating jar application[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, 6(54): 1252-1260.

[6] Kifune.H, Hatanaka.Y, Nakaoka.M. Cost effective phase shifted pulse modulation soft switching high frequency inverter for induction heating applieations[J]. IEE Proceedings Electric Power Applications, 2004, 151(l): 19-25.

[7] 張峰.感應加熱電源數字控制及智能控制方法研究「D]. 西安: 西安理工大學, 2007: 13-25.

Development of Induction Heating Power Supply Based on MCU S3F9454

Gao Zhongxue, Zhang Yuzeng, Pan Daoyuan, Wu Pengpeng

(Wuxi DeLin Marine Equipment Co., Ltd., Wuxi 214191, Jiangsu, China)

TM 924

A

1003-4862（2014）10-0035-04

2014-04-03

高中學(1984-)，男，工程師。研究方向：保鮮設備的研究設計與制造。