數(shù)字控制感應(yīng)加熱電磁爐的設(shè)計(jì)

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(yīng)加熱技術(shù)得到了發(fā)展，并在較多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。而在電磁爐設(shè)計(jì)方面，感應(yīng)加熱技術(shù)也得到了應(yīng)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(yīng)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(yīng)加強(qiáng)數(shù)字控制感應(yīng)加熱電磁爐的設(shè)計(jì)，以便使電磁爐維持安全、可靠運(yùn)行。

1 感應(yīng)加熱電磁爐的數(shù)字控制需求分析

從結(jié)構(gòu)上看，感應(yīng)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(yīng)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(yīng)加熱電源產(chǎn)生的交變電流通過線圈后，會導(dǎo)致交變磁場的產(chǎn)生。而在磁場的切割交變磁力線中進(jìn)行導(dǎo)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(yùn)動，相互碰撞和摩擦，導(dǎo)致熱能的產(chǎn)生。相比于采用電熱片、電熱圈等熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行緩慢加熱的電磁爐，感應(yīng)加熱電磁爐效率更高。但采用感應(yīng)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(jìn)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(fù)載兩端的感應(yīng)線圈中，促使磁場產(chǎn)生。在感應(yīng)加熱電源中，包含整流器、濾波器、逆變器、變換器、控制器和負(fù)載，負(fù)載由感應(yīng)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(fù)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(fù)電流，造成器件損耗較大。如果變換器負(fù)載為感性負(fù)載，開關(guān)器件可實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，但無法保證變換器安全，因此，也將導(dǎo)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(fù)載，所以，需要實(shí)現(xiàn)半橋諧振逆變電路的數(shù)字控制。

2 數(shù)字控制感應(yīng)加熱電磁爐的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

結(jié)合感應(yīng)加熱電磁爐的數(shù)字控制需求，可以采用DSP芯片進(jìn)行感應(yīng)加熱電磁爐數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。感應(yīng)加熱電磁爐采用調(diào)節(jié)工頻方式進(jìn)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(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制。在電磁爐工作過程中，將實(shí)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(fù)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(jìn)行抑制。

從系統(tǒng)控制部分的設(shè)計(jì)看，核心控制芯片為TMS320F2812，外部與采樣電路、故障保護(hù)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(fù)位電路等。TMS320F2812為32位定點(diǎn)微控制單元（MCU），芯片主頻高達(dá)150 MHz，擁有I2C、SPI、CAN、PWM等總線接口，能夠用于實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備的控制。該芯片具有體積小、性能強(qiáng)、便攜性高的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)高低溫、振動測試。采用系統(tǒng)進(jìn)行感應(yīng)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(fù)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(shè)計(jì)

2.2.1 逆變整流模塊設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)逆變整流模塊設(shè)計(jì)上，采用單相橋式整流電路中，各二極管平均電流僅為負(fù)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。考慮到電網(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(dá)到264 V，諧振功率達(dá)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(fù)二極管，則能對開關(guān)軌跡進(jìn)行改善，促使電壓應(yīng)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(shè)計(jì)

實(shí)際進(jìn)行電磁爐設(shè)計(jì)時，還要加強(qiáng)系統(tǒng)供電模塊設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)，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?yàn)镈SP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(shè)計(jì)

利用數(shù)字控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)感應(yīng)加熱電磁爐設(shè)計(jì)，還要實(shí)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(shí)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(shè)計(jì)，采用傳感器進(jìn)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(yùn)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(yùn)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(shí)現(xiàn)電流檢測和調(diào)理。

2.2.4 系統(tǒng)故障保護(hù)模塊設(shè)計(jì)

感應(yīng)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(dǎo)致驅(qū)動電路或控制回路誤動，繼而導(dǎo)致電磁爐輸出電路短路。而電路中的電流過大，將導(dǎo)致開關(guān)器件遭到損壞。考慮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(shí)現(xiàn)故障保護(hù)電力設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對過流電路的迅速檢測。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要采用2SD315A檢測直流母線和自檢測的方法，加強(qiáng)對線路的雙重保護(hù)。一旦有故障發(fā)生，則可以利用硬件和軟件同時加強(qiáng)線路保護(hù)，及時完成故障檢測。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

從系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上來看，主要需要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)。在各類功能實(shí)現(xiàn)上，則要進(jìn)行子程序的設(shè)計(jì)。由于系統(tǒng)功能較多，擁有復(fù)雜的邏輯關(guān)系，所以，還要采用模塊化設(shè)計(jì)方法，將各功能設(shè)計(jì)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(shí)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(jìn)行自檢，確認(rèn)工作是否正常，并確認(rèn)能否正常關(guān)機(jī)，如果不正常，則將進(jìn)行報(bào)警。確認(rèn)一切正常后，系統(tǒng)會為主電路供電，促使感應(yīng)加熱電磁爐以最大頻率起動，并實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤。通過對電流、電壓等參數(shù)進(jìn)行檢測，實(shí)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(bào)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(shè)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(jìn)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(jì)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(jìn)行電流、電源等參數(shù)的檢測。采用該種措施，則可以使感應(yīng)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(shè)計(jì)數(shù)字控制感應(yīng)加熱電磁爐的過程中，還要在分析感應(yīng)加熱電磁爐工作原理和數(shù)字控制需求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)電磁爐數(shù)字控制系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，采用科學(xué)的方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)，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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