基于DSP和CPLD超音頻感應加熱電源的研究

趙 林，方益民

（江南大學 物聯網工程學院，江蘇 無錫 214122）

0 引 言

感應加熱原理是在線圈的兩端施加交流電，交流電的頻率一般為中頻或者高頻，那么在線圈內部放置被加熱物體時在該物體內部會產生渦流。由于渦流的存在和阻尼作用，被加熱物體會產生熱量。感應加熱電源即在此基礎上增加AC/DC/AC模塊來獲得設定頻率下的交流電流信號。目前，常采用模擬電路設計的感應加熱電源存在易老化、不易維護以及抗干擾性差等諸多缺點，同時數字集成電路技術的快速發展也給感應加熱電源技術帶來了新的發展方向，即向數字化及智能化方向發展[1]。數字化感應加熱電源可以有效解決因模擬電路器件延遲帶來的功率調節慢和頻率跟蹤效果差等問題，整個電源系統性能及穩定性都能得到很大的改善[2]。同時數字化感應加熱電源也方便在此基礎上增加遠程控制、智能控制以及人機交互等功能模塊，為高頻感應加熱技術帶來了另一個發展方向[3]。因此，本文提出了一種基于DSP+CPLD移相功率調節的超音頻感應加熱電源，并用CPLD設計了自動變模數字鎖相環以實現對感應加熱電源鎖相頻率的快速跟蹤。最后，對設計的數字化感應加熱電源進行實驗論證。

1 系統原理與結構

電源系統總體框圖如圖1所示。感應加熱電源是先將工頻交流電整流成直流電，然后直流電通過逆變電路逆變成設定頻率的交流電。交流電流經過RLC負載電路，負載電路諧振頻率和逆變電路開關頻率保持一致。負載電路產生諧振，產生感應電動勢對線圈內物體進行加熱。該系統以TMS320F28020型DSP和MAXV系列5M160ZM64C5N為控制核心，實現電源系統恒電流、恒功率雙閉環調節控制、驅動信號控制、頻率鎖相控制以及邏輯保護等功能。由圖所示，整流電路采用單相橋式不可控整流，并聯壓敏電阻作過壓保護，濾波電路由均壓電阻和濾波電容并聯組成。單相橋式逆變電路的高頻功率開關管采用MOSFET開關管，一共4個，負載諧振電路采用LC串聯諧振負載電路組成[4]。

圖1 電源系統總體框圖

2 串聯諧振電路分析

2.1 串聯諧振逆變器

串聯諧振電路是將RLC元件串聯起來的電路，在實際應用中加熱線圈就相當于一個電感。圖2中所示的電容Cd并聯在逆變器輸入端，當其并聯的電容值足夠大時，相當于一個恒定電壓源來為逆變器供電。逆變器輸出的電壓信號為方波信號，電壓大小等于電容兩端的電壓Ud，電壓頻率為驅動脈沖的頻率。由MOSFET驅動電路生成驅動脈沖，其頻率的大小需要設計頻率跟蹤模塊來跟蹤負載回路的固有諧振頻率，使其與驅動電路生成驅動脈沖的頻率相等，以此來提高感應加熱電源的功率因數[5]。串聯諧振逆變器電路如圖2所示。

圖2 逆變側電路框圖

2.2 串聯諧振逆變器工作過程

4個MOSFET開關管VT1、VT2、VT3以及和VT4組成串聯諧振全橋逆變器，在MOSFET的柵源極間加驅動信號，以此來控制開關管導通或斷開使逆變器正常工作。串聯諧振逆變器根據負載狀態的不同，如感性負載、諧振負載以及容性負載也分為相應的3種工作狀態，本文主要分析感性負載狀態下逆變器的工作過程。

t0～t1時間段內VT2導通，負載電流通過VD4→C→R→L→VT2續流。t1～t2時間段內，在t1時刻，負載電流從負過零開始反向。驅動脈沖電路給VT1和VT4開關管導通信號，此時VT1開始零電流導通，VT4開始零電壓零電流導通，同時VT2零電流斷開。負載電流i的流通回路為VT1→L→R→C→VT4→-Ud，此時MOSFET開關管導通，壓降較小，近似可認為負載電壓等于+Ud。t2時刻以后，VT4開關管處于關斷狀態。在這個時間段，VT1、VT4開關管為零電流導通，但當VT4開關管斷開后負載電路中仍然有電流流過，此時開關管處于硬關斷狀態。t2～t3時間段內，在t2時刻，VT1繼續保持導通，VT4零電壓斷開，負載電流通過二極管VD3續流。換流完成后，負載電流流通回路為VT1→L→R→C→VD3，此時負載電壓為零。t3～t4時間段內，在t3時刻，驅動電路發脈沖信號給VT2和VT3開關管。此時開關管VT1處于零電流斷開狀態，而開關管VT2開始零電流導通，VT3開始零電壓零電流導通。負載電流的流通回路相應發生了變化，即+Ud→VT3→C→R→L→VT2→-Ud。此時，負載電流的流通方向變為相反的方向，因此其電壓由正值變為負值，為-Ud。t4～t5時間段內，在t4時刻，VT3零電壓關斷，為保持電流連續，VD4導通。換流結束后，負載電流流通回路為VD4→C→R→L→VT2。此時，負載電壓為零。t5～t6時間段，在t5時刻，給開關管VT4導通信號，VT4開始零電壓零電流導通，而VT2則給以關斷信號，使其零電壓零電流斷開。最后，負載電流的流通回路為VD2→L→R→C→VT4，負載電壓仍然為零。t6～t7時間段，在t6時刻，給開關管VT2導通信號，則VT2開始零電壓零電流導通，而VT4則給以斷開信號，使其零電壓零電流斷開。負載電流流通回路為VD4→C→R→L→VT2，負載電壓為零，重復t0～t1時間段。

3 CPLD自動變模鎖相環原理及實現

在感應加熱過程中，負載電路的諧振頻率是一直變化的，因為被加熱物體在加熱過程中會受其他許多因素影響，如溫度和濕度等，這就導致了負載的參數會發生變化。因此，感應加熱電源一般采用鎖相環頻率跟蹤電路使其逆變器的輸出頻率跟隨負載在加熱過程中的頻率變化，使電源功率因數盡可能等于1。傳統的感應加熱電源常使用模擬電路，如CD4046構成鎖相環，其鑒相器一般采用異或電路或者邊沿觸發電路設計，然而對于模擬電路設計的鎖相環來說有一個明顯的缺點，即MOSFET開關管驅動脈沖超前時間不可改變，相位跟隨頻率變化不可固定，這就導致了感應加熱電源沒有辦法進行定角控制。除此之外，采用模擬電路設計的鎖相環存在著設計復雜度高、可移植性差、直流零點漂移以及抗干擾能力差等缺點。針對這些問題，本文設計基于CPLD自動變模數字鎖相環，代替傳統模擬鎖相環來控制感應加熱逆變器[6]。自動變模數字鎖相環結構如圖3所示。

圖3 自動變模數字鎖相環結構框圖

圖3中，Ui為輸入信號，Uf為反饋信號，Ue為相位誤差信號。鑒相器對Ui相位和Uf相位進行檢測，當Ui相位超前Uf相位時，鑒相器輸出超前信號給數字濾波器，當Ui相位滯后Uf相位時，鑒相器輸出滯后信號給數字濾波器。數字濾波器根據接收到的信號是超前信號或者滯后信號來判斷進行加計數或減計數，以輸出進位或者借位脈沖信號給數控振蕩器。數控振蕩器的作用如下，若輸入的是進位脈沖信號時則在輸出信號中插入時鐘脈沖序列，若輸入的是借位脈沖信號時則在輸出信號中扣除時鐘脈沖序列。

自動變模控制器包括相位檢測器和時間數字轉換器，其控制著數控振蕩器模塊插入脈沖和減去脈沖的數量。分頻器將數控振蕩器調整后的信號分頻輸出給鑒相器，作為其新的輸入信號Ui重復以上的閉環控制，不斷縮小Ui相位和Uf相位的差值，當相位相同時鎖相環進入鎖定狀態[7]。

4 積分分離PID算法

該電源系統移相角度由DSP根據檢測電路得到反饋電壓和電流，然后由PID控制器進行運算，輸出晶閘管Q1-4驅動信號的相位控制角度給CPLD，因此PID的算法設計對該電源系統的性能至關重要。普通的PID控制器為了減小靜態誤差，使控制器的精度得到滿足，會加入積分環節。然而當系統的設定值變化很大，尤其在系統啟動或停止時，會導致系統的輸出值與理想值相差很大，PID積分運算會大量積累，可能造成控制量超過系統允許的極限值，甚至使系統產生振蕩[8]。為此，本文對傳統的PID控制器加以改進，引入積分分離算法設計PID控制器。

積分分離的基本思想是只有在被控制量與給定量相差不大時才引入積分環節以減小靜態誤差，提高精度。而當被控制量與給定量相差很大時，去掉積分環節，防止超調量增大，造成系統振蕩，影響其穩定性。

積分分離PID實現步驟如下，首先視系統情況選擇合適的閥值ε＞0，其次對誤差得大小進行判斷，當誤差|e(k)|≤ε時引入積分環節以減小靜態誤差，使精度得以提高，最后當|e(k)|＞ε時，去掉積分環節轉而采用比例微分（Proportional-Differential，PD）控制，防止超調量過大，造成系統振蕩，影響其穩定性。

積分分離PID控制算法用公式表示為：

式中，β為積分項的開關系數；T為采樣時間。誤差|e(k)|≤ε時β=1，|e(k)|＞ε時β=0。

積分分離PID程序流程如圖4所示。

圖4 積分分離PID程序流程圖

5 實驗結果分析

根據硬件參數搭建實驗平臺，設計了頻率在50～90 kHZ，功率在200 W左右的實驗樣機，其由主電路板、驅動板、顯示屏以及RLC串聯諧振電路組成，感應加熱電源實驗平臺如圖5所示。MOSFET開關管VT1和VT2驅動脈沖相位相反，VT3和VT4驅動脈沖相位也相反，同時VT1和VT3驅動脈沖相位相差一個移相角來調節功率，如圖6所示。本系統采用移相調功的功率調節方式，當移相角為60°時負載兩端電壓電流波形如圖7所示，當移相角為120°時負載兩端電壓電流波形如圖8所示。從圖中可以看出MOSFET開關管工作在軟開關狀態，可以降低開關損耗。

圖5 實驗平臺

圖6 移相時的驅動脈沖

圖7 移相60°時負載電壓電流波形

圖8 移相120°時負載電壓電流波形

6 結 論

基于DSP和CPLD設計的數字化感應加熱電源較傳統的模擬電路設計的感應加熱電源更加可靠，控制靈活且精確度高。用CPLD設計自動變模數字化鎖相環來對感應加熱電源諧振頻率進行跟蹤，其鎖定時間短，鎖相的范圍較寬，可以對頻率進行快速實時跟蹤，也可使逆變器MOSFET開關管工作在軟開關狀態。同時，其采用移相調功控制策略，可改變相對小的移相角來調節較大范圍的功率，方便于功率的調節。總之，基于DSP和CPLD設計的數字化感應加熱電源系統控制性能優越，抗干擾能力強，而且運行更加穩定可靠。