基于STM32的半橋諧振感應(yīng)加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

史延?xùn)|，王 凱，寧 飛，江欣怡

（西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安 710029）

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的加快，能源與環(huán)境問題日漸突出，為緩解上述壓力，引入電磁加熱器，其用電來(lái)取代燃煤、煤氣和天然氣等基本燃料，順應(yīng)了時(shí)代的發(fā)展，具有廣闊的發(fā)展前景?，F(xiàn)有電磁加熱系統(tǒng)多基于MCS-51等單片機(jī)實(shí)現(xiàn)功能控制，存在控制方式簡(jiǎn)單，保護(hù)功能單一等功能［1］，為此，有必要分析、設(shè)計(jì)和完善電磁加熱系統(tǒng)的保護(hù)功能，確保系統(tǒng)運(yùn)行的安全。引入基于ARM核的32位控制芯片STM32F103C8，以其為核心設(shè)計(jì)具有完善保護(hù)功能的大功率電磁加熱系統(tǒng)，增加了電磁加熱系統(tǒng)運(yùn)行的安全系數(shù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與工作原理

系統(tǒng)主要由整流模塊、逆變模塊、顯控模塊及保護(hù)模塊等組成［2］。整流模塊將三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電供后級(jí)變換，同時(shí)對(duì)整流、濾波后的直流電進(jìn)行采樣進(jìn)行系統(tǒng)過(guò)壓、欠壓及缺相的判斷；逆變環(huán)節(jié)主要由半橋逆變電路和加熱爐盤組成，其將前級(jí)直流電轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)的交流電，經(jīng)負(fù)載電感電容諧振加熱做功；控制及保護(hù)模塊由控制芯片、電源模塊、通訊接口和信號(hào)調(diào)理電路等組成，該模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變電路驅(qū)動(dòng)脈沖的控制，同時(shí)通過(guò)外圍檢測(cè)電路實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)過(guò)壓、欠壓、缺相和過(guò)流等保護(hù)；通過(guò)通信接口實(shí)現(xiàn)控制芯片與顯控單元之間的數(shù)據(jù)通信，從而完成系統(tǒng)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示與控制。

系統(tǒng)主電路是功率流動(dòng)的主要通路，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 半橋逆變電路結(jié)構(gòu)

以T1所在回路為例說(shuō)明電路工作過(guò)程：首先C1，C2被充電到直流電壓的一半，即1／2Ud，然后T1導(dǎo)通，此時(shí)流過(guò)負(fù)載感應(yīng)線圈的電流包括兩部分，流經(jīng)T1，RL，L和C1的諧振電流，另一路是通過(guò)T1，RL，L向C2充電的充電電流，兩路電流的振蕩頻率相同。T2回路與T1回路工作過(guò)程相同［3］。

對(duì)于逆變電路中的主開關(guān)器件，其上下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)理論上應(yīng)為互補(bǔ)的，但是，考慮到IGBT開關(guān)特性，安全起見最終在STM32F103C8控制芯片PWM模塊中由程序產(chǎn)生具有1.5μs死區(qū)時(shí)間的脈沖［4］，由其驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的通斷實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的控制。

2 電路參數(shù)計(jì)算

系統(tǒng)參數(shù)：最大輸出功率為15kW，輸入電壓為380V，工作檔位為6檔可調(diào)。

假設(shè)系統(tǒng)功率因數(shù)為cosφ，工作頻率為40 kHz，考慮輸入電壓有10%的波動(dòng)，則有直流側(cè)最小電壓為：

Q為系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)，在此可設(shè)為4.5，則VC=239.6×4.5=1078V。

諧振電容C的阻抗為：

3 芯片特點(diǎn)及保護(hù)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STM32F103作為控制核心，其是一款基于Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器。片上集成128kB的Flash存儲(chǔ)器和20kB的SRAM存儲(chǔ)器，最高工作頻率達(dá)72MHz，并且內(nèi)部具有2個(gè)I2C接口、3個(gè)USART接口和2個(gè)SPI接口等外設(shè)接口，可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

針對(duì)大功率加熱系統(tǒng)存在短路、過(guò)流、欠壓和缺相等故障，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的保護(hù)電路，如圖2所示。

通過(guò)變比為2000∶1的TBC200AP霍爾傳感器采集交流側(cè)負(fù)載電流，轉(zhuǎn)換為電壓后與給定值比較，當(dāng)檢測(cè)電壓達(dá)到1.96V時(shí)，交流側(cè)電流達(dá)到59.4A，此時(shí)認(rèn)為負(fù)載短路，從而一方面通過(guò)PMBT3904輸出低電平封鎖逆變器驅(qū)動(dòng)脈沖，另一方面通過(guò)74HC123輸出低電平送控制芯片進(jìn)行處理并顯示故障代碼。

圖2 短路保護(hù)電路

圖3 直流電流檢測(cè)電路

直流電流檢測(cè)電路如圖3所示，其功能是檢測(cè)主電路直流側(cè)電流，分別進(jìn)行直流過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)和送控制芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。同樣選用TBC200AP進(jìn)行電流采集 ，并將直流過(guò)流保護(hù)點(diǎn)設(shè)為42.8A，當(dāng)直流電流超過(guò)這一數(shù)值后，LM393負(fù)極信號(hào)也將超過(guò)其正極分壓信號(hào)1.2V，從而輸出低電平，控制芯片封鎖PWM信號(hào)并顯示故障代碼；若直流電流小于4.6A，則另一路LM393正極輸入電壓低于0.1288V，將低于其負(fù)極電壓0.129V，其輸出低電平從而引起控制芯片封鎖PWM信號(hào)并顯示故障代碼；同時(shí)，由于短路故障較過(guò)流故障電流更大，為此對(duì)短路故障考慮不通過(guò)芯片而直接進(jìn)行硬件保護(hù)：當(dāng)直流電壓超過(guò)52A而直流過(guò)流保護(hù)未動(dòng)作時(shí)，第三路LM393反轉(zhuǎn)，輸出高電平，從而引起單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74HC123輸出一個(gè)持續(xù)時(shí)間為50 μs的高電平，此高電平使PMBT3904輸出一個(gè)低電平，直接封鎖觸發(fā)脈沖，實(shí)現(xiàn)硬件保護(hù)，同時(shí)74HC123的另一路輸出送控制芯片顯示故障代碼并關(guān)閉PWM發(fā)生器。

電壓檢測(cè)電路如圖4所示。光耦TLP521陽(yáng)極檢測(cè)直流側(cè)電壓，隔離輸出，經(jīng)過(guò)電壓跟隨器緩沖后送控制芯片直流采集端口進(jìn)行顯示和處理。此外，為滿足對(duì)不同加熱功率的要求，設(shè)計(jì)有6檔加熱模式，每一檔對(duì)應(yīng)固定脈沖頻率，通過(guò)對(duì)控制芯片內(nèi)脈沖發(fā)生模塊的控制即可實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱功率的控制。

圖4 電壓檢測(cè)電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，首先完成各模塊初始化，之后進(jìn)入主循環(huán)，通過(guò)檢測(cè)各個(gè)標(biāo)志位的狀態(tài)來(lái)執(zhí)行對(duì)應(yīng)的處理程序。在進(jìn)行完硬件電路檢測(cè)及工作檔位判斷后，如果進(jìn)入正常運(yùn)行模式，軟件將監(jiān)控加熱系統(tǒng)的工作狀態(tài)，確保系統(tǒng)工作于安全狀態(tài)并在故障出現(xiàn)時(shí)能夠迅速退出運(yùn)行，為此專門設(shè)計(jì)有保護(hù)程序。

系統(tǒng)運(yùn)行中首先確保控制芯片和顯控單元之間的正常通信（基于MODBUS-RTU通訊協(xié)議），在此基礎(chǔ)上進(jìn)行額定功率加載并計(jì)時(shí)，當(dāng)電流達(dá)到相應(yīng)檔位對(duì)應(yīng)值時(shí)，分別檢測(cè)反饋電流、散熱器溫度和爐盤溫度，當(dāng)上述檢測(cè)值超過(guò)設(shè)定保護(hù)門限時(shí)執(zhí)行保護(hù)操作，并將系統(tǒng)工作參數(shù)送給顯示器實(shí)時(shí)顯示。

運(yùn)行工作模式中由于整流濾波的局限性無(wú)法做到直流側(cè)是常值，同時(shí)由于逆變電路本身的特性導(dǎo)致對(duì)信號(hào)的采樣具有極大的波動(dòng)，而控制芯片要執(zhí)行程序保護(hù)又必須為確定量，為此在參數(shù)采集中采用多次采集存儲(chǔ)，最后求其平均值的方法來(lái)進(jìn)行，即在系統(tǒng)工作時(shí)每隔一定時(shí)間對(duì)系統(tǒng)某一個(gè)參數(shù)進(jìn)行固定次數(shù)的采集并存儲(chǔ)，當(dāng)采集次數(shù)到達(dá)設(shè)定值后停止采集并計(jì)算所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的平均值，此均值即認(rèn)為是采集物理量的實(shí)際采集值，然后進(jìn)行下一個(gè)周期循環(huán)采［5］集。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，采用該方法能在很大程度上達(dá)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)的準(zhǔn)確監(jiān)控，并抑制由于工作中的隨機(jī)性尖峰電流或電壓而導(dǎo)致的誤判斷和誤操作。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5為控制芯片產(chǎn)生并通過(guò)調(diào)理電路處理后加到IGBT門極與發(fā)射極之間的驅(qū)動(dòng)脈沖。第1節(jié)中提到過(guò)安全起見應(yīng)為2路脈沖設(shè)計(jì)死區(qū)時(shí)間以防上下橋壁直通，故2路脈沖之間有1.5μs死區(qū)，從而一路開關(guān)管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為斷開期間，另一路由于驅(qū)動(dòng)脈沖電壓幅值的限制保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，直至驅(qū)動(dòng)脈沖上升到驅(qū)動(dòng)門限，從而確保了任意時(shí)刻兩只主開關(guān)管中只有一只導(dǎo)通且切換時(shí)先斷開導(dǎo)通的一只，之后再導(dǎo)通另外一只，有效防止直通的發(fā)生。

圖5 2路觸發(fā)脈沖波形

圖6為驅(qū)動(dòng)脈沖與主電路直流側(cè)電壓波形?？梢姰?dāng)電壓上升到一定數(shù)值后驅(qū)動(dòng)脈沖封鎖，實(shí)現(xiàn)了過(guò)壓保護(hù)。其保護(hù)參數(shù)由圖4所示電路采集并經(jīng)控制芯片解算后確定。

圖6 過(guò)壓保護(hù)波形

圖7為系統(tǒng)工作時(shí)交流側(cè)電流波形。通過(guò)控制功率器件的開通和關(guān)斷實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流的諧振，從而實(shí)現(xiàn)諧振加熱。

經(jīng)測(cè)試，當(dāng)輸入電壓在額定值380V，系統(tǒng)工作于設(shè)定最大功率15kW時(shí)，實(shí)際加熱功率為14.14 kW，從而系統(tǒng)熱效率可達(dá)94.3%，完全滿足現(xiàn)階段商用電磁加熱的應(yīng)用要求，并且在模擬故障下控制系統(tǒng)能夠及時(shí)停止運(yùn)行并為用戶提供檢修通道，保證了系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行。

圖7 交流側(cè)電流采樣波形

6 結(jié)束語(yǔ)

大功率電磁加熱系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，在能源短缺的背景下，開發(fā)具有高度安全性的大功率電磁加熱系統(tǒng)具有極大的商業(yè)價(jià)值。與已有大功率電磁加熱系統(tǒng)相比，研究著眼于建立基于軟、硬件的完善的保護(hù)功能和措施，并重點(diǎn)通過(guò)軟件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。針對(duì)電磁感應(yīng)加熱的特點(diǎn)，系統(tǒng)加熱效率還有提高的空間且具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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