基于MCU和FPGA雙處理器的超音頻感應加熱電源設計

宋強，宋建國，孫夢娟

（北京工業(yè)大學 電子信息與控制工程學院，北京 100124）

基于MCU和FPGA雙處理器的超音頻感應加熱電源設計

宋強，宋建國，孫夢娟

（北京工業(yè)大學 電子信息與控制工程學院，北京 100124）

摘 要:本文提出一種采用DSP英飛凌XC2267與ALTERA公司的EP2C5T144C8N為雙控制核心，主開關器件為IGBT的超音頻感應加熱電源的設計方案。DSP（xc2267）作為主控芯片進行增量式PI算法，實現(xiàn)了電壓電流雙閉環(huán)控制。提出基于FPGA的相序自適應的三相可控硅整流控制方法；設計一種掃頻啟動電路，實現(xiàn)由他激到自激啟動，實現(xiàn)了高功率和低功率之間的轉(zhuǎn)換。逆變系統(tǒng)采用改進的PWM頻率相位鎖相和移向調(diào)功的復合控制來提高控制精度和效率。最后，通過實驗臺架對電路進行實驗，給出實驗結(jié)果，驗證了整個系統(tǒng)的可行性和有效性。

關鍵詞:感應加熱；DSP；FPGA；鎖相環(huán)；頻率鎖相

*項目簡介：橫向項目（46002211201301），清華大學核反應研究院電力電子廠整機組新型電源研究項目。

本文引用格式：宋強，宋建國，孫夢娟.基于MCU和FPGA雙處理器的超音頻感應加熱電源設計[J].新型工業(yè)化，2015，5(4)：48-54

0　引言

感應加熱用晶閘管中頻電源是一種將三相工頻交流電源轉(zhuǎn)變?yōu)橹蓄l或高頻交流電源通過感應加熱方式完成加工手段的一種裝置通常的變換方式是AC/DC/AC。目前我國適用于淬火加熱的超音頻感應加熱電源多在中小功率領域，且多用模擬鎖相環(huán)來實現(xiàn)頻率跟蹤，故存在著很多問題，如：電路結(jié)構復雜、元器件易老化、系統(tǒng)升級再調(diào)試困難等。

隨著數(shù)字化芯片（DSP、FPGA）的不斷開發(fā)，實現(xiàn)超音頻加熱電源的數(shù)字化成為可能，同時提高了提高功率調(diào)節(jié)速度和頻率跟蹤。采用16位DSP單片機的處理數(shù)據(jù)和算法能力對超音頻加熱電源的算法進行了有效地控制，外圍電路更加簡化。采用IGBT提高了工作頻率，與傳統(tǒng)的中頻可控硅不同，IGBT控制工作頻率提高，效率高。

1　感應加熱電源原理及結(jié)構

1.1感應加熱電源原理

感應加熱電源是根據(jù)電磁感應原理，利用渦流對置于交變磁場中的工件進行加熱。電流通過線圈產(chǎn)生交變的磁場，當磁場內(nèi)磁力線通過待加熱金屬工件時，交變的磁力線穿透金屬工件形成回路，故在其截面產(chǎn)生感應電流，該電流可使待加熱工件局部瞬時發(fā)熱，達到進行淬火加熱的目的[1]。工作原理如圖1所示：

圖1　感應加熱原理圖Figure.1 schematic diagram of induction heating

1.2感應加熱電源結(jié)構框圖

感應加熱電源由整流環(huán)節(jié)、濾波電路、逆變環(huán)節(jié)、濾波電路、驅(qū)動電路、信號采集電路、保護電路、控制電路以及鎖相環(huán)電路等組成。工作原理為：三相交流電通過可控全橋整流電路轉(zhuǎn)變成脈動直流電，經(jīng)過大電感濾波電路變成恒定的直流電壓，經(jīng)過單相逆變橋，把直流逆變成一定功率的單相中頻電壓。驅(qū)動電路主要產(chǎn)生整流橋二極管和逆變橋IGBT的驅(qū)動信號。然后采集中頻電壓信號通過AD轉(zhuǎn)換在控制器中進行PID控制算法實現(xiàn)電壓電流的雙閉環(huán)控制，同時進行頻率跟蹤，達到恒壓、恒功的控制效果。整體框圖如圖2所示。

圖2　感應加熱電源總體框圖Figure.2 The overall block diagram of induction heating power supply

圖3　并聯(lián)諧振式逆變電路Figure.3 parallel resonant inverter circuit

感應加熱負載部分本系統(tǒng)采用并聯(lián)諧振，如圖3所示：

當負載并聯(lián)電路工作在諧振狀態(tài)時，感應輸出負載的電流并不是不大，但線圈L和電容C的電流卻很大，是輸入電源的N倍，通過此可實現(xiàn)大功率的電源。并聯(lián)諧振式逆變，其交流輸出電流波形為矩形波。諧波在負載電路上產(chǎn)生壓降很小，故負載電壓波形接近正弦波。從而實現(xiàn)并聯(lián)式的逆變[2]。波形如圖4：

圖4　并聯(lián)諧振式逆變電路電流電壓波形Figure.4 parallel resonant inverter circuit of current and voltage waveforms

1.3感應加熱電源主電路的設計

綜合考慮確定系統(tǒng)結(jié)構圖如圖5所示。主電路設計主要是整流和逆變部分。通過三相整流之后采用大電感濾波器抑制浪涌電流的電路，減少對電網(wǎng)的影響；FPGA用來產(chǎn)生開關管IGBT的驅(qū)動信號而且用于數(shù)字鎖相環(huán)的設計。

圖5　感應加熱主電路結(jié)構Figure.5 The main circuit structure of the induction heating

FPGA中產(chǎn)生驅(qū)動信號，以及輔助啟動信號。同時，進行數(shù)字鎖相環(huán)的設計。

2　頻率跟蹤和控制

2.1數(shù)字鎖相環(huán)原理

在感應加熱系統(tǒng)中，鎖相環(huán)自動頻率跟蹤是保證感應加熱電源正常穩(wěn)定工作的首要條件。全數(shù)字鎖相環(huán)[3]能解決頻率跟蹤范圍窄、易溫移、受外界環(huán)境影響大等問題。本系統(tǒng)采用的是FPGA集成的數(shù)字鎖相環(huán)，通過分頻來實現(xiàn)頻率的數(shù)字跟蹤。

鎖相環(huán)主要由鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器組成[3]。鎖相環(huán)的結(jié)構框圖如圖6所示。

圖6　鎖相環(huán)結(jié)構框圖Figure.6 block diagram of PLL

采用異或門鑒相器的數(shù)字鎖相環(huán)在穩(wěn)定后的輸出信號要比輸入信號超前90°，于是，我們采用鎖相環(huán)的輸出信號作為逆變角控制的基準信號，通過調(diào)節(jié)輸出信號的延時時間的大小，來調(diào)節(jié)逆變角的大小[4]。鑒相器（PD）是將壓控振蕩器的輸出信號θ2(t)與外部給定信號θ1(t)作比較，得到一個相位差信號θe(t)。輸出誤差信號θe(t)是θe(t)的函數(shù)：Ve(t)=f［θe(t)］，該誤差信號經(jīng)環(huán)路低通濾波器（LF）后得到低頻信號Vd(t)，壓控振蕩器在一定范圍內(nèi)是一個輸出頻率與低頻輸入電壓呈正比的信號發(fā)生器，從低通濾波器輸出的低頻信號電壓去控制壓控振蕩器的頻率變化，使輸入與輸出信號頻率之差不斷減少至這個差值為零時鎖定，實現(xiàn)頻率跟蹤[5]。

鑒相器通常可以采用模擬乘法器或異或門來實現(xiàn)。傳遞函數(shù)為：

Ke靈敏度；

環(huán)路濾波器具有低通特性，其作用是濾除誤差電壓Ve(t)中的高頻分量和噪聲，以保證環(huán)路所要求的性能，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。環(huán)路濾波器常用的有RC積分濾波器、無源比例積分型以及有源比例積分型濾波器。此系統(tǒng)設計的為無源低通濾波器，如圖7：

圖7　無源低通濾波器Figure.7 passive low-pass filter

傳遞函數(shù)為：

其中T1=(R1+R2)C， T2=R2C；

其中Ts=R1C；

壓控振蕩器是將電壓轉(zhuǎn)化為頻率的一個裝置，他的震蕩頻率隨輸入控制電壓Vd(t)線性變化。它的瞬間角頻率ωv(t)受控制電壓Vd(t)控制，使其頻率向輸入信號的頻率靠近，直至頻率差消失，環(huán)路鎖定。VCO的角頻率-電壓特性如圖8所示。

在線性范圍內(nèi)：ωv(t)=ω0+K0Vd(t)

其中，ω0是固有振蕩頻率，K0為壓控振蕩器特性曲線的斜率。

圖8　壓控振蕩器特性圖Figure.8 voltage controlled oscillator characteristics

壓控振蕩器的傳遞函數(shù)為：

在感應加熱電源中，系統(tǒng)參數(shù)變化很緩慢，一般只存在相位階躍和頻率階躍兩種情況。所以采用滯后型LF的穩(wěn)態(tài)誤差很小，系統(tǒng)穩(wěn)定。設計結(jié)果在實驗圖像和結(jié)論處可以證實。

3　PID控制算法

PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單，魯棒性好和可靠性高，被廣泛應用于工業(yè)過程控制系統(tǒng)中。而在此控制系統(tǒng)中，常規(guī)PID控制器不能達到理想的控制效果，故進行改進式PID的設計。

積分分離控制基本思路是，當被控量與設定值偏差較大時，取消積分作用，以免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，超調(diào)量增大；當被控量接近給定量時，引入積分控制，以便消除靜差，提高控制精度[6-8]。

具體實現(xiàn)的步驟是：

(1)根據(jù)實際情況，人為設定閾值ε>0；

(2)當∣e (k)∣>ε時，采用PD控制，可避免產(chǎn)生過大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應；

(3)當∣e (k)∣≤ε時，采用PID控制，以保證系統(tǒng)的控制精度。

積分分離控制算法可表示為

式中，T為采樣時間，β項為積分項的開關系數(shù)根據(jù)上式可以得到程序框圖如圖9：

圖9　PID程序流程圖Figure.9 flow chart of PID program

4　系統(tǒng)實驗與結(jié)論

本文數(shù)字鎖相環(huán)在FPGA中進行設計，10KHz IGBT超音頻感應電源的基礎上進行實驗，負載采用并聯(lián)諧振。以下為頻率為15K時實驗數(shù)據(jù)和圖像，黃色圖線為輸入A相，藍色為B相，從圖中可以看出經(jīng)過數(shù)字鎖相環(huán)以后A相超前B相90度，B相跟隨A相變化，鎖相環(huán)工作穩(wěn)定。實驗結(jié)果如圖：

圖10　鎖相環(huán)實驗結(jié)果圖Figure.10 the experimental results of phase locked loop

圖11　雙CPU控制電路板Figure.11 double CPU control circuit board

短路實驗和測試結(jié)果如下：

圖12　短路實驗圖Figure.12 diagram of short circuit test

圖13　純阻性整流電壓波形Figure.13 pure resistance rectifier voltage waveforms

分析上圖可知：當短路時，電流迅速上升并出現(xiàn)超調(diào)。經(jīng)過改進式PI算法控制后，在很短的調(diào)節(jié)時間內(nèi)，電流迅速穩(wěn)定到一定值，起到保護主電路的作用。

純電阻負載實驗：

圖14　逆變橋電壓波形Figure.14 voltage waveform of the inverter bridge

從圖14可以看出：起振后，固定中頻電壓給定，電壓為標準正弦波途中缺口處為換向時的角度。

實驗結(jié)論：通過實驗看以看出本次符合設計要求；數(shù)字鎖相環(huán)擴大了鎖相范圍，提高了功率因數(shù)；實現(xiàn)了頻率跟蹤與控制；改進式PID算法也達到了很好的控制效果。

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The Design of Audio-frequency Induction Heating Power Supply System of Dual Microprocessor Based on MCU and FPGA

SONG Qiang, SONG Jianguo, SUN Mengjuan
(College of Electronic Information and Control Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Abstract:Medium frequency induction heating power supply will be proposed based on the dual microprocessor (XC2267 of Infineon and EP2C5T144C8N of ALTERA) and the IGBT was used as the main switching element in this thesis.XC2267 is the main control chip which does the increment PI algorithms and realizes the voltage and current double closed-loop control.Three-phase thyristor rectifier method based on the phase self-adjusting of FPGA is proposed.A method for swept-frequency start circuit is designed to implement the transition between the high-power and low-power.The invert system uses the compound control of improved PWM and frequency phase lock to improve the control accuracy and efficiency.Lastly, by using bench, the circuit is tested and the feasibility and effectiveness of the whole system are verified.

Keywords:Induction heating supply; DSP; FPGA; PLL; Frequency phase lock

DOI：10.3969/j.issn.2095-6649.2015.04.07

作者簡介：宋強（1990-），男，漢族，山東人，北京工業(yè)大學碩士研究生，研究方向為電力電子與電氣傳動；宋建國（1974-），男，漢族，北京人，副教授，碩士生導師。

Citation: SONG Qiang, SONG Jianguo,SUN Mengjuan .The Design of Audio-frequency Induction Heating Power Supply System of Dual Microprocessor Based on MCU and FPGA [J].The Journal of New Industrialization, 2015, 5(4): 48?54.