基于TL494感應(yīng)加熱電源頻率自動跟蹤技術(shù)研究

河南 孫漢卿

引言

為了使感應(yīng)加熱始終工作在功率因數(shù)接近或者等于1的準(zhǔn)諧振或者諧振狀態(tài)，感應(yīng)加熱電源必須具有自動頻率跟蹤能力，以提高感應(yīng)加熱的加熱效率[1]。本文提出一種基于TL494芯片控制的感應(yīng)加熱電路，自動頻率跟蹤采用比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)電路的方法實現(xiàn)其頻率自動跟蹤，通過理論分析和試驗研究，結(jié)果表明該方法具有電路設(shè)計簡單、工作可靠性高且頻率跟蹤快、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。

1 傳統(tǒng)頻率自動跟蹤技術(shù)

傳統(tǒng)的感應(yīng)加熱電路中多采用鎖相環(huán)(PLL)電路實現(xiàn)頻率的自動調(diào)節(jié)[2],PLL主要由各種霍爾感應(yīng)器、比較器、鑒相器、低通濾波器及壓控振蕩器組成，其工作過程是通過電流霍爾感應(yīng)器的電氣隔離采集到加熱諧振回路中的正弦波電流，經(jīng)過過零比較電路得到與輸出電流頻率一樣的方波信號，通過RC低通濾波器加到壓控振蕩器上，通過鑒相器比較諧振電路和控制輸出信號之間的相位差來調(diào)整輸出頻率，而從實現(xiàn)諧振電路和控制電路同頻。但是全橋逆變電路需要兩路相差180度且有死區(qū)間隔的驅(qū)動信號，這使得整個電路設(shè)計非常的復(fù)雜而且也會造成兩路控制信號的不平衡，從而引起全橋逆變電路中兩個橋臂不平衡工作。

2 基于比例調(diào)節(jié)和積分的自動跟蹤技術(shù)

2.1 控制原理

本設(shè)計的控制電路的核心部件采用TL494及其外圍電路組成如圖1所示。TL494是一種脈寬調(diào)制型開關(guān)電源集成控制芯片，具有可調(diào)整的死區(qū)時間控制、脈沖控制封鎖保護(hù)等功能?？刂齐娐返念l率由5腳的電容和6腳的電阻決定。4腳可以設(shè)置兩路脈沖的死區(qū)時間。

TL494生成的控制脈沖信號頻率f由下式?jīng)Q定[3]:

式中:CT為5腳上諧振電容

RT為6腳上諧振電阻

圖1 TL494管腳連線圖

本設(shè)計采用比例調(diào)節(jié)及積分調(diào)節(jié)電路與TL494芯片相結(jié)合的方法，以鎖相環(huán)控制原理為基礎(chǔ)，采用三極管和電阻串聯(lián)的方式來代替6腳上的電阻RT,通過調(diào)節(jié)三極管的基極電壓Ub改變?nèi)龢O管集電極上的電流大小,等效于改變RT的大小,從而改變頻率。

采用PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)的自動頻率跟蹤電路原理如圖2，霍爾感應(yīng)器用來采集信號，過零比較器是將正弦波變成方波信號，鑒相器是將兩路方波信號的相位差變?yōu)殡妷盒盘?。將其輸出電壓接到三極管的基極電壓Ub，實現(xiàn)頻率的自動調(diào)節(jié)。

圖2 本設(shè)計的自動頻率跟蹤電路的原理框圖

2.2 比例調(diào)節(jié)及積分調(diào)節(jié)電路的工作原理及控制效果

PI調(diào)節(jié)電路輸入和輸出的基本關(guān)系為[4]:

式中：Kp為比例放大倍數(shù)

τ為積分調(diào)節(jié)時間

當(dāng)uin=ε（t）時，輸出為

當(dāng)t=τ時，

PI控制電路的單位階躍響應(yīng)是一條直線。當(dāng)t=0時，調(diào)節(jié)電路輸出電壓較小，只有比例增益。當(dāng)t>0時，輸出電壓將按積分特性線性增大。當(dāng)輸入和輸出出現(xiàn)誤差時，由于輸出和輸入之間是積分關(guān)系，控制電路的輸出電壓不會立刻變大，系統(tǒng)出現(xiàn)大的誤差時，調(diào)節(jié)電路輸出電壓不會立即變的很大，而是隨著時間的推移慢慢增加。這樣就能保證系統(tǒng)平穩(wěn)工作。頻率的自動跟蹤過程分析[5]：在穩(wěn)定的工作狀態(tài)時PI控制電路輸出一個穩(wěn)定的電壓uo，形成穩(wěn)定的Ub，從而形成穩(wěn)定的振蕩電阻,加熱回路能夠工作在諧振狀態(tài)。當(dāng)加熱過程中諧振回路的參數(shù)發(fā)生變化時,加熱回路將偏離諧振狀態(tài),加熱回路電壓ua與加熱回路電流ia之間將產(chǎn)生一個相位差，其中加熱回路電壓ua是由主控制電路輸出頻率確定的，加熱回路電流ia是由諧振電路實際工作確定的。當(dāng)ua超前ia時,即控制器輸出的控制頻率大于諧振回路的諧振頻率,ua和ia的相位差進(jìn)入PI控制電路的反相端,根據(jù)PI控制電路的工作原理可知PI控制電路的輸出電壓降低,從而引起Ub的減小,即增大RT，從而降低主控制電路的工作頻率,使其向諧振頻率靠近；當(dāng)ua滯后ia時,即控制器輸出的控制頻率小于諧振回路的諧振頻率,ua和ia的相位差反相后進(jìn)入PI控制電路的反相端,根據(jù)PI控制電路的工作原理可知PI控制電路的輸出電壓升高,從而引起Ub的增大,即等效RT減小，從而提高主控制電路的工作頻率,使其向諧振頻率靠近；

3 結(jié)論

PI控制電路具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠等特點(diǎn)，利用其與TL494芯片相結(jié)合的方法控制感應(yīng)加熱電源的自動跟蹤是可行的。該方法具有跟隨速度快、頻率跟蹤準(zhǔn)確、電路設(shè)計簡單、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。實驗結(jié)果表明，結(jié)合PI控制電路與TL494相結(jié)合的方法實現(xiàn)自動頻率跟蹤技術(shù)，能在感應(yīng)加熱過程中實現(xiàn)自動跟蹤回路諧振頻率，最終達(dá)到提高工作效率和質(zhì)量的目的。

[1]潘天明.現(xiàn)代感應(yīng)加熱裝置[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1996.

[2]毛鴻,等.感應(yīng)加熱電源無相差頻率跟蹤控制電路[J].電力電子技術(shù),1998(2):69～72.

[3]王永,等.一種新型實用的IGBT驅(qū)動電路[J].微計算機(jī)信息，2001，12期17卷：37-38.

[4]嚴(yán)楣輝.集成運(yùn)算放大器分析與應(yīng)用[M].四川：電子科技大學(xué)出版社，1992.

[5]趙晶,等.PI調(diào)節(jié)逆變式IGBT感應(yīng)加熱電源頻率自動跟蹤技術(shù)[J].電力電子技術(shù)，2003（4）：12～14.