數(shù)字化中頻感應(yīng)加熱電源關(guān)鍵技術(shù)研究

1、西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 數(shù)字化中頻感應(yīng)加熱電源關(guān)鍵技術(shù)研究 專 業(yè)：控制理論與控制工程 碩 士 生：楊曉靜 指導(dǎo)老師：張立材 副教授 摘 要 中頻感應(yīng)加熱電源由于具有體積小，節(jié)能、高效、以及污染小等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前用于熔煉的中頻感應(yīng)加熱電源逆變電路部分主要采用的是并聯(lián)逆變電路，串聯(lián)諧振逆變電路研究相對較少。中頻感應(yīng)加熱電源控制系統(tǒng)主要是以集成的數(shù)字化控制系統(tǒng)為主，在智能化控制方面還有待深入研究。 課題以半橋串聯(lián)諧振逆變電路為主電路，以 TMS320F2812 DSP 為主控芯片，對中頻電源進(jìn)行以下幾方面的研究： （1） 半橋串聯(lián)諧振逆變電路中流過開關(guān)元件的電流減小

2、到零時(shí)， 開關(guān)元件能夠自然關(guān)斷。為了檢測開關(guān)元件的過零點(diǎn)，研究了一種自然關(guān)斷點(diǎn)檢測電路，由峰值檢測電路輔助過零點(diǎn)檢測電路，對逆變輸出的中頻電流峰值時(shí)刻和過零點(diǎn)時(shí)刻進(jìn)行檢測，DSP 控制系統(tǒng)對這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的關(guān)系進(jìn)行分析，判斷開關(guān)管是否自然關(guān)斷。通過仿真分析，證實(shí)了這種復(fù)合的判斷方式比單純的過零點(diǎn)檢測電路的準(zhǔn)確度高，排除了由于干擾引起的誤測，在諧振情況下，解決了逆變電路中的開關(guān)元件需要承受一個(gè)反向電壓才能關(guān)斷的問題，防止了直通現(xiàn)象，同時(shí)簡化了控制電路。 （2）在熔煉過程中，負(fù)載參數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致負(fù)載電路諧振頻率發(fā)生變化，開關(guān)管導(dǎo)通頻率與負(fù)載諧振頻率不一致，降低了電源的工作效率。課題在傳統(tǒng)負(fù)載頻率跟

3、蹤基礎(chǔ)上研究了一種改進(jìn)的數(shù)字化鎖頻鎖相環(huán)路， 采用 DSP 對中頻輸出電流信號與負(fù)載諧振信號進(jìn)行比較，將兩個(gè)信號的頻率差與相位差減小到穩(wěn)態(tài)范圍內(nèi)，控制開關(guān)管的導(dǎo)通頻率，達(dá)到了負(fù)載頻率跟蹤的目的，比起傳統(tǒng)的鎖相環(huán)頻率跟蹤方法，更加準(zhǔn)確地控制了開關(guān)管觸發(fā)脈沖的發(fā)送頻率，實(shí)現(xiàn)了頻率跟蹤智能化控制，提高了電源工作效率，減少功率損耗。 采用 Multisim 與 Simulink 對控制系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。 西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：中頻電源；諧振逆變；自然關(guān)斷點(diǎn)；鎖頻鎖相；DSP 西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 The Key Technology Research

4、 of the Digital Intermediate Frequency Induction Heating Power Supply Specialty: Control Theory and Control Engineering Name: Yang Xiaojing Instructor: Associate Prof. Zhang Licai ABSTRACT Medium frequency induction heating power have in a wide range of applications in industry because of the advant

5、ages of the small size, high efficiency, energy saving convenient and the small pollution. At present domestic medium frequency induction heating power key circuit is mainly parallel inverter circuits, the control system mainly based on integrated digital control system. This subject taking the half

6、 bridge series resonant inverter circuits as the main circuit, use the TMS320F2812 DSP as the main control chip, carry on the research on the main circuit and control system on the digital intermediate frequency inverter power: (1) When the current which flows through the series resonant inverter ci

7、rcuits switch components reduced to zero, switch components can be natural shut off, save the switch components shut off circuit. According to this characteristic, design a peak detection circuit that is the auxiliary circuit of the zero detection circuit in order to test the intermediate frequency

8、output current of the inverter circuits, judge the natural shut breakpoint of switch tube, prevent the phenomenon of switch tube connecting directly, solve the problem of the switch components in inverter circuits need to take a reverse voltage shut off. make sure that the switch tubes work in the n

9、atural state of reversing. (2) On the intermediate frequency power digital control, the domestic is mainly adopt the integrated digital control system, there are to be further research in intelligent control. Load equivalent parameters and the inherent frequency may change while the work piece heate

10、d to a certain temperature during the heating process, and this will reduce the efficiency of power supply, so the traditional load frequency tracking 西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 method was improved, use the frequency lock-phase lock loop to track the load circuit frequency, control the pulse sending triggered b

11、y switch tube, make the switch tube work on the nearly inherent frequency, improve the power work efficiency, reduce power consumption. Modeling and simulation for the control system through the Multisim and Simulink software, verify the superiority and feasibility of this study. Keywords: Frequency

12、 power supply; Resonance inverter; Natural-off point; Frequency-locked phase-locked; DSP西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 目 錄 1 中頻感應(yīng)加熱電源技術(shù)簡介 .1 1.1 中頻感應(yīng)加熱電源研究意義 .1 1.2 中頻感應(yīng)加熱電源技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 .2 1.3 本文主要研究內(nèi)容 .3 1.4 章節(jié)安排 .4 2 數(shù)字化中頻感應(yīng)加熱電源技術(shù)分析 .5 2.1 數(shù)字化中頻電源總體結(jié)構(gòu) .5 2.2 中頻電源逆變主電路選擇 .6 2.3 中頻感應(yīng)加熱電源啟動(dòng)電路設(shè)計(jì) .8 2.4 半橋串聯(lián)諧振逆變電路控制系統(tǒng)輔

13、助電路設(shè)計(jì) .10 2.4.1 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) .12 2.4.2 復(fù)位電路設(shè)計(jì) .12 2.4.3 電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) .12 2.4.4 外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器接口電路設(shè)計(jì) .13 2.4.5 數(shù)/模轉(zhuǎn)換(D/A)電路設(shè)計(jì).14 2.4.6 通信接口電路設(shè)計(jì) .15 2.4.7 直流過流檢測保護(hù)電路設(shè)計(jì) .15 2.4.8 中頻電壓過壓檢測保護(hù)電路設(shè)計(jì) .16 2.4.9 故障及封鎖保護(hù)電路設(shè)計(jì) .16 2.5 本章小結(jié) .16 3 自然關(guān)斷點(diǎn)檢測與負(fù)載頻率跟蹤研究 .19 3.1 半橋串聯(lián)諧振逆變主電路分析 .19 3.2 晶閘管自然關(guān)斷點(diǎn)檢測 .23 3.2.1 過零點(diǎn)檢測電路 .23 3.2.2

14、 峰值檢測電路 .24 3.2.3 晶閘管自然關(guān)斷點(diǎn)判斷 .24 3.3 頻率跟蹤技術(shù)分析 .25 3.3.1 鎖相環(huán)基本原理 .25 I西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 II 3.3.2 鎖頻環(huán)基本原理.27 3.4 數(shù)字鎖頻鎖相頻率跟蹤研究.29 3.4.1 數(shù)字鑒相方法研究.29 3.4.2 數(shù)字鑒頻方法研究.30 3.4.3 K序列環(huán)路濾波研究.31 3.4.4 數(shù)字壓控振蕩研究.32 3.5 晶閘管觸發(fā)電路設(shè)計(jì).33 3.6 本章小結(jié).34 4 頻率跟蹤軟件設(shè)計(jì).35 4.1 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì).36 4.2 啟動(dòng)控制子程序設(shè)計(jì).36 4.3 晶閘管自然關(guān)斷點(diǎn)檢測判斷子程序設(shè)計(jì).38 4

15、.4 鎖頻鎖相環(huán)頻率跟蹤子程序設(shè)計(jì).38 4.5 晶閘管觸發(fā)脈沖控制子程序設(shè)計(jì).40 4.6 本章小結(jié).42 5 實(shí)驗(yàn)仿真與分析.43 5.1 啟動(dòng)模塊仿真分析.43 5.2 晶閘管自然關(guān)斷點(diǎn)檢測判斷仿真分析.44 5.3 鎖頻鎖相環(huán)頻率跟蹤仿真分析.45 5.4 本章小結(jié).47 6 結(jié) 論.49 致 謝.51 參考文獻(xiàn).53 附 錄.57 西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 中頻感應(yīng)加熱電源技術(shù)簡介 中頻感應(yīng)加熱設(shè)備與傳統(tǒng)的加熱方式相比，具有體積小、節(jié)能、高效、開機(jī)停機(jī)方便以及污染小等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)加熱領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。中頻感應(yīng)加熱電源是整個(gè)感應(yīng)加熱設(shè)備的主要組成部分，因此對中頻感應(yīng)加熱電源

16、的研究具有重要的意義。 1.1 中頻感應(yīng)加熱電源研究意義 最早的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，在人們看來是對電能的一種浪費(fèi)，這種現(xiàn)象會(huì)使道體發(fā)熱，產(chǎn)生損耗，所以在最開始的時(shí)候，人們都致力于減少這種損耗的研究1。19 世紀(jì)末開始， 逐漸發(fā)現(xiàn)這種發(fā)熱現(xiàn)象也是有一定用處的， 在正確的使用方式下，它的加熱溫度較高，而且采用的是非接觸式的加熱，可以進(jìn)行一些加熱的工作。人們逐漸開始研究這種加熱的設(shè)備，使其可以應(yīng)用在一般的工業(yè)加熱、熔煉等領(lǐng)域2。 第一臺(tái)使用這種加熱技術(shù)的設(shè)備為感應(yīng)熔煉爐，它是一種開槽式有芯爐，是在 1890 年由瑞典人發(fā)明的， 它可以用來對金屬進(jìn)行冶煉。 后來就逐漸有了各種改進(jìn)的、不同的熔煉爐，例如中頻發(fā)

17、電機(jī)組和電磁倍頻器3。在 1921 年，美國人發(fā)明了一種無芯爐，它的電源設(shè)備采用的是火花式中頻電源，這種電源就是后來中頻電源的基礎(chǔ)，后來出現(xiàn)了中頻機(jī)組電源4。1957 年，美國通用電氣公司開發(fā)出了晶閘管，這種器件控制性能比較好，壽命長，體積比較小。1966 年，瑞士BBC公司將晶閘管應(yīng)用在中頻電源中，研制出了晶閘管中頻電源。到七十年代末期，晶閘管中頻電源已經(jīng)發(fā)展成為中頻電源的主流產(chǎn)品5。自此之后，世界各國都在大力發(fā)展中頻感應(yīng)加熱電源的研究，研制了不同功率范圍以及不同頻率范圍的中頻感應(yīng)加熱電源6。 由于中頻感應(yīng)加熱電源的加熱速度快，體積比較小，可以對加熱溫度進(jìn)行控制，加熱溫度比較均勻，在需要加熱

18、的時(shí)候再去啟動(dòng)，可以節(jié)省電能，減少工廠用電量等諸多優(yōu)點(diǎn)，中頻感應(yīng)加熱電源在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛7。從最早的冶金行業(yè)的表面熱處理工業(yè)開始，逐漸向機(jī)械制造、輕工業(yè)、石油化工以及電子產(chǎn)品行業(yè)發(fā)展，在人們的日常生活中，也可以見到它的蹤影，比如生活中經(jīng)常用到的微波爐、電磁爐以及熱水器等，都是中頻感應(yīng)加熱電源發(fā)展的產(chǎn)物8。 1西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 中頻感應(yīng)加熱電源是通過電磁感應(yīng)原理把電能轉(zhuǎn)化為熱能的設(shè)備，一般是指輸出頻率為中頻(150Hz以上至 20kHz)的單相或者三相可調(diào)的中頻電流， 可以根據(jù)實(shí)際的需要調(diào)節(jié)中頻感應(yīng)加熱電源的輸出頻率9。中頻電流通過感應(yīng)線圈，對熔煉爐進(jìn)行加熱，使?fàn)t料產(chǎn)生感應(yīng)

19、電動(dòng)勢，使?fàn)t料被加熱升溫，這種加熱電源的體積小，效率高，因此它廣泛地應(yīng)用在冶金、機(jī)械制造以及輕工業(yè)等領(lǐng)域中10。 目前投入使用的中頻感應(yīng)加熱電源的控制電路部分，大多采用的是模擬器件組成的控制電路。這種控制電路比較復(fù)雜，使用元器件比較多，而且模擬器件存在溫漂性，系統(tǒng)很容易受到這種性能的影響，導(dǎo)致性能發(fā)生變化，系統(tǒng)一旦投入使用，存在的問題就不容易修改11。而數(shù)字化的控制系統(tǒng)具有可以靈活控制的先天優(yōu)勢， 數(shù)字控制系統(tǒng)與集成電路相結(jié)合， 可以與逆變器組成一個(gè)反饋控制系統(tǒng)，電路結(jié)構(gòu)較為簡單，在投入使用后，可以方便的對控制方式進(jìn)行在線修改，節(jié)省成本，也可以對中頻電源的輸出信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)控制器與

20、計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊12。 逆變器是中頻感應(yīng)加熱電源的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，目前國內(nèi)的中頻感應(yīng)加熱電源大都采用負(fù)載并聯(lián)的逆變電路，這種電路不適合應(yīng)用在頻繁啟動(dòng)的場合，并且在突然斷電后，也不易啟動(dòng)13。而負(fù)載串聯(lián)型的逆變電路，啟動(dòng)容易，是目前國內(nèi)研究比較少的一種中頻電源，因此，在中頻感應(yīng)加熱電源的研究領(lǐng)域也有一定的前景。 1.2 中頻感應(yīng)加熱電源技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 經(jīng)過多年的發(fā)展與改進(jìn)，中頻感應(yīng)加熱電源已經(jīng)取得了令人矚目的成果。中頻感應(yīng)加熱電源的控制系統(tǒng)也有了較大的進(jìn)步，已由初期的分立元件組成的控制電路， 發(fā)展到由集成電路組成的控制電路， 性能方面趨于穩(wěn)定。 目前單片機(jī)、 DSP等微控制器組成的控制

21、系統(tǒng)也在不斷的研發(fā)中14。 目前，晶閘管中頻感應(yīng)加熱電源已經(jīng)完全替代了傳統(tǒng)的感應(yīng)加熱電源設(shè)備。隨著技術(shù)的不斷完善，感應(yīng)加熱電源的頻率范圍不斷增長，電源的功率也在不斷的擴(kuò)大。電流型的中頻感應(yīng)加熱電源是目前中頻感應(yīng)加熱設(shè)備中比較主流的產(chǎn)品15。日本研制出的 1200kW/50Hz的中頻感應(yīng)加熱電源，采用的是并聯(lián)線路的逆變器組成的電流型的并聯(lián)感應(yīng)加熱電源。中頻感應(yīng)加熱電源的逆變器部分實(shí)現(xiàn)了微處理器的控制，這種逆變電路可以工作在零電壓開關(guān)狀態(tài)16。國外在中頻感應(yīng)加熱電源的研究方面，已經(jīng)取得了比較先進(jìn)的技術(shù)成果，逆變電路采用串聯(lián)線路的 2 西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 中頻感應(yīng)加熱電源也有一定的研究成果

22、。美國應(yīng)達(dá)公司已經(jīng)研制出大容量、高功率的中頻電源，數(shù)字化的控制技術(shù)也已經(jīng)有所體現(xiàn)17。 國內(nèi)在 50 年代開始在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用感應(yīng)加熱技術(shù)， 對中頻感應(yīng)加熱電源的研制是從 60 年代末才開始的。 湖南大學(xué)、 天津大學(xué)以及浙江大學(xué)是比較早期開始研制中頻感應(yīng)加熱電源的高校18。目前，國內(nèi)的中頻感應(yīng)加熱電源的容量已經(jīng)接近 2MW左右。國產(chǎn)的中頻感應(yīng)加熱電源基本都是采用并聯(lián)諧振逆變的結(jié)構(gòu)，但是這種結(jié)構(gòu)的逆變器不適合用在頻繁啟動(dòng)的場合。國內(nèi)對數(shù)字化逆變電路的控制也大多是在集成電路的控制模塊，采用微控制器進(jìn)行控制的中頻感應(yīng)加熱電源還是比較少出現(xiàn)在市場中19。 隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，各種工業(yè)設(shè)備越來越多，但

23、是廠房的面積有限，同時(shí)各種設(shè)備的容量也在逐漸增加，設(shè)備的總體用電量也在逐漸增加，工廠的原有條件不能很好的解決這些問題，這就要求在設(shè)備的生產(chǎn)過程中，必須考慮到電源的體積，耗電量等各種問題，以適應(yīng)客戶現(xiàn)有的生產(chǎn)條件20。提高電源的效率，節(jié)省用電量，提高設(shè)備的功率，減小電源的體積，以及拓寬電源的使用環(huán)境都是目前中頻感應(yīng)加熱電源需要改進(jìn)的方面。 中頻電源的啟動(dòng)也是近來研究的一個(gè)問題，目前國內(nèi)投入使用的中頻電源基本都是并聯(lián)逆變式中頻電源，在啟動(dòng)方面存在一定的問題，突然斷電或者頻繁的啟動(dòng)都不是很容易啟動(dòng)成功的21。而串聯(lián)逆變式中頻電源在啟動(dòng)方面占有一定的優(yōu)勢，但是目前國內(nèi)對串聯(lián)逆變式中頻電源的研究還不是很

24、成熟， 因此， 串聯(lián)逆變式中頻感應(yīng)加熱電源的研究還是很有前景的22。 中頻感應(yīng)加熱電源采用數(shù)字化的控制系統(tǒng)，可以降低電源的成本，提高系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)可以減小電源的體積，用戶也可以根據(jù)實(shí)際需求對控制系統(tǒng)進(jìn)行修改，這種優(yōu)勢是傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的23?？刂葡到y(tǒng)可以對中頻電源的輸出的信號進(jìn)行采樣、處理和控制，并且可以與計(jì)算機(jī)進(jìn)行簡單穩(wěn)定的通信，對控制參數(shù)進(jìn)行修改設(shè)定，在不同的溫度下優(yōu)化輸出信號，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。自動(dòng)調(diào)節(jié)與保護(hù)、監(jiān)控環(huán)節(jié)的性能、整機(jī)的可靠性、穩(wěn)定性及效率不斷提高。中頻電源正朝著高功率因數(shù)、高變換效率，無污染、數(shù)字控制的方向發(fā)展。數(shù)字化的控制系統(tǒng)模塊化程度較高，分立器件數(shù)目較少，

25、可以對系統(tǒng)故障進(jìn)行報(bào)警，提示操作人員對系統(tǒng)進(jìn)行檢查，智能化的程度較高，具有較高的使用性24。 1.3 本文主要研究內(nèi)容 本文研究的中頻感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)以半橋串聯(lián)諧振逆變電路為基礎(chǔ)，選擇晶 3西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 閘管為開關(guān)元件，以 TMS320F2812 DSP 為主控芯片，對中頻感應(yīng)加熱電源逆變主電路控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。 根據(jù)串聯(lián)諧振電路中開關(guān)元件可以自然關(guān)斷的特性，研究一種峰值檢測電路結(jié)合過零點(diǎn)檢測電路對逆變電路輸出的中頻電流進(jìn)行檢測，通過軟件判斷開關(guān)管的自然關(guān)斷點(diǎn)，使開關(guān)管工作在自然換向狀態(tài)，省去了繁瑣的開關(guān)管關(guān)斷電路。由于中頻電源在加熱過程中，負(fù)載頻率會(huì)發(fā)生變化，因此對負(fù)載頻

26、率進(jìn)行跟蹤，在傳統(tǒng)的鎖相環(huán)和鎖頻環(huán)的基礎(chǔ)上對頻率跟蹤方法進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)一種數(shù)字化的鎖頻鎖相環(huán)路，對負(fù)載電路頻率進(jìn)行跟蹤，控制開關(guān)管觸發(fā)脈沖的發(fā)送，使開關(guān)管工作在負(fù)載固有頻率附近，提高了電源工作效率，減少功率損耗。 對中頻電流信號進(jìn)行檢測與分析，實(shí)現(xiàn)對開關(guān)管自然關(guān)斷點(diǎn)的檢測判斷，采用數(shù)字化鎖頻鎖相環(huán)，對負(fù)載頻率信號進(jìn)行檢測控制，實(shí)現(xiàn)對負(fù)載頻率的跟蹤，在 CCS 環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的軟件編程及調(diào)試，并設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的外圍電路以及驅(qū)動(dòng)和保護(hù)，確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地工作。對過流、過壓、欠壓等信號進(jìn)行檢測與控制，確保系統(tǒng)工作在正常狀態(tài)。最后采用 Multisim 軟件對系統(tǒng)硬件部分進(jìn)行仿真，采用 Simu

27、link 對系統(tǒng)的軟件部分進(jìn)行建模仿真，確保系統(tǒng)的可行性。 1.4 章節(jié)安排 第一章主要是對目前中頻感應(yīng)加熱電源技術(shù)進(jìn)行簡介，提出現(xiàn)有的中頻感應(yīng)加熱電源技術(shù)方面存在的問題。 第二章主要是對中頻感應(yīng)加熱電源結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，對逆變電路進(jìn)行選擇，對逆變器啟動(dòng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用 TMS320F2812 DSP 對控制系統(tǒng)輔助電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。 第三章主要是采用峰值檢測電路輔助過零點(diǎn)檢測電路，對晶閘管的自然關(guān)斷點(diǎn)檢測判斷進(jìn)行分析研究； 以及采用數(shù)字化鎖頻鎖相環(huán)對負(fù)載頻率進(jìn)行跟蹤研究；根據(jù)以上兩個(gè)因素對晶閘管觸發(fā)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。 第四章主要是對控制系統(tǒng)主程序、啟動(dòng)控制子程序、晶閘管自然關(guān)斷點(diǎn)檢測判斷子程序、頻率跟

28、蹤子程序以及晶閘管觸發(fā)脈沖控制子程序進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。 第五章主要是對啟動(dòng)模塊、晶閘管自然關(guān)斷點(diǎn)檢測判斷模塊以及頻率跟蹤模塊進(jìn)行仿真與分析。 西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 數(shù)字化中頻感應(yīng)加熱電源技術(shù)分析 目前國內(nèi)中頻感應(yīng)加熱設(shè)備普遍采用的是并聯(lián)型中頻電源，這種電源不適合于頻繁啟動(dòng)的環(huán)境，而串聯(lián)諧振型中頻電源啟動(dòng)比較容易，但后者在市場中的應(yīng)用比較少見，其技術(shù)還不是很成熟，因此，串聯(lián)諧振型逆變電源由于其本身的優(yōu)點(diǎn)，有一定的市場前景。在中頻電源的控制方面，大多都是集成電路數(shù)字控制系統(tǒng)，其控制電路比較復(fù)雜，一旦電路成型，在工作中出現(xiàn)故障，只能是替換整個(gè)控制板，經(jīng)濟(jì)開銷比較大。因此，對智能化的中頻電源進(jìn)

29、行研究，對其控制系統(tǒng)盡可能采取軟件控制，在出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過對軟件的調(diào)試編程，解決實(shí)際中遇到的問題，而不必對硬件電路進(jìn)行修改25。 2.1 數(shù)字化中頻電源總體結(jié)構(gòu) 中頻感應(yīng)加熱電源總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 2.1 所示。中頻感應(yīng)加熱電源一般由整流環(huán)節(jié)(AC-DC)、逆變環(huán)節(jié)(DC-AC)、濾波環(huán)節(jié)、控制環(huán)節(jié)、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路以及頻率跟蹤電路幾個(gè)環(huán)節(jié)組成。通過對中頻電源輸出的電流信號進(jìn)行采樣，輸入到控制系統(tǒng)中，對其進(jìn)行分析處理，得到一個(gè)控制信號反饋到主電路中，對電路中的開關(guān)元件的導(dǎo)通情況進(jìn)行控制，改變主電路的工作狀態(tài)頻率以及電流電壓大小，實(shí)現(xiàn)智能化控制。 圖 2.1 中頻感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 整

30、流環(huán)節(jié)主要是把三相 50Hz 工頻交流轉(zhuǎn)換成直流電，作為逆變器的直流輸入電流。 感應(yīng)加熱器是整個(gè)中頻感應(yīng)加熱電源的負(fù)載部分，逆變電路輸出中頻交流電到負(fù)載電路的感應(yīng)線圈中，把電能轉(zhuǎn)換成熱能對工件進(jìn)行加熱。感應(yīng)線圈和感應(yīng)加熱工件組成的負(fù)載電路可以等效為圖 2.2 所示的等效電路， L 為等效電感， R 為等效負(fù)載，通常用電容器對負(fù)載電路的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，以提高電源的工作效 5西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 率，補(bǔ)償電容器與負(fù)載電路的連接方式有并聯(lián)和串聯(lián)兩種形式，因此，中頻感應(yīng)加熱電源逆變電路與負(fù)載線圈組成的逆變器也有兩種結(jié)構(gòu)形式：串聯(lián)逆變器和并聯(lián)逆變器。 LR 圖 2.2 負(fù)載等效電路 濾波電路有

31、直流濾波以及逆變電路輸出的端的交流濾波，直流濾波電路主要對整流后的直流電流進(jìn)行平滑，交流濾波除了對逆變電路輸出的交流電進(jìn)行濾波外，還起到一個(gè)隔離的作用，將主電路與負(fù)載電路隔離開，保護(hù)主電路的安全，不致于被負(fù)載電路的大電流燒壞。 中頻感應(yīng)加熱電源的控制電路在整個(gè)系統(tǒng)中起著非常重要的作用，它的主要作用有以下幾點(diǎn)： （1）開機(jī)啟動(dòng)：用微處理器控制它激轉(zhuǎn)自激啟動(dòng)方案或者采用讓電壓 PI 調(diào)節(jié)器的給定值緩慢上升到設(shè)定值的軟啟動(dòng)過程來實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)。 （2）晶閘管自然關(guān)斷點(diǎn)檢測判斷：檢測判斷中頻電流的過零點(diǎn)，確保晶閘管在自然關(guān)斷后導(dǎo)通下一只晶閘管，防止直通現(xiàn)象。 （3）負(fù)載頻率跟蹤：對負(fù)載頻率信號進(jìn)行分析比較，

32、調(diào)節(jié)其相位和頻率，實(shí)現(xiàn)頻率的自動(dòng)跟蹤。 （4）開關(guān)管導(dǎo)通控制：根據(jù)（2）的判斷結(jié)果，以及（3）中對負(fù)載頻率跟蹤的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對開關(guān)管導(dǎo)通的控制，使其以負(fù)載工作頻率進(jìn)行導(dǎo)通，提高電源工作效率。 （5）保護(hù)功能：當(dāng)各參量因故障而超出其設(shè)定的極限值時(shí)，控制電路應(yīng)將調(diào)節(jié)器封鎖，負(fù)責(zé)故障的處理，確保系統(tǒng)能夠安全運(yùn)行。 2.2 中頻電源逆變主電路選擇 逆變電路主要作用是把直流電逆變?yōu)樨?fù)載所需要的中頻交流電供給負(fù)載電路，是中頻感應(yīng)加熱電源中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。諧振現(xiàn)象是正弦穩(wěn)態(tài)電路工作過程中的一種特殊的現(xiàn)象，在正弦激勵(lì)下，當(dāng)電壓向量和電流向量的相位相同時(shí)，這種特殊的現(xiàn)象就是諧振現(xiàn)象，電路的諧振頻率是指電路產(chǎn)生諧振

33、時(shí)電源的頻率。諧振電路通常是由負(fù)載和電容組成的，根據(jù)負(fù)載電路的補(bǔ)償形式的不同，逆變主電路可以分為并聯(lián)諧振逆變電路和串聯(lián)諧振逆變電路，而串聯(lián)諧振逆變電路根據(jù)其逆變橋臂數(shù)量的不同，分為全橋串聯(lián)諧振逆變電路和半橋串聯(lián)諧振逆變電路。 6 西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 并聯(lián)諧振型逆變器是目前大多國產(chǎn)中頻電源所采用的結(jié)構(gòu)。 目前國內(nèi)中頻電源大都采用并聯(lián)逆變電路為主電路，并聯(lián)逆變電路原理圖如圖 2.3 所示，直流輸入為整流電路輸出的直流電，Ld為儲(chǔ)能電感，對整流輸出的直流電流Id進(jìn)行濾波處理，使直流電流變得比較平滑。逆變電路是由四只晶閘管反向并上二極管所組成單相橋式逆變電路，將輸入到逆變器的直流電流Id逆變

34、成為負(fù)載所需要的頻率的中頻交流電流i0，送入到負(fù)載電路。 SCR1SCR3SCR2SCR4CRLLd直流輸入 圖 2.3 并聯(lián)逆變電路原理圖 負(fù)載電路是由補(bǔ)償電容器和感應(yīng)加熱線圈組成的并聯(lián)振蕩電路，負(fù)載輸出的中頻電流i0波形為方波，中頻電壓u0波形為正弦波，其波形圖如圖 2.4 所示。 (a)直流輸入電壓 (b)中頻輸出電流 (c)中頻輸出電壓 圖 2.4 并聯(lián)逆變電路各變量的波形圖 全橋串聯(lián)諧振逆變電路結(jié)構(gòu)簡單，控制相對于并聯(lián)逆變電路較為簡單，不需要平波電感，體積比較小。串聯(lián)諧振逆變電路如圖 2.5 所示，整流電路輸出的直流電壓Ud，Cd為濾波儲(chǔ)能電容，由于電容值比較大，可以對直流電壓Ud起

35、到一個(gè)平滑的作用，在逆變電路開始工作前，電容Cd對電壓進(jìn)行儲(chǔ)存，以便于啟動(dòng)逆變電路。逆變電路為單向橋式逆變電路，將輸入到逆變器的直流電流Id逆變?yōu)橹蓄l交流電流i0，送入負(fù)載電路。 SCR1D1SCR3D3SCR2D2SCR4D4CRLCd直流輸入 圖 2.5 串聯(lián)諧振逆變電路原理圖 負(fù)載電路是由補(bǔ)償電容器和感應(yīng)加熱線圈組成的串聯(lián)振蕩電路，負(fù)載輸出的 7西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 中頻電流i0波形為正弦波，中頻電壓u0波形為方波，其波形圖如圖 2.6 所示。 (a)直流輸入電流 (b)中頻輸出電壓 (c)中頻輸出電流 圖 2.6 串聯(lián)諧振逆變電路各變量的波形圖 通過對以上逆變電路的分析，可以看

36、到，在開關(guān)元件關(guān)斷方面，在并聯(lián)諧振逆變電路中，逆變電路自身為諧振電流提供了通路，進(jìn)行換流時(shí)，開關(guān)元件必須承受諧振電路產(chǎn)生的反向電壓才能關(guān)斷，開關(guān)元件需要串聯(lián)一個(gè)同等容量的二極管來承受這個(gè)反向電壓。但是，目前市場中的大容量的二極管在快速恢復(fù)方面有一定的限制，選擇范圍比較窄。在串聯(lián)諧振逆變電路中，逆變電路無法為諧振電流提供通路，進(jìn)行換流時(shí)，需要在開關(guān)元件上并聯(lián)一個(gè)反向二極管，進(jìn)行續(xù)流，為諧振電流提供通路，當(dāng)開關(guān)元件上電流減小為零時(shí)，就會(huì)自然關(guān)斷。因此，開關(guān)元件并不需要承受諧振電路產(chǎn)生的反向電壓，而且對反向二極管容量的要求并不高，選擇范圍比較廣。在負(fù)載電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，并聯(lián)諧振逆變電路對負(fù)載線路參數(shù)

37、比較敏感，線圈較長時(shí)，會(huì)對負(fù)載電路的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響；而串聯(lián)諧振逆變電路在這方面的要求比較低， 線圈中存在的電感不會(huì)影響到負(fù)載電路的結(jié)構(gòu)，同時(shí)可以對線圈進(jìn)行調(diào)整，增大或減小其電感值。在啟動(dòng)方面，在功率比較大的情況下，并聯(lián)諧振逆變電源不容易頻繁啟動(dòng)，尤其是在重載情況下不容易啟動(dòng)。而電壓型串聯(lián)諧振逆變器的結(jié)構(gòu)比較簡單，比較適用于頻繁起動(dòng)的情況，是一種可以代替并聯(lián)諧振型逆變器的新型電源。 半橋串聯(lián)諧振逆變電路由于其具有串聯(lián)諧振電路的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)結(jié)構(gòu)上比較簡單，其開關(guān)管元件數(shù)是全橋串聯(lián)諧振逆變電路的一半，在控制系統(tǒng)研究方面更為方便，因此選用半橋串聯(lián)諧振逆變電路作為中頻感應(yīng)加熱電源的主電路。下面就是對半橋

38、串聯(lián)諧振逆變主電路的分析。 2.3 中頻感應(yīng)加熱電源啟動(dòng)電路設(shè)計(jì) 半橋串聯(lián)諧振逆變控制電路主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟動(dòng)、對負(fù)載電流的過零點(diǎn)與峰值進(jìn)行檢測，以及負(fù)載頻率的跟蹤和開關(guān)管的觸發(fā)脈沖的發(fā)送，確保中頻電源系統(tǒng)能夠高效率的運(yùn)行。 8 西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 傳統(tǒng)的它激轉(zhuǎn)自激的啟動(dòng)方式，主要用于它激頻率比較固定的啟動(dòng)方式，必須根據(jù)負(fù)載參數(shù)計(jì)算出諧振頻率，以諧振頻率相近的頻率去啟動(dòng)中頻感應(yīng)加熱電源，在負(fù)載不同時(shí)，需要根據(jù)計(jì)算不同的諧振頻率，改變它激信號的頻率。它激轉(zhuǎn)自激的啟動(dòng)方式比較適合負(fù)載比較穩(wěn)定的情況。為了拓寬中頻感應(yīng)加熱電源適用的范圍，需要對其啟動(dòng)方式進(jìn)行一定的改進(jìn)，適應(yīng)不用負(fù)載情況下的啟動(dòng)

39、方式26。 目前大部分中頻電源采用的是零壓或負(fù)壓軟啟動(dòng)方式，屬于自激啟動(dòng)。軟啟動(dòng)的特點(diǎn)是，在啟動(dòng)時(shí)，給負(fù)載一個(gè)較小的功率，慢慢降低系統(tǒng)的工作頻率，逐漸增大負(fù)載功率。在特殊情況下，例如重負(fù)載，冷爐時(shí)，尤其是熔煉快結(jié)束時(shí)，突然斷電，很長時(shí)間后來電時(shí)，再啟動(dòng)電源是有一定困難的27。 在零壓軟啟動(dòng)的基礎(chǔ)上增加掃頻方式的啟動(dòng)電路，可以更好的解決不同負(fù)載情況下的啟動(dòng)問題。中頻感應(yīng)加熱電源沒有開機(jī)運(yùn)行時(shí)，負(fù)載端沒有電流輸出，頻率跟蹤環(huán)節(jié)無法進(jìn)行工作。掃頻式啟動(dòng)方式就是在逆變電路啟動(dòng)前，把一個(gè)大于負(fù)載諧振頻率的它激信號發(fā)送到逆變脈沖觸發(fā)電路，觸發(fā)逆變晶閘管導(dǎo)通，輸入的直流電流流入逆變電路，通過兩只晶閘管的輪流

40、導(dǎo)通逆變成中頻交流電，輸出到負(fù)載電路，對負(fù)載電路的頻率進(jìn)行采集，反饋到控制系統(tǒng)，與負(fù)載電路的諧振頻率進(jìn)行比較，控制它激信號逐漸減小，進(jìn)行掃頻，直到采樣頻率達(dá)到負(fù)載的諧振頻率時(shí)，說明逆變器啟動(dòng)成功。 由串聯(lián)諧振電路的特性可以知道，當(dāng)它激信號的頻率等于負(fù)載諧振頻率時(shí)，負(fù)載阻抗呈純電阻性，此時(shí)電路的損耗最??；當(dāng)它激信號的頻率大于負(fù)載諧振頻率時(shí)，負(fù)載阻抗呈容性；當(dāng)它激信號的頻率小于負(fù)載諧振頻率時(shí)，負(fù)載阻抗呈阻性。因此，當(dāng)它激信號以一個(gè)大與負(fù)載諧振頻率的信號進(jìn)行掃頻時(shí)，負(fù)載電路工作在容性狀態(tài)，中頻輸出電壓的相位滯后于輸出電流的相位。因此它激信號對負(fù)載電路進(jìn)行掃頻時(shí)，頻率從高到低進(jìn)行變化，當(dāng)他激信號的頻率

41、達(dá)到負(fù)載諧振頻率時(shí)，開始建立中頻電壓，并反饋一個(gè)信號到自動(dòng)調(diào)頻電路，自動(dòng)調(diào)頻電路一旦檢測到設(shè)定的信號，就立即關(guān)斷它激信號掃頻電路，并立即投入工作，使設(shè)備穩(wěn)定的工作。若一次啟動(dòng)不成功，它激信號會(huì)一直不停的掃描下去，直至中頻電源啟動(dòng)28。 掃頻式零壓軟啟動(dòng)電路如圖 2.7 所示，當(dāng)掃頻式零壓軟啟動(dòng)一次啟動(dòng)不成功時(shí)，重復(fù)啟動(dòng)電路使啟動(dòng)電路重復(fù)工作，直至啟動(dòng)成功，重復(fù)啟動(dòng)電路停止工作。開始啟動(dòng)時(shí)，555 定時(shí)器的DISC腳處于截止?fàn)顟B(tài)，比較器LM324A輸出一個(gè)高電 9西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 平信號，二極管D26 截止，VCC通過電阻R35 對電容C21 充電。LM324B輸入端電壓升高，LM3

42、24B對電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出一個(gè)較小的電壓到逆變觸發(fā)電路VCO IN端，控制逆變觸發(fā)脈沖的頻率從高到低逐漸減小，實(shí)現(xiàn)掃頻的過程。 圖 2.7 掃頻式零壓軟啟動(dòng)電路圖 2.4 半橋串聯(lián)諧振逆變電路控制系統(tǒng)輔助電路設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)選用 TI 公司的 TMS320F2812 DSP 作為主控芯片， 選用 DSP 的優(yōu)點(diǎn)在于其控制方法比較先進(jìn)，控制方式靈活，可以修改控制算法，節(jié)省成本，維護(hù)方便，可以通過 RS232 或者 USB 接口與上位機(jī)進(jìn)行連接，對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試以及故障診斷。它可以提高逆變器的智能化程度，將低了生產(chǎn)成本。 TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812 DSP是一款功能比較齊全的數(shù)字信號處理器，

43、它具有以下顯著的特點(diǎn)293031： （1）主頻高達(dá) 150MHz，指令周期減少到 6.67ns，提高了 DSP 的實(shí)時(shí)控制能力； （2）采用高性能靜態(tài) CMOS 技術(shù)，I/O 引腳電壓為 3.3V，降低了 DSP 的功耗； （3） 采用低電壓供電， 主頻為 135MHz 時(shí)， 內(nèi)核電壓為 1.8V， 主頻為 150MHz時(shí)，內(nèi)核電壓為 1.9V； （4）片內(nèi)自帶有 Flash、 SRAM，可以減少外部電路，節(jié)省成本； （5）外部存儲(chǔ)器接口，最多可擴(kuò)展 1M16b 的存儲(chǔ)空間； （6）眾多的外部設(shè)備：如 SCI、SPI、CAN、EV、ADC 等； （7）56 個(gè)可控制的通用 GPIO 口，方便控

44、制外部設(shè)備； （8）12 位的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊，最高轉(zhuǎn)換速率為 80ns/12.5Msps； （9）具有實(shí)時(shí)分析以及設(shè)置斷點(diǎn)的功能，支持硬件仿真； 10 西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 （10）集成開發(fā)環(huán)境為 Code Composer Studio，CCS，JTAG 仿真器。 系統(tǒng)以 DSP 為核心控制器，采樣電路將直流電流、中頻電流和中頻電壓等采樣信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過控制系統(tǒng)外圍電路，送入到 DSP，對信號進(jìn)行分析處理后，輸出到控制電路，對中頻感應(yīng)加熱電源的工作狀態(tài)進(jìn)行協(xié)調(diào)，使系統(tǒng)工作在穩(wěn)定狀態(tài)。對負(fù)載的工作頻率進(jìn)行跟蹤，通過數(shù)字化的數(shù)字鎖頻鎖相環(huán)調(diào)整逆變電路中晶閘管的觸發(fā)脈沖，使其工

45、作頻率隨負(fù)載頻率變化而變化，減小開關(guān)損耗，防止晶閘管的直通現(xiàn)象。對負(fù)載過電壓、過電流、欠電壓現(xiàn)象進(jìn)行檢測，如有意外發(fā)生，及時(shí)對異常現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)節(jié)或者切斷電源，保護(hù)設(shè)備及操作人員安全。 逆變主電路的控制系統(tǒng)框圖如圖 2.8 所示，控制系統(tǒng)主要由數(shù)字控制系統(tǒng)和外圍接口電路兩部分組成。 外圍電路將數(shù)字控制電路與外部的被控系統(tǒng)進(jìn)行連接，將逆變主電路中需要進(jìn)行控制的中頻電流信號、 中頻電壓信號、 過零點(diǎn)檢測信號、峰值檢測信號以及直流電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂破魉m合的信號，輸入到控制器，數(shù)字控制電路對這些采樣信號進(jìn)行相應(yīng)的分析處理，將其輸出到外圍接口電路，外圍接口電路將控制信號發(fā)送到外部電路，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。

46、 中頻電壓采樣電路中頻電流采樣電路直流電流采樣電路頻率跟蹤電路驅(qū)動(dòng)電路過壓保護(hù)電路欠壓保護(hù)電路晶閘管A/DA/DCAPXINT1XINT2PWM過零點(diǎn)檢測電路峰值檢測電路過流保護(hù)電路圖 2.8 中頻感應(yīng)加熱電源控制系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)的主要功能配置為：ADC0 作為中頻輸出電流過零點(diǎn)信號的采樣通道，ADC1 作為中頻輸出峰值信號的采樣通道，PWM 口輸出相應(yīng)的晶閘管驅(qū)動(dòng)信號；逆變器控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)之間的通訊是由 DSP 的串行通訊模塊(SCI)來實(shí)現(xiàn)；在過電流和過電壓等情況下，DSP 的 PDPINT 管腳封鎖所有控制驅(qū)動(dòng)信號輸出。 中頻感應(yīng)加熱電源在實(shí)際運(yùn)行過程中， 會(huì)遇到過壓、 過流或過熱等各種

47、故障，導(dǎo)致器件的損壞或者設(shè)備無法正常運(yùn)行。對這些異?，F(xiàn)象需要采取防范的措施，減少其發(fā)生的概率，有效的保護(hù)電源的正常運(yùn)行，減少經(jīng)濟(jì)損失。保護(hù)電路主要是對輸出的中頻電壓和輸入的直流電流是否過高進(jìn)行檢測，同時(shí)也要在系統(tǒng)發(fā)生 11西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 故障時(shí)，快速做出反應(yīng)，及時(shí)停止設(shè)備或者修改調(diào)整異常情況。 2.4.1 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 時(shí)鐘電路如圖 2.9 所示，F(xiàn)2812 DSP 本身自帶有鎖相環(huán)功能，可以和外部一個(gè)低頻率的時(shí)鐘合成片內(nèi)時(shí)鐘。通過計(jì)算機(jī)的軟件編程對系統(tǒng)的控制和狀態(tài)寄存器(SCSR1)的值進(jìn)行修改，從而改變鎖相環(huán)的倍頻數(shù)。時(shí)鐘電路采用的是有源晶振，它相對于無源晶振而言

48、，抗干擾性較強(qiáng)，可以盡量使用片內(nèi)鎖相環(huán)功能，降低外部時(shí)鐘的頻率，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定的工作。 2314U110MC51R46C51L33+3.3VDXTAL1 圖 2.9 時(shí)鐘電路 2.4.2 復(fù)位電路設(shè)計(jì)復(fù)位電路設(shè)計(jì) DSP 的復(fù)位電路如圖 2.10 所示，系統(tǒng)采用 MAX811 芯片，采用手動(dòng)方式對DSP 進(jìn)行復(fù)位，在系統(tǒng)檢測外部電源電壓不穩(wěn)定的情況下，也可以采用自動(dòng)的方式對 DSP 進(jìn)行復(fù)位。當(dāng)外部電源的電壓小于 2.93V 時(shí)，復(fù)位電路產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號，發(fā)送到 DSP 中，復(fù)位引腳接受到信號時(shí)，對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，同時(shí)也可以通過按鈕 SW-PB 手動(dòng)進(jìn)行復(fù)位。復(fù)位電路只是對外部電源電壓的檢測低于

49、 DSP 的供電電壓時(shí)，對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。另外還有一種自動(dòng)復(fù)位信號是通過看門狗定時(shí)器發(fā)出的，當(dāng)定時(shí)器發(fā)生溢出時(shí)，便會(huì)發(fā)送一個(gè)信號到復(fù)位引腳，將其拉低為低電平，從而對 DSP 進(jìn)行復(fù)位。 GND1VCC4MR3RST2U3MAX811-EUS-T+3.3VDR379C52JP4SW-PB 圖 2.10 復(fù)位電路 2.4.3 電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) F2812 的供電電壓是 3.3V，但是一般情況下器件的供電電壓是 5V，5V 供電 12 西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 器件與 DSP 連接時(shí)，通常要將其輸出的信號進(jìn)行一個(gè)電平轉(zhuǎn)換，將 5V 電壓轉(zhuǎn)換為 3.3V 電壓后，才可以輸入到 DSP

50、，對信號進(jìn)行處理。電平轉(zhuǎn)換電路如圖 2.11所示。 VCCA1DIR2A13A24A35A46A57A68A79A810GND11GND12GND13B814B715B616B517B418B319B220B121OE22VCCB23VCCB24U8SN74LVC4245C34+3.3VDC35DGND+5VDDGNDDGNDPWM1 5VPWM2 5VPWM1PWM7 5VPWM2PWM8 5VPWM7PWM9 5VPWM8PWM10 5VPWM9PWM11 5VPWM10PWM12 5VPWM11PWM12 圖 2.11 電平轉(zhuǎn)換電路 了解清楚各種器件的電壓范圍以及電平的門限值之后， 對器

51、件進(jìn)行連接。 DSP的管腳電平的門限值與普通 5V 器件的門限值是一致的，因此 DSP 的輸出信號可以直接輸入到 5V 器件中，但是 5V 器件輸出信號要輸入到 DSP 中，需要經(jīng)過74LVC4245A 處理后才能輸入到 DSP 中。如果將 5V 器件的輸出不經(jīng)過處理，直接接在 DSP 的管腳上，會(huì)導(dǎo)致 DSP 工作發(fā)生異常甚至損壞 DSP。 2.4.4 外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器接口電路設(shè)計(jì)外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器接口電路設(shè)計(jì) 在實(shí)際的調(diào)試過程中，通常需要通過外部的存儲(chǔ)器對 DSP 的存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)展，采用 ISSI 公司的 IS61LV25616AL 作為外部存儲(chǔ)器，對數(shù)據(jù)和程序進(jìn)行存儲(chǔ)，IS61LV25616A

52、L 具有 16 位、256K 的存儲(chǔ)空間，是一個(gè)高速的靜態(tài) RAM，并且與 DSP 供電電壓一樣都是 3.3V，其接口電路如圖 2.12 所示。 13西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 I/O07I/O18I/O29I/O310I/O413I/O514I/O615I/O716I/O829I/O930I/O1031I/O1132I/O1235I/O1336I/O1437I/O1538OE41UB40LB39CE6WE17NC28GND34GND12VCC33VCC11A1744A1643A1542A1427A1326A1225A1124A1023A922A821A720A619A518A45A34A2

53、3A12A01U11IS61LV25616ALC29+3.3VDGNDA13A10A15A5A2A0A1A3A4A6A7A8A9A11A12A14D5D10D13D15D2D0D1D3D4D6D7D8D9D11D12D14PSWERDGND 圖 2.12 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路 2.4.5 數(shù)數(shù)/模轉(zhuǎn)換模轉(zhuǎn)換(D/A)電路設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì) 由于 F2812 中自帶有 A/D 轉(zhuǎn)換模塊，模擬信號可以直接輸入到 DSP 的 A/D模塊，經(jīng)過 DSP 內(nèi)部轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)行處理。在 DSP 輸出控制信號到外部電路時(shí)，需要將其轉(zhuǎn)換為模擬信號，因此，主要對 D/A 轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。 D/A 轉(zhuǎn)換模塊采用 TI 公

54、司的 DAC8532 芯片進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，它具有 16 位的轉(zhuǎn)換精度，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 10s，轉(zhuǎn)換速度為 100kHz，供電電壓為 2.7V5.5V，通過串行接口進(jìn)行控制。DAC8532 的參考電壓的精度會(huì)直接影響到輸出電壓的精度，要提高它的精度首先應(yīng)提高參考電壓的精度，利用 REF02 來產(chǎn)生高精度的 5V 參考電壓。D/A 轉(zhuǎn)換電路如圖 2.13 所示，SCLK、SYNC、DIN 三個(gè)控制線都由 DSP直接輸入，采用串行控制方式。 IC1IN2TMP3GND4IC8IC7OUT6TRIM5U15REF02C30C31C325VAGNDAGND12VVDD1GND8VREF2VOUTB3VOUT

55、A4DIN7SCLK6SYNC5U16DAC8532DAC1OUTDAC2OUTDADIN1DACLK1SYNC1 圖 2.13 D/A 轉(zhuǎn)換電路圖 14 西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 2.4.6 通信接口電路設(shè)計(jì)通信接口電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可以通過 RS232 接口或 USB 接口對程序進(jìn)行修改、調(diào)試，查詢故障，對故障進(jìn)行診斷，同時(shí)對故障進(jìn)行記錄，也可以通過通信接口電路對控制參數(shù)進(jìn)行在線修改。通過 RS232 接口，用戶可以對存儲(chǔ)器中的工作記錄進(jìn)行下載，也可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。PC 的串口電壓為-15V+15V，DSP 引腳電壓為3.3V， 因此在 PC 與 DSP 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)， 應(yīng)

56、該先通過一個(gè)電平轉(zhuǎn)換器 SN75176B將 DSP 的 SSCIRXDB 和 CITXDB 腳的輸出信號轉(zhuǎn)換為 RS232 信號，通信接口電路如圖 2.14 所示。 R68V7R72U1CU1DR70R69V9R71R73R63L1L2V8R64RO1R66R65R67RE2DE3DI4GND5A6B7VCCU58CN1-109GNDCN1-3GND1GND1+5VGND1CN1-2TB-1TB-21213118VCCGND+5VGNDGNDVCCGND1+5V+5V 圖 2.14 通信接口電路 2.4.7 直流過流檢測保護(hù)電路設(shè)計(jì)直流過流檢測保護(hù)電路設(shè)計(jì) 直流電流輸入逆變器，如果電流過高會(huì)影

57、響逆變電路的性能，直流輸入端過流檢測電路圖如圖 2.15 所示。由 555 定時(shí)器對直流輸入電流是否過高進(jìn)行檢測，將采集到的直流電流轉(zhuǎn)換成一個(gè)電壓信號，發(fā)送到U7 的THR腳。當(dāng)檢測到THR腳上的電壓大于 2/3VCC時(shí)，說明直流輸入電流過高，此時(shí)OUT腳輸出信號為 0，發(fā)送一個(gè)信號到DSP，DISC引腳接地，二極管被點(diǎn)亮，示意直流輸入電流過高。 TRIG2OUT3RST4CVOLT5THR6DISC7VCC8GND1U7NE555PR60R59C28C27IdVCCR61VCCXINT2 圖 2.15 直流輸入電流過流檢測電路圖 15西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 2.4.8 中頻電壓過壓檢測

58、保護(hù)電路設(shè)計(jì)中頻電壓過壓檢測保護(hù)電路設(shè)計(jì) 中頻感應(yīng)加熱電源輸出電壓過高會(huì)對負(fù)載線圈造成一定的損害，中頻電壓經(jīng)過采樣后送入到中頻電壓過壓檢測電路中， 中頻輸出端過壓檢測電路如圖 2.16 所示。輸入的中頻電壓信號，經(jīng)過一個(gè)二極管整流，并且由電阻R58 進(jìn)行分壓，減小電壓至適合 555 定時(shí)器的電壓，送到THR引腳，當(dāng)THR引腳上電壓大于 2/3VCC時(shí)，OUT引腳輸出信號為 0，表示中頻電壓過高，給出一個(gè)保護(hù)信號送入到DSP，控制系統(tǒng)減小輸出的中頻電壓，同時(shí)DISC引腳接地導(dǎo)通，使發(fā)光二極管發(fā)光，起到警示作用。 TRIG2OUT3RST4CVOLT5THR6DISC7VCC8GND1U6NE55

59、5PR58C25C26U0R55VCCVCCR57XINT2 圖 2.16 中頻輸出電壓過壓檢測電路圖 2.4.9 故障及封鎖保護(hù)電路設(shè)計(jì)故障及封鎖保護(hù)電路設(shè)計(jì) DSP 檢測到保護(hù)電路的異常信號后，發(fā)送信號到故障機(jī)封鎖電路，故障及封鎖電路如圖 2.17 所示， DSP 發(fā)送封鎖信號、 故障信號以及過熱信號到與非門 U9A，同時(shí)復(fù)位封鎖信號也輸入到與非門中，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，停機(jī)狀態(tài)二極管被點(diǎn)亮，發(fā)送一個(gè)封鎖脈沖，對設(shè)備進(jìn)行保護(hù)調(diào)整或者直接停機(jī)。 R53C24R54LOCK1231213U9A封鎖信號中頻電壓過高故障信號直流電流過高故障信號復(fù)位封鎖信號 圖 2.17 故障及封鎖電路圖 2.5 本

60、章小結(jié) 本章主要是對中頻感應(yīng)加熱電源的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，通過對不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的逆變電路進(jìn)行分析，選擇半橋串聯(lián)逆變電路作為研究的主電路。對逆變器的啟 16 西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 17動(dòng)電路進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，同時(shí)采用 TMS320F2812 DSP 對為主控芯片，對控制系統(tǒng)輔助電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。 西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 自然關(guān)斷點(diǎn)檢測與負(fù)載頻率跟蹤研究 半橋串聯(lián)諧振逆變電路中，當(dāng)流過晶閘管的電流減小到零時(shí)，晶閘管就可以實(shí)現(xiàn)自然關(guān)斷。在晶閘管關(guān)斷之后，再去觸發(fā)半橋串聯(lián)諧振逆變電路的另一只晶閘管導(dǎo)通，可以防止直通現(xiàn)象產(chǎn)生，對電路起到一個(gè)保護(hù)的作用。因此，設(shè)計(jì)一種晶閘管自然關(guān)斷點(diǎn)檢測電路，通過