（控制理论与控制工程专业论文）基于智能控制的超音频感应加热电源的研制.pdf

摘要 本文主要研究串联谐振式i g b t 超音频感应加热电源的控制方 法。首先简要的介绍了感应加热的基本原理和工作特点。经过对串联 谐振、并联谐振以及其它谐振形式的感应加热电源的分析与比较，提 出选用串联谐振式负载回路，以i g b t 构成逆变器的整体方案。然后 对常用的锁相环控制方法进行了详细的分析，并且指出其控制上存在 的缺陷。通过对感应加热负载的分析，决定在保留锁相环的前提下， 引入新颖的模糊神经控制技术对其加以改进。通过仿真研究对采用各 种控制算法的控制效果进行了分析和比较。仿真结果从理论上很好的 验证了该方法的合理性。在此基础上，设计并制作出以锁相环 7 4 h c 4 0 4 6 为主，单片机8 0 c 19 6 k c 为辅的智能型逆变器控制电路和 保护电路。此外对i g b t 瞬态保护问题进行了较为深入的研究。最后 对控制器进行加热实验证明其性能良好。论文的最后，给出了电源各 部分的实拍波形。 关键词：感应加热串联谐振 i g b t锁相环模糊神经 单片机 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h ec o n t r o ls t r a t e g i e so fu l t r a - a u d i o - - f r e q u e n c y i n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l yo fs e r i e sr e s o n a n tt y p ei n v e r t e ru s i n gi g b t f i r s t l y t h ew o r k i n gp r i n c i p l e so fi n d u c t i o nh e a t i n ga n di n v e r t e ra r eb r i e f l y i n t r o d u c e d a f t e rt h ep a r a l l e lr e s o n a n tt y p e ，s e r i e sr e s o n a n tt y p ea n do t h e r r e s o n a n tt y p ei n v e r t e r sf o ri n d u c t i o nh e a t i n ga r ec o m p a r e da n da n a l y z e d ，t h e w h o l es y s t e ms c h e m ei sp u tf o r w a r d t h e nt h et h e o r yo fp h a s el o c k e dl o o pi s a n a l y z e di nd e t a i l ，a n di t sd i s a d v a n t a g e sa r ea l s ol i s t e d b a s e do nt h ec a r e f u l a n a l y s i so ft h ei n d u c t i o nl o a d n o v e lf u z z y n e u r oa p p r o a c hi si n t r o d u c e dt o i m p r o v ei t sp e r f o r m a n c e s e v e r a lk i n d so fc o n t r 0 1s c h e m e sa r e s i m u l a t e da n d c o m p a r e di ns i m u l i n ke n v i r o n m e n t ，w h i c hp r o v e st h er i g h to ft h ec o n t r o ls c h e m e t h ec o n t r o l l e rb a s e do nc m o sp h a s el o c k e dl o o p ( 4 0 4 6 ) i sd e s i g n e d ，w h i c hi s s u p p o r t e db ym i c r o p r o c e s s o r ( 8 0 c 1 9 6 k c ) a l lk i n d so fr e q u i r e dp r o t e c t i v e c i r c u i t sa r ec a r e f u l l yd e s i g n e d t h et r a n s i e n tp r o t e c t i o no fi g b ti sa l s ob e e n s t u d i e d s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o l l e rw o r k sw e l l i nt h ee n do ft h i sp a p e r ，w a v e s h a p ep h o t o so fe v e r yp a r ta r ep r o v i d e d k e y w o r d s ：i n d u c t i o nh e a t i n g s e r i e sr e s o n a n ti g b tp l lf u z z y n e u r o m i c r o p r o c e s s o r 第一章概述 1 - 1 感应加热原理及现状【7 】【1 0 】 1 1 1 感应加热的基本工作原理 感应加热是利用电磁感应的原理将电能转变成熟能。在一个金属导体外面 套上一个匝数为n 。的线圈，如图卜1 ，当交变电流i 。通入感应圈时，感应圈内 就会产生交变磁通巾，使感应圈中的工件受到电磁感应而产生感应电势e 。设 工件的等效匝数为n ：。 0 3 6 图卜1 感应加热原理 图卜2 涡流的分布 则感应电势 p ：一，掣 ( 1 一1 ) 出 如果磁通由是交变的，设由= 巾。s i n w t ，则 一2 警一2 叩c o s r ( 1 - 2 ) e 的有效值为 e = 4 ，4 4 f n 2 0 。 ( 1 3 ) 感应电势e 在工件中产生感应电流i 。，i 。使工件内部( 更确切地是指工件 表面的电流透入深度层) 开始加热，其焦耳热为： q = o 2 4 1 ；r t ( 卜4 ) 式中i ：一感应电流有效值( 安培) r 一工件电阻( 欧姆) t 一时间( 秒) 这就是感应加热的原理。它与别的的加热方式，如燃气加热、电阻炉加热 等不同，它把电能直接送到工件内部转变成热能而将工件加热，其它的加热方 式是先将表面加热，然后通过热传导加热内部。金属中产生的功率为： p = e 1 c o s o = 4 4 47 ，巾。1 c o s 中( 1 5 ) 感应加热和发热功率不仅与频率和磁场强度有关，而且与工件的截面大小、 截面形状等有关，还与工件本身的导电、导磁等特性有关。 感应加热设备中存在三种不同的物理效应： 集肤效应：当交流电通过导体时，沿导体截面上的电流分布是不均匀的， 最大电流密度出现在导体的表面层。 邻近效应：当两根通有交流电的导体靠的很近时，在相互影响下，两导体 中的电流要作重新分布。 圆环效应：当交流电通过圆环形线圈时，最大电流密度出现在线圈导体的 内侧。 感应加热电源就是综合利用这三种效应的设备。在感应圈中置以金属工件， 感应线圈两端加上交流电压，产生交流电流i ，在工件中产生感应电流i ：。此 两电流方向相反，情况与两根平行母线流过方向相反的电流相似。当i 。和i 互相靠拢时，线圈和工件表现出邻近效应，结果，电流i ，聚集在线圈的内侧表 面，电流i ，聚集在工件的外表面。这时线圈本身表现为圆环效应，工件表现为 集肤效应。 交变磁场在导体中感应出来的电流亦被称为涡流。由电磁场理论可知，工 件中的涡流由于集肤效应，沿横截面由表面至中心按指数规律衰减，如图卜2 所示。工程上规定，当涡流强度从表面向内层降低到其数值等于最大涡流强度 i 。的3 6 8 ，即i 。e 时，该处到表面的距离称为电流透入深度。由于涡流所产 生的热量与涡流的平方成正比，因此由表面至芯部热量下降速率要比涡流下降 速率快的多，可以认为( 8 5 9 0 ) 的热量集中在厚度为的薄层内。 透入深度由下式确定： =j = j 硝( 卜6 ) 式中p 一工件电阻率( q m ) ，u 一工件磁导率( h m ) ，u 。真空磁导率 4 1 0 7 ( h m ) ，u ，一工件相对磁导率，c i ) 一角频率( r a d s ) ，f 频率( h z ) ， 一透入深度( m m ) 。 将u 。和n 的数值代入，即可得常用公式： 心咖历 ， 在加热过程中，金属材料的电阻率p 和工件相对磁导率u ，都是变化的，所 以a 也是变化的。对于钢，在i 程实践中常采用下面的简化公式： 冷态( 2 0 c ) 时 = ( 1 - 8 ) 热态( 8 0 0 ) 时， = 5 0 少厅 ( 1 9 ) ，、j 如果加热时间较长，则应加上由于热传导引起的附加透入深度，： 卟o ( 1 - 1 0 ) 式中t 一时间( 秒) 。 从式( 卜7 ) 可以看出。当材料电阻率p 和工件相对磁导率u ，给定后，透入 深度仅与频率f 的平方根成反比，因此可由频率f 来控制。也就是说工件的 加热厚度可以方便地通过调节频率来加以控制。频率越高，工件的加热厚度就越 薄。这种性质在工业上金属热处理方面获绳了广泛的应用。 感应加热的最大特点是将工件直接加热，其优点是工人劳动条件好，工件加 热速度快，温度容易控制，加热过程中不会混入杂质及金属烧损少等，因此应用 日益广泛。目前主要应用在淬火、透热、熔炼、钎焊和烧结等场合。 卜卜2 国外感应加热技术的发展与现状 电力电子技术是电工技术的分支之一。应用电力电子器件和以计算机为代表 的控制技术，对电能特别是大功率进行处理和变换，是电力电子的主要内容。可 以认为，它包括下面三部分： ( 】) 元器件( 电力电子器件、磁元件、及电容器等) 。 ( 2 ) 电力电子( 功率) 变流( 换) 技术。包括改变频率、电压、电流( 量值与 类型变换) 及变换相数等。 ( 3 ) 控制技术、微电子技术与电力电子技术结合，实现智能控制。 构成感应加热电源的整流器和逆变器是比较典型的电力电子电路，它们的技 术紧随着电力电子技术的发展而发展，并且标志着整个电力电子技术的水平和现 状。自从第一台晶闸管感应加热电源出现直到七十年代，由于电力电子技术尚处 于传统技术阶段，感应加热电源中的整流、逆变全由晶闸管组成，工作频率低， 噪音高，控制系统一般采用分立元件构成，这段时期的技术发展主要是容量的扩 大和控制手段的提高，采用较复杂的电路拓扑结构来提高工作频率。 七十年代后期，以大功率晶体管、门极可关断晶闸管和功率场效应晶体管 为代表的全控型功率半导体器件的商品化，使电力电子技术出现了一次飞跃。进 入八十年代以后，半导体工艺日渐成熟，并不断产生新技术，出现了大功率半导 体器件模块，使电力电子装置的体积大为减小，而且极大地提高了效率和可靠性。 在八十年代后期，不仅已有的g t r 、p o w e rm o s f e t 容量不断地提高，而且 涌现出绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 、静电感应晶体管( s i t ) 、静电感应晶闸管 ( s i t h ) 、m o s 控制晶闸管( m c t ) 等新型自关断器件，它们为全固态中、高 频感应加热电源的推广和普及提供了条件。i g b t ，s i t h 在几十千赫兹频段内得 到了大量应用，而s i t 、m o s f e t 则在1 0 0 k h z 以上频段向传统的电子管式感应 加热电源发起了挑战。 目前，国外在中高频感应加热电源的全固态化方面已取得了重大进展。西 班牙采用g t r 制成的感应加热电源的技术指标为5 0 k h z 2 5 k w ，i g b t 为 5 0 k h z 2 0 0 k w ，m o s f e t 为2 0 0 k h z 2 0 0 k w ，日本采用s i t h 为6 0 k h z 1 0 0 k w ，s i t 为 1 0 0 k h z 3 0 0 k w 和2 0 0 k h z 2 0 0 k w 。从这些技术指标可以看出，全固态中高频感 应加热电源已经能够替代电子管式高频电源，有着良好的应用前景。 1 1 3 国内感应加热技术的发展与现状： 国内很早就开始了感应加热电源的研制工作。浙江大学于七十年代研制成 我国第一台1 0 0 k w 1 k h z 晶闸管并联逆变式中频电源。然后陆续由一些单位生 产，截止目前已形成1 k h z 、2 5 k h z 、8 k h z 三个标准系列，在厂矿企业得到了 广泛的使用。近年来，一些单位开发了基于集成电路控制和单片机控制的中频电 源，在提高中频电源起动成功率和负载适应性方面取得了一些成绩。然而，和国 外相比，国内还有不少差距。在容量上，中频电源国外最高容量为1 0 m v a ，而 国内为2 m v a 。在控制技术手段上，国外大量采用集成电路，数字显示，微机控 制，国内则大部分是分立元件和继电器控制，只有少部分采用集成电路控制，采 用微机控制的则更少。在工作频率上，国外基本没有空白，可满足不同用户的要 求，而国内1 0 k h z 1 0 0 k h z 基本属于空白，1 0 0 k h z 以上以电子管式为主。在生 产手段上，国外一般采取标准化大规模生产，而国内仍处于手工业作坊阶段，工 艺落后，外观质量差。 长期以来，国内中高频感应加热电源为电子管式设备，在技术上已经落后。 其主要问题是自动化程度低，可靠性差，电子管使用寿命短，操作不安全，特别 是由于其变换效率只有5 0 6 0 ，造成能源的极大浪费，再加上需要庞大的软 化水冷却设备、大型升压变压器、灯丝变压器等设备，因而其体积大，占地面积 大，维护费用高，使用时，电子管灯丝需要预热，无法频繁地启动。 与电子管式高频电源相比，全固态中、高频电源有着无可比拟的优点，它 可以频繁启动，控制灵活，体积小，重量轻，可靠性高，使效率从5 0 提高到9 0 ， 节省了大量电能，省去了庞大的升压变压器及灯丝变压器，大大减少了冷却用水， 正是这许多优点使得全固态中高频电源在感应加热领域中得以迅速发展。 九十年代以来，各国竞相利用i g b t 开发高频感应加热电源，在这方面，欧 洲和日本已经走在了前面，现在，几十千瓦4 0 k h z 的i g b t 全固态电源已经实用 化，而5 0 k h z 的电源也已有了样机，我国的天津高频设备厂引进日本的全套技 术已生产出3 0 k h z 2 5 0 k w 的全固态电源。同时，各个科研院所和大专院校也投 入大量的人力物力对i g b t 在这方面的使用进行研究，如浙江大学已取得较好的 成果。 电力电子装置的发展离不开控制和驱动。不同的电力电子器件对驱动电路有 不同的要求。 以往电力电子装置大多采用p i d 模拟控制，其主要缺点是温漂大、调整不方 便。现在微( 单片) 机技术已经大量运用，使得控制性、可靠性和精度大大提高。 自适应控制、多变量控制和分布式控制是电力电子系统控制发展的方向，其优点 是可将多种控制功能集成在一个系统中或者把系统简化。智能控制和模糊控制也 是发展方向。现在的主要方向是针对不同的器件发展专用的集成块。集成的各种 脉冲发生器、变换器几乎都有产品。美国的i r 公司是世界上电力电子器件主要 的生产和供应企业，他们现在在推出新的电力电子器件的同时一起推出器件的专 用驱动集成电路。 控制电路经历了由模拟控制，数字控制到计算机网络控制；由定时( 定状 态) 到实时在线控制；由硬件一对一台装置控制到软件一对一批装置控制。大装 置和复杂系统则用p l c ，单片机和计算机网络构成的计算机网络控制。这样一 种格局能够将现代控制理论引入到电力电子装置中去，为控制方法提供了无限广 阔的发展空间，新的各具特色的控制策略和控制算法层出不穷，成为研究的一个 重点。 计算机辅助设计软件已经从单纯地绘制电路图、多层印制板自动布线发展 到电路瞬态过程分析、热场分析、电磁干扰分析、谐波分析、模拟实验等。这使 得电力电子装置在设计阶段就能对装置进行优化并对其运行情况心中有数。 功能优越、种类繁多的通用、专用的集成块，功能越来越强大的p l c 、单 片机、微型计算机，日益完善的计算机辅助设计软件正在改变人们传统的设计模 式。电力电子领域的设计革命已经开始。 l - 2 模糊逻辑和神经网络控制的发展现状 近年来，随着控制技术的飞速发展，电力电子装置中采用的控制方法也发生 了巨大的变化。智能控制是个重要的发展方向。 经过几十年的发展，模糊逻辑和神经网络这两大研究领域都取得了巨大的成 就。神经网络具有并行计算、分布式信息存储、容错能力强及具备自适应学习功 能等优点，但它不适于表达基于规则的知识；模糊系统正相反，它比较适于表达 基于规则的知识，但自适应地调整模糊系统的规则比较困难。而将模糊逻辑和神 经网络适当地结合起来，吸取二者的长处，组成比单独采用两者性能更好的模糊 神经网络系统，已经成为智能控制和智能自动化领域的研究热点n “。 有关模糊神经网络的想法是由s c l e e 及e t l e e 首先提出的( 1 9 7 4 ，1 9 7 5 ) ， 他们基于o 1 之间的中间值，推广m p 模型。1 9 9 0 年t a k a g i 在一篇综述文章中 讨论了神经网络与模糊逻辑的融合问题，但当时除了k e l l e r ( 1 9 8 5 ) 提出在感知 机中加入隶属函数及y a m a k a w a 的模糊神经元( 1 9 8 9 ) 外，有关的研究工作很少。 此后，y a m a k a w a ( 1 9 9 0 ，1 9 9 2 ) ，特别是g u p t a ( 1 9 9 0 1 9 9 2 ) 提出了大量的模糊 神经元模型。但大量的工作主要集中在网型和学习算法上。如c c l e e 及 h r b e r e n j i 基于近似推理和再励学习的a r i c ( 1 9 8 9 1 9 9 2 ) 及g a r i c ( 1 9 9 2 1 9 9 4 ) 。美国早在1 9 8 8 年就召开了由n a s a 主持的“神经网络与模糊系统”的国 际研讨会，其后这方面的研究工作在美国、日本、法国、加拿大、新加坡等国蓬 勃开展起来，成果大量涌现。1 9 9 2 年i e e e 召开了有关模糊神经网络的国际会议， 美国南加州大学的b k o s k o 出版了该领域的第一本专著神经网络与模糊系统， 模糊数学的创始人z a d e n 和神经网络的权威a n d e r s o n 分别为该书作序，在国内 外引起很大的反响。目前，模糊神经网络的研究热潮方兴未艾，并已取得很多理 论和应用成果。由李晓忠、汪培庄、罗承忠编著的模糊神经网络已于1 9 9 4 年出版，这是国内该领域的第一本专著。 常用的采用神经网络实现的模糊系统有以下两种结构：基于标准模型的模 糊神经网络，基于t a k a g i s u g e n o 模型的模糊神经网络。 模糊神经网络虽然也是局部逼近网络，但是它是按照模糊系统模型建立的，网 络中的各个结点和所有参数均有明显的物理意义，因此这些参数的初值可以根据 系统的模糊或定性的知识来加以确定，然后利用上述的学习算法可以很快收敛到 要求的输入输出关系，这是模糊神经网络比前面单纯的神经网络的优点所在。同 时由于它具有神经网络的结构，因面参数的学习和调整比较容易，这是它比单纯的 模糊逻辑系统的优点所在 3 “。 目前，神经网络技术在电力电子技术中的应用主要在系统控制和故障诊断两 个方面。 1 3 1 选题意义 1 - 3 选题意义、目的和任务 国内1 0 k h z l0 0 k h z 的大容量全固态感应加热电源十分缺乏，根据 调研，尽管目前国内已有几个厂家正在研究和生产超音频感应加热电源，但 都未形成生产规模，无法满足国民经济高速发展的需求。在这种情况下，许 多用户甚至不惜重金直接从外国进口超音频感应加热电源。由此可以看出， 国内发展超音频感应加热电源的前景极好。 本课题选用了i g b t ( 绝缘栅双极晶体管) 作为开关器件。i g b t 被公认为是 当今世界上最有发展前途的新型自关断器件之一，其价格比具有同等容量的 自关断器件如s i t 、s i t h 等都低，所以研究i g b t 的特性和应用具有非常重 要的意义。在i g b t 的诸多应用中，常见的是被应用在变频器、伺服系统、 斩波器、开关电源等领域，工作频率较低，远远没有达到它的最高工作频率， 而本课题将在其高频段进行尝试，以使i g b t 发挥全部潜能，同时，也能给 国内同行提供参考经验。 近年来，微机控制技术飞跃发展，感应加热技术也在飞速发展，先进的逆变 式感应加热电源配上微机控制已成为当今感应加热电源的发展方向。它不但 简化了硬件控制电路，提高抗干扰能力，改善系统的可靠性：而且软件设计 灵活，可以方便地实现各种复杂的控制算法，容易实现一机多用，并可简便 地加以修改和更新以适应感应加热工艺的要求：同时可存贮大量的相关信 息：能实现对整个加热过程的控制、监控和故障诊断。 智能控制技术是当今控制界的研究热点，其重要分支的模糊控制和神经网络 控制技术更是获得极大的发展，无论是理论研究还是实际应用都取得了很多 重要成果。但是它们在感应加热中的应用还较少见。作为两种先进的控制策 略，将两者( 以模糊神经网络的形式) 同传统控制策略相结合应用于感应加 热控制中，是极为有益的尝试。 1 - 3 2 本课题的目的及任务 本课题将研制一种以i g b t 为开关器件，逆变器采用串联型桥式结构，功率 为1 0 k w ，工作频率为1 0 k h z 5 0 k h z 的超音频感应加热电源。控制电路采用以 数字锁相环4 0 4 6 ( 7 4 h c 4 0 4 6 ) 为核心的控制电路，以8 0 c 1 9 6 为辅助控制器， 完成系统的闪频、测频、参数设定、保护和显示等功能。并且研究用软件实现模 糊神经控制器。 具体内容如下： 设计基于8 0 c 1 9 6 的全数字控制器，使其具有一定的通用性，即使该控制器 具有较宽的频率工作范围，以对不同的负载具有通用性。 设计方便友好的人机接口，使其对不同的负载可以进行参数自整定，减少手 动调节环节，以最大程度来方便用户。 学习使用v h d l 语言，使用e d a 技术编制程序实现所需芯片功能。 设计和研究模糊神经网络控制器。 系统整机联调，实验结果分析。 1 - 3 3 课题难点及解决方法 数字化控制器的可靠性设计以及如何提高系统的抗干扰能力。 针对i g b t 的特性，设计功能完善的保护电路，以便有效的保护开关管。( 主 要针对过压、过流、过热、缺相、上下桥臂驱动信号重叠和瞬态保护。) 寻求合适的频率反馈输入信号，以尽可能地减小波形畸变对频率跟踪的影 响。 如何利用模糊控制技术和神经网络技术使控制器对不同的负载具有较宽的适 应性。 第二章电源拓扑结构和原理分析 2 1 负载电路及其特性 感应加热电源的负载是由感应圈和被加热的工件共同组成的，如图l 一1 所 示：感应圈产生的磁通垂直穿过工件的横截面。由变压器原理可知，感应圈和工 件的关系如同一个变压器，感应圈为原边，工件本身既是变压器的铁芯，又是变 压器的副边，副边是单匝，而且是短路的。因此，可以将感应加热电源的感应器 表示为图2 1 所示模型。 r2 图2 1 感应幽等效电路图2 2 感应圈等效电路模型 图2 - 1 可以等效为图2 2 。图中各量为：r ，一初级线圈电阻；l l 一初级线圈 电感；r 。一次级线圈电阻；l 广一次级线圈电感；m 一互感。l j m 一原边的漏感： l ，m 一副边的漏感。 虽然感应器相当于一只变压器，但它的参数却与普通的变压器不完全相同。 由于工件与感应圈通常都有一定的间隙，所以原边的漏磁通很大。其次，在加热 过程中，参数l ，一m 、m 、l ：- m 、r ：等都是变化的。 按图2 2 可以得出： c 7 = j o j ( 1 1 一m m + ，r l + j m ( i l 一，2 ) ( 2 1 ) 0 = j c o ( l 2 一m v 2 + ，2 r 2 + j w m ( 1 l 一，2 ) ( 2 2 ) 由式2 2 得： 厶：黑 ( 2 3 ) ，珊l4 - 见 、 将式2 3 代入式2 1 得： 口扣端m 一笨警 籼工抛t ( 2 - 4 ) 其中： 印 刍 r ；= 月+ 糍 ( z _ s ) = l i 一面o 。2 + m 2 ：l e , ( 2 - 6 ) 因此可将感应加热的负载电路等效为电阻r 。与l 。相串联的电路，如图2 - 3 。从 图2 - 3 简化模型 此图可以求出感应器的功率因数。 c 。s 丸2 丽i r s 丽 图2 - 4 串联电容的负载 当感应线圈中流过电流i ，时，其有功功率为： p l = i ；r s 无功功率为： q l = i ；l s 品质因数为： ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) d ：盟：1 1 2 c o l , ：堕( 2 - 1 0 ) p li i r sr ； 负载的性质不同，其品质因数q 的范围也不同，文献指出感应加热负载均为功 率因数很低的感性负载。为避免浪费大量的能量，在感应加热电源中都采用电容 器来补偿感应器的无功功率，使电源仅供给有功功率，从而提高功率因数，。常 用的补偿方法有以下两种： 1 、电容和负载串联： 采用这种方式补偿时也被称为串联谐振式感应加热电源，由电路理论可知， 必须用电压源才能谐振。此时电路具有以下特点。 ( 1 ) 串联谐振逆变器中电流为正弦波，换流时反并联二极管续流，所以开关 器件承受的反压仅为反并联二极管的正向导通压降，是非常低的，这一特点正是 m o s f e t 、i g b t 等器件要求的。一般这些器件内部都集成有反并联二极管，非 常适合于串联谐振逆变器。使用时可以直接使用这些反并联二极管，而无需再外 加反并联二极管。 ( 2 ) 串联谐振逆变器起动比较简单。因为串联逆变器可以自激工作，也可以 他激工作。但是，他激工作时如果他激频率和负载谐振频率相差比较大，就会使 o 无功电流增大，效率变低，输出有功功率减少，功率器件发热比较严重，在实际 系统中应该注意这个问题。而并联谐振逆变器一般只能工作在他激状态，当工作 频率不等于负载固有谐振频率时，就起动不起来，所以并联逆变器起动前必须预 先测定负载固有谐振频率，然后将触发脉冲频率调整到与其近似相等，才能起动。 起动后。随着工件温度的升高，负载参数发生变化，负载谐振频率也发生变化， 这时如果触发频率不能迅速跟踪谐振频率，将有可能使逆变器停止振荡甚至造成 逆变颠覆，这就要求控制电路必须能够快速而且稳定的工作，从而增加了控制系 统设计的难度。在串联谐振逆变器中就不会发生这种问题，负载谐振频率发生变 化，只会使功率因数角发生变化，输出功率也发生变化，但不会造成停止振荡或 逆变颠覆的后果。 ( 3 ) 在超音频和高频线路中，线路对各种分布参数较为敏感，其中比较重要 的分布参数之一是引线电感。在工业实际应用中，一般负载总是离电源有一定的 距离，即逆变侧负载的两根引出线一般较长。在并联谐振逆变器中，这根引出线 的分布电感将改变负载电路的结构，从而影响逆变器工作，在串联谐振逆变器中， 这个分布电感只会改变串联回路中电感量的大小，而不会影响负载电路的结构。 可以采用集中参数的作法，将这一引出线的分布电感归总为负载感应器的一部 分。因此串联谐振逆变器在负载槽路布线工艺上比并联逆变器要求低，调试更为 简单。 ( 4 ) 串联谐振逆变器采用大电容滤波，当发生上、下桥臂短路故障时，由于 电容电压不会突变，因此瞬时放电电流将会很大，远远超出了功率器件的额定电 流，如果不能在器件的允许短路时间内将器件关断，就会造成器件的永久性损坏。 但是，这一缺点可以通过设计性能优良的短路保护电路，在器件的允许短路时间 内将器件关断，从而避免损坏开关器件。 ( 5 ) 补偿电容耐压要求高。根据市场调研，国内仅有浙江省新安江电力电容 器厂等少数几个厂家能生产这种高频高压的电热电容器，其最高耐压值为 1 0 0 0 v ，所以必须采取措施来降低补偿电容上的电压。 2 、电容和负载并联 采用这种方式补偿时也被称为并联谐振式感应加热电源，由电路理论可知， 必须用电流源才能谐振。此时电路具有以下特点： ( 1 ) 并联谐振逆变器采用大电感进行滤波，在负载发生短路时，由于电感电 流不能突变，所以电流上升率得到抑制，保护起来比较容易，不易损坏功率器件 ( 2 ) 并联谐振逆变器电路由于其负载电路的电感、电容本身构成振荡回路， 因此它对负载的适应能力强，运行较为可靠。 ( 3 ) 并联谐振逆变电路对补偿电容的耐压要求不高，只要达到负载两端正弦 电压的峰值即可。市场上也比较容易买到。 ( 4 ) 并联逆变器换流期间，逆变开关器件有可能承受反压，而可用于超音频 和高频感应加热电源的自关断器件i g b t 、s i t 、m o s f e t 等，它们承受反向压 的能力低。如果用反并联二极管予以保护，则会出现环流，损坏器件。因此，每 一桥臂必须串入与开关器件相同等级的快速恢复整流二极管，以承受反向电压。 但是，这会增大各臂的通态损耗，加上目前国内高压大容量的快速恢复整流二极 管难以买到且价格十分昂贵，因此，从这个方面来看，选用并联谐振逆变器就 不是十分适合了。 ( 5 ) 并联谐振逆变器起动比较困难，起动时间较长。需对滤波大电感预充电， 故控制系统也相对比较复杂。国内从七十年代就开始研制中频并联谐振感应加热 电源，但是到现在仍有人在起动问题上做文章，设计出许多种起动电路，由此可 见并联谐振式加热电源起动的复杂性。这也使得并联谐振逆变器多用于熔炼、透 热等无需频繁起动的场合，而在如滓火等需频繁起动的场合应用的较少。 ( 6 ) 并联谐振逆变器采用大电感滤波，带来了短路保护比较容易的优点，但 同时也带来了缺点：在大功率加热电源中，此大电感的容量非常大，因此体积也 非常庞大，从而使整个装置体积增大。 除了并联谐振和串联谐振两种基本的电路形式以外，人们又设计出许多其它 形式的逆变器，用来提高加热电源的输出频率。这些电路有：改进型并联逆变电 路、倍频逆变电路、并联式时问分割逆变电路、串联式时间分割逆变电路等。这 些逆变电路的结构比单纯的并联谐振和串联谐振电路复杂的多，控制起来也非常 复杂。这些复杂的逆变电路是在七十年代前提出的。当时电力电子技术尚处于传 统技术阶段，各种新型自关断器件都还没有出现，晶闸管的工作频率又是如此之 低，为了适应各种工件的加工需要，于是就产生了上述旨在提高输出频率的逆变 电路。时至今日，各种新型自关断器件层出不穷，工作频率覆盖了所有需要的频 率，使倍频逆变电路、时间分割逆变电路等失去使用价值。也就没有必要再加以 研究【”】。 综合比较串、并联谐振逆变器的优缺点，又考虑到本课题中的电源主要用于 淬火负载，需要频繁起动，决定主要对形式1 进行研究。 电容和负载相串联的电路如图2 - 4 ，显然有以下关系存在： u = u c + u r + u l ( 2 - 1 1 ) u r = 厶r s ( 2 - 1 2 ) 卟工。等( 2 - 1 3 ) i = c 当( 2 1 4 ) d ， 在本课题的仿真分析过程中，逆变器模型采用的是自关断器件( 理想开关) ， 不需要加反压就可关断。实际上，补偿电容选择的大小可使负载电路工作在容性、 感性和阻性状态，但是在超音频和高频串联谐振式感应加热电源中，经常人为的 使电路的感抗略大于容抗，即使负载略处于感性状态。这样不仅可以使功率因数 接近于1 ，还能够避免上下桥臂的直通短路，从而保证电源正常工作。 2 - 2 串联谐振感应加热电源 在这种电源中，负载和电容串联连接。由电路理论可知，当时，必须用电压 源激励才能谐振。可以采用微分方程法、谐波分析法和相平面法对负载电路进行 详尽的理论分析。前几届同学己对此进行过详细的分析，本文就不在重复。仅引 用在连续导电模式下其中的一些结论： l 、开关频率小于谐振频率：1 2 3 1 2 4 i 此时，i g b t 关断是自然的，换相时刻二极管断开是强制的。这种方式下的 逆变器可显著的减少开关损耗。但是反向续流二极管必须选用快速恢复二极管， 同时为了抑制桥路瞬间直通现象，需要在主回路串接小电感，以减小换相电流。 这种方式是逆变器减少开关损耗的推荐工作模式。 2 、开关频率大于谐振频率： 2 3 1 2 4 1 此时，i g b t 关断是强制的，二极管断开是自然的，但i g b t 可在零电流下 导通，同时导通后的电流上升速度受到谐振电路的限制，因此开通损耗很小。同 时二极管在零电流时截止，因此，反向续流二极管可不必选用快速二极管。所以， 这种工作模式适用于开通损耗占优且内部具有慢速二极管的功率器件，这是这种 运行模式的最大优点。 第三章模糊神经网络控制 神经网络具有并行计算、分布式信息存储、容错能力强及具各自适应学习功 能等优点，但它不适于表达基于规则的知识。模糊系统正相反，它比较适于表达 基于规则的知识，但自适应地调整模糊系统的参数则比较困难。模糊神经网络将 两者的长处有机地结合在一起，从而达到更高的性能要求。 3 - 1 模糊系统的神经网络构造实现 假设模糊系统有两个输入x ，和 个模糊集合a l j ，a 玎，a3 j j = 1 ，2 ， 图3 1 隶属函数 彳2 ，( 巧) = x ，个输出y ，对每个输入变量各定义三 它们的隶属函数如图3 1 所示。 为了书写方便，我们用 a i ( x 。) ( i = 1 ，2 ，3 ；j = l ，2 ) 代表第j 个输入变量 ( x ，) 的第i 个模糊集合，同时也代表该模糊 集合的隶属函数。考虑到要用b p 学习算 法，隶属函数必须是可微的，这里采用的 是s ( s i g m o i d ) 函数，各模糊集合的隶 属函数分别是： ll 1 + e x p ( - c o g ( x j - c o ：) ) + 鬲磊可莉 ( 3 - i ) ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) 其中，u 1 。和【i ) 2 e 是s 函数的中心，。决定s 函数的斜度。 由于x ，和x ：各定义了三个模糊集合。所以模糊规则共有九条。规则的类型 根据结论表达式的不同可分为三种：结论为数值，结论为线性函数，结论 为模糊集合【3 】【”。 童一 3 - 1 1 结论为数值 规则的一般形式为r k ：i f x li s a k la n dx 2 i s a k 2 ，t h e ny = y k 。考虑到要用b p 学习算法，模糊推理采用s u m p r o d u c t 方法，即模糊算子也是“可微的”，解模糊 采用加权平均法，模糊系统的输出为： 9t99 y = 觅口。e 瓯= 风瓦 ( 3 - 4 ) k = l 1 k = l女= 】 土 瓦= a 。 ( 3 - 5 ) m = l 其中q 。= a 。( x ) a 。：( x 2 ) 是第k 条规则的激活度，a k 称为平均激活度，它实 际上等于模糊基函数的值。h o r i k a w a 等人提出一个六层前馈模糊神经网络来实 现模糊系统，其结构如图3 2 。图中各层的功能如下： a bcde f y 图3 - 2 模糊神经网络结构图 ( a ) 输入层：空白的圆圈表示在节点内对输入信号未作处理，方框中的1 表 示固定输入。由方框到第二层的权为6 3 。，由圆圈到第二层的权为1 。 ( b ) 偏移层：共有8 个节点，每个节点有两个输入，分别为x ，( 或x ：) 和。( 。1 。 或。2 。) ，在节点内作x 。运算( 见式) ，第二、三层之间的权均为u 。 ( c ) s 函数层：共有8 个节点，每个节点只有个输入u 。( x 。u 。) ，在节点内 计算出s 函数值 l + e x p 一( ) 。( x 一。) ) 。第三、四层之间的权为1 或- 1 。 ( d ) 合成层：共有6 个节点，只有二、五节点内做求和运算，其余四个节点 内未做处理。这6 个节点的输出即是隶属度a i ，( x ) ，i = l ，2 ，3 ，i = 1 ，2 。至此 完成了模糊化的工作。四、五之间的连接权为1 。 ( e ) 规则层：九个节点分别对应九条规则，每个节点有两个输入，在节点内 相乘后再求出平均激活度6 。五、六层之间的权为u 。，即y k ( k = l ，2 ，9 ) 。 ( f ) 解模糊层：只有一个节点，共有九个输入，分别为y 。a 。，求和后即为输 出y 。 由图可见，f m l p 也是多层前馈形结构，在节点内做处理，将知识存储在 权上；但是各层节点甚至同层节点内的运算各有不同，除第三层节点内的运算比 较复杂外，其它各层节点内的运算都很简单：只有三类权系数是可调整的，其它 的权系数都是固定的；权系数有明确的物理意义，可根据经验设计相当好的初值。 3 - 1 2 结论为线性函数 其规则的一般形式为r k ：i f x li sa k la n dx 2 i sa k 2 ，t h e ny = ak o 十qk l x l + dk 2 x 2 仍然采用s u m - p r o d u c t 推理和加权平均解模糊，模糊系统的输出为： 9，99 y = ( a + l 五+ 口k 2 x 2 ) 吼= ( 瓯o + 吼而+ 吼2 x 2 ) 瓦 ( 3 6 ) k = l ， i r lk = l 其中， qk = a k l ( x 1 ) a k 2 ( x 2 ) ( 3 - 7 ) l9 瓦= a , x o 。 ( 3 8 ) ， i 文献指出此类模糊系统的模糊神经网络结构可用9 层网络实现。其中( a ) - ( e ) 五层是实现规则的条件部分，与上图完全相同。( f ) ( j ) 层是实现线性函数f k ( x 。、 x2 ) = ak 。+ ak 。x l + c 1k 2 x 2 。( j ) 层有九个节点，其输出即为f d x 】、x 2 ) 。第k 层将 d k 和f k ( x 。、x 2 ) 相乘，最后在( l ) 层求和输出。 3 1 3 结论为模糊集合 模糊规则的一般形式为r k l ：( i f x li sa k la n dx 2 i sa k 2 ，t h e nyi sb 1 ) i s t k 1 这里b 。是y 的模糊集合，为了简明只定义了两个模糊集合b 。和b ：，隶属 函数采用三角形隶属函数。 设隶属函数b ，和b ：的过零点分别为w 。和w c 2 ，斜率分别为l 肼；和1 m 口， 则它们的方程分别为 b , ( y ) - - b 一彰。) 形。b ：( y ) = p 一形：) 哌： ( 3 9 ) 因为隶属度是单调的，当知道隶属度值u 。时也可以求出其反函数值： 巧1 ) = 吃2 胁+ 形： ( 3 一l o ) 并1 ) = 畋，+ 形， ( 3 1 1 ) 规则中的是第k 条规则当结论为b ，肘趵可信度( t r u t hv a l u e ) ，它是【0 ，1 区 间的值，t 。1 = 1 表示该规则绝对正确，t 。1 = o 表示该规则完全不对。 下面来推导模糊系统的输出，仍采用s u m p r o d u c t 推理和加权平均解模糊， 各规则的激活度为 吼= a k 。g ，) a 。：k ) ( 3 1 2 ) 平均激活度为 ，9 玩= 吼 ( 3 13 ) m t i 在定义当结论为1 时的总激活度为 一= - - “1 ( 3 - 1 4 ) 模糊系统的输出为 y ：杰a ；何- ) 壹口l 。：2 鬲所t 仁；) ( 3 - i s ) 其中： 2 画= o ；a j ( 3 1 6 p = l 对此类模糊系统，h o r i k a w a 等设计的模糊神经网络的结论部分有三类可调 整权系数，它们是( 规则可信度) ，( 输出隶属度过零点坐标) ，( 输出隶属度曲线 斜率的倒数) 。 3 - 2 基于神经网络的模糊自适应控制 模糊自适应控制是模糊控制学科体系中的一根重要支柱，也是当前的研究重 点。经历了二十多年的发展，在这一领域已取得了丰硕的成果，尤其在引入神经 网络的学习方法以后，基于神经网络的模糊自适应控制新方法层出不穷，成为引 入注目的研究热点。从其实现方式来看，可以分为间接法和直接法两大类，间接 法先辨识被控对象的模糊模型，在根据模糊模型来调整模糊控制器的设计参数； 而直接法是根据控制系统的性能指标直接调整模糊控制器的设计参数。从学习方 法来看，有b p 、t b p 、d c l 、r l 、g a 等等。目前的研究成果大多是提出模糊 神经网络模型和模糊自适应控制方法，在学习方法的快速性和收敛性、模糊自适 应控制系统的稳定性和最优性等方面还有待深入的理论研究，而且实际应用也很 少 5 i f “。 7 模型参考自适应控制( m a r c ) 是一种传统的自适应控制方案，它用一个参考 模型输出的误差设计自适应规律实时修正控制器参数，已适应对象参数的变化。 传统的m a r c 只能用于结构已知、参数时变的线性系统，局限性较大。台湾交 大的c h e ny i e - c h i e n 和t e n gc h i n g c h e n g 将其推广到非线性对象的模糊自适应 控制，提出了基于模糊神经网络的系统结构和学习算法，并证明了学习算法的收 敛性，其系统结构如图3 3 。 图3 - 3 模糊自适应结构图 图中p 是一个s i s o 的非线性对象，其输入为u ，输出为y ，r m 代表