（检测技术与自动化装置专业论文）感应加热电源中的倍频方式实现.pdf

摘要 论文题目：感应加热电源中的倍频方式买现 学科专业：检测技术与自动化装置 研究生：陈勇 签名：豆包重一 指鲁教师：王华民教授 签名：主兰堡垒 石文渊副教授 签名：2 l 兰金翌奎f i 搐f 要 为了在保证开关管安全的前提下，以现有的器件条件来实现逆变器的高频化，本文研 究了感应加热电源中的倍频方式实现。 首先介绍了感应加热的基本原理及感应加热技术的发展动态，分析比较了感应加热电 源的谐振槽路和常用控制技术，选择了更适合高频应用的串联谐振来实现倍频式感应加热 电源。 其次文中给出了一种新的倍频逆变拓扑结构以及吸收电路的参数设计方法，实现了电 路工作频率的提高，以及功率器件开关条件的改善，降低了功率m o s f e t 转换过程中的 损耗；通过对倍频逆变电路工作过程的分析，确定了倍频逆变电路的信号触发方式，解决 了断路引起的尖峰电压的问题。进行了实验样机的软硬件设计和实现。 最后通过p s p i c e 仿真及工作频率为l o o k h z 的倍频式感应加热电源的实验样机的实验 结果，验证了研究工作的可行性及正确性。 关键词：倍频；感应加热；串联谐振 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：t h ea p p l i c a t i o no fd o u b l ef r e q u e n c ym e t h o di n i n d u c t i o nh e a t in gp o w e rs u p p l y m a j o r ：m e a s u r e m e n tt e c h n i q u ea n d a u t o m a t i ce q u i p m e n t n a m e ；y o n gc h e n s u p e r v i s o r - p r o f h u a m i n w a n g a s s o c i a t ep r o f w e n y u a ns h i ab s t r a c t s i g n a t u r e s i g n a t u r e s i g n a t u r e t h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h ea p p l i c a t i o no fd o u b l ef r e q u e n c ym e t h o di ni n d u c t i o nh e a t i n g p o w e rs u p p l yw i t hu s i n ge x i s t i n gd e v i c e st oa c t u a l i z eh i g hf r e q u e n c y i n v e r t e ru n d e rt h e c o n d i t i o nt h a te n s u r i n gt h es a f e t yo ft h es w i t c ht r a n s i s t o r s f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dd e v e l o p m e n tt r e n d so fi n d u c t i o n h e a t i n gt e c h n o l o g y i ta n a l y z e da n dc o m p a r e dr e s o n a n c et a n kc i r c u i ta n dc o m m o n l yu s e d c o n t r o lt e c h n i q u e so ft h ei n d u c t i o nh e a t i n gp o w e r i ts e l e c t e ds e r i e sr e s o n a n c ew h i c hm o r e s u i t a b l ef o rh i g h f r e q u e n c ya p p l i c a t i o n st oa c h i e v ed o u b l ef r e q u e n c yi n d u c t i o nh e a t i n g p o w e r s e c o n d l y , t h i sp a p e rp r o p o s e dan e wd o u b l ef r e q u e n c yi n v e r t e rt o p o l o g ya n dg a v et h e p a r a m e t e r sd e s i g n i n gm e t h o do ft h es n u b b e rc i r c u i t i tr e a l i z e dt h ei n c r e a s i n go fw o r k i n g f r e q u e n c ya n di m p r o v e dt h es w i t c h i n gc o n d i t i o no fp o w e rd e v i c e s ，a n dr e d u c e d t h el o s s e so f t h ep o w e rm o s f e t si nt h ep r o c e s so fc o n v e r s i o n t h r o u g ht h ea n a l y s i so fw o r k i n gp r o c e s s o fd o u b l ef r e q u e n c yi n v e r t e rc i r c u i t s ，i td e t e r m i n e dt h es i g n a lt r i g g e r i n gm o d eo ft h ed o u b l e f r e q u e n c yi n v e r t e rc i r c u i ta n d s o l v e dt h ep r o b l e mo fs p i k ev o l t a g ec a u s e db y o p e nc i r c u i t i t d e s i g n e da n di m p l e m e n t e da ne x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e f i n a l l y , t h r o u g ht h ep s p i c es i m u l a t i o na n d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t a l p r o t o t y p ew h i c hw o r k i n gf r e q u e n c yw a s10 0k h z ，i tv e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t ya n dc o r r e c t n e s s o ft h er e s e a r c hw o r k s k e yw o r d s ：d o u b l ef r e q u e n c y ；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 c e ，y i 嚣铆 - 己 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：一本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知- + 除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。： 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担二切相关责任 论文作者签名：，丝重- ：f，枷侈年6 月二箩日、。! 学位论文使用授权声明 嗡，钿 本人：在导师的指导下创作完成毕业论文，本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位0 本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权r 即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、，浏览0 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 j 0 ，从、地上的电压为直流 电源电压u ，负载上的电压也为直流电源电压u ，方向为正向，如图3 - 3 。 图3 - 3 状态0 下的电流通路 f i g 3 - 3c u r r e n tp a t hi nc i r c u i ts t a t e0 状态1 ( t 4 t 2 ) ：m 、坞继续导通，必、鸠关断，此时眠、地导通，电流 流经q 。、d l ：形成通路，此时负载电流方向为负向，且p i 0 ， m 。、m ，、负载上的电压为直流电源电压彩，如图3 5 。 图3 - 5 状态2 下的电流通路 f i g 3 5c u r r e n tp a t hi nc i r c u i ts t a t e2 状态3 ( t 2 一- 3 t 4 ) ：继续m 、坞关断，鸠、以导通，m 。、m ：关断，鸠、m 。 导通，经二极管皿、岛续流，此时负载电流、电压方向为负向，即f o ，m 、坞上的 电压为直流电源电压u ，如图3 - 6 。 1 9 西安理工大学硕士学位论文 图3 石状态3 下的电流通路 f i g 3 - 6c u r r e n tp a t hi nc i r c u i ts t a t e3 通过对倍频逆变电路工作过程的分析，可以得到逆变器和负载上的电压输出波形，如 图3 7 所示，图中u 1 是逆变器的电压输出，u 2 是负载电压输出，从输出波形上能够看 出该电路实现了倍频。 - j k - m t - t 1 m |l l llll ll ii 一 图3 7 驱动信号和两级逆变电路的输出 f i g 3 7d r i v i n gs i g n a la n dt w o - l e v e lo u t p u tw a v e f o r mo fi n v e r t e rc i r c u i t 3 2 主电路参数及开关器件的选择 本文的目的是设计出高频( 大于1 0 0 k h z ) 倍频逆变器，因此槽路的频率为1 0 0 k h z 。 2 0 倍频逆变电路的设计及分析 设计了串联谐振逆变槽路的l c r 谐振参数，在这里取q = 7 ，根据式( 3 1 ) 工一丘c = o ( 3 1 ) 即 。= 肠 ( 3 2 ) 以及 q = o l r = 1 o o c r ( 3 3 ) 计算其具体值为：l 一2 5 3 3 u h ，c - - 0 1 u f ，r - 2 q 。另外直流输入电压u = 2 0 v ，槽路 工作在感性状态。 功率m o s f e t 是单极型电压驱动器件，它输入阻抗高，驱动功率小，开关速度快， 工作频率高，噪声容限高，抗干扰能力强，具有较宽的安全工作区，不会发生二次击穿， 并具有较强过载能力。 本课题在选用主电路开关器件型号时，从工作频率、功率容量、耐压耐流能力、性价 比等方面考虑，选用i r 公司生产的i r f z 4 4 n 功率m o s f e t 。其漏极电压= 5 5 v ，漏 极直流电流厶= 4 9 a ，最大耗散功率易= 9 4 w 。其主要性能参数如表3 1 。 表3 - 1i r f z 4 4 n 主要性能参数 t a b 3 1e l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fi r f z , 4 4 n 5 5 y l n 4 9 a r 噍( 0 n o 0 7 q 乙f 。、 1 2 n s | r 6 0 ，心 f d 【耐、 4 4 n s ， 4 5 心 c 碡|1 4 7 0 p f c 。3 6 0 p f 已镐p f q 6 3 n c 级 1 4 n c q 。d 2 3 n c 2 1 西安理工大学硕士学位论文 3 3 功率m o s f e t 的损耗与频率关系1 仃 3 3 1 功率m o s f e t 损耗 固态开关是目前高频逆变器的主要器件。由于固态开关并不是理想的开关，工作时有 各种损耗。特别是在高频下，这种开关损耗尤其明显，固态开关的损耗不仅影响整个功率 电子设备的效率，并且还限制了输出容量及工作频率，因此也导致了大量的冷却问题。因 此，研究减少开关损耗十分重要。实际中所用的半导体开关器件并不是理想的开关元件。 在开关导通时会有压降，关断时会有漏极电流流过开关。当开关导通、关断时，工作点会 或多或少偏移电压一电流坐标轴。所有的这些都会导致开关损耗。 固态开关的损耗1 ，主要有两部分组成，一个是静态损耗，另一个是开关损耗。静 态损耗包括通态损耗、导通损耗、断态损耗与静态驱动损耗。导通开关的压降导致了通态 损耗。断态开关的漏极电流导致了断态损耗。而在驱动过程中在驱动电路上消耗的能量导 致了驱动损耗。在静态损耗中导通损耗是主要的损耗。这种导通压降是由于开关管本身的 通态电阻与结电压所引起的，压降与电流、开关温度成函数关系。驱动信号的幅值也是影 响导通压降的一个因素。静态损耗与开关的频率无关，它只与工作电流、工作电压以及开 关管的内部参数有关。低的导通压降以及小的断态漏极电流是逆变器高效的主要因素之 一。 开关损耗包括开通( 瞬间) 损耗与关断( 瞬间) 损耗，开通关断的瞬间损耗，导致了 整个设备的总体损耗n 3 1 的增加。 功率m o s f e t 的开通损耗包含两方面：其一是功率m o s f e t 截止时输出电容c n 。存 储的能量在m o s f e t 通态电阻上所造成的损耗，其二是在开通期内流过m o s f e t 的电流 ，d 和m o s f e t 漏源电压。所造成的交叠损耗。如图3 8 所示。 l j |lj k z 一 r 。 - -_ k 影 _ _ ij 。“ ，1 、 ；，- !j 。 j：j：j ： ： 1 6 口a i ，1 7 a a u v 】l z ：2 土：1 l - 1 卫， 图3 - 2 0 负载电压电流波形 f i g 3 - 2 0v o l t a g ea n dc u r r e n tw a v e f o r mo fl o a d 比较图3 1 9 及图3 2 0 可以看出，前级电路输出电压频率是5 0 k h z ，负载电压的频率 是1 0 0 k h z ，后级倍频逆变电路完成了倍频功能。且逆变电路工作在弱感性状态下。 本设计基本实现了软开关。选取m 1 管来观察其电压和电流波形。如图3 2 1 所示。 西安理工大学硕士学位论文 一 i； - ，。 、一中r ” x ； ， i 。j 。j 。 一一一一_ 7 6 ：一：j 1 i。万、， ， j _ - ， 奠万_ i ， k z 、 ：j 。 。i? 1 ， 庐 寺 f r 一 j 。j 。 ：j 1 uu u 1 7 口口i j1 日口口u 工，口1 口t 口v f 姒：d n ：- ， z dc m ，蛔 图3 2 1m l 管的电压电流波形 f i g 3 2 1v 0 l t a g e 柚dc u 仃c n tw a v e f o 吼o f m l 由图3 2 l 可以看出，开关管m 1 的漏源电压下降到零，漏极电流才开始上升，可见 开通损耗几乎为零，关断损耗也基本可以忽略。开关管可实现z v s 工作方式，开关损耗 很小。 3 2 o 7 o 吐 吨 实验样机的设计与实现 4 实验样机的设计与实现 为了验证研究工作的可行性及正确性，特制作了实验样机以进行实验验证。 感应加热电源主要用于工业快速，均匀加热，特点是随着加热过程的进行，负载不断 变化，负载的固有谐振频率变化，功率因数变化。这些变化取决于负载的电气特性如导电 性、渗透性、藕合系数和几何性质如形状等等；同时，不同的负载需要的功率大小也不同， 这样必须对逆变器的输出功率和频率都做相应的调整n 。也就是说，整流侧和逆变侧是 协调工作的。 本课题采用的是由整流侧调节功率，倍频逆变侧进行频率跟踪方案n 盯。 控制系统框图如图4 1 所示。 图4 - 1 控制系统框图 f i g 4 - 1b l o c kd i a g r a mo f c o n t r o ls y s t e m 试验装置控制电路包括整流控制电路、逆变控制电路，检测与保护电路等，具体由 d s p 、单相不控整流桥、斩波调压电路、倍频逆变桥、m o s f e t 驱动电路、检测电路及 系统电源等环节组成。 4 1d s p 综述 4 1 1i ) s p 芯片的发展汹1 世界上第一个单片d s p 芯片应当是1 9 7 8 年a m i 公司发布的$ 2 8 1 1 ，1 9 7 9 年美国i n t e l 公司发布的商用可编程器件2 9 2 0 是d s p 芯片的一个主要里程碑。这两种芯片内部都没有 西安理工大学硕士学位论文 现代d s p 芯片所必须有的单周期乘法器。1 9 8 0 年，日本n e c 公司推出的d 7 7 2 0 是第一 个具有乘法器的商用d s p 芯片。 在这之后，最成功的d s p 芯片当数美国德州仪器公司( t e x a si n s t r u m e n t s ，简称t i ) 的一系列产品。t i 公司在1 9 8 2 年成功推出其第一代d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 及其系列产品 t m s 3 2 0 1 1 、t m s 3 2 0 c 1 0 c 1 4 c 1 5 c 1 6 c 1 7 等，之后相继推出了第二代d s p 芯片 t m s 3 2 0 2 0 ，t m s 3 2 0 c 2 5 c 2 6 c 2 8 ，第三代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 3 0 c 3 1 c 3 2 ，第四代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 4 0 c 4 4 ，第五代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 5 ) ( c 5 4 x ，第二代d s p 芯片的改进型 t m s 3 2 0 c 2 x x ，集多片d s p 芯片于一体的高性能d s p 芯片t m s 3 2 0 c 8 x 以及目前速度最 快的第六代d s p 芯片1 m s 3 2 0 c 6 2 c 6 7 x 等。t i 将常用的d s p 芯片归纳为三大系列，即 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 2 x c 2 x x ) ，t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列( 包括 t m s 3 2 0 c 5 x c 5 4 x c 5 5 x ) ，t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列( t m s 3 2 0 c 6 2 x c 6 7 x ) 。如今，t i 公司 的一系列d s p 产品已经成为当今世界上最有影响的d s p 芯片。t i 公司也成为世界上最大 的d s p 芯片供应商，其d s p 市场份额占全世界份额近5 0 。 第一个采用c m o s 工艺生产浮点d s p 芯片的是日本的h i t a c h i 公司，它于1 9 8 2 年推 出了浮点d s p 芯片。1 9 8 3 年日本f u j i t s u 公司推出的m b 8 7 6 4 ，其指令周期为1 2 0 n s ，且 具有双内部总线，从而使处理吞吐量发生了一个大的飞跃。而第一个高性能浮点d s p 芯 片应是a t & t 公司于1 9 8 4 年推出的d s p 3 2 。与其他公司相比，m o t o r o l a 公司在推出d s p 芯片方面相对较晚。1 9 8 6 年，该公司推出了定点处理器m c 5 6 0 0 1 。1 9 9 0 年，推出了与i e e e 浮点格式兼容的浮点d s p 芯片m c 9 6 0 0 2 。 美国模拟器件公司( a n a l o gd e v i c e s ，简称a d ) 在d s p 芯片市场上也占有一定的份 额，相继推出了一系列具有自己特点的d s p 芯片，其定点d s p 芯片有 a d s p 2 1 0 1 2 1 0 3 2 1 0 5 、a s d p 2 1l1 2 1 1 5 、a d s p 2 1 6 1 2 1 6 2 2 1 6 4 以及a d s p 2 1 7 1 2 1 8 1 ，浮 点d s p 芯片有a d s p 2 1 0 0 0 2 1 0 2 0 、a d s p 2 1 0 6 0 2 1 0 6 2 等。 自1 9 8 0 年以来，d s p 芯片得到了突飞猛进的发展，d s p 芯片的应用越来越广泛。从 运算速度来看，m a c ( 一次乘法和一次加法) 时间己经从2 0 世纪8 0 年代初的4 0 0 n s ( 如 t m s 3 2 0 1 0 ) 降低到i o n s 以下( 如t m s 3 2 0 c 5 4 x ，t m s 3 2 0 c 6 2 x 6 7 x 等) ，处理能力提高 了几十倍。d s p 芯片内部关键的乘法器部件从1 9 8 0 年的占模片区的4 0 左右下降到5 以下，片内r a m 数量增加一个数量级以上。从制造工艺来看，1 9 8 0 年采用4 弘m 的n 沟道m o s ( n m o s ) 工艺，而现在则普遍采用亚微米( m i c r o n ) c m o s 工艺。d s p 芯片 的引脚数量从1 9 8 0 年的最多6 4 个增加到现在的2 0 0 个以上，引脚数量的增加，意味着结 构灵活性的增加，如外部存储器的扩展和处理器间的通信等。 4 1 2t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片的功能及特性n ( 1 ) t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 功能： 实验样机的设计与实现 聊s 3 2 0 f 2 8 1 2 是t i 最新推出的3 2 位2 0 0 0 系列的d s p ，实现了高性能数字信号处理 器( d s p ) 与高精度模拟( a d c ) 及闪存( f l a s h ) 的完美结合，是目前控制领域最先 进的处理器之一。新型混合信号3 2 位d s p 可提供每秒1 5 亿次指令( m i p s ) ，单周期3 2 3 2 位m a c 功能、0 2 5 m b 的片上闪存，以及片上1 2 位模数转换器( a d c ) 。基于c c + + 高效3 2 位t m s 3 2 0 c 2 8 x 刑d s p 核心，并由虚拟浮点数学函数库来提供支持，该函数库可 显著简化多应用开发。该新型器件完全可以满足d s p 日益增长的性能需求且无需牺牲混 合信号的集成度，将d s p 与微处理器的最佳特点完美地结合到了一个单片上。凭借这一 优势，f 2 8 1 2 d s p 将会有更广的应用范围，从传统的电机控制应用拓展到了电源及光网络 等新兴市场的应用。f 2 8 1 2 d s p 为设计人员提供了整套的片上系统，极大地降低了板级空 间及系统成本，并可实现更简单、更高效和更经济的设计。 ( 2 ) t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 主要特性： 主频为1 5 0 m h z ，指令和f 2 4 x 兼容； 存储器为1 4 k 的r a m 和1 2 8 k x1 6 b i t 的f l a s h ； 1 6 通道1 2 b k 的模数转换接口，双通道可同时采样，流水线采样最高速6 0 n s ； 双通道串行接口，完全符合r s 2 3 2 标准； c a n 总线接口，传输速率最高可达1 m ； 两个事件管理器模块，每个包含： 8 通道p w m 输出； 2 个带有四种模式的通用定时器； 3 个可配置死区的比较器； 3 个捕捉单元( 其中两个完全捕捉单元和积分脉冲编码器完全兼容的接口) 4 1 3 应用开发板介绍 为了缩短开发周期并节省开发成本，本课题采用了北京闻亭数字系统有限公司的 t d s 2 8 1 2 e v m 型应用开发板。该板是基于t i 公司的3 2 位定点t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 下针对 自动控制而开发的应用模板。其目的是能为上述领域开发者提供一个快速、成熟、高性能 的硬件、软件解决方案。其结构平面如图4 2 所示。该开发板的原理结构如图4 - 3 所示。 3 5 西安理i 是学项士学住论文 幽4 - 2 开发扳下面目 f g4 - 2p l a n eg r a p ho f d e v e l o p m e n tb o a r d t d s 2 8 1 2 e v m 丌发扳的特点如下： 资源： 倒4 - 3 开拄扳原理甜构陶 f i 9 4 3s t r u c t u r eg r a p ho f d e v e l o p m e n th o a r d 3 2 位d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 其内膏1 ：t 作频率为l5 0 m h z 。 ”内f l a s h l 2 8 k x l 6b i t ( 密码保护) 、i8 k 1 6b i t 高速r a m 。 b o o tr o m ：4 k 1 6b i t 。 0 t p r o m ：l k 1 6b i t 。 片纠、2 5 6 k 1 6b i t r a m ( 口r 扩至5 1 2 k 1 6 b i t ) 。 提供看门狗电路，电源监视，上电复位、手动复位。 接口： 所柯g p i o 和功能接口均外接到扩展槽。 片内1 2 位高速a d ，1 6 路8 0 n s 转换时间o 3 v 量程。 q e p ：6 通道。 通道m c b s pl 可步串口。 1 通道s p ij 叫步串刖。 2 通道s c i 异步串口，收发驱动，r s 2 3 2 r s 4 2 2 r s 4 8 5 可配置 e c a n 总线，1 通道，己带收发驱动。 4 通道d a c ，精度：1 2 b i t 转换速率：1 0 0 k i t z 、1 0 v 量程。 4 1 4t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 开发软件c c s 对于d s p 工程师米说，除了必须了解和熟悉d s p 术身的结构( 包括软件指令系统和 硬件结构) 和披术指标外，大量的时刚和精力是花赞在熟悉和掌握其开发工具和环境l 。 因此，各d s p 生产商以5 乏计多第三方公司做了极大的努力，为d s p 系统集成和软硬件 的开发提供了大量有h j 的。具。下而介纠一ft 1 公一dd s p 的集成仿真h 境c c s 。 实验样机的设计与实现 c c s 所包含功能有： ( 1 ) 集成可视化代码编辑界面，可直接编写c 、汇编、h 文件、c m d 文件等。 ( 2 ) 继承代码生成工具，包括汇编器、优化c 编译器、连接器等等。 ( 3 ) 基本调试工具，如装入执行代码( o u t 文件) ，查看寄存器窗口，存储器窗口， 反汇编窗口，变量窗口等，支持c 源代码级调试。 ( 4 ) 支持多d s p 调试。 ( 5 ) 断点工具，包括硬件断点、数据空间读写断点，条件断点( 使用g e l 编写表 达式) 等等。 ( 6 ) 探针工具( p r o b ep o i n t s ) 可用于算法仿真，数据监视等。 ( 7 ) 剖析工具( p r o f i l ep o i n t s ) ，可用于评估代码执行的时钟数。 ( 8 ) 数据的图形显示工具，可绘制时域频域波形、眼图、星座图、图像等，可并自 动刷新( 使用a n i m a t e 命令运行) 。 ( 9 ) 提供g e l 工具，令用户可以编写自己的控制面板菜单，从而方便直接地修改变 量，培植参数等。 ( 1 0 ) 支持实时数据交换( r t d x ) 技术，利用该技术可在不中断目标系统运行的情 况下，实现d s p 与其它应用程序( o l e ) 实现数据交换。 ( 1 1 ) 开放式的插入( p l u g i n s ) 技术，支持其它第三方的a c t i v e x 插件，支持各种 仿真器包括软仿真( 只需安装相应的驱动程序) 。 ( 1 2 ) 提供d s p b i o s 工具，利用该工具可增强对代码的实时分析能力，如分析代码 执行的效率，调度程序执行的优先级，方便管理或使用系统资源( 代码数据占用空间， 中断服务程序的调用，定时器使用等等) ，从而减小开发人员对硬件资源熟悉程度的依赖 性。 综上所述，t t 公司d s p 的集成仿真环境c c s 具有很多非常方便的功能，在c c s 环 境下开发，可以为开发人员节省大量的时间和精力，并且大大提高了系统软件的可靠性。 4 2 整流控制电路 整流控制电路的任务是根据各种输入信号( 给定，反馈，故障等) 综合情况发出宽度 合适的脉冲，以便输出合适的直流电压陇1 。这里我们采用不控整流加斩波调压方法。 4 2 1 斩波调压电路 整流侧斩波调功就是是改变直流端电压，调节输出到负载的能量，本文中采用的就是 这种方法。根据负载所需功率要求，通过改变斩波器的占空比来调节直流电压，从而达到 调整系统的输出功率的目的。在稳态运行过程中，实时从谐振回路中反馈电流的变化，从 而了解负载的变化，通过与基准值比较获得占空比的大小陷1 。此方法控制简单方便，且 工作频率与谐振频率可以同步，功率因数高，无功损耗小。 3 7 西安理工大学硕士学位论文 图4 _ 4 为斩波调压电路，逆变电路的直流入端电压幅值将跟随的占空比d 而变化。 采用这个电路既能克服相控方式存在的问题幽1 ( 由于采用不可控整流电路，网侧功率因 数与直流输出电压的数值无关，由于可采用较高的斩波频率，直流输出的动态响应 快) ，又没有前述电路的复杂控制，同时具有保护速度快以及高频斩波带来的滤波器尺寸 小等优点，因而采用来调节负载的输出功率汹1 。 了 j 图4 _ 4 斩波调压电路 f i g 4 - 4c h o p p i n gc o n t r o lv o l t a g er e g u l a t i o n 下面我们来看看其占空比和所产生的直流电压的关系，如图4 - 5 所示。 + 1 一 1 彳 图4 5 整流侧等效电路 f i g 4 5r e c t i f i e rs i d ee q u i v a l e n tc i r c u i t 可见，整流侧的等效电路相当于直流b u c k 变换器电路2 盯。 u o = d u d d = 乃 式中7 为导通时间，丁为斩波周期。 所以改变占空l l 且1 1 可改变输出电压平均值，从而改变功率。 4 2 2 整流电路的参数计算 ( 1 ) 整流桥的选取。 实验样机的设计与实现 在整流电路中，桥式整流电路使用较多。根据试验要求，选用单相硅整流桥 k b p c 3 5 1 0 ，它的主要参数为额定正向整流电流厶为3 5 a ，最大反向峰压为1 0 0 0 v 。 ( 2 ) 诈的选取。 的耐压和耐流与整流二极管是相同等级的哪。对于高频斩波，可选择工作频率较 高的自关断器件，如m o s f e t ，i g b t 。我们选取富士i g b t1 m b h 6 0 1 0 0 ，其最大集射极 间电压为1 0 0 0 v ，额定直流电流毛为6 0 a ，5 0 卫s 脉宽最大电流b 为1 8 0 a 。 ( 3 ) 电力电容的计算。 一般来说，负载等效电阻和c 的乘积应远远大于整流桥输出电压的脉动周期，才能 保证整流输出电压为一个平直电压陴1 ，实际上取 乃= 置o ( 3 5 ) t( t 为脉动周期) 。 在本装置中，采用单相桥式整流时，脉动周期t = 1 0 m s 。本试验装置取c = 5 0 0 b t f 。 4 3 功率调节控制系统设计 4 3 1 电压电流双闭环调节方案n 1 本课题采用了电压电流双闭环调节方式，这样可使电源能够克服网压波动以及负载变 化的影响，系统的动、静态特性指标较为理想。 电压电流双闭环调节系统方框图如图4 - 6 所示。该系统由两个闭环组成。一个闭环在 里面，被称为副环，在控制过程中起着粗调作用；一个闭环在外面，被称为主环，用来完 成细调任务。主环和副环都有各自的控制对象、控制变量和控制器。 图4 石双闭环控制系统方框图 f i g 4 - 6b l o c kd i a g r a mo fd o u b l ec l o s e dl o o ps y s t e m 采用直流电压调节为内环，电流调节为外环的双闭环p i 调节器，利用了外环的饱和 非线性达到截压的目的，克服了输出功率受电网电压波动及负载变化影响，保证恒功率输 出，这对提高加热效率，保证加热一致性具有重要意义。另外，从自动控制理论角度来说， 采用什么物理量作为反馈就能自动稳定该物理量，因此双闭环调节器对实现稳压、稳流功 3 9 西安理工大学硕士学位论文 能是一种准确有效的方法。 我们讨论在电压闭环和电流闭环中都采用了p i 调节器。外环根据用户给定的设定电 流和反馈的负载电流进行p i 调节后，设定给定电压值，内环根据该给定值和电压反馈值 经过p i 调节后通过调节斩波器来控制电源的输出功率。当调节输入信号或负载变化时， 电流调节会迅速做出响应。例如当负载加重而电压下降时，电流调节器的输出会立刻增大， 电压调节器的给定值立刻增大，其输出会使电压迅速增大，从而维持原来的电流即稳流作 用。比例调节p 成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控 制作用以减少偏差，较大的比例系数可以使系统很快到达设定值，但是也增加了系统的不 稳定性；积分调节i 用于消除静态误差，提高系统的无差度；在感应加热中，热的惯性比 电的惯性大得多，所以一般忽略微分调节d 。 a 功率控制系统的分析 本系统采用电压电流双闭环控制方式，直流电压与输出电流是由两个p i 调节器来分 别进行调节的。这样就可根据两个调节器反馈量的不同特性，设计不同的调节器，确定各 自的参数而不会互相干扰，从而改善了系统的稳定性。 为了便于分析，假设整流电路、负载电路均为一阶惯性环节 g l ( s ) = k l ( i + t 。s ) ，g 2 ( s ) = k 2 ( i + t ：s ) n 。( s ) 为负载扰动，n ：( s ) 为电网波动 调节器仅考虑比例部分作用日( s ) = k 一，皿( s ) = k p ：，将图4 6 所示控制回路框图 重画如图4 - 7 所示。 m ( 砷m ( s ) 图4 - 7 控制系统方框图 f i g 4 7b l o c kd i a g r a mo fc o n t r o ls y s t e m 对于副控回路的传递函数： 鉴e 2 鉴2 q ( s ) ：r ：( s ) v o 。( s ) ：学：k 抛+ 邵) ( 4 1 ) 1 + 二上一s i + k p 2 k 2 j b 实验样机的设计与实现 上式中 k ：鉴2 鉴2 ，t ：一! l 2 l + k 尹2 k 2 p 2 i + k p 2 k 2 声 通常k j p 2 k 2 3 1 ，所以k ； 时，即偏差值比较大时采用p 控制，避免过大的超调，又使系统有 较快的响应； ( 3 ) 当l p ( j j ) i s 时，即偏差值比较小时采用p i 控制，保证系统的控制精度。 算法如下： a u 七= k p ( e k 一龟一1 ) + p k f e k ( 4 7 ) k f = k ， 卢= 乞，耋 乏 三三 k 尸为比例系数，t ，为积分时间，k ，为积分系数，g 为设定的偏差范围，t s 为采样 时间，p r 为第k 次采样的偏差。 4 3 2 基于d s p 的功率调节 4 2 基于d s p 的功率调节流程图如图4 8 所示。 实验样机的设计与实现 l 调数字p i 调节算法子程序l 上 调转化为占空比子程序 上 调输出p w m 脉冲子程序 上 返回等待中断处 图4 - 8 功率调节程序流程图 f i g 4 8f l o w c h a r to fp o w e rr e g u l a t i o n 检测电流电压的反馈值和给定值，将它们滤波，分压，稳压和电位器整定为0 , - - 3 3 v 的模拟信号，送入d s p 的a d 转换引脚。调用采样子程序，根据采样值调用p i 算法子程 序，由于d s p 内的事件管理器可以对比较寄存器和周期寄存器赋值，产生占空比可变的 脉冲，由p i 算法的输出值得到触发斩波器开关管信号的占空比，再调用p w m 脉冲子程 序。d s p 输出的脉冲信号要进行隔离，放大，然后输入给1 m b h 6 0 1 0 0 的驱动芯片e x b 8 4 1 ， 实现电源的整流侧调压调功。 4 4 逆变控制电路 逆变控制电路包括m o s f e t 的驱动电路，死区形成与锁相环控制。硬件主要是由集 成驱动模块及其一些外围电路组成。 死区在串联谐振型中是必不可少的，有的集成驱动模块中含有该单元，在设计时就可 以省略；有的虽然含有一定的延迟环节，但时间太短，需要另加延迟。 本试验装置中驱动脉冲时序、占空比及死区都由d s p 产生。 锁相环电路的目的是跟踪负载的谐振频率，从而控制逆变电路的工作频率，这就是所 谓的锁相控制。 保护电路主要是防止过电流，短路保护。 4 4 1 驱动电路的设计 在驱动实际负载时，考虑到i x d d 4 1 4 c i 系列良好的散热条件和较高的功率容量，采 4 3 西安理工大学硕士学位论文 用i x d d 4 1 4 c i 做为实验驱动芯片。i x d d 4 1 4 是i x y s 公司生产的专用驱动功率m o s f e t 的集成芯片，可以提供1 4 a 峰值输出电流，输入与1 v r l ，c m o s 电平兼容，驱动速度极 快。另外，它具有输入使能端，从而保证当功率m o s f e t 处于过流或短路状况时，可以 迅速地切断驱动信号。 它的主要参数如下： 开通延迟时间 t d ( 删= 3 0 n s 电流上升时间 r ，= 2 2 n s 关断延迟时间 t d ( o f f ) = 3 l n s 电流下降时间 t f = 2 0 n s 输出电阻 = 0 6 q 峰值输出电流 l 喊= 1 4 a 为了消除主回路的高压对控制回路的低压造成的干扰，从控制回路出来的信号必须经 过电气隔离之后才能作为功率m o s f e t 的驱动控制信号，在此采用光电耦合器隔离的方 式。t i 公司生产的高速光耦6 n 1 3 7 ，输入输出电压隔离3 0 0 0 v ，当负载电阻r ，为3 6 0 f l 、 负载电容q 为1 5 p f 时导通延迟时n p , 有4 5 n s ，上升、下降时间为5 0 n s ，可以在高频率 下工作。对各器件驱动电路采用多组隔离电源分别供电。 驱动电路原理图如图4 - 9 所示。 i x i m l 4 c l 、f 、， 图4 - 9m o s f e t 驱动电路原理图 f i g 4 9m o s f e td r i v i n gc i r c u i ts c h e m a t i cd i a g r a m 为了保证i x d d 4 1 4 输出的驱动信号与进入6 n 1 3 7 的驱动控制信号相位上的一致性， 实验样机的设计与实现 可以在6 n 1 3 7 与i x d d 4 1 4 之间或者在6 n 1 3 7 之前加反相器s n 7 4 l s 0 4 n 。 本课题中，倍频逆变电路功率器件触发脉冲由d s p 发出。d s p 可根据频率、槽路电 流和逆变器输出电压等确定该时刻的最佳死区宽度及在何时发出驱动脉冲。由于d s p 本 身具有p w m 通道，因此可以很容易地实现。由d s p 发出的倍频逆变器和斩波器的触发 脉冲需转换为1 5 v ，输入到驱动芯片中。 本课题中完善后的倍频电路总共采用了1 6 个功率m o s f e t 管，这1 6 个管子中m 1 与m 3 、m 2 与m 4 、m 5 与m 7 、m 6 与m 8 、m 9 与m l l 、m 1 0 与m 1 2 、m 1 3 与m 1 5 、 m 1 4 与m 1 6 管子的驱动信号完全相同。我们可以用d s p 中c m p r l 对应的2 路输出分别 驱动m 1 、m 3 、m 2 、m 4 ：用c m p r 2 对应的2 路输出分别驱动m 5 、m 7 、m 6 、m 8 ；用 c m p r 4 对应的2 路输出分别驱动m 9 、m 1 l 、m 1 0 、m 1 2 ：定时器t l 的c m p 输出用于 驱动m 1 4 、m 1 6 ；定时器t 3 的c m p 输出用于驱动m 1 3 、m 1 5 。 4 4 2 检测与保护电路 在感应加热电源的应用现场，一般都存在着较强的电磁干扰，负载工作情况也复杂多 变，许多原因容易导致装置发生短路过载等情况，故有必要