（控制理论与控制工程专业论文）电磁感应加热技术的研究与应用.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 摘要 针对目前市场上电磁感应加热技术不完善导致返修率过高的现状，本文对电磁 感应加热技术装置的控制系统的设计和应用进行了更加深入的研究，研制成了新 型的电磁感应加热系统。旨在引导家电行业摆脱电磁感应加热技术不完善的尴尬 境地，为国内的电磁感应装置及其它应用电磁感应加热技术的家电设计探讨一种 新的思考及实践模式，并以此为突破口，推动电磁感应加热技术在其它家电，如 电暖器、电磁热水器、电磁饮水机等加热电器中的应用，增强国内家电行业在国 际市场上的竞争能力，实现智能家居的目的。 论文首先对电磁感应加热技术的原理及实现方式进行了深入的研究，并在此 基础上提出了控制系统设计的总体方案。在控制系统的硬件设计中，首先对本控 制系统中的核心芯片进行了详细的介绍，然后给出芯片选择的原则，最后对a d 采 集模块、振荡模块、单片机外围模块和驱动模块等进行了深入的探讨，给出了主 要参数的选择以及详细的电路连接图。在控制系统的软件设计中，本文采用了“自 上而下”的软件设计方法，首先按照功能将整个系统分成若干个功能模块，然后 对各个模块进行详细而深入的设计，最后给出了部分具体的子程序。 经理论计算和实验比较，整个系统的结果满足设计要求，解决了当前电磁感 应加热技术装置的控制系统中存在的诸多不足，如损耗较大、功率控制不恒定、 温度控制不恒定等，实现了高效率、高可靠性、高准确性、低功耗的新型家电控 制。 关键词：单片机，电磁感应，控制系统，家电 西北工业大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t a i m e da tt h eh i g hr e - m e n dr a t e ，w h i c hb e c a u s et h et e c h n o l o g yo ft h e e l e c t r o m a g n e t i s mi n d u c t i o nc a l e f a c t i o ni sf a u l t y , t h i sp a p e rs t u d i e dt h o r o u g h l y t h e d e s i g na n da p p l i c a t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ee l e c t r o m a g n e t i s m i n d u c t i o n c a l e f a c t i o nt e c h n o l o g y , a n dd e v e l o p e dt h en e we l e c t r o m a g n e t i s mi n d u c t i o nc a l e f a c t i o n s y s t e m i tg e t t i n gr i do ft h ef a u l t yd i s c o m f i t u r ec o n d i t i o no ft h ee l e c t r o m a g n e t i s m i n d u c t i o nc a l e f a c t i o nt e c h n o l o g yf o ra p p l i a n c ec a l l i n g ，p r o b i n gi n t oan e wt h i n k i n ga n d p r a c t i c em o d ef o rn a t i o n a le l e c t r o m a g n e t i s mi n d u c t i o ne q u i p m e n ta n do t h e rs e x i n g w h i c hu s ee l e c t r o m a g n e t i s mi n d u c t i o nt e c h n o l o g y , a n db a s e do ni t ，b o o s t i n gu pt h e e l e c t r o m a g n e t i s mi n d u c t i o nt e c h n o l o g ya p p l yi no t h e ra p p l i a n c e ，s u c ha se l e c t r i c a l w a r m e r , e l e c t r i cc o o k e r , e l e c t r i c a lw a t e r i n gt r o u g ha n ds 0o n a tt h es a m et i m e ，i t e n h a n c e dc o m p e t i t i o na b i l i t yi ni n t e r n a t i o n a lm a r k e tf o rn a t i o n a la p p l i a n c ec a l l i n g ，a n d r e a l i z e dt h ea i mo f t h ei n t e l l e c t u a l i z e df a m i l y f i r s t l y , t h i sp a p e rs t u d i e dt h o r o u g h l yd e s i g nt h e o r ya n da p p l i c a t i o no ft h e e l e c t r o m a g n e t i s mi n d u c t i o nc a l e f a c t i o n s e c o n d l y , b a s e do n t h ea b o v et h e o r y , p u t f o r w a r dt h ec o l l e c t i v i t ys c h e m e i nt h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e m ，f l r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e di m p o r t a n tc h i p s ，s e c o n d l y , i tp u tf o r w a r dt h ep r i n c i p l eo fc h o o s i n g c h i p ，t h i r d l y , i td e s i g n e dt h ea dc o l l e c t i o nm o d u l e ，s u r g em o d u l e ，p e r i p h e r a lm o d u l eo f t h es i n g l ec h i pc o m p u t e r , d r i v e rm o d u l ea n ds oo n ，a n di tg a v et h ec h o i c eo ft h em a i n p a r a m e t e r sa n dp a r t i c u l a rl i n ko f t h ec i r c u i t i nt h es o f t w a r ed e s i g no f t h ec o n t r o ls y s t e m ， t h i sp a p e ra d o p t e dt h es o f t w a r ed e s i g nm e t h o do ft h e “f o r mu pt od o w n ”，w h i c hd i v i d e i n t om a n yf u n c t i o nm o d u l e sf r o mt h ef u n c t i o n ，t h e nd e s i g ne v e r ym o d u l ed e t a i l e da n d t h o r o u g h l y a tl a s t ，i tg a v et h ep a r ts u b r o u t i n e b ya c a d e m i ca c c o u n t i n ga n de x p e r i m e n t a lc o m p a r i n g ，t h er e s u l t so ft h es y s t e m f u l f i l l e dd e s i g nr e q u i r e m e n t ，a n ds o l v e dt h el i m i t a t i o n so f t h ec u r r e n te l e c t r o m a g n e t i s m i n d u c t i o ns y s t e m ，s u c ha sm o r el o s s ，u n s t e a d i n e s so f p o w e r , u n s t e a d i n e s so f t e m p e r a t u r e ， a n dr e a l i z e dt h en e wa p p l i a n c ec o n t r o lw i t l lg r e a te f f i c i e n c y , g r e a tr e l i a b i l i t y , g r e a t a c c u r a c ya n dl o w l o s s k e yw o r d s ：m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，e l e c t r o m a g n e t i s mi n d u c t i o n ，c o n t r o ls y s t e m ， a p p l i a n c e 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 本课题来源于一个实际研发项目。课题为电磁感应加热技术的研究与应用。 课题的重点将是电磁感应加热系统的控制系统的软硬件设计与应用。 1 1 课题研究的目的及意义 基于电磁感应加热技术的产品在市场上已经存在多年，这种技术热效率高、 环保节能、干净卫生，但市场占有率却不是很高，究其原因就是因为该技术在应 用中不是很完善，导致返修率过高。具体体现在诸如：安全性差，操作不当或电 压不稳定或负载不合适等因素很容易烧坏内部的重要芯片；电磁辐射强，对老人， 小孩，孕妇造成身体上的电磁伤害；温度控制不精确，功率控制不精确；成本过 高限制了普通家庭的使用。这些不完善的地方亟待人们去研究，去推动该技术走 向成熟，并且把该技术应用于别的加热系统中。这些问题的研究和解决就是本论 文研究的目的和意义。 家电智能化的提高给家电控制系统软硬件的设计提出了更高的要求，即要求 控制更准确、更方便和更智能化。这也是本课题研究的目的。 1 ：2 加热技术的研究现状及分析 电磁感应加热技术是一种新型的加热技术，它利用高频电加热原理，将交流 电转化为高频电流，产生高频磁场，当磁场内磁力线通过绝缘板作用在铁质容器 外壳时，磁力线被切割，产生大量小涡流，使铁质容器的自身迅速发热，从而达 到加热的目的。它较目前家电中常用的电热丝加热技术、远红外加热技术、微波 加热技术等具有无可比拟的优越性。 本文首先介绍一下这几种加热技术。 电热丝加热技术是利用被加热物质本身的导电性及不良导体的特性来加热 的。目前，应用电热丝加热技术的家用电器主要有：电热饮水机、电热炉、电热取 暖器等。随着科技的进步，电热丝加热方式无论从电热转换效率、环保还是性能 上都暴露出越来越多的缺陷，正在被其它加热方式所取代或淘汰。 远红外加热技术利用远红外辐射元件发出远红外线，使被加热物体吸收，从 而直接转变成热能。这种加热技术速度快、穿透力强，能同时加热物质的内外部， 从而大幅缩短了加热时间。远红外辐射电暖器、高温餐具消毒柜等均采用了该技 术。但该技术存在热量不易扩散、热效率低、消耗氧气等缺点，并不是理想的加 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 热方式。 微波加热技术是一种与传统加热完全不同的加热技术，其加热原理是：当介质 置于交变的电场中时，会产生极化作用。外加电场越强，极化作用就越强，# l , j n 电场极性变化得越快，极化得也越快，分子的热运动和相邻分子之间的摩擦作用 也就越剧烈。在此过程中即完成了电磁能向热能的转换，当被加热物质放在微波 场中时，其极性分子随微波频率以每秒几十亿次的高频来回摆动、摩擦，产生的 热量足以使食物在很短的时间内达到热或熟的目的。在家电领域，微波加热技术 主要应用于微波炉。与传统的电炉、煤气炉和燃气灶相比，它具有较高的加热效 率，具有较强的节能性。然而，在实际应用中，微波炉的脉冲性火力调控使食物 加热不均匀也会影响烹饪效果，使微波炉在家庭厨房中长期处于食物再加热的配 角地位。 这几种技术在特定的用途方面都显示出其技术的优越性，都已经达到成熟的 地步，但在烹饪方面，目前没有哪种技术可以胜过电磁感应加热技术。从热效率 的角度讲，电磁感应加热技术也是目前各种加热技术中最高的。因此，我们有必 要对电磁感应加热技术做深入的研究，探索一种更加合理，更加节能，更加环保 的新型加热技术。 经过综合比较，电磁感应加热技术在热效率方面，功能方面，高效节能，电 磁辐射等方面是当今家电设计领域中新型的技术。它弥补了电热丝加热技术和微 波加热技术不能用在烹饪等领域的不足，也弥补了微波加热技术辐射强的缺点。 1 3 目前电磁感应加热技术在应用中存在的问题 值得指出的是，电磁感应加热技术在家电行业中的应用虽已几年时闯，但还 存在许多问题，市场返修率很高。从技术方面考虑，主要有以下几点问题： ( 1 ) 电磁感应加热系统恒温度控制不完善。不能准确地测得负载内食物的温 度，以至于温度的控制精度不高。 ( 2 ) 电磁感应加热系统恒功率控制不完善。功率受负载和电网电压影响较大。 ( 3 ) 电磁感应加热系统保护功能不完善，缺乏负载的安全检测与保护，容易发 生危险。 ( 4 ) 电磁感应加热系统电磁兼容性不好。很多电磁感应加热系统在雷击时不能 正常工作，对周围其它电器也会产生较大的干扰。有些电磁感应加热系统对人体 的辐射较强，直接影响人体的健康。 ( 5 ) 成本较高。为满足消费者需求，电磁感应加热系统对成本的要求越来越高， 通常高性能和低成本难以两全。 ( 6 ) 损耗较大，效率不够高。 2 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 ( 7 ) 某一特定的电磁感应加热系统只能配特定的负载，限制了负载的使用。 这些问题中，有些是硬传方面的技术问题，有些是软件方面的技术问题。有 些属于主电路( 即功率转换电路) 方面的问题，有些属于控制电路方面的问题。 这些都是用户对该技术应用的不满意之处，本文侧重于解决控制系统软件和硬件 方面存在的不足与问题。 1 4 本课题主要研究的内容 控制系统的软硬件是本论文的重点。 针对目前感应加热的家电中存在的以上问题，本课题拟对其进行有针对性的 改进和完善，使其在国际国内市场上更加具有竞争力。 因本人时间和能力有限，课题侧重于解决控制系统软件和硬件方面的不足。 主要从以下几方面入手： ( 1 ) 在国内外家电行业现有电磁感应加热技术的基础上，研究感应装置控制系 统的设计及应用： ( 2 ) 研究降低电磁感应加热系统的损耗问题； ( 3 ) 完善电磁感应加热系统的保护功能； ( 4 ) 解决安全、质量和e m c 问题，符合产品认证； ( 5 ) 提高功率的控制精度； ( 6 ) 提高温度的控制精度； ( 7 ) 研究不同的负载条件下温度和功率的控制问题； ( 8 ) 研究在保证性能的前提下尽可能地降低成本。 1 5 论文架构 本篇论文共分为如下七章： 第一章绪论：说明了本章所要研究的内容及目的和意义。 第二章电磁感应加热系统的原理及要求：对电磁感应的原理及实现做了重 点研究，并给出系统的设计指标。 第三章电磁感应加热系统的整体设计方案：从整体的角度对系统的设计进 行了分析，然后对控制系统的软硬件设计进行了研究。 第四章控制系统的硬件设计：对控制系统的硬件给出详细的设计。 第五章控制系统的软件设计：对控制系统的软件给出详细的设计。 第六章本论文的创新点及系统的调试说明：突出论文中所用到的创新之处， 对整个系统的调试作一个总结。 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 第七章总结与展望：对整个课题的设计进行总结，并提出将来改进的设想。 从论文的结构安排上可以看出，本论文的重点是第四章和第五章。 4 西北工业大学硕士学位论文第二章电磁感应加热系统的原理及要求 第二章电磁感应加热系统的原理及要求 本章首先从电磁感应加热技术的原理出发，阐述了电磁感应加热系统的实现 方法，然后对整个系统中的重要技术软开关技术和谐振技术进行了研究，最 后给出了整个系统的设计指标。 2 1 电磁感应加热的基本原理 电磁感应加热技术简称为i h ( i n d u c t i o nh e a t i n g ) 技术，是在法拉第感应定律的 基础上发展起来的，是法拉第感应定律的种应用形式。它具有加热速度快、加 热效率高，无污染等优点，在家电、淬火、焊接等领域得到广泛的应用“。 1 8 3 1 年法拉第发现：线圈内磁场的变化会产生感应电流，感应电流的大小和线 圈内磁场变化的速率成正比。这就是法拉第电磁感应定律。 最初，法拉第定律引起了电动机、发电机、变压器和无线通信系统的发展。 然而，在应用过程中人们发现，感应过程中会产生热损耗，这成为破坏系统整体 功能的令人最为头痛的问题之一。于是，人们想到了利用这种热损耗来加热的方 法，电磁感应加热的概念便从此产生。 它是指当导体放在线圈周围所形成的交变磁场中时，在导体表面由电流和涡 流产生热能的现象。 下图2 - 1 是最简单的一种变压器电路模型，其初级线圈和次级线圈间功率、电 压和电流关系分别满足公式( 2 i ) 、公式( 2 2 ) 和公式( 2 3 ) ，其中符号p 表示 系统的总功率，u l ，1 1 ，n 1 分别表示初级线圈的电压，电流和匝数；u 2 ，1 2 ，n 2 分别表示次级线圈的电压，电流和匝数。 这里，忽略漏磁电流的影响，初级线圈 与次级线圈的损耗均由绕组的电阻引起，当次级绕组为1 且短路时，由于负载电流 ( 次级绕组的电流) 增大而产生热损耗，如图2 - 2 所示。由能量守恒定律可知，电源 提供的能量与初级线圈和次级线圈的总损耗相等。 觚目尽 图2 1 一般形式的变压器 p = u 1 + 1 1 = u 2 + ，2 u 11 _ - _ u 22 觚蹬靥 公式( 2 - 1 ) 公式( 2 2 ) 西北工业大学硕士学位论文第二章电磁感应加热系统的原理及要求 ，l2 ，21 公式( 2 - 3 ) 由于电磁感应加热的基本目的是使次级线圈产生的热量最大，因此，感应加 热线圈与负载之间的缝隙要设计的足够小，次级要有低阻抗且高渗透性特性的材 料制成。非铁金属或不含铁的金属由于其高阻抗和低渗透性会破坏能量的功效， 通常不被采用。因此，对于电磁感应加热系统，铸铁、不锈钢等材料能满足上述 要求，而陶瓷、玻璃、铝、铜等材料则不能满足要求。 下面从能量的转换角度来看整个系统的原理。图中第一个电能表示电源，第 二个电能表示用于发热的感应电流和涡流，只所以要经磁场转变，是为了提高发 热效率。 图2 - 3 能量的转换图 当交变电流过线圈时，根据安培定律( a m p e r e sl a w ) ，在线圈周围就会产 生交变的磁场。 l h d l = j f公式( 2 4 ) = z n a 公式( 2 - 5 ) 其中： h 磁场强度 a 截面积 i 电流 n匝数 磁导率 导体放在磁场中时，磁场运动的速率会发生变化，并且，导体越接近磁场中 心，磁场密度越低，根据法拉第定律，导体表面所产生的电流与感应的电流成反 比，见下式。导体表面的电流产生涡流。 占= - n d c d d t = - n a d b ( t ) d t 公式( 2 6 ) 其中b ( t ) 表示磁感应强度。而由感应电流和涡流引起的电能就转变为热能， 见下式： p = 冬= ，2 r 公式( 2 7 ) 胄 其中r 由导体的电阻率和渗透性决定，电流i 由磁场强度决定。 6 西北工业大学硕士学位论文第二章电磁感应加热系统的原理及要求 2 2 电磁感应加热的基本实现方式 电磁感应加热系统的工作原理是首先将2 2 0 v 5 0 h z 交流电通过整流桥转换成 直流电压，再通过功率开关管i g b t ( 中文全称为绝缘栅双极型晶体管，英文全称为 i n s u l a t i o n g r i d b i p o l a r t r a n s i s t o r ) 加到励磁线圈( 即加热线圈) 上，i g b t 受驱动信号 的控制而导通和关断，在励磁线圈中有频率为2 0 k h z 6 0 k h z 的高频电流流过，励 磁线圈的周围将产生高频磁场，若此时有铁质负载置于感应炉盘( 即加热线圈) 上，则在负载底部会有涡流产生，此涡流克服负载的内阻流动时将电能转换成热 能，作为加热的热源。 为了降低系统能量的损耗，提高热转换效率，系统中采用了软开关技术和谐 振理论。下面将分别进行详细的介绍。 2 3 软开关技术2 田 电磁感应加热系统工作频率一般在2 0 k h z 6 0 k h z 以上，若采取硬开关方式， 易引起大的开关损耗并导致开关器件损坏。因此，本课题考虑将软开关技术应用 于电磁感应加热技术中。 为了使开关电源在高频状态下也能高效率地运行，国内外电力电子界和电源 技术界自7 0 年代以来，一直在研究和开发高频软开关技术。 1 软开关的概念 随着电力电子技术的发展，高压大电流的开关器件不断涌现，变流器的功率 等级不断提高。但随之而来的是散热问题和e m i ( e l e c t r o m a g n e t i ei n t e r f e r e n c e ) n 题 的亟待解决。 在常规的开关电路中，电力电子器件处于“硬开关”状态。下表中是软开关 和硬开关在开通和关断状态下的波形图。 表2 - l 软开关和硬开关开通和关断状态波形图比较表 软开关硬开关 关 x 断 弋厂 波 形 开 通 广 ! 一 波 形 7 西北工业大学硕士学位论文 第二章电磁感应加热系统的原理及要求 由表中可以看出，由于硬开关功率器件在开通或关断期间电压与电流的交叠， 在电路中存在开关损耗。并且，开关频率越高，开关损耗就越大，这阻碍了频率 的提高，降低了整个系统的效率。开关损耗可用公式( 2 8 ) 来简单计算。同时， 由于在开关过程中产生了大量的d u d t 和d i d t ，e m i 问题也相应产生。 p ：昙矿木，厂水( f 二t + o ) 2 。 、硎 明。 公式( 2 8 ) 式中，p 、v 、i 、f 、t 。、t o f f 分别表示开关的损耗( 单位：w ) ，开关电压( v ) ， 开关电流( a ) ，开关频率( k h z ) ，开关开通时间( s ) 和开关关断时间( s ) 。 高频化可以使开关变换器( 特别是变压器、电感等磁性元件以及电容) 的体积、 重量大为减小，从而提高变换器的功率密度。并且，提高开关频率对于降低音频 噪声和改善动态响应也大有好处。因此，提高开关频率是开关变换技术的重要发 展方向之一。 但是，硬开关电路在高频下运行会受到热学限制、安全工作区限制、电磁干 扰限制等一系列的限制。 为了使开关电路能够在高频下高效率地运行，国内外电力电子界和电源技术 界自2 0 世纪7 0 年代以来，不断研究开发高频软开关技术。通过使电压或电流在开 关时刻转变至零，可以得到高频开关下更高的能量转换效率，并有效地防止了电 磁干扰，这种器件叫做“软开关”。 软开关的特点是在零电压条件下导通( 或关断) ，在零电流条件下关断( 或 导通) 。与硬开关相比，软开关的功率器件在高频零电压、零电流条件下工作时， 功率器件开关损耗更小，与此同时d u d t 和d i d t 大为下降，所以它消除了相应的 电磁干扰( e i i ) 和射频干扰( r f i ) ，提高了变换器的可靠性和能量转换效率。 2 软开关的分类 软开关分零电流开关( z e r oc u r r e n ts w it c h z c s ) 和零电压开关( z e r o v o l t a g es w i t c h - - z v s ) 两种，它是应用谐振原理、使开关器件中的电流( 或电压) 按正弦或准正弦规律变换，当电流自然过零点时，使器件开通或关断；或电压过 零点时，使器件开通或关断，实现开关损耗为零，从而极大地提高了开关频率。 3 两种软开关的比较 z c s 通过恰在电路关断前使电流为零来避免关断开关损耗；z v s 通过恰在电路 开通前置开关电路的电压为零来消除导通开关损耗。二者开通和关断过程如下两 图所示： 8 西北工业大学硕士学位论文第二章电磁感应加热系统的原理及要求 v b e p l o s s ( o n ) p l o s s ( o f 0 开通关断 图2 4 零电流开通和关断( z c s )图2 5 零电压开通和关断( z v s ) 图中，p l o s s 表示开关损耗，p l o s s ( o n ) 表示开关开通损耗，p l o s s ( o f f ) 表示 开关关断损耗。 从前面分析可以知道，开关损耗包括开通损耗和关断损耗，利用软开关技术 可以减少变换器的开通损耗和关断损耗，由以上两图可以看出： 零电流开关( z c s ) 在开关管开通时，使其电流保持为零，或者限制电流的上 升率，从而减少电流与电压的交叠区，从图2 - 4 可以看出开通损耗p l o s s ( o n ) 大 大减少；在开关管关断前，使其电流减小到零，从图2 4 可以看出关断损耗 p l o s s ( 6 f f ) 基本减d , n 零。 零电压开关( z v s ) 在开关管开通前，使其电压降为零，从图2 5 可以看出开 通损耗p l o s s ( o n ) 基本减小到零：在开关关断时，使其电压保持为零，或者限制 电压的上升率，从而减小电流与电压的交叠区。从图2 5 可以看出关断损耗 p l o s s ( o f f ) 大大减小。 下图给出了开关管在软开关条件下的开关轨迹，由图中可以看出，此时开关 管的工作条件很好，不会超出安全工作区( s o a ) 。 图2 6开关管工作在软开关条件下的开关轨迹 软开关技术的是靠变换器来实现的，其对象就是谐振电路。下面将对谐振理论 做详细具体的介绍。 9 西北工业大学硕士学位论文 第二章电磁感应加热系统的原理及要求 2 4 谐振理论嘲嘲 谐振的概念 变换器的软开关技术实际上是利用电感和电容对开关的开关轨迹进行整形， 最早的方法是采用有损缓冲电路来实现。从能量的角度来看，它是将开关损耗转 移到缓冲电路消耗掉，从而改善开关管的开关条件。这种方法对变换器的变换效 率没有提高，甚至会使效率有所降低。目前所研究的软开关技术不再采用有损缓 冲电路将开关损耗转移掉，而是真正减小开关损耗。 软开关变换器有谐振变换器、零开关p w m 变换器和零转移p w m 变换器三种类 型，以下将对谐振变换器进行详细的分析。 含有电感和电容的电路，如果无功功率得到完全补偿，使电路的功率因数等 于i ，即：u 、i 同相，便称此电路处于谐振状态。处于谐振状态的电路称为谐振电 路，按l 与c 的连接方式分类，它又分为串联谐振电路和并联谐振电路，串联谐振 电路是l 与c 串联时u 与i 同相，并联谐振电路是l 与c 并联时u 与i 同相。下图是两种 电路的连接方式： 图2 - 7 串联谐振 1 谐振的条件 图2 - 8 并联谐振 串觥振时：z = 州眦一鼍烨i 么妒= 乒币j 现f g - l 半 若令x l = k ，则妒= 0 。u 与i 同相，电路处于谐振状态。所以串联谐振的条件 为：x l = x c 。 由此可以推出此时的谐振频率为：五= 云而1 。 并联谐振时：当屯= i c ，u 与i 同相，电路发生谐振由瓦u = 兰推出此 1 0 西北工业大学硕士学位论文第二章电磁感应加热系统的原理及要求 时的谐振频率为：五= 云忑1 2 两种谐振电路的比较 下图是典型的串联式准谐振电路和典型的并联式准谐振电路： q 置 图2 - 9 典型串联式零电压开关准谐振电路图2 1 0 典型并联式零电压开关准谐振电路 将串联式开关准谐振电路与并联式开关准谐振电路进行比较可见，二者各有优 劣，串联式开关准谐振电路允许无负载，而且可以吸收寄生电感和寄生电容，所 以本课题中用了串联式开关准谐振电路。 2 5 系统的设计要求2 2 1 在科学技术进步、日新月异的今天，节能、高效、环保的观念逐渐深入人心。 对此，家电生产厂家不断在产品的质量、外观、实用性、安全性、便捷性、环保 性、节能性、智能性等各方面进行改善，设计电磁感应加热系统的控制系统时， 应着重考虑系统的稳定性、可靠性与高效节能性。根据中华人民共和国行业标准 q b t 1 2 3 6 _ - 9 1 电磁灶、中华人民共和国国家标准g b 4 7 0 6 2 9 9 2 家 用和类似用途电器的安全电磁灶的特殊要求和g b 4 7 0 6 1 9 2 家用和类似 用途的安全通用要求，电磁感应加热系统的参数指标如下： 额定电压频率：2 2 0 v 5 0h z 额定最大功率：1 8 0 0 w 5 0 w 热效率：8 5 保温精度：5 2 6 本章小结 本章主要阐述了电磁感应加热系统的整体初步设计，给出了电磁感应加热技 术的原理，电磁感应加热技术的基本实现方法，对系统中的两个关键技术进行了 西北工业大学硕士学位论文第二章电磁感应加热系统的原理及要求 研究，最后给出了系统的设计要求。 西北工业大学硕士学位论文第三章电磁感应加热系统的整体设计方案 第三章电磁感应加热系统的整体设计方案 为了使控制系统的软硬件设计更加合理，本章将从电磁感应加热系统整体的 角度提出整个系统的设计方案。整个系统包括主电路( 即功率转换电路) 和控制 电路两大部分。 3 1 设计内容分析 前面已经提到，本课题主要研究的内容是：针对目前感应加热的家电中存在的 问题，对其进行有针对性的改进和完善。所以在设计控制系统中，处处体现了对 原有技术的完善和改进。下面是部分完善： 1 电磁辐射太强 电磁辐射太强的原因是有些商家为了降低成本，不愿意使用e m i 电路，或者 在使用e m i 电路中能省贝l j 省，还有是因为设计的电路有问题。 对此，我们按照严格的电路设计原理，在电路设计、p c b 布线、p c b 布局、元 器件选取等方面都考虑了电磁干扰和电磁辐射方面的因素，最后产品完全通过了 国家认证。 2 损耗问题或效率问题 损耗和效率问题一直是加热系统的难点和重点，市场上有些为节约成本使用单 桥整流器，本文使用了全桥整流器，提高了系统的效率。 此外系统还应用了软开关技术，这样可以使转变损耗更低，效率更高。 3 完善电磁感应加热系统的保护功能 返修率高很大的原因是保护不完善，遇到电网不稳定或频繁开关设备或负载不 合适，导致功率管器件烧毁。 针对这些问题，电路里除安装了保险管外，还设计了专门的硬件保护电路，对 整个系统元器件的参数进行了详细的计算，在软件中做了保护子程序，当负载不 正常或电网波动时，通过a d 采集数据，系统可以降低功率或采取其它的办法。 4 温度的控制精度 误差的来源是测量不准确和控制不准确。： 在测量方面，由于不能直接测量负载内物质的温度，只能采用间接的办法，这 样的误差就比较大。在本系统中，我们采用t * b 偿的办法，来修正误差，从而做 到温度测量更加精确。方法是，提前对负载内物质的实际温度和间接测量的温度 进行多次实验，得到误差的修正曲线，在控制系统的软件中进行修正。 西北工业大学硕七学位论文第三章电磁感应加热系统的整体设计方案 另外我们同时设置了空气温度测量，散热板温度( i g b t 温度) 测量和负载温度 测量，同时测量三个温度可以避免因一些偶然因素导致误测可能。 在控制方面，我们采用多种方式散热处理，比如在结构设计方面要有利于散热； 直流风扇和交流风扇同时散热；控制风扇的转速，从而使其控制更加精确。 5 。功率的控制精度 在功率控制方面，一般的电磁感应加热系统采用了p w m 控制，本系统中采用 了p f m 控制，这种控制方法的优点是响应速度更快，控制更加精确。 6 不同的负载条件下温度和功率的控制问题 我们经过详细的测试，得出在不同常用负载下的电流值和电压值，这样在软件 控制中就可以有针对性地做出相应的处理。只有负载正常时，系统才加载功率， 这样就避免了烧毁芯片的可能。 7 成本问题 如何在保证质量的情况下降低成本是各个产家竞争的焦点，这也是产生那么多 次品的原因。在本系统的整个开发过程中始终考虑成本的降低。比如采用内部含 有多路开关的a d c 0 8 0 3 8 采集芯片，而不是采用多路开关和其它的采集芯片，这样 就是为了降低成本。 3 2 系统的整体功能框图构想 系统框图由电源滤波电路、工作电源电路、主电路、振荡电路、隔离电路、 驱动电路、单片机控制电路和保护电路等单元电路组成。下面是初步构想的系统 结构图： 图3 - 1初步设计的系统功能模块图 各个功能模块图具体说明如下： ( 1 ) 雕i 滤波器电路 电磁感应装置里包括高速软开关器件i g b t ，因此必须考虑电磁干扰的问题。 1 4 西北工业大学硕士学位论文第三章电磁感应加热系统的整体设计方案 一方面，电磁感应加热系统的电磁干扰不能进入电网中影响其它设备的正常工作， 另一方面，电网中的高频噪声也不能进入电磁感应装置电路中来。为了防止电网 内各种设备间互相干扰，也为了防止电磁辐射对人体健康产生的影响。我们加入 了电源滤波器电路。 ( 2 ) 整流滤波电路 整流电路就是将交流电变为直流电，分全桥整流和半桥整流两种整流方式， 为了提高转化效率，本课题选用全桥整流电路。 滤波电路就是把系统不需要的噪音滤掉，让系统需要的有用信号通过。 ( 3 ) 主谐振回路 本课题中使用的谐振是串联谐振。当受矩形脉冲驱动的i g b t 导通时，l c 回路 发生串联谐振，把无功功率补偿掉，从而使效率转换达到最大。 ( 4 ) 控制电路 控制电路的核心是单片机，单片机的加入使电磁感应加热系统实现了智能化， 它提供了良好的人机界面、功率自动控制、温度自动控制、定时控制以及各种自 动检测与报警等功能。 ( 5 ) 隔离电路 光电隔离的目的是割断两个电路之间的电联系，使之相互独立，从而也就割 断了噪声从一个电路进入另一个电路的通路。在本课题中主要应用于强弱电之间 的隔离。使两者之间的控制信号可以进行正常传送，噪声信号互相隔离，从而实 现电气隔离的目的。 ( 6 ) 驱动电路 该电路通过输出矩形波信号用来驱动功率开关器件i g b t 的导通和关断，其性 能直接影响着i g b t f i 2 否可靠工作。 ( 7 ) 工作电源电路 工作电源电路负责整个控制系统，驱动系统等的电源供给。电源输出四个电 压值：+ 5 v ( 主要对单片机供电) ，+ 9 v ( 对振荡电路供电) ，+ 1 2 v ( 主要对风扇 供电，对隔离电路供电) ，和+ 1 5 v ( 对i g b t 驱动电路供电) 。 3 3 系统的整体构架 根据以上对功能划分的构想，细化的功能实现图如下 西北工业大学硕士学位论文第三章电磁感应加热系统的整体设计方案 图3 - 2 系统的整体框图 系统分为两大部分，主电路部分和控制电路部分。主电路负责功率的转化， 控制电路负责整个系统的控制及智能化的实现。下面将会有详细的设计。 3 4 系统的主电路设计 由于主电路和e m i 电路不是本论文设计的重点，所以只简要给出其框图。 1 6 西北工业大学硕士学位论文第三章电磁感应加热系统的整体设计方案 3 4 1 主电路框架 -_一 = 二旺 z z 卜 _ 一 z 一 图3 - 3 主谐振电路图 以上是主电路的框图，从图中可以看出，市电经过整流、滤波电路后就是谐 振电路。通过给i g b t 的栅极输入矩形脉冲信号，可以控$ i i g b t 的导通和关断，从 而控制了整个系统的功率状态。 3 4 2e m i 滤波器设计 e m i 滤波器电路是感应装置与电网之间的一道屏蔽墙，它大大地降低了电磁感 应装置的传导干扰，削弱了感应装置对人体的辐射，把对人体健康的影响降到最 低。同时它也阻止了电网对感应装置的电磁干扰。下面是设计好的滤波器电路图： 3 5 系统的控制电路 图3 - 4e m i 滤波器电路图 3 5 1 控制电路的作用及意义 家电智能化的提高给家电控制系统软硬件的设计提出了更高的要求，即要求 控制更准确、更方便和更智能化。这些功能的实现都是靠控制系统的软硬件来实 现的。 西北工业大学硕士学位论文 第三章电磁感应加热系统的整体设计方案 单片机通过5 路输入信号( 模拟信号经a d 采集得到的数字信号) 对电磁感应加 热系统的工况进行推理判断，找出其中的最佳控制方案进行控制，并且通过5 路输 出信号对整个系统进行控制。单片机的5 路输入信号分别为：电网电流信号( 输入 电流) 、流过负载的电流信号( 输出电流) 、散热板温度信号( i g b t 温度信号) 、 负载温度信号、空气温度信号，还有重要的一路就是按键输入，它决定了单片机 的工作模式。单片机的5 路输出分别为：一是输出控制信号( 功率控制信号) ，可 开通或关断驱动i g b t 的矩形脉冲信号；二是蜂鸣器控制输出，可给用户提示或报 警；三是风扇控制信号，风扇工作可使i g b t 及系统降温：四是数码管或发光二极 管显示信号，可以显示功率，定时时间，测试信号，故障类型等等；五是指示灯 显示，用以显示当前的工作状态及用户的操作模式。 3 5 2 控制电路的整体框图 i 负载温度 l n 单片机 空气温度 热敏电阻i ( a 卜一 d c 0 8 0 3 8 ) $ 5 2 ) 散热板温度 ；k ( a t 8 9 输入电流电沉互感器 输出电流 y 幅榭鬻嚣旧。热s g 3 5 2 4 d ， 图3 - 5 控制系统的框图 从控制论的角度来看，模拟采集电路部分属于控制系统的测量变送单元，单 片机作为控制器控制数据的采集和控制规律的执行，一些经验数据被提前存于控 制器中作为控制规律，i g b t 驱动电路则是控制系统的执行器。 控制系统详细的软硬件设计将在第4 章和第5 章中。 3 6 本章小结 本章对系统整体做了一个大概的描述，旨在为下面几章重点内容( 即控制系 统软硬件) 打下基础。以上给出了系统的整体框图，主电路电路图，还有控制电 路模块图，同时还给出了本课题中的重点理论软开关技术和谐振理论。 1 8 西北工业大学硕士擎位论文第四章控制系统的硬件设计 第四章控制系统的硬件设计 本章首先介绍了本控制系统中的核心器件单片机和a d 采集芯片，然后给出了 控制系统的总体设计和总体框图，最后详细地给出了各个模块的具体硬件实现。 本章主要的设计内容是控制系统的硬件电路设计。 4 1 核心芯片的选择及简介 4 1 1 核心芯片的选择2 羽2 9 1 本控制系统中的核心芯片包括单片机、a d 采集芯片、振荡芯片和驱动芯片等。 在这里只以单片机和a d 采集芯片的选择为例进行说明。 市场上的芯片种类繁多，功能特性各异，选择芯片的原则是针对自己所设计系 统的功能需求对芯片的价格，封装，性能，型号等等因素做综合考虑。 1 、单片机的选择 本设计系统对内部存储器要求不高，对中断源、i o 口等各方面的要求也不高， 对其它性能也没有什么特别的要求，所以选择最普通的单片机即可。考虑到 a t 8 9 s 5 2 可以在线编程，且价格等各方面都满足我们的设计需求，所以单片机就 选择了a t m e l 公司的a t 8 9 s 5 2 。 2 、a d 采集芯片的选择 a d 采集芯片的选择所要考虑的因素包括：采集精度，采集通道数，是否内部 带有多路开关，是否内部有基准电源，使用是否方便，数据是串行还是并行等等。 本设计系统中，需要采集的通道数不超过8 路，精度要求不是很高，这两个条 件a d c 0 8 0 3 8 芯片完全合适，而且该芯片内部集成了多路开关，所以我们选择了 a d c 0 8 0 3 8 作为本系统的a d 采集芯片。 实践证明，我们对以上芯片的采用完全能够达到系统设计的要求，说明选择是 合理的，下面对这两个芯片做详细的说明。 4 1 2a t 8 9 s 5 2 简介捌 a t 8 9 s 5 2 是一种低功耗低电压、高性能的8 位单片机，片内带有一个8 k 字节的 f l a s h ，它采用了c m o s t 艺和a t i v i e l 公司的高密度非易失性存储器( n u r a m ) 技术，而且其输出引脚和指令系统都与m e g 一5 1 兼容。片内的f l a s h 存储器允许在系 统内可改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。因此，a t 8 9 s 5 2 是一种 1 9 西北工业大学硕士学位论文 第四章控制系统的硬件设计 功能强，灵活性高且价格合理的单片机，可方便地应用于各种控制领域。 a t 8 9 s 5 2 具有以下主要性能： 1 8 k b 在线可编程( i s p ) f l a s h 存储器( 可经受1 0 0 0 次的擦写) 2 - 与m c s 一5 1 系列兼容p l c c 3 4 o v 5 5 v 工作电压范 围 4 全静态时钟：0 h z 3 3 m h z 5 三级程序存储器加密 6 2 5 6 8 b i t 内部r a m ( m i s o ) p t 6 7 3 2 个可编程i o 口线 霹c k 嘬* 8 3 个1 6 位定时器计数器( r x d ) p 3 - 0 9 8 - $ - 中断源( t x o ) p 3 t 1 0 全双工u a r t 串行通信 篇譬； 1 1 片内时钟振荡器 f