（机械制造及其自动化专业论文）超变频电磁感应锅炉电源的研究与设计.pdf

摘要 摘要 随着电子电力技术不断发展，新型开关器件的出现，使得研制新型超( 变) 频电磁感应锅炉电源来取代传统电磁感应加热电源，并弥补其不足成为可能。本 文在电磁感应加热理论的基础上，分析并选择直流斩波调功方案作为设计方案， 设计一款基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 实现的超( 变) 频电磁感应锅炉电源。本电源具有 超音频，无噪声污染，频率可调，谐波对网侧电源的影响小等特点。 本系统基于数字集成电路技术、电磁感应加热技术和变频技术，包括总体方 案设计，硬件体系结构设计以及软件结构设计等。 系统采用d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 作为主控制器，主电路采用直流斩 波电路形式，实现对电磁感应锅炉的有效控制。这种电路电路简单、功率因数高， 输出波形好，动态响应快，保护容易的优点，成本也比较低。 在高速印制电路板设计中，基于抗干扰技术，分析减小电磁干扰的方法，并 从双面板设计，布局和布线几方面进行分析，根据影响电磁干扰的因素采取了相 对的措施，并且进行设计规则检测，保证了高速数字信号的完整性，使得系统能 够很好的实现其功能。 软件设计方面充分考虑软件的可靠性和稳定性，液晶显示子程序和键盘扫描 子程序放在主程序中，a d 转换采用中断触发形式。 系统的设计思路以及电磁干扰的控制方法适用于一般的高速印制电路板系 统，硬件设计和软件设计具有一定的通用性和实用性。 关键词d s p ；电磁感应；电磁干扰；p c b 设计 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fe p o w e r , n e ws w i t c h i n gd e v i c ea p p e a r s i t i sp o s s i b l et od e v e l o pn e w u l t r a - h i g hf r e q u e n c y ( v a r i a b l ef r e q u e n c y ) e l e c t r o m a g n e t i c i n d u c t i o np o w e rf o rb o i l e rt or e p l a c et h et r a d i t i o n a le l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n p o w e r t h i sn e w p o w e rd o e s n th a v ef l a w sa st h et r a d i t i o n a lp o w e r b a s e do nt h et h e o r yo f e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o nh e a t i n g ，t h i sa r t i c l ec h o o s e sd cc h o p p e ra n dp o w e r r e g u l a t i o na st h em a i np l a n i td e s i g n san e wu l t r a h i g hf r e q u e n c y ( v a r i a b l ef r e q u e n c y ) e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o np o w e rf o rb o i l e rb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 812d s rt h ep o w e r w o r k so nu l t r aa u d i oa n dh a sn on o i s ep o l l u t i o n i ta l s oh a s a d j u s t a b l ef r e q u e n c ya n d s m a l li m p a c to nt h en e t w o r ks i d ep o w e r t h i sa r t i c l eb a s e so nd i g i t a li n t e g r a t e dc i r c u i tt e c h n o l o g y , e l e c t r o m a g n e t i c i n d u c t i o nh e a t i n gt e c h n o l o g ya n di n v e r t e rt e c h n o l o g y , i n c l u d e ss y s t e mo v e r a l lc o n c e p t d e s i g n ，h a r d w a r ea r c h i t e c t u r ed e s i g na n ds y s t e ms o f t w a r ed e s i g na n ds oo n t h es y s t e mu s e sd s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o oa st h em a s t e rc o n t r o lu n i t t h e m a i nc i r c u i tu s e sd c c h o p p e ra n dp o w e rr e g u l a t i o na st h ec i r c u i tf o r m i tc a na c h i e v e e f f e c t i v ec o n t r o lo ft h eu l t r a - h i g hf r e q u e n c y ( v a r i a b l ef r e q u e n c y ) e l e c t r o m a g n e t i c i n d u c t i o np o w e r t h i sc i r c u i ti ss i m p l e ，h a sh i g hp o w e r f a c t o r , g o o do u t p u tw a v e f o r m a n d l o wc o s t i ta l s oh a sr a p i dd y n a m i cr e s p o n s ea n d e a s yt op r o t e c ta n ds oo n i nh i g hs p e e d p r i n t e dc i r c u i tb o a r ds y s t e m ，t h i sa r t i c l eb a s e so na n t i - j a m m i n g t e c h n o l o g ya n da n a l y s e sm e t h o dt or e d u c et h ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e t h e s y s t e ma n a l y s e st h ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c eo fp c bf r o ms e v e r a la s p e c t s ，s u c ha s t h el a y o u t ，t h ew i r i n g ，t h ep o w e r s p l i ta n dt h ed u a l p a n e ld e s i g n a c c o r d i n gt ot h e f a c t o r st h a ta f f e c tt h ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，t h es y s t e mt a k e sr e l a t i v em e a s u r e i ta l s ot a k e st h ed e t e c t i o no fd e s i g nr u l e s a l lt h i sm e t h o d sc o n t r o l st h e e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ew e l l ，m a k e ss u r et h ei n t e g r i t yo fh i g hs p e e dd i g i t a l s i g n a l t h em e t h o do ft h es y s t e md e s i g na n dt h ec o n t r o lo fe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e a r eu n i v e r s a lt om o s to ft h eh i g hs p e e dp c b s y s t e m h a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r e d e s i g nh a v ev e r s a t i l i t ya n dp r a c t i c a l i t y k e y w o r d s d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) ；e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n ； e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ；p c bd e s i g n h 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： ! 鲴聋 导师签名： 绰 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究意义 本课题来源于北京市华威锅炉有限公司，该公司长期从事锅炉相关技术的开 发和应用。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【珏】。 美国在1 9 9 6 抽样上提出将电磁感应加热技术列为2 1 世纪十大开发课题之 一。 目前、基于感应加热原理的工业应用的日益扩大，随着我国新型制造业的发 展，感应加热应用范围已由原来单一的金属热处理扩展渗透到半导体材料的精练 和提纯、人造金刚石的熔炼、钢管涂塑、石油、橡胶塑料加工、光纤制造等行 业，显示出广阔的应用前景。以塑料行业为例，据有关统计资料显示：我国每年 仅塑料加工企业，每年用电需求量为1 0 0 亿度，如果采用该项技术，每年可节电 5 0 亿度，每度电按全国平均价o 5 元计算，其节电总价值为2 5 亿人民币。因此， 该项技术会带来巨大的社会效益和经济效益。尤其随着同行业产品竞争的日益加 剧和企业对节能降耗意识的提高，该项新技术会逐步替代传统的电加热设备，同 时极有可能引发一场塑料、橡胶等重石化行业的技术革命。 感应加热技术，特别是先进大功率感应加热技术在今后的2 0 年内具有极光 明的应用前景，将在产业结构的提升，发展方式的转变扮演重要的角色，面对国 外感应设备制造公司纷纷进入中国市场，本土企业设备在价格上的竞争优势已渐 减弱，用户更看重的是设备的可靠性。因此本土企业应抓紧时间研究这项技术， 增加自己的核心竞争力，为企业赢得了更大的利益【3 一。 1 2 课题的研究背景 电磁感应加热技术是一种新型的加热技术，它利用电磁感应现象对金属加 热。根据法拉第电磁感应定律和楞次定律，给感应线圈通交变电流，线圈当中将 产生交变磁场，若工件放在加热线圈的交变磁场内，由于磁力线的切割，将在不 同的深浅层面产生感应电流( 涡流) ，并因工件的阻抗性质及涡流在工件上的流 动产生热量，使工件的温度升高，达到加热的目的。 感应加热具有加热速度快、热效率高和无空气污染等优点，广泛应用于金属 北京工业大学工学硕士学位论文 冶炼、金属表面热处理、金属的焊接、加热水等领域。用于加热水的主要有工频 感应加热、中频感应加热和高频感应加热。 变频技术是指通过改变交流电频率的方式实现交流电控制的技术，是应交流 电机无级调速的需要而诞生的。2 0 世纪6 0 年代后，随着电力电子技术和控制技 术的飞速发展，使得以变频调速为主的交流调速得到了长足进步，开始逐步取代 直流调速。交流异步电机的变频调速发展到现在已经广泛用于工艺调速传动和节 能调速传动中。8 0 年代以后，利用了变频技术的脉宽调传u ( p w m ) 被广泛应用于 工业功率控制的逆变系统中，不仅有效地改善和提高了品质性能，还能将直流电 压变换成电压和频率均可调的交流电压。脉宽调制在两类工业功率控制装置中应 用最广泛：一是用于调速传动装置中，尤其广泛用于交流调速中，二是用于精密 功率电源中。 超( 变) 频电磁感应加热是感应加热技术与变频技术相结合的一种新技术， 它根据电磁感应加热理论，充分利用了圆环、邻近与集服三效应的叠加原理，通 过锅炉结构和电源的频率选择机制，使两个磁场或多个磁场同时存在一个单位空 间中，相互撞击、相吸、相斥产生一个强大封闭且交变的电磁场。当置于其中的 锅炉处于变化的磁场中时，其内部就会产生出很大强度的涡流，涡流也即超频电 流，在锅炉的内、外磁热交换器的壁内流动时产生大量的热能，接着传递给在其 中高速流动着的水，使水迅速加热。 传统工频电磁感应锅炉电源是指将2 2 0 v 、5 0 h z 工频电源直接输入锅炉感应 线圈，对置于其中的水进行加热。这种方法廉价可靠，但是频率低且不可调整， 功率因数小，无功损耗大；传统高频电磁感应锅炉电源由于其高频电流透入深度 小，趋肤效应太强，对现有电力电子器件而言不能驱动大功率设备；传统中频电 磁感应电源受主控器件晶闸管( s r c ) 在生产工艺和器件性能方面影响，需要设 计特殊逆变电路，而且工作频段在声波范围内，工作时严重影响人们的休息，必 须在锅炉房内设计隔音层。针对上述传统电磁感应锅炉电源的不足，越来越多厂 家加入到新型超( 变) 频电磁感应锅炉电源的研究中来【孓7 | 。 1 3国内外研究现状 电磁感应加热电源是感应加热的关键设备，其发展与电力电子学及电力半导 体器件的发展密切相关。第一台晶闸管感应加热电源使用晶闸管，工作频率较低。 随着电力电子器件的飞速发展，g t r 、g t o 、m o s f e t 、s i t h 、s i h 等新型自关 断器件不断涌现，其质量不断提高，为中高频感应加热电源的推广普及提供了条 件 8 ，9 1 。 晶闸管加热电源由于节能显著、综合技术指标较好，是一种比较理想的感应 第l 苹绪论 加热设备。但传统的晶闸管中频电源，存在焊点多、连线和接插件多、调试复杂 以及不宜维修等问题。另外，大功率晶闸管设备在运行过程中产生的谐波是不容 忽视的，对电力系统造成严重的公害，已经为国内外普遍关注的问题，从晶闸管 设备的控制系统方面，通常考虑采用高精度触发电路来加以抑制，而这是模拟系 统难以完美解决的。，自从8 0 年代后期以来，在感应加热电源方面，i g b t 变频技 术得到了迅速发展。它具有驱动功率小、开关速度快、通态压降小、载流能力强、 体积小、效率高和易于控制等优点，并成为现代电力电子技术的主导器件。随着 新技术、新材料的运用，i g b t 功率模块在电流、电压等参数方面都有大幅度提 高，特别是i g b t 器件可工作在谐振状态。全固态超音频电源与晶闸管中频电源 相比，具有明显的节能、节水等优点，是感应加热发展的必然趋势 1 0 , 1 1 】。 自1 9 8 3 年美国g e 公司发明功率器件i g b t 后，i g b t 已经成为众多加热电 源首选器件。1 9 9 3 年西班牙报道了3 0 一- , 6 0 0 k w 5 0 - 1 0 0 k h z 的感应加热电源： 1 9 9 4 年日本采用i g b t 器件研制了1 2 0 0 k w 5 0 k h z 的并联逆变感应加热电源。 比利时i n d m c t o e l p h i a c 公司生产的电流型m o s f e t 感应加热电源可达兆瓦级别。 国外最大容量已达几十兆瓦。应用于高频电源的另一功率器件为静电感应晶体管 ( s i t ) ，主要以日本为主，电源水平在8 0 年代末达到1 0 0 0 k w 2 0 0 k h z 。 国内在“八五”计划开始加快了研究全固态的感应加热电源步伐。1 9 9 6 年 天津高频设备厂和天津大学联合研制开发出7 5k w 2 0 0k h z 的s i t 感应加热电 源。同年，浙江大学5 0 k w 5 0 k h z ，i g b t 电流型并联逆变感应加热电源通过鉴 定。2 0 0 3 年浙江大学三伊公司研制成功1 0 0 k w 1 0 0k h z 的i g b t 固体电源。 和国外相比，国内还有不少差距。 国内1 0 k h z 1 0 0 k h z 的大容量全固态感应加热电源十分缺乏，大多数用户直 接从国外进口超音频感应加热电源，因而国内发展超音频感应加热电源的前景十 分看好。 在控制技术上，国外大量采用集成电路，数字显示，微机控制。国内大部分 采用分立元件和继电器，电路大都采用模拟电子电路，实现模拟控制。因而，解 决微机的频率跟踪以及系统的微机化设计具有实用意义。 在生产上，国外一般采用标准化大规模生产，国内仍处于手工业作坊阶段。 因此国内电磁感应加热电源在频段范围与功率等级上与发达国家相比，差距逐渐 缩小但是要赶上发达国家的感应加热的应用水平，还有许多工作要做。比如元器 件质量、寿命与无故障时间、出厂的测试标准等。 目前，国内外感应加热电源的发展有如下趋势： 第一g b t 逐渐取代晶闸管成为大功率中频感应加热电源的主流功率器件。 由于i g b t 属于全控型器件，关断时间很短，不存在换相失败问题，对谐振 电路属性没有严格要求，故设备的故障率极低。加之i g b t 应用技术不断成熟， 北京工业大学工学硕士学位论文 价格不断下降，特别是一些专为低频高功率场合设计的i g b t 的出现使得其在大 功率应用场合逐渐取代晶闸管s i t 、g t r 等器件。 第二感应加热电源控制的数字化，智能化。 近年来随着数字信号处理器( d s p ) 技术的发展，使逆变电源的全数字控制成 为现实。d s p 能够实时地读取逆变电源的输出，并实时地计算出p w m 输出值， 使得一些先进的控制策略应用于逆变电源控制成为可能。德国b a m a c 公司于 上海分公司推出全球首款采用d s p + i g b t 的a t e c o f 系列新一代的中频感应加热 电源产品。最高的输出功率可达3 6 0 k w 。 随着电子电力新器件出现，新控制方法的发展和计算机辅助设计软件的发 展，感应加热电源技术正朝高频化、大容量化、智能控制、高功率因素、低谐波 电源的方向发展【1 2 - 18 1 。 综合上述几个因素，本课题研制一种基于d s p 控制的超( 变) 频电磁感应 锅炉电源。该电源具有以下特点： 第一工作频率在超音频范围内，无噪音污染。 第二工作频带宽，电源功率输出与工作频率能够同步。 第三电源的整流部分采用不可控整流桥进行整流，谐波对网侧电源的影响 小。 1 4 本课题的研究内容 本课题来自北京市华威锅炉有限公司。项目要求设计一款超( 变) 频电磁感 应锅炉电源，该电源功率3 k w ，工作频率3 0 k h z 5 0 k h z 可调，能够显示及设置 各种相应参数。功能要求见表1 1 。 表1 1 超( 变) 频电磁感应锅炉电源功能要求 t a b l e 1 1f u n c t i o nr e q u e s t so f t h eu l t r a - h i g hf r e q u e n c y ( v a r i a b l ef r e q u e n c y ) e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o np o w e rf o rb o i l e r 组成部分所选芯片要求 功能要求 直流斩波 p w m 脉冲宽度o 1 0 0 。 调功部分 频率范围3 0 k h z 5 0 k h z ，输出两路互补p w m 逆变部分 波，能调节死区时间。 显示部分液晶显示模块电流、电压、频率显示。 自动控制 时间控制，电压、电流保护，能手动调节上下 部分 d s p 或单片机 限。 根据以上要求，本课题主要的内容具体包括硬件电路设计、高速p c b 电磁 干扰仿真研究分析和软件三部分： 第一在电磁感应加热理论基础上，综合考虑系统功能要求，设计系统总体 第l 章绪论 方案。 第二硬件部分：根据功能要求进行整个系统方案的设计和研究；主要电子 元器件的选择；d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 及其外围硬件电路的设计。 第三高速p c b ( p r i n tc i r c u i tb o a r d ) 研究和设计。 第四软件部分：d s p 及其外围硬件电路的驱动程序编写，调试整套系统， 使其稳定工作。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章系统总体设计 2 1电磁感应加热原理 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一种应用形式。 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。 电磁感应加热是利用电磁感应现象对金属做加热的方法，如图2 1 所示，根 据法拉第电磁感应定律和楞次定律，给感应线圈通交变电流，线圈当中将产生交 变磁场，若工件放在加热线圈的交变磁场内，由于磁力线的切割，将在不同的深 浅层面产生感应电流( 涡流) ，并因工件的阻抗性质及涡流在工件上的流动产生 热量，使工件的温度升高，达到加热的目的，此即感应加热电源的基本原理。 图2 1 感应加热原理的示意图 f i g 2 - 1p r i n c i p l eo fi n d u c t i o nh e a t i n g 如图2 2 所示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见式( 2 1 ) 、式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 。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 3 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。 第2 章系统总体设计 a c 图2 2 一般形式变压器 f i g 2 - 2g e n e r a lt r a n s f o r m e r a c 图2 3 次级短路的变压器 f i g 2 - 3s e c o n d a r ys i d es h o r tc i r c u i tt r a n s f o r m e r 尸= u 1 木1 1 = u 2 1 2 u 11 u 22 ，12 ，2 1 式中p 总功率； ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) u 1 初级线圈电压； i l 初级线圈电流； n 1 初级线圈匝数； u 2 次级线圈电流； 1 2 次级线圈电压； n 2 次级线圈匝数 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。如图2 4 所示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。 北京工业大学r 丁学硕十学位论文 电能 磁能 电能热能 图2 4 能量转换图 f i g 2 - 4e n e r g yc o n v e r s i o n 当交变电流过线圈时，根据安培定律，在线圈周围就会产生交变的磁场。见 式( 2 4 ) ，见式( 2 - 5 ) 。 i h d l = i v ( 2 4 ) = a h a( 2 5 ) 式中h 一磁场强度； a 截面积； i 电流； n - 一匝数； 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，见式( 2 6 ) 。导体表面的电流产生涡流。 占= 一m 矽d t = - n a d b ( t ) 衍 ( 2 6 ) 式中b ( t ) 一磁感应强度 由感应电流和涡流引起的电能就转变为热能，见式( 2 - 7 ) ： 一2 p = 兰= ，2 r ( 2 7 ) r 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。 电磁感应加热在家电、淬火、焊接等领域得到广泛的应用，具有如下优点。 加热温度高，而且是非接触式加热； 加热效率高，可以节能； 加热速度快，被加热物的表面氧化少： 温度容易控制，可以局部加热且加热均匀，产品质量稳定； 容易实现自动控制，使用方便； 作业环境好，几乎没有热、噪声和灰尘； 作业占地少，生产效率蒯1 9 之。 第2 章系统总体设计 2 2 系统总体设计 本电源工作示意图如图2 5 所示：超( 变) 频电磁感应锅炉电源驱动锅炉正 常工作，并接收锅炉实时反馈参数。利用键盘调节超( 变) 频电磁感应锅炉电源 各种参数，利用显示模块显示各种参数，利用r s 2 3 2 和计算机通讯。 图2 - 5 结构示意图 f i g 2 5t h es t 九j c t u r eo ft h ep o w e r 一 为了实现感应加热，电源都是带有功率控制功能频率转换器。它的主电路拓 扑中必然包含两种功能的电路，即调功电路和逆变电路。常见的感应加热电源的 拓扑结构主要有三种如图2 6 、2 7 、2 8 所示： 感应线圈 工件 图2 - 6 逆变侧调功的感应加热电源 f i g 2 6i n v e r s i o na n ds i d ep o w e rr e g u l a t i o n f o re l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o np o w e r 2 2 0 5 0 h z 感应线圈 工件 图2 7 可控整流调功的感应加热电源 f i g 2 - 7c o n t r o l l e dr e c t i f i e ra n dp o w e rr e g u l a t i o nf o re l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o np o w e r 2 2 0 5 0 h z 感应线圈 工件 图2 8 直流斩波调功的感应加热电源 f i g 2 8d cc h o p p e ra n dp o w e rr e g u l a t i o nf o re l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o np o w e r 逆变侧调功的感应加热方案把调功部分集成在了逆变电路部分，成本成倍的 提高，并且会产生高次谐波；可控整流调功方案：三相p w m 整流技术可以使功 率因数得到有效的提高，但由于高频p w m 整流同样使交流侧的高次谐波含量 大，目前使用软开关技术的三相p w m 整流技术正在研究阶段，并不成熟。直流 p w m 斩波调功方案是指在采用不控整流得到直流电压，然后在直流母线侧采用 斩波电路，通过改变占空比d 的大小来调节直流输出电压，实现对输出功率的调 节。直流斩波调功方案具有电路简单、功率因数高，输出波形好，动态响应快， 保护容易的优点，成本也比较低。 超( 变) 频电磁感应锅炉电源的主电路由三相不控整流桥、软开关斩波器 t 1 、逆变器和负载匹配电路四部分组成。三相交流输入经桥式不控整流桥整成脉 动的直流电压，在经过电容c 1 对直流电压平滑滤波后，该电压被斩波器进行斩 波功率调节。全桥逆变器输出形成频率可调的方波电流，在锅炉的内、外磁热交 换器的壁内流动从而产生大量的热能，高效迅速加热其中流动的水。全桥逆变器 工作频带宽，能够很好匹配锅炉的工作频率( 3 0 k h z 至5 0 z ) ，保持同步。主 第2 章系统总体设计 电路图如图2 - 9 所示。 i z i l 1 t 一l ilq c l 【i j i d 1= i 一 i 2 3 本章小结 图2 - 9 主电路图 f i g 2 - 9m a i nc i r c u i t 本章节综合介绍了电磁感应原理及其应用；在此基础上介绍了超( 变) 频电 磁感应锅炉电源总体设计方案，包括逆变侧调功方案，可控整流调功方案，直流 斩波调功方案，最后比较三种方案优缺点，综合考虑项目要求，选择直流斩波调 功方案作为本系统的设计方案。 3 1 硬件设计概述 第3 章硬件电路设计 在总体方案的设计思想下，围绕d s p 构建各种功能接口模块。 第一进行p i d 控制和信号处理； 第二利用e v a 模块实现p w m 产生，从而驱动全桥以及斩波电路； 第三利用a d 模块实现电压电流的反馈； 第四利用字符型液晶模块显示电压电流以及频率值； 第五利用r s 2 3 2 进行计算机通信。功能框图如图3 1 所示。 液晶 部 图3 1 功能框图 f i g 3 - 1f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a m 在实现模块的设计需要以下几个步骤： 首先，进行主要元器件的选择。在选择的过程中，要综合考虑元器件的功能 特性、成本、稳定性以及设计开发难度等方面。 其次，选择设计工具。本系统的设计过程中选用了p r o t e l 2 0 0 4d x p ，这是一 款设计功能强大，操作方便并且比较通用的p c b 设计软件。 再次，对核心器件的外围电路进行原理图，p c b 图的设计。 最后，根据p c b 图进行制板，编写测试程序，进行调试和修改，最终确定 硬件电路的设计【z 2 。26 | 。 3 2 元器件的选择 元器件的选择是硬件设计的重要一步，选择搭配合理的元器件对于系统的性 能有着非常重要的作用。在选择元器件时，要对其性能、成本等各方面进行综合 考虑。本系统的主要元器件包括d s p 、电源芯片、s r a m 芯片等。 3 2 1 d s p 芯片的选择 d s p 芯片也称数字信号处理嚣，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的 微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理。 d s p 可分为定点运算和浮点运算两种。定点d s p 的特点是主频高、速度快、 成本低、功耗小，主要用于计算复杂度不高的控制、通信、语音图像等领域。 通常用定点器件可以解决的问题，尽量用定点器件，因为它的速度快、成本低， 功耗小。浮点d s p 的速度一般比定点d s p 处理速度低，其成本和功耗都比定点 d s p 高，但是由于其采用了浮点数据格式，因而处理精度，动态范围都远高于定 点d s p ，适合于运算复杂度高，精度要求高的应用场合，由于所设计系统的计算 速度要求比较高，所以系统选择t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 型号d s p 作为核心控 制器件。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是1 1 公司推出的3 2b i t 定点d s p 芯片。最高主频可达 1 5 0 m h z , 1 2 8k b 的f l a s h , 1 8k b 的r a m ，1 6 通道1 2b i t a d c ，支持a n c i c c + + 。 由于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内部集成了1 6 通道的1 2 b i t a d c 故无须再外扩a d c ，可使硬 件电路简洁。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 封装如图3 - 2 所示。 ；：j5 图3 - 2 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 1 7 6 引脚l o f p 封装顶视图 f i g3 2 t m s 3 2 0 f 2 8 1 21 7 6 - p i n l q f p 仃b o v i e w ) 北京工业大学工学硕上学位论文 如图3 3 所示为t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片的功能框图，其中阴影部分为代码保护 模块。 图3 - 3t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 功能框图 f i g 3 - 3t m s 3 2 0 f 2 8 1 2f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a m t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的主要性能为： 高性能静态c m o s 技术；1 5 0 m h z ( 时钟周期6 6 7 n s ) ；低功耗( 核心电压1 8 v ； i o 口电压3 3 ；f l a s h 编程电压3 3 v 。 j t a g 边界扫描( b o u n d a r ys c a n ) 支持。 高性能的3 2 位中央处理器( t m s 3 2 0 f 2 8 x ) ；1 6 位 1 6 位和3 2 位* 3 2 位乘和累 加操作；哈佛总线结构( h a r v a r db u sa r c h i t e c t u r e ) ；强大的操作能力；迅速的中断 响应和处理；统一的寄存器编程模式；可达4 m 字的线性程序地址；可达4 m 字 的数据地址；代码采用c c + + 或者汇编语言；与t m s 3 2 0 f 2 4 x ，l f 2 4 0 x 处理器的 源代码兼容。 片内存储器：8 k x l 6 位的f l a s h 存储器；1 k x l 6 位的o t p 型只读存储器；l 0 和l l 两块4 k x l 6 位的单口随机存储器( s a r a m ) ；h o 一块8 k x l 6 位的单口随机 第3 章硬件电路设计 存储器；m 0 和m 1 两块1 k x l 6 位的单口随机存储器。 根只读存储器( b o o tr o m ) 4 k * 1 6 位，带有软件的b o o t 模式，标准的数字 表。 外部存储器接口，有多达1 m b 的存储器，可编程等待状态数，可编程读 写选通计数器( s t r o b et i m i n g ) ，三个独立的片选端。 时钟与系统控制支持动态的改变锁相环的频率。 三个外部中断。 外部中断扩展( p i e ) 模块，可支持9 6 个外部中断，当前仅用了45 个外部中 断。 1 2 8 位密钥，保护f l a s h o t p 和l o l 1s r a m ，防止r o m 中的程序被盗 3 个3 2 位的c p u 定时器。 两个事件管理器( e v a 、e v b ) 。 串口外围设备；串行外围接口( s p i ) ；两个串行通信接口( s c i s ) ，标准的 u a r t ；改进的局域网络( e c a n ) ；多通道缓冲串行接口( m c b s p ) 和串行外围 接口模式。 1 6 通道的1 2 位a d c ，包含两个采样保持器。 5 6 个可独立编程、多用途通用输入输出( g p i o ) 引脚等。 与其它的嵌入式处理器相比，唯一的重要的区别在于d s p 支持单时钟周期 的“乘一加”运算。这一显著特点使得d s p 使用的时候灵活性很强，有很好的。 数据处理能力和实事性。以d s p 为平台实现开关电镀电源数字化主要包括以下 三个优点：第一能够实现电信号及过程参数的实时检测、显示及动作控制功能；- 第二能够根据检测信号采用合理的智能控制算法确保电源具有较高的动态性能 指标，达到节能增效的目的；第三能够实现数字化p w m 触发信号的输出，进一 步提高电源装置的多方面性能指标 2 7 。3 1 1 。 3 2 2电源芯片的选择 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片采用双电源供电，d s p 的核内电压和i o 接口电压分别 为1 8 v 和3 3 v ，本系统需要三种电源，电压为5 v 、3 3 v 和1 8 v 。因此系统是 一个多电源系统，需要电源芯片产生合适的工作电压。t i 公司专门为d s p 设计 的电源芯片t p s 7 3 h d 318 ，d s p 的双电源解决方案采用t p s 7 3 h d 318 实现，输入 的电源电压为5 v ，输出电压分别为3 3 v 和1 8 v ，每路电源的最大输出电流为 7 5 0 m a ，并且配备了专门的复位芯片。具有如下特性：i o m a x = 7 5 0 m a ；双路电源； 独立可控输出；一路可调；有效复位输出；小尺寸封装。t p s 7 3 h d 3 18 封装如图 3 4 所示。 北京工业大学工学硕士学位论文 i i n c n c 1 g n d 1 e n 1 i n 1 l n n c n c 2 g n d 2 e n 2 l n 2 l n n c n c 1o 2 8 22 7 32 6 42 5 5r 一一一2 4 6：2 3 7 i ：2 2 8 ： 1 2 1 9 ： | 2 0 1 0 l 一一一j 1 9 1 1 8 1 21 7 3 6 4s 1 r e s e t n c n c 1f b s e n s e 1 0 u t 1 0 u t 2 r e s e t n c n c 2 s e n s e 2 0 u t 2 0 坍 n c n c n c n oi n t e m a lc o n n e c t i o n “ 图3 4t p s 7 3 h d 3 1 8 封装顶视图 f i g 3 - 4t p s 7 3 h d 318t o pv i e w 3 2 3s r a m 芯片的选择 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片内部包括1 2 8 k b 的f l a s h 和1 8 k b 的s a r a m ，其中 1 2 8 k b 的f l a s h 用来存储系统软件程序已经足够，但是在实际使用中，考虑 到d s p 在工作过程中需要处理大量的数据，仅依靠d s p 芯片内部的存储空间远 远不够，所以考虑外扩一片s r a m 存储器。 i s 6 1 l v 5 1 2 1 6 是一种高速异步静态5 1 2 k b 的s r a m ，其读写周期为1 0 n s ， 与d s p 之间可以无需插入等待周期便可以进行读写操作，并可以直接映射到 d s p 外部存储接口的z o n e 2 或者z o n e 6 区域。i s 6 1 l v 5 1 2 1 6 封装如图3 5 所示。 图3 5i s 6 1 l v 5 1 2 1 6 封装顶视图 f i g 3 5i s 6 1 l v 5 1 2 1 6t o pv i e w 第3 章硬件电路设计 3 2 4 显示芯片的选择 液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制， 有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模 集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式 电脑、数字摄像机、p d a 移动通信工具等众多领域。 显示部分采用f m l 6 0 2 c 液晶模块显示温度、电流、电压、频率信息。字符 型液晶屏是用5 x 7 点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为 1 行1 6 个字、2 行1 6 个字、2 行2 0 个字等。在系统中应用液晶显示器作为输出 器件有以下优点：显示质量高，数字式接口，体积小、重量轻，功耗低。2 行1 6 个字的f m l 6 0 2 c 液晶模块采用标准的1 4 脚( 无背光) 或1 6 脚( 带背光) 接口。 液晶显示工作原理： ( 1 ) 线段的显示点阵图形式液晶由m n 个显示单元组成，假设l c d 显 示屏有6 4 行，每行有1 2 8 列，每8 列对应l 字节的8 位，即每行由1 6 字节，共 1 6 8 = 1 2 8 个点组成，屏上6 4 1 6 个显示单元与显示r a m 区1 0 2 4 字节相对应， 每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由 r a m 区的0 0 0 h 叫o f h 的1 6 字节的内容决定，当( o o o h ) = f f h 时，则屏幕 的左上角显示一条短亮线，长度为8 个点；当( 3 f f h ) =