数字化中频感应加热电源关键技术研究

1、西安建筑科技大学硕士学位论文 数字化中频感应加热电源关键技术研究 专 业：控制理论与控制工程 硕 士 生：杨晓静 指导老师：张立材 副教授 摘 要 中频感应加热电源由于具有体积小，节能、高效、以及污染小等优点，在工业生产中得到了广泛的应用。目前用于熔炼的中频感应加热电源逆变电路部分主要采用的是并联逆变电路，串联谐振逆变电路研究相对较少。中频感应加热电源控制系统主要是以集成的数字化控制系统为主，在智能化控制方面还有待深入研究。 课题以半桥串联谐振逆变电路为主电路，以 TMS320F2812 DSP 为主控芯片，对中频电源进行以下几方面的研究： （1） 半桥串联谐振逆变电路中流过开关元件的电流减小

2、到零时， 开关元件能够自然关断。为了检测开关元件的过零点，研究了一种自然关断点检测电路，由峰值检测电路辅助过零点检测电路，对逆变输出的中频电流峰值时刻和过零点时刻进行检测，DSP 控制系统对这两个时间点的关系进行分析，判断开关管是否自然关断。通过仿真分析，证实了这种复合的判断方式比单纯的过零点检测电路的准确度高，排除了由于干扰引起的误测，在谐振情况下，解决了逆变电路中的开关元件需要承受一个反向电压才能关断的问题，防止了直通现象，同时简化了控制电路。 （2）在熔炼过程中，负载参数发生变化，导致负载电路谐振频率发生变化，开关管导通频率与负载谐振频率不一致，降低了电源的工作效率。课题在传统负载频率跟

3、踪基础上研究了一种改进的数字化锁频锁相环路， 采用 DSP 对中频输出电流信号与负载谐振信号进行比较，将两个信号的频率差与相位差减小到稳态范围内，控制开关管的导通频率，达到了负载频率跟踪的目的，比起传统的锁相环频率跟踪方法，更加准确地控制了开关管触发脉冲的发送频率，实现了频率跟踪智能化控制，提高了电源工作效率，减少功率损耗。 采用 Multisim 与 Simulink 对控制系统进行建模仿真，验证了系统的可行性。 西安建筑科技大学硕士学位论文 关键词：关键词：中频电源；谐振逆变；自然关断点；锁频锁相；DSP 西安建筑科技大学硕士学位论文 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 西安建筑科技大学硕士学位论文 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西安建筑科技大学硕士学位论文 目 录 1 中频感应加热电源技术简介 .1 1.1 中频感应加热电源研究意义 .1 1.2 中频感应加热电源技术研究现状与发展趋势 .2 1.3 本文主要研究内容 .3 1.4 章节安排 .4 2 数字化中频感应加热电源技术分析 .5 2.1 数字化中频电源总体结构 .5 2.2 中频电源逆变主电路选择 .6 2.3 中频感应加热电源启动电路设计 .8 2.4 半桥串联谐振逆变电路控制系统辅

13、助电路设计 .10 2.4.1 时钟电路设计 .12 2.4.2 复位电路设计 .12 2.4.3 电平转换电路设计 .12 2.4.4 外部扩展存储器接口电路设计 .13 2.4.5 数/模转换(D/A)电路设计.14 2.4.6 通信接口电路设计 .15 2.4.7 直流过流检测保护电路设计 .15 2.4.8 中频电压过压检测保护电路设计 .16 2.4.9 故障及封锁保护电路设计 .16 2.5 本章小结 .16 3 自然关断点检测与负载频率跟踪研究 .19 3.1 半桥串联谐振逆变主电路分析 .19 3.2 晶闸管自然关断点检测 .23 3.2.1 过零点检测电路 .23 3.2.2

14、 峰值检测电路 .24 3.2.3 晶闸管自然关断点判断 .24 3.3 频率跟踪技术分析 .25 3.3.1 锁相环基本原理 .25 I西安建筑科技大学硕士学位论文 II 3.3.2 锁频环基本原理.27 3.4 数字锁频锁相频率跟踪研究.29 3.4.1 数字鉴相方法研究.29 3.4.2 数字鉴频方法研究.30 3.4.3 K序列环路滤波研究.31 3.4.4 数字压控振荡研究.32 3.5 晶闸管触发电路设计.33 3.6 本章小结.34 4 频率跟踪软件设计.35 4.1 控制系统主程序设计.36 4.2 启动控制子程序设计.36 4.3 晶闸管自然关断点检测判断子程序设计.38 4

15、.4 锁频锁相环频率跟踪子程序设计.38 4.5 晶闸管触发脉冲控制子程序设计.40 4.6 本章小结.42 5 实验仿真与分析.43 5.1 启动模块仿真分析.43 5.2 晶闸管自然关断点检测判断仿真分析.44 5.3 锁频锁相环频率跟踪仿真分析.45 5.4 本章小结.47 6 结 论.49 致 谢.51 参考文献.53 附 录.57 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 中频感应加热电源技术简介 中频感应加热设备与传统的加热方式相比，具有体积小、节能、高效、开机停机方便以及污染小等优点，在工业加热领域得到了广泛的应用。中频感应加热电源是整个感应加热设备的主要组成部分，因此对中频感应加热电源

16、的研究具有重要的意义。 1.1 中频感应加热电源研究意义 最早的电磁感应现象，在人们看来是对电能的一种浪费，这种现象会使道体发热，产生损耗，所以在最开始的时候，人们都致力于减少这种损耗的研究1。19 世纪末开始， 逐渐发现这种发热现象也是有一定用处的， 在正确的使用方式下，它的加热温度较高，而且采用的是非接触式的加热，可以进行一些加热的工作。人们逐渐开始研究这种加热的设备，使其可以应用在一般的工业加热、熔炼等领域2。 第一台使用这种加热技术的设备为感应熔炼炉，它是一种开槽式有芯炉，是在 1890 年由瑞典人发明的， 它可以用来对金属进行冶炼。 后来就逐渐有了各种改进的、不同的熔炼炉，例如中频发

17、电机组和电磁倍频器3。在 1921 年，美国人发明了一种无芯炉，它的电源设备采用的是火花式中频电源，这种电源就是后来中频电源的基础，后来出现了中频机组电源4。1957 年，美国通用电气公司开发出了晶闸管，这种器件控制性能比较好，寿命长，体积比较小。1966 年，瑞士BBC公司将晶闸管应用在中频电源中，研制出了晶闸管中频电源。到七十年代末期，晶闸管中频电源已经发展成为中频电源的主流产品5。自此之后，世界各国都在大力发展中频感应加热电源的研究，研制了不同功率范围以及不同频率范围的中频感应加热电源6。 由于中频感应加热电源的加热速度快，体积比较小，可以对加热温度进行控制，加热温度比较均匀，在需要加热

18、的时候再去启动，可以节省电能，减少工厂用电量等诸多优点，中频感应加热电源在工业领域的应用越来越广泛7。从最早的冶金行业的表面热处理工业开始，逐渐向机械制造、轻工业、石油化工以及电子产品行业发展，在人们的日常生活中，也可以见到它的踪影，比如生活中经常用到的微波炉、电磁炉以及热水器等，都是中频感应加热电源发展的产物8。 1西安建筑科技大学硕士学位论文 中频感应加热电源是通过电磁感应原理把电能转化为热能的设备，一般是指输出频率为中频(150Hz以上至 20kHz)的单相或者三相可调的中频电流， 可以根据实际的需要调节中频感应加热电源的输出频率9。中频电流通过感应线圈，对熔炼炉进行加热，使炉料产生感应

19、电动势，使炉料被加热升温，这种加热电源的体积小，效率高，因此它广泛地应用在冶金、机械制造以及轻工业等领域中10。 目前投入使用的中频感应加热电源的控制电路部分，大多采用的是模拟器件组成的控制电路。这种控制电路比较复杂，使用元器件比较多，而且模拟器件存在温漂性，系统很容易受到这种性能的影响，导致性能发生变化，系统一旦投入使用，存在的问题就不容易修改11。而数字化的控制系统具有可以灵活控制的先天优势， 数字控制系统与集成电路相结合， 可以与逆变器组成一个反馈控制系统，电路结构较为简单，在投入使用后，可以方便的对控制方式进行在线修改，节省成本，也可以对中频电源的输出信号进行调节，同时可以实现控制器与

20、计算机之间的数据通讯12。 逆变器是中频感应加热电源的一个重要环节，目前国内的中频感应加热电源大都采用负载并联的逆变电路，这种电路不适合应用在频繁启动的场合，并且在突然断电后，也不易启动13。而负载串联型的逆变电路，启动容易，是目前国内研究比较少的一种中频电源，因此，在中频感应加热电源的研究领域也有一定的前景。 1.2 中频感应加热电源技术研究现状与发展趋势 经过多年的发展与改进，中频感应加热电源已经取得了令人瞩目的成果。中频感应加热电源的控制系统也有了较大的进步，已由初期的分立元件组成的控制电路， 发展到由集成电路组成的控制电路， 性能方面趋于稳定。 目前单片机、 DSP等微控制器组成的控制

21、系统也在不断的研发中14。 目前，晶闸管中频感应加热电源已经完全替代了传统的感应加热电源设备。随着技术的不断完善，感应加热电源的频率范围不断增长，电源的功率也在不断的扩大。电流型的中频感应加热电源是目前中频感应加热设备中比较主流的产品15。日本研制出的 1200kW/50Hz的中频感应加热电源，采用的是并联线路的逆变器组成的电流型的并联感应加热电源。中频感应加热电源的逆变器部分实现了微处理器的控制，这种逆变电路可以工作在零电压开关状态16。国外在中频感应加热电源的研究方面，已经取得了比较先进的技术成果，逆变电路采用串联线路的 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 中频感应加热电源也有一定的研究成果

22、。美国应达公司已经研制出大容量、高功率的中频电源，数字化的控制技术也已经有所体现17。 国内在 50 年代开始在工业领域广泛应用感应加热技术， 对中频感应加热电源的研制是从 60 年代末才开始的。 湖南大学、 天津大学以及浙江大学是比较早期开始研制中频感应加热电源的高校18。目前，国内的中频感应加热电源的容量已经接近 2MW左右。国产的中频感应加热电源基本都是采用并联谐振逆变的结构，但是这种结构的逆变器不适合用在频繁启动的场合。国内对数字化逆变电路的控制也大多是在集成电路的控制模块，采用微控制器进行控制的中频感应加热电源还是比较少出现在市场中19。 随着工业的不断发展，各种工业设备越来越多，但

23、是厂房的面积有限，同时各种设备的容量也在逐渐增加，设备的总体用电量也在逐渐增加，工厂的原有条件不能很好的解决这些问题，这就要求在设备的生产过程中，必须考虑到电源的体积，耗电量等各种问题，以适应客户现有的生产条件20。提高电源的效率，节省用电量，提高设备的功率，减小电源的体积，以及拓宽电源的使用环境都是目前中频感应加热电源需要改进的方面。 中频电源的启动也是近来研究的一个问题，目前国内投入使用的中频电源基本都是并联逆变式中频电源，在启动方面存在一定的问题，突然断电或者频繁的启动都不是很容易启动成功的21。而串联逆变式中频电源在启动方面占有一定的优势，但是目前国内对串联逆变式中频电源的研究还不是很

24、成熟， 因此， 串联逆变式中频感应加热电源的研究还是很有前景的22。 中频感应加热电源采用数字化的控制系统，可以降低电源的成本，提高系统的可靠性，同时可以减小电源的体积，用户也可以根据实际需求对控制系统进行修改，这种优势是传统的模拟控制系统无法实现的23。控制系统可以对中频电源的输出的信号进行采样、处理和控制，并且可以与计算机进行简单稳定的通信，对控制参数进行修改设定，在不同的温度下优化输出信号，使系统更加稳定。自动调节与保护、监控环节的性能、整机的可靠性、稳定性及效率不断提高。中频电源正朝着高功率因数、高变换效率，无污染、数字控制的方向发展。数字化的控制系统模块化程度较高，分立器件数目较少，

25、可以对系统故障进行报警，提示操作人员对系统进行检查，智能化的程度较高，具有较高的使用性24。 1.3 本文主要研究内容 本文研究的中频感应加热电源系统以半桥串联谐振逆变电路为基础，选择晶 3西安建筑科技大学硕士学位论文 4 闸管为开关元件，以 TMS320F2812 DSP 为主控芯片，对中频感应加热电源逆变主电路控制系统进行研究。 根据串联谐振电路中开关元件可以自然关断的特性，研究一种峰值检测电路结合过零点检测电路对逆变电路输出的中频电流进行检测，通过软件判断开关管的自然关断点，使开关管工作在自然换向状态，省去了繁琐的开关管关断电路。由于中频电源在加热过程中，负载频率会发生变化，因此对负载频

26、率进行跟踪，在传统的锁相环和锁频环的基础上对频率跟踪方法进行改进，设计一种数字化的锁频锁相环路，对负载电路频率进行跟踪，控制开关管触发脉冲的发送，使开关管工作在负载固有频率附近，提高了电源工作效率，减少功率损耗。 对中频电流信号进行检测与分析，实现对开关管自然关断点的检测判断，采用数字化锁频锁相环，对负载频率信号进行检测控制，实现对负载频率的跟踪，在 CCS 环境下，实现控制系统的软件编程及调试，并设计了控制系统的外围电路以及驱动和保护，确保系统能够稳定地工作。对过流、过压、欠压等信号进行检测与控制，确保系统工作在正常状态。最后采用 Multisim 软件对系统硬件部分进行仿真，采用 Simu

27、link 对系统的软件部分进行建模仿真，确保系统的可行性。 1.4 章节安排 第一章主要是对目前中频感应加热电源技术进行简介，提出现有的中频感应加热电源技术方面存在的问题。 第二章主要是对中频感应加热电源结构进行介绍，对逆变电路进行选择，对逆变器启动电路进行设计，采用 TMS320F2812 DSP 对控制系统辅助电路进行设计。 第三章主要是采用峰值检测电路辅助过零点检测电路，对晶闸管的自然关断点检测判断进行分析研究； 以及采用数字化锁频锁相环对负载频率进行跟踪研究；根据以上两个因素对晶闸管触发电路进行设计。 第四章主要是对控制系统主程序、启动控制子程序、晶闸管自然关断点检测判断子程序、频率跟

28、踪子程序以及晶闸管触发脉冲控制子程序进行软件设计。 第五章主要是对启动模块、晶闸管自然关断点检测判断模块以及频率跟踪模块进行仿真与分析。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 数字化中频感应加热电源技术分析 目前国内中频感应加热设备普遍采用的是并联型中频电源，这种电源不适合于频繁启动的环境，而串联谐振型中频电源启动比较容易，但后者在市场中的应用比较少见，其技术还不是很成熟，因此，串联谐振型逆变电源由于其本身的优点，有一定的市场前景。在中频电源的控制方面，大多都是集成电路数字控制系统，其控制电路比较复杂，一旦电路成型，在工作中出现故障，只能是替换整个控制板，经济开销比较大。因此，对智能化的中频电源进

29、行研究，对其控制系统尽可能采取软件控制，在出现故障时，可以通过对软件的调试编程，解决实际中遇到的问题，而不必对硬件电路进行修改25。 2.1 数字化中频电源总体结构 中频感应加热电源总体结构框图如图 2.1 所示。中频感应加热电源一般由整流环节(AC-DC)、逆变环节(DC-AC)、滤波环节、控制环节、驱动电路、保护电路以及频率跟踪电路几个环节组成。通过对中频电源输出的电流信号进行采样，输入到控制系统中，对其进行分析处理，得到一个控制信号反馈到主电路中，对电路中的开关元件的导通情况进行控制，改变主电路的工作状态频率以及电流电压大小，实现智能化控制。 图 2.1 中频感应加热电源系统结构框图 整

30、流环节主要是把三相 50Hz 工频交流转换成直流电，作为逆变器的直流输入电流。 感应加热器是整个中频感应加热电源的负载部分，逆变电路输出中频交流电到负载电路的感应线圈中，把电能转换成热能对工件进行加热。感应线圈和感应加热工件组成的负载电路可以等效为图 2.2 所示的等效电路， L 为等效电感， R 为等效负载，通常用电容器对负载电路的无功功率进行补偿，以提高电源的工作效 5西安建筑科技大学硕士学位论文 率，补偿电容器与负载电路的连接方式有并联和串联两种形式，因此，中频感应加热电源逆变电路与负载线圈组成的逆变器也有两种结构形式：串联逆变器和并联逆变器。 LR 图 2.2 负载等效电路 滤波电路有

31、直流滤波以及逆变电路输出的端的交流滤波，直流滤波电路主要对整流后的直流电流进行平滑，交流滤波除了对逆变电路输出的交流电进行滤波外，还起到一个隔离的作用，将主电路与负载电路隔离开，保护主电路的安全，不致于被负载电路的大电流烧坏。 中频感应加热电源的控制电路在整个系统中起着非常重要的作用，它的主要作用有以下几点： （1）开机启动：用微处理器控制它激转自激启动方案或者采用让电压 PI 调节器的给定值缓慢上升到设定值的软启动过程来实现启动。 （2）晶闸管自然关断点检测判断：检测判断中频电流的过零点，确保晶闸管在自然关断后导通下一只晶闸管，防止直通现象。 （3）负载频率跟踪：对负载频率信号进行分析比较，

32、调节其相位和频率，实现频率的自动跟踪。 （4）开关管导通控制：根据（2）的判断结果，以及（3）中对负载频率跟踪的结果，实现对开关管导通的控制，使其以负载工作频率进行导通，提高电源工作效率。 （5）保护功能：当各参量因故障而超出其设定的极限值时，控制电路应将调节器封锁，负责故障的处理，确保系统能够安全运行。 2.2 中频电源逆变主电路选择 逆变电路主要作用是把直流电逆变为负载所需要的中频交流电供给负载电路，是中频感应加热电源中一个重要的环节。谐振现象是正弦稳态电路工作过程中的一种特殊的现象，在正弦激励下，当电压向量和电流向量的相位相同时，这种特殊的现象就是谐振现象，电路的谐振频率是指电路产生谐振

33、时电源的频率。谐振电路通常是由负载和电容组成的，根据负载电路的补偿形式的不同，逆变主电路可以分为并联谐振逆变电路和串联谐振逆变电路，而串联谐振逆变电路根据其逆变桥臂数量的不同，分为全桥串联谐振逆变电路和半桥串联谐振逆变电路。 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 并联谐振型逆变器是目前大多国产中频电源所采用的结构。 目前国内中频电源大都采用并联逆变电路为主电路，并联逆变电路原理图如图 2.3 所示，直流输入为整流电路输出的直流电，Ld为储能电感，对整流输出的直流电流Id进行滤波处理，使直流电流变得比较平滑。逆变电路是由四只晶闸管反向并上二极管所组成单相桥式逆变电路，将输入到逆变器的直流电流Id逆变

34、成为负载所需要的频率的中频交流电流i0，送入到负载电路。 SCR1SCR3SCR2SCR4CRLLd直流输入 图 2.3 并联逆变电路原理图 负载电路是由补偿电容器和感应加热线圈组成的并联振荡电路，负载输出的中频电流i0波形为方波，中频电压u0波形为正弦波，其波形图如图 2.4 所示。 (a)直流输入电压 (b)中频输出电流 (c)中频输出电压 图 2.4 并联逆变电路各变量的波形图 全桥串联谐振逆变电路结构简单，控制相对于并联逆变电路较为简单，不需要平波电感，体积比较小。串联谐振逆变电路如图 2.5 所示，整流电路输出的直流电压Ud，Cd为滤波储能电容，由于电容值比较大，可以对直流电压Ud起

35、到一个平滑的作用，在逆变电路开始工作前，电容Cd对电压进行储存，以便于启动逆变电路。逆变电路为单向桥式逆变电路，将输入到逆变器的直流电流Id逆变为中频交流电流i0，送入负载电路。 SCR1D1SCR3D3SCR2D2SCR4D4CRLCd直流输入 图 2.5 串联谐振逆变电路原理图 负载电路是由补偿电容器和感应加热线圈组成的串联振荡电路，负载输出的 7西安建筑科技大学硕士学位论文 中频电流i0波形为正弦波，中频电压u0波形为方波，其波形图如图 2.6 所示。 (a)直流输入电流 (b)中频输出电压 (c)中频输出电流 图 2.6 串联谐振逆变电路各变量的波形图 通过对以上逆变电路的分析，可以看

36、到，在开关元件关断方面，在并联谐振逆变电路中，逆变电路自身为谐振电流提供了通路，进行换流时，开关元件必须承受谐振电路产生的反向电压才能关断，开关元件需要串联一个同等容量的二极管来承受这个反向电压。但是，目前市场中的大容量的二极管在快速恢复方面有一定的限制，选择范围比较窄。在串联谐振逆变电路中，逆变电路无法为谐振电流提供通路，进行换流时，需要在开关元件上并联一个反向二极管，进行续流，为谐振电流提供通路，当开关元件上电流减小为零时，就会自然关断。因此，开关元件并不需要承受谐振电路产生的反向电压，而且对反向二极管容量的要求并不高，选择范围比较广。在负载电路拓扑结构方面，并联谐振逆变电路对负载线路参数

37、比较敏感，线圈较长时，会对负载电路的结构产生一定影响；而串联谐振逆变电路在这方面的要求比较低， 线圈中存在的电感不会影响到负载电路的结构，同时可以对线圈进行调整，增大或减小其电感值。在启动方面，在功率比较大的情况下，并联谐振逆变电源不容易频繁启动，尤其是在重载情况下不容易启动。而电压型串联谐振逆变器的结构比较简单，比较适用于频繁起动的情况，是一种可以代替并联谐振型逆变器的新型电源。 半桥串联谐振逆变电路由于其具有串联谐振电路的优点，同时结构上比较简单，其开关管元件数是全桥串联谐振逆变电路的一半，在控制系统研究方面更为方便，因此选用半桥串联谐振逆变电路作为中频感应加热电源的主电路。下面就是对半桥

38、串联谐振逆变主电路的分析。 2.3 中频感应加热电源启动电路设计 半桥串联谐振逆变控制电路主要实现系统的启动、对负载电流的过零点与峰值进行检测，以及负载频率的跟踪和开关管的触发脉冲的发送，确保中频电源系统能够高效率的运行。 8 西安建筑科技大学硕士学位论文 传统的它激转自激的启动方式，主要用于它激频率比较固定的启动方式，必须根据负载参数计算出谐振频率，以谐振频率相近的频率去启动中频感应加热电源，在负载不同时，需要根据计算不同的谐振频率，改变它激信号的频率。它激转自激的启动方式比较适合负载比较稳定的情况。为了拓宽中频感应加热电源适用的范围，需要对其启动方式进行一定的改进，适应不用负载情况下的启动

39、方式26。 目前大部分中频电源采用的是零压或负压软启动方式，属于自激启动。软启动的特点是，在启动时，给负载一个较小的功率，慢慢降低系统的工作频率，逐渐增大负载功率。在特殊情况下，例如重负载，冷炉时，尤其是熔炼快结束时，突然断电，很长时间后来电时，再启动电源是有一定困难的27。 在零压软启动的基础上增加扫频方式的启动电路，可以更好的解决不同负载情况下的启动问题。中频感应加热电源没有开机运行时，负载端没有电流输出，频率跟踪环节无法进行工作。扫频式启动方式就是在逆变电路启动前，把一个大于负载谐振频率的它激信号发送到逆变脉冲触发电路，触发逆变晶闸管导通，输入的直流电流流入逆变电路，通过两只晶闸管的轮流

40、导通逆变成中频交流电，输出到负载电路，对负载电路的频率进行采集，反馈到控制系统，与负载电路的谐振频率进行比较，控制它激信号逐渐减小，进行扫频，直到采样频率达到负载的谐振频率时，说明逆变器启动成功。 由串联谐振电路的特性可以知道，当它激信号的频率等于负载谐振频率时，负载阻抗呈纯电阻性，此时电路的损耗最小；当它激信号的频率大于负载谐振频率时，负载阻抗呈容性；当它激信号的频率小于负载谐振频率时，负载阻抗呈阻性。因此，当它激信号以一个大与负载谐振频率的信号进行扫频时，负载电路工作在容性状态，中频输出电压的相位滞后于输出电流的相位。因此它激信号对负载电路进行扫频时，频率从高到低进行变化，当他激信号的频率

41、达到负载谐振频率时，开始建立中频电压，并反馈一个信号到自动调频电路，自动调频电路一旦检测到设定的信号，就立即关断它激信号扫频电路，并立即投入工作，使设备稳定的工作。若一次启动不成功，它激信号会一直不停的扫描下去，直至中频电源启动28。 扫频式零压软启动电路如图 2.7 所示，当扫频式零压软启动一次启动不成功时，重复启动电路使启动电路重复工作，直至启动成功，重复启动电路停止工作。开始启动时，555 定时器的DISC脚处于截止状态，比较器LM324A输出一个高电 9西安建筑科技大学硕士学位论文 平信号，二极管D26 截止，VCC通过电阻R35 对电容C21 充电。LM324B输入端电压升高，LM3

42、24B对电压进行调节，输出一个较小的电压到逆变触发电路VCO IN端，控制逆变触发脉冲的频率从高到低逐渐减小，实现扫频的过程。 图 2.7 扫频式零压软启动电路图 2.4 半桥串联谐振逆变电路控制系统辅助电路设计 控制系统选用 TI 公司的 TMS320F2812 DSP 作为主控芯片， 选用 DSP 的优点在于其控制方法比较先进，控制方式灵活，可以修改控制算法，节省成本，维护方便，可以通过 RS232 或者 USB 接口与上位机进行连接，对系统进行调试以及故障诊断。它可以提高逆变器的智能化程度，将低了生产成本。 TI公司生产的TMS320F2812 DSP是一款功能比较齐全的数字信号处理器，

43、它具有以下显著的特点293031： （1）主频高达 150MHz，指令周期减少到 6.67ns，提高了 DSP 的实时控制能力； （2）采用高性能静态 CMOS 技术，I/O 引脚电压为 3.3V，降低了 DSP 的功耗； （3） 采用低电压供电， 主频为 135MHz 时， 内核电压为 1.8V， 主频为 150MHz时，内核电压为 1.9V； （4）片内自带有 Flash、 SRAM，可以减少外部电路，节省成本； （5）外部存储器接口，最多可扩展 1M16b 的存储空间； （6）众多的外部设备：如 SCI、SPI、CAN、EV、ADC 等； （7）56 个可控制的通用 GPIO 口，方便控

44、制外部设备； （8）12 位的 A/D 转换模块，最高转换速率为 80ns/12.5Msps； （9）具有实时分析以及设置断点的功能，支持硬件仿真； 10 西安建筑科技大学硕士学位论文 （10）集成开发环境为 Code Composer Studio，CCS，JTAG 仿真器。 系统以 DSP 为核心控制器，采样电路将直流电流、中频电流和中频电压等采样信号转换为电压信号，通过控制系统外围电路，送入到 DSP，对信号进行分析处理后，输出到控制电路，对中频感应加热电源的工作状态进行协调，使系统工作在稳定状态。对负载的工作频率进行跟踪，通过数字化的数字锁频锁相环调整逆变电路中晶闸管的触发脉冲，使其工

45、作频率随负载频率变化而变化，减小开关损耗，防止晶闸管的直通现象。对负载过电压、过电流、欠电压现象进行检测，如有意外发生，及时对异常现象进行调节或者切断电源，保护设备及操作人员安全。 逆变主电路的控制系统框图如图 2.8 所示，控制系统主要由数字控制系统和外围接口电路两部分组成。 外围电路将数字控制电路与外部的被控系统进行连接，将逆变主电路中需要进行控制的中频电流信号、 中频电压信号、 过零点检测信号、峰值检测信号以及直流电流信号转变为控制器所适合的信号，输入到控制器，数字控制电路对这些采样信号进行相应的分析处理，将其输出到外围接口电路，外围接口电路将控制信号发送到外部电路，实现相应的控制功能。

46、 中频电压采样电路中频电流采样电路直流电流采样电路频率跟踪电路驱动电路过压保护电路欠压保护电路晶闸管A/DA/DCAPXINT1XINT2PWM过零点检测电路峰值检测电路过流保护电路图 2.8 中频感应加热电源控制系统框图 系统的主要功能配置为：ADC0 作为中频输出电流过零点信号的采样通道，ADC1 作为中频输出峰值信号的采样通道，PWM 口输出相应的晶闸管驱动信号；逆变器控制系统与计算机之间的通讯是由 DSP 的串行通讯模块(SCI)来实现；在过电流和过电压等情况下，DSP 的 PDPINT 管脚封锁所有控制驱动信号输出。 中频感应加热电源在实际运行过程中， 会遇到过压、 过流或过热等各种

47、故障，导致器件的损坏或者设备无法正常运行。对这些异常现象需要采取防范的措施，减少其发生的概率，有效的保护电源的正常运行，减少经济损失。保护电路主要是对输出的中频电压和输入的直流电流是否过高进行检测，同时也要在系统发生 11西安建筑科技大学硕士学位论文 故障时，快速做出反应，及时停止设备或者修改调整异常情况。 2.4.1 时钟电路设计时钟电路设计 时钟电路如图 2.9 所示，F2812 DSP 本身自带有锁相环功能，可以和外部一个低频率的时钟合成片内时钟。通过计算机的软件编程对系统的控制和状态寄存器(SCSR1)的值进行修改，从而改变锁相环的倍频数。时钟电路采用的是有源晶振，它相对于无源晶振而言

48、，抗干扰性较强，可以尽量使用片内锁相环功能，降低外部时钟的频率，使系统更加稳定的工作。 2314U110MC51R46C51L33+3.3VDXTAL1 图 2.9 时钟电路 2.4.2 复位电路设计复位电路设计 DSP 的复位电路如图 2.10 所示，系统采用 MAX811 芯片，采用手动方式对DSP 进行复位，在系统检测外部电源电压不稳定的情况下，也可以采用自动的方式对 DSP 进行复位。当外部电源的电压小于 2.93V 时，复位电路产生一个复位信号，发送到 DSP 中，复位引脚接受到信号时，对系统进行复位，同时也可以通过按钮 SW-PB 手动进行复位。复位电路只是对外部电源电压的检测低于

49、 DSP 的供电电压时，对系统进行复位。另外还有一种自动复位信号是通过看门狗定时器发出的，当定时器发生溢出时，便会发送一个信号到复位引脚，将其拉低为低电平，从而对 DSP 进行复位。 GND1VCC4MR3RST2U3MAX811-EUS-T+3.3VDR379C52JP4SW-PB 图 2.10 复位电路 2.4.3 电平转换电路设计电平转换电路设计 F2812 的供电电压是 3.3V，但是一般情况下器件的供电电压是 5V，5V 供电 12 西安建筑科技大学硕士学位论文 器件与 DSP 连接时，通常要将其输出的信号进行一个电平转换，将 5V 电压转换为 3.3V 电压后，才可以输入到 DSP

50、，对信号进行处理。电平转换电路如图 2.11所示。 VCCA1DIR2A13A24A35A46A57A68A79A810GND11GND12GND13B814B715B616B517B418B319B220B121OE22VCCB23VCCB24U8SN74LVC4245C34+3.3VDC35DGND+5VDDGNDDGNDPWM1 5VPWM2 5VPWM1PWM7 5VPWM2PWM8 5VPWM7PWM9 5VPWM8PWM10 5VPWM9PWM11 5VPWM10PWM12 5VPWM11PWM12 图 2.11 电平转换电路 了解清楚各种器件的电压范围以及电平的门限值之后， 对器

51、件进行连接。 DSP的管脚电平的门限值与普通 5V 器件的门限值是一致的，因此 DSP 的输出信号可以直接输入到 5V 器件中，但是 5V 器件输出信号要输入到 DSP 中，需要经过74LVC4245A 处理后才能输入到 DSP 中。如果将 5V 器件的输出不经过处理，直接接在 DSP 的管脚上，会导致 DSP 工作发生异常甚至损坏 DSP。 2.4.4 外部扩展存储器接口电路设计外部扩展存储器接口电路设计 在实际的调试过程中，通常需要通过外部的存储器对 DSP 的存储器进行扩展，采用 ISSI 公司的 IS61LV25616AL 作为外部存储器，对数据和程序进行存储，IS61LV25616A

52、L 具有 16 位、256K 的存储空间，是一个高速的静态 RAM，并且与 DSP 供电电压一样都是 3.3V，其接口电路如图 2.12 所示。 13西安建筑科技大学硕士学位论文 I/O07I/O18I/O29I/O310I/O413I/O514I/O615I/O716I/O829I/O930I/O1031I/O1132I/O1235I/O1336I/O1437I/O1538OE41UB40LB39CE6WE17NC28GND34GND12VCC33VCC11A1744A1643A1542A1427A1326A1225A1124A1023A922A821A720A619A518A45A34A2

53、3A12A01U11IS61LV25616ALC29+3.3VDGNDA13A10A15A5A2A0A1A3A4A6A7A8A9A11A12A14D5D10D13D15D2D0D1D3D4D6D7D8D9D11D12D14PSWERDGND 图 2.12 存储器扩展电路 2.4.5 数数/模转换模转换(D/A)电路设计电路设计 由于 F2812 中自带有 A/D 转换模块，模拟信号可以直接输入到 DSP 的 A/D模块，经过 DSP 内部转换为数字信号进行处理。在 DSP 输出控制信号到外部电路时，需要将其转换为模拟信号，因此，主要对 D/A 转换模块进行设计。 D/A 转换模块采用 TI 公

54、司的 DAC8532 芯片进行数/模转换，它具有 16 位的转换精度，转换时间为 10s，转换速度为 100kHz，供电电压为 2.7V5.5V，通过串行接口进行控制。DAC8532 的参考电压的精度会直接影响到输出电压的精度，要提高它的精度首先应提高参考电压的精度，利用 REF02 来产生高精度的 5V 参考电压。D/A 转换电路如图 2.13 所示，SCLK、SYNC、DIN 三个控制线都由 DSP直接输入，采用串行控制方式。 IC1IN2TMP3GND4IC8IC7OUT6TRIM5U15REF02C30C31C325VAGNDAGND12VVDD1GND8VREF2VOUTB3VOUT

55、A4DIN7SCLK6SYNC5U16DAC8532DAC1OUTDAC2OUTDADIN1DACLK1SYNC1 图 2.13 D/A 转换电路图 14 西安建筑科技大学硕士学位论文 2.4.6 通信接口电路设计通信接口电路设计 系统发生故障时，可以通过 RS232 接口或 USB 接口对程序进行修改、调试，查询故障，对故障进行诊断，同时对故障进行记录，也可以通过通信接口电路对控制参数进行在线修改。通过 RS232 接口，用户可以对存储器中的工作记录进行下载，也可以对数据进行传输。PC 的串口电压为-15V+15V，DSP 引脚电压为3.3V， 因此在 PC 与 DSP 进行数据通信时， 应

56、该先通过一个电平转换器 SN75176B将 DSP 的 SSCIRXDB 和 CITXDB 脚的输出信号转换为 RS232 信号，通信接口电路如图 2.14 所示。 R68V7R72U1CU1DR70R69V9R71R73R63L1L2V8R64RO1R66R65R67RE2DE3DI4GND5A6B7VCCU58CN1-109GNDCN1-3GND1GND1+5VGND1CN1-2TB-1TB-21213118VCCGND+5VGNDGNDVCCGND1+5V+5V 图 2.14 通信接口电路 2.4.7 直流过流检测保护电路设计直流过流检测保护电路设计 直流电流输入逆变器，如果电流过高会影

57、响逆变电路的性能，直流输入端过流检测电路图如图 2.15 所示。由 555 定时器对直流输入电流是否过高进行检测，将采集到的直流电流转换成一个电压信号，发送到U7 的THR脚。当检测到THR脚上的电压大于 2/3VCC时，说明直流输入电流过高，此时OUT脚输出信号为 0，发送一个信号到DSP，DISC引脚接地，二极管被点亮，示意直流输入电流过高。 TRIG2OUT3RST4CVOLT5THR6DISC7VCC8GND1U7NE555PR60R59C28C27IdVCCR61VCCXINT2 图 2.15 直流输入电流过流检测电路图 15西安建筑科技大学硕士学位论文 2.4.8 中频电压过压检测

58、保护电路设计中频电压过压检测保护电路设计 中频感应加热电源输出电压过高会对负载线圈造成一定的损害，中频电压经过采样后送入到中频电压过压检测电路中， 中频输出端过压检测电路如图 2.16 所示。输入的中频电压信号，经过一个二极管整流，并且由电阻R58 进行分压，减小电压至适合 555 定时器的电压，送到THR引脚，当THR引脚上电压大于 2/3VCC时，OUT引脚输出信号为 0，表示中频电压过高，给出一个保护信号送入到DSP，控制系统减小输出的中频电压，同时DISC引脚接地导通，使发光二极管发光，起到警示作用。 TRIG2OUT3RST4CVOLT5THR6DISC7VCC8GND1U6NE55

59、5PR58C25C26U0R55VCCVCCR57XINT2 图 2.16 中频输出电压过压检测电路图 2.4.9 故障及封锁保护电路设计故障及封锁保护电路设计 DSP 检测到保护电路的异常信号后，发送信号到故障机封锁电路，故障及封锁电路如图 2.17 所示， DSP 发送封锁信号、 故障信号以及过热信号到与非门 U9A，同时复位封锁信号也输入到与非门中，一旦系统出现故障，停机状态二极管被点亮，发送一个封锁脉冲，对设备进行保护调整或者直接停机。 R53C24R54LOCK1231213U9A封锁信号中频电压过高故障信号直流电流过高故障信号复位封锁信号 图 2.17 故障及封锁电路图 2.5 本

60、章小结 本章主要是对中频感应加热电源的总体结构进行介绍，通过对不同拓扑结构的逆变电路进行分析，选择半桥串联逆变电路作为研究的主电路。对逆变器的启 16 西安建筑科技大学硕士学位论文 17动电路进行分析设计，同时采用 TMS320F2812 DSP 对为主控芯片，对控制系统辅助电路进行设计。 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 自然关断点检测与负载频率跟踪研究 半桥串联谐振逆变电路中，当流过晶闸管的电流减小到零时，晶闸管就可以实现自然关断。在晶闸管关断之后，再去触发半桥串联谐振逆变电路的另一只晶闸管导通，可以防止直通现象产生，对电路起到一个保护的作用。因此，设计一种晶闸管自然关断点检测电路，通过