电磁炉控制电路设计与仿真

1、潍坊学院本科毕业设计（论文） 编号 毕 业 设 计 技 术 报 告课题名称： 电磁炉控制电路设计与仿真 学生姓名: 学 号: 专 业: 电子信息工程 班 级: 2011级专升本1班指导教师: 2013 年 5 月II 潍坊学院本科毕业设计（论文）目 录第一章 绪论11.1电磁炉的概述11.2电磁感应加热技术的出现11.3电磁感应加热的基本原理1第二章 控制电路的设计与实现32.1控制电路的总体设计32.2控制电路各功能模块的实现62.2.1驱动电路62.2.2同步振荡电路82.2.3软启动电路102.3.3检测及保护电路112.3.4风扇和蜂鸣器控制模块的设计142.3.5键盘、数码管显示模块

2、设计15第三章 Multisim软件介绍163.1 Multisim概述163.2 Multisim 10功能简介163.3 Multisim 10界面17第四章 控制电路的Multisim仿真184.1控制电路的仿真184.2同步电路仿真测试194.3软开关仿真204.4本章小结21第五章 结束语22参考文献23致 谢242摘要：电磁炉是应用电磁感应原理进行加热工作的,它拥有利用电磁感应技术实现的加热电源系统，本课题研究的重点是实现电磁炉的电磁感应加热控制电路的设计与仿真。在控制电路部分，介绍了驱动电路、检测和保护电路、同步振荡电路以及各种辅助电路，以及使用Multisim10对各模块进行了

3、仿真测试。解决了当前存在于电磁感应加热控制电路中一些问题，设计了能够控制温度、功率、损耗并使其为一个恒值的控制系统，使其成为了一种具有更高准确性、可靠性、效率性的新型加热控制电路。本文对损耗的控制、IGBT的驱动和保护、LC电磁振荡和恒功率控制的硬件进行了研究，提供了主要参数的选择以及抗干扰的方法；设计了同步控制电路，避免了由于错误开通时产生的冲击电流造成的对IGBT的损坏，保护了IGBT的安全，提高了系统的稳定性,实现了控制电路稳定可靠的工作；设计了良好的IGBT的驱动及保护电路。关键词：电磁炉；电磁感应加热技术；Multisim10；电磁感应加热；同步电路；IGBT驱动ABSTRACT:

4、Induction cooker is the working principle of electromagnetic induction heating, electromagnetic induction technology it has used the heating power system, this research focuses on the implementation of induction cooker control circuit design and simulation of electromagnetic induction heating. In th

5、e control circuit part, introduces the driving circuit, synchronous oscillation circuit, protection circuit and auxiliary circuit, and Multisim10 use simulated test on the modules. Solved the current some problems existed in the control circuit of the induction heating, designed can control, constan

6、t power, constant temperature degrees low loss control system, make it a kind of high accuracy, high reliability, high efficiency, low power consumption, a new type of heating control circuit. In this paper, the low loss control, IGBT drive and protection, LC electromagnetic oscillation are studied,

7、 and the constant power control hardware provides the selection of main parameters and the method of anti-interference; Designed the synchronization control circuit to avoid the error due to opening the impact of the current caused by the damage of IGBT, to protect the safety of the IGBT, improve th

8、e stability of the system, realizes the control circuit is stable and reliable work; Design a good IGBT drive and protection circuit.KEY WORDS: induction cooker; Electromagnetic induction heating technology; Multisim10;electromagnetic induction heating; synchronization circuit; IGBT driver第一章 绪 论1.1

9、电磁炉的概述电磁炉是采用的是磁场感应加热原理。它根据电流通过线圈来产生磁场，当磁场内的磁场线通过锅的下部时，能够产生无数的小涡流，使锅体本身自动的快速发热，然后来加热锅中的食物。因此能用于做电磁炉的器具只能是铁质或不锈钢而且能与电磁炉面很好接触。电磁炉是功率较大家用电器，最好使用功率较大的插座，最好不能与其它电器同时使用，要保持电磁炉的通风口畅通，而且使用时要保持环境的干燥。 电磁炉产品的特点是高效、节能、环保。因为锅体本身就是加热元件，所以热效率很高，有效的节约了能源。使用电磁炉煮食，没有烟尘、没有名火、也不会产生废气。电磁炉电源电压的范围很宽，具有过电压和欠电压调节的特性，在各种不同的环境

10、下都能长时间的使用；保护了环境，同时安全又洁净；电磁炉安全保护性能很好，能够安全保护电压太高、太低以及突变等；电磁炉的功率的调节的范围也很宽，当在大功率工作时会产生噪声或引起电灯不停的闪或影响电视和收音机的信号等现象；传统的超温保护更加迅速和准确。1.2电磁感应加热技术的出现目前的电加热器，它应用电阻原理进行加热的，而在加热时，都会遇到一个难以回避的难题加热器上都会出现水垢，这样不但会影响热效率，而且还会缩短它的使用寿命。不仅仅电加热器会结水垢，其它用煤、油、汽加热的器件都遇到这样的问题，水垢的主要成分是碳酸钙等矿物质，不管是用化学还是物理的方法都很难大量除去水中的这些物质，效果都不是很好，而

11、且成本高、需要时间长。因此出现了电磁感应加热技术，它是通过把电能转换为磁能，使被加热钢体感应到磁能而发热的一种加热方式即：电能转化为磁能，再转化为热能。它不仅克服了传统加热时出现的水垢问题，而具有使用寿命长、升温速率快、无需要维修等优点，减少了维修时间，降低了成本。目前被广泛的使用，很大程度上降低了生产成本。1.3电磁感应加热的基本原理1831年，英国物理学家Faraday发现了电磁感应现象，并且给出了相关的理论解释。其内容为，当电路的围绕区域里存在交变的磁场的时候，电路的两端就会出现感应出电动势，如果它闭合就会出现感应电流。如图1.1所示：图1.1 感应加热原理图其中：法拉第定律： 安培定律

12、： 其中：，如果采用MKS制，e的单位为V，Ø的单位为Wb，H的单位为A/m，B的单位为T。第二章 控制电路的设计与实现2.1控制电路的总体设计光电隔离6N136负载温度环境温度散热板温度输入电压集电极电压输入电流输出电流温度检测电压检测电流检测AD采样ADC08038单片机AT89S52振荡电路SG3525IGBT驱动M57962L主电路图2.1 控制电路的框图如上图2.1所示为控制电路的系统框图,辅助电路中的每个采集电路将采集到的模拟信号经模数转换转换成数字信号然后录入单片机得微控制器里,通过处理这些信号,实现对电磁感应加热电源工作情况的判断,来找出最好的控制方法,通过输出信号来

13、控制整个系统。根据控制电路的系统框图设计了控制电路的总体模块如下图2.2所示。从图中可以看出，电磁感应电源控制电路主要由同步电路、振荡电路、驱动电路和相关的各种辅助电路组成，同步电路和振荡电路构成了同步振荡电路，其中驱动电路提供了足够多的驱动功率去控制IGBT开关正常。根据不同的功能划分控制电路可以分为：热电阻和调节电路部分模拟信号收集部分键盘部分显示和驱动部分振荡电路部分蜂鸣器和驱动电路部分指示灯部分风扇和驱动电路部分。 图2.2 控制电路总体模块的框图本设计中控制电路最重要的芯片主要包括模拟信号采集芯片、单片机等， 本次设计由于系统对存储器的要求方面不高，对I/O口、中断源等各部分的要求一

14、样不高，以及在其它功能方面也没有很多的要求，因此单片机选择了AT89S52，如图2.3(b) 所示。模拟信号采集芯片的选用要考虑采集的精度大小、采集需要的通道数、数据是通过串行或者并行传输、内部有没有基准电源和带有多路开关等方面。本模块选择了ADC08038作为本系统的模拟信号的采集芯片， 因为本系统需要的通道数小于等于8路，精度也不需要特别高，ADC08038芯片在这些方面都能完全合适，如图2.3(a) 所示。 (a)ADC08038芯片引脚图(b) AT89S52单片机2.5V（c）数据采集电路 图2.3 芯片结构数据采集模块选用MAX6165为ADC08038的+5V基准电压的提供者，因

15、为它符合供电系统要求的条件。如下图2.4所示是ADC08038的供电电路，其中由图可以看出高精度的基准二极管为12脚电压提供2.5V基准电压。0.1mF1mF2.5V2.5kW5V5VIN12VOUTGNDMAX6165VCCGNDVREFIADC08038LM336图2.4 ADC08038供电电路2.2控制电路各功能模块的实现2.2.1驱动电路4，6驱动电路是主电路与控制电路之间的重要接口，主要是用来控制控制电路信号的放大的重要的中间电路，可以使电力电子器件工作在比较理想的开关状态，减少了开关损耗，减短了开关需要的时间，提高装置的效率、安全性和可靠性。通常对整个装置或个别器件的一些保护措施

16、通常都设计在此电路中，或通过此电路来实现。1集成驱动电路12Q1DDz30 V Dz2Dz1C1C2R13.1WR24.7kW+15V1815461314+5V-15V图2.5 集成驱动电路 驱动电路一般都具有一些保护性的功能,使用它时还需要根据具体的电路结构等来设计有用的缓冲电路,来减少器件的电压、电流和热应力等。必要时还能用再外加电压电流和热检测及其它保护电路。如上图2.5给出了集成驱动电路。其正驱动电压是+15V，负驱动电压是-15 V。2. 分离元件驱动电路 图2.6 分离元件驱动电路如图2.6所示是一种带有前置放大的驱动电路，其最重要的电路是互补功率输出级，输入信号是振荡电路输出的矩

17、形脉冲。在输入是高电平的情况下，C1是加速电容，Q1和Q2都截止，Q3饱和，Q4截止，输出是高电平。在输入是低电平态的情况下，Q1和Q2都饱和，Q3截止，Q4呈现高阻态，输出为零。3555混合驱动电路555的成本较低，性能也很可靠，外部接几个有用的电阻和电容，就能够产生多谐振荡器和施密特触发器以及单稳态触发器等脉冲的产生与变换电路。因此电路中常选它做定时器。本文选用555集成电路是因为它一种数模混合集成电路，广泛的应用在信号产生、变换及驱动、定时等领域。图2.7为以555电路为核心的驱动脉冲的形成电路，它可以直接的驱动小功率的开关管IGBT。感应加热电源中的大功率器件通常都使用IGBT，虽然它

18、有很多优点，但是在超音频的感应加热控制系统这样的高频和高压的系统中，很好的控制IGBT并且使其不被损坏是很难做到的，因此本系统特别设计了过流保护电路。图2.7 555混合驱动电路2.2.2同步振荡电路1同步振荡电路是控制电路的核心电路，主要的作用是从LC振荡电路中取得有用的同步信号，然后根据同步信号的振荡来产生锯齿波，来为IGBT提供前级驱动信号。本课题有三种可以选择的同步振荡方式：第一种是传统控制方式的模拟同步振荡电路；第二种是单片机中断控制数字同步振荡电路；第三种是混合式同步振荡电路。本文采用的是数字同步振荡电路，如下图2.8所示，开关IGBT的集电极电压信息由取样分压电路取得，它通过隔离

19、之后加到单片机的外部中断口，若集电极的电压=0时，则单片机会产生中断，同时从相应I/O口输出相应触发脉冲。通过软件的编程来决定脉冲高电平的持续时间；谐振回路参数则去控制脉冲低电平的持续时间。在低脉冲期间，振荡电路谐振回路自由振荡，直到下一次集电极的电压=0时，才可以产生下一次的外部中断，由此循环往复。 LRCQDUR1R2D1UgIOQ1R3Vcc19202112345678910111415181213161722232425262728323334353637393840293031U图2.8 数字同步振荡电路其中，涉及到中断触发方式的设置中断触发划分为两种方式：电平触发和边沿触发。当在边

20、沿触发下，单片机会在第一个T机器检测中断源口线为高电平，第二个T机器检测到低电平时，即中断标志被置位，并发送中断请求。当在电平触发下，单片机会在每一个T机器周期都会检查中断源口线，当检测到低电平时，即中断标志被置位，并向CPU发送请求中断请求。本课题采用电平触发方式，当采用此中断方式时，为了提高单片机的工作效率提供了两种方案：在中断服务程序中插入有用相关的中断指令；采用了外接电路去撤除中断请求信号。由于方案需要增加的元件成本较多，因此选择使用方案。在振荡电路中电路在停止工作到稳定振荡期间，也存在许多起振问题。要使系统可以可靠的稳定的工作，必须保证电路可以正常的启动工作。现提供以下两中启动方案。

21、(1) 纯软件片内振荡方式：在此振荡方式下，它是使用单片机强大的控制功能，脉冲信号与试探启动信号都是单片机由内部软件来产生的。在正常工作时，由软件中断方式来实现。优点是该种方式不但在启动时特别稳定，并完全应用单片机的内部的资源，系统结构得到了很大的改善，大体上抑制了因为元件离散带来的问题。本课题采用了此方案。(2) 纯硬件方式：在硬件电路中，通常有振荡激励电路，因为它提供IGBT的启动脉冲，在系统构成后，可以自动关闭激励振荡电路。优点是该方式原理简单，缺点是因为电路存在参数的离散，可能系统不太稳定，修正困难很大。2.2.3软启动电路13在调试中发现，在给电路上电和断电的瞬间，IGBT很容易被烧

22、毁，是因为在上电和断电的瞬间，IGBT会因为错误的开通而产生很大的电流而被损坏。因此本文设置了IGBT的软启动电路，对这种错误的开通实现了有效的控制。1上电保护在上电的瞬间，IGBT会因为错误的开通而产生大电流而被损坏。因此本文设置了IGBT的软启动电路，对这种错误的开通实现了有效的控制。如图2.9所示为IGBT开机保护电路，当输出为高电平信号时，T2导通，将U1C的Y端置低，使其输出为高电平，使谐振电路谐振。电路正常工作的条件下，关机信号则为低电平，T1导通，经过B的隔离的作用，此时关机电路不会干扰同步电路。当收到关机命令时， U1C的输出是低电平，可以制止谐振。Vref图2.9 IGBT开

23、机保护电路R3T1R2R1R4R5R6R7U1.CLM339DVS-XYUCOMPVS+X>Y9812314I/O OFI/O ONVCCD1T2 2启动保护如图2.10所示为启动保护电路，它包括软启动功能和软关断功能。开机之前，电路可能会产生很大的冲击电流，该冲击电流很可能导致IGBT过流损坏。因此可以通过降低驱动脉冲的幅度的方法减小启动冲击电流的大小，来达到保护的目的。本模块提供了两种方案：是在驱动脉冲及控制栅极的中间添加一个较大的隔离电阻、栅源电容来组成积分电路，如图2.9(a)所示。电路开启时，它实现了软启动。是启动时去降低驱动脉冲的幅度。如图2.9(b)所示，正常条件下，它实现

24、的是降栅压驱动。T2T1R1T2T1BDZ图2.10 IGBT启动保护(a)(b)AACgsR2BR2R12.3.3检测及保护电路10检测及保护电路是至关重要的,是确保系统可靠工作的一种技术措施,按保护范围可以划分为整体保护和部分保护。整体保护主要针对的是系统的保护,包括大电压、大电流保护和外部冲击信号的保护；部分保护主要针对的是电力设备系统的保护,包括过电流保护、过电压保护、开关保护、过热保护等。为了实现各种保护,首先需要能够清晰准确地测试这些相关参数，因为它是保护工作的前提，这种电路称为检测电路。1IGBT集电极电压检测电路如图2.11是IGBT集电极的电压检测电路，由图可知，取样电路是由

25、R1、R3和R4组成，有两种情况：若U1的4脚电压小于5脚的即低于5V时，则2脚为高电位；若R1上的取样电压5V时，U1的4脚电压大于5脚的即高于5V时，则2脚为低电位。是否产生过压需要根据2脚的电压值进行判断，进而看是否需要采取相应控制措施。电路中D为钳位二极管，作用是限制4脚电压的输出值。IGBTC13uFR1510kWR2510kWR35.1kWVCC5VU1BLM339ADVS-XYUCOMPVS+X>Y541232D1R410kW图2.11 IGBT集电极电压检测电路2电源电压检测电路图2.12 电源电压检测电路D4D5R3512kWR23.1kWR16.8kWD141485V

26、C24.6uFC14.6uFD2D3220V如图2.12所示是一种电源电压检测电路，它包含型滤波器、整流电路等，前者的作用是把脉动的直流电压变换成平滑的直流电压，后者的作用是把交流的电网电压变成脉动的直流电。R3的作用是降压和限流。在电路中，当2.6VUR13.2V范围内时，则表明电压是正常的，保护电路不需要工作；当3.1VUR1范围内时，则表明电压过高，当UR12.5V范围时，则表明电压过低，保护电路开始工作，来达到保护的目的。D1为钳位二极管，来限制检测电压的最大输出值。3.过电压保护电路   如图2.13所示为过电压保护电路，它是由晶体管和继电器构成的，在电路中，当电

27、源电压稳压二极管的击穿电压大小的情况下，稳压二级管被击穿，此时电流流过电阻，晶体管T 导通，继电器开始动作，进而常闭接点断开，输入被断开，达到了保护的目的。 直流电源EVDTR1R2负 载开 关 稳 压 器 图2.13过电压保护电路图图2.6 元件驱动电路4.过电流保护电路USTUSCR1R2R3T1T2在电路中，为了保护各种器件在电路短路、电流增大时不致被烧毁。设计了过电流保护电路，其基本方法是,当输出的电流超过某一数值时，调整三级管使它处于反向偏置的状态,从而使其截止，自动的来切断电路的电流,来达到保护目的。如图 2.14所示，过电流保护电路由T1及电阻 R1 、R2 构成。在电路短路的条

28、件下，U输出=0，则 T1 导通，调整T使它截止，电路断开，电流为零。 图2.14过电流保护电路 5温度检测电路11图2.15温度检测电路R15.1kWRT100kWVCCIO1 温度检测电路也是本系统需要研究的重点，因为在系统温度过高或者负载温度过高的情况下，一些器件会被损坏，从而导致系统不稳定。在本模块中需要使用热敏电阻对温度进行检测及控制。热敏电阻划分为PTC和NTC。如图2.15所示是温度检测电路图，RT为NTC，通过根据不同的检测电压，判断温度状态，来制定相关的控制保护措施。2.3.4风扇和蜂鸣器控制模块的设计R2蜂鸣器图2.16 风扇、蜂鸣器与单片机的连接图I/O OF风扇T2R4

29、R3VCCDT1R1 VCCI/O OF为了控制电路的温度，使器件免受因温度过高而烧毁的危险，本文利用风扇来降低系统的温度，从而实现温度的精确控制。蜂鸣器是一种很好的很方便的电子讯响器，它采用直流电压供电，它有压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种不同的类型。本课题加入蜂鸣器是用于温度的报警和故障的报警等作用。风扇和蜂鸣器都是小型的负载，为了能够增大驱动电流来实现驱动负载，一定要采用三极管来驱动。电路设计如图2.16所示。2.3.5键盘、数码管显示模块设计8图2.17键盘、数码管显示电路连接图本课题中的键盘的电路图如图2.17所示，它是采用单片机查询的方法采集键值，看按键有没有被按下。当被按下时，KO

30、NOFF显示低电平。当没有被按下时，KONOFF显示高电平；这样就可以用来完成对按键的监测。LED，它是发光二极管，它是由7个发光的二极管组成的，它的原理是根据LED的亮暗不同的组合，能够显示很多字母和数字以及其它别的符号。它属于固态类的半导体器件，它能够直接的使电转换为光。LED最关键的部分是一种半导体的晶片，晶片包括三端，首先一端在一个支架上，其次一端是负极，最后一端是正极。因为接法的不同，LED可以划分为共阳极和共阴极。本模块里显示的数据是采用3个7段的共阳极数码管，数据需要单片机通过4094串行输入，即根据4094的驱动来显示数字的，它是一种拥有三态输出串行的数据转换成并行的数据芯片，

31、如上图2.17所示。第三章 Multisim软件介绍Multisim在目前为止，在电路级的仿真上表现最出色的软件。Multisim软件的前身是加拿大IIT公司在20世纪八十年代后期推出的电路仿真软件Electronics Workbench，后来，EWB将原先版本中的仿真设计模块更名为Multisim，之后又相继推出了Multisim2001、Multisim 9等各个版本。有了Multisim软件，就相当于拥有了一个设备齐全的实验室，可以非常方便的从事电路设计、仿真以及分析等工作。2005年以后，加拿大IIT公司隶属于美国国家仪器公司(National Instrument，简称NI公司)，

32、美国NI公司于2006年初首次推出Multisim9.0版本。目前最常用的版本是美国NI公司推出的Multisim10。相对于其它EDA软件，它具有更加形象直观的人机交互界面，并且提供更加丰富的元件库、仪表库和各种分析方法，完全满足电路的各种仿真需要。3.1 Multisim概述23.2 Multisim 10功能简介2NI Multisim 10的主要功能是：(1)它的元器件库可以提供数千种的电路元器件来供实验的选用。(2)它具有很详细的电路的分析功能，可以设计、测试以及演示各种的电子电路。(3)它可以实现计算机的仿真设计与虚拟实验，是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟的仿真软件。(4)虚

33、拟的测试仪器仪表种类齐全。Multisim软件的特点是:(1)具有直观的图形界面(2)具有完备的分析手段 (3)拥有强大的仿真能力(4)拥有丰富的元器件库 (5)拥有丰富的测试仪器3.3 Multisim 10界面 第四章 控制电路的Multisim仿真4.1控制电路的仿真以图4.1所示电路为例，为驱动、控制电路的仿真电路图。仿真电路包括同步检测电路、负载谐振回路、单稳态触发电路等，其中输出脉冲控制开关Q6的通断。V1在启动电路之前作为试探信号加在Q6栅极，它是模拟启动信号。J1为电路启动之后的切换开关。为了便于观察电流的变化，设置了开关管、续流二极管的电流检测电阻R1、R2。L1150uHR

34、44.7kC1300nFV2300 V D1Q6R310kR110kR210kR5510k¦¸C22.2nFR75kR820k¸VDD5VV418 V R11510k¦¸R12510kR132.7kC3220nFD31N4148U2LM555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2R61k¦¸Key=A50%D2V10 V 18 V 40usec 250usec PULSEJ1Key = SpaceU1ALM339ADVS-XYUCOMPVS+X>Y761231R101k¦

35、4;U317.384A+-XSC1ABCDGTU40.765V+-R910kR14100kD41N4148图4.1 控制电路仿真电路图如图4.2所示为负载仿真测试图，在电路带有有用负载的条件下，电路的负载电阻R3将会很大，则使电路处在阻尼振荡状态，此时同步电路可以检测出的谐振脉冲的数目会很少；在电路不带有用负载的条件下，电路的负载电阻R3将会很小，此时给IGBT的grid加窄脉冲信号和向电路补充一些能量，便可以使其大体处在自由谐振的状态，此时同步电路可以检测出很多的连续的谐振脉冲，如下图4.2所示。其中试探信号ton=20ms,toff =700ms。 图4.2 负载检测仿真测试波形4.2同步

36、电路仿真测试如图4.3所示为同步电路仿真测试电路，给出了同步电路各监测点的波形及相互关系。从图（a）图（b）所示波形可以看出，LM339发生了8.4mS的延迟。其中在图(a)中，在续流二极管全部开通的那刻出现了触发脉冲的上升沿。它使IGBT实现了零电压开通。从图（c）所示波形可以看出，LM555发生了8.1mS的延迟。从图（d）所示波形可以看出，IGBT的触发电压应该在续流二极管开通期间加，而在其停止那刻开始导通的，它也实现了零电压开通。从图中还可以看出，如果IGBT承受正向电压的情况下及是在二极管导通之前，触发IGBT，会有冲击电流的出现。（b）（a）ABCDABCD（c）（d）ABCDABCD图4.3 同步电路仿真测试电路4.3软开关仿真如图4.4所示为软开关仿真波形，从图（a）可以看出，它属于为硬开通，包括有IGBT集电极电压下降沿、触发脉冲上升沿、集电极冲击电流等，由图可知，如若使触发时刻过早，则会在IGBT开通之前出现一个较大的冲击电流。从图（b）可以看出，它属于软开通，由图中波形可知，IGBT不是立刻导通的，