感应加热电源中的频率跟踪技术

1、第卷第期年月电焊机感应加热电源中的频率跟踪技术段海雁，张光先，（山东大学控制科学与工程学院，山东济南；山东山大奥太电气有限公司，山东济南）摘要：分别从锁相环技术和电流过零点同步技术两方面展开了论述，重点阐述了锁相环技术的几种方法。随着数字电子技术的发展，锁相环技术也由传统的模拟锁相环发展为通过单片机、元件易老化、零点漂移等缺点，从实现的数字锁相环，克服了模拟锁相环线路复杂、而使频率跟踪技术精度提高、性能更加可靠、稳定性好、抗干扰能力增强。分析了频率跟踪技术的发展趋势。关键词：感应加热；频率跟踪；锁相环中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，Y，；，Y，）：（），：；前言感应加热电源在加热过

2、程中，由于负载温度升鉴相器、压控振荡器和低通滤波器。基本结构如图所示。高和炉料熔化等因素，负载等效参数发生了变化，从而引起负载固有谐振频率变化。为了使逆变器在功率因数接近或等于的准谐振或谐振状态下工作，感应加热电源中采用了频率跟踪技术。频率跟踪技术主要分为电流过零点同步技术和锁相环技术图。随着数字电子技术的发展，锁相环结构框图技术也由传统的由模拟集成锁相环发展成由单片机、来控制实现的数字锁相环。锁相环的主要工作原理是：输入电压与输出电压通过鉴相器进行相位比较，得到相位误差电相位误差电压再经过低通滤波器滤波后得到压。控制电压，控制电压加到压控振荡器上使之产生频率偏移，用来跟踪输入信号频率，当输入

3、信号频率和输出信号频率相同时，锁相环锁定，从而实现频率跟踪。锁相环技术锁相环简称，它主要由三个基本单元构成：收稿日期：作者简介：段海雁（），女，山西太原人，在读硕士，主要从事电力电子的应用与研究工作。研究与设计段海雁等：感应加热电源中的频率跟踪技术第期由模拟器件构成的锁相环跟踪技术传统上主要采用由模拟器件构成的锁相环对荡器，使用时外接低通滤波器可构成完整的锁相环。负载电流进行频率跟踪，下面以集成锁相环为例来介绍模拟器件的锁相环跟踪技术。有两个鉴相器（和）和压控振由逻辑门控制的四个边沿触发器和三态输出相移，且与占空比无关。应用中电路组成，产生°一般选用鉴相器来实现无相差的频率跟踪。锁相

4、环频率跟踪电路如图所示。锁相环频率跟踪电路图图中，串连谐振感应加热电源的负载电流经过霍尔电流传感器采样后，送入过零比较器和电子器件的开关都需要时间，这将引起驱动信号电压相位滞后负载电流相位一个角度，所以必须加入相位补偿环节。图中在比较器的正向输入端加一偏置电压，使比较器的输出信号上升沿提前时间，锁相环对应的输出信号作驱动信号，其相对电流信号提前了时间，实现了相位补偿。通过调节电位器，即可根据需要调节容性和阻的值，从而使加热电源工作在感性、性状态。虽然锁相环能实现电流频率的自动如频率跟踪范围窄，跟踪，但是它依然存在一些缺点。不同的频段要求不同的滤波网络参数，死区时间需要另加辅助电路，而且也存在模

5、拟电路的线路复杂、因此，近年来数字锁相元件易老化、零点漂移等缺点。环技术逐渐发展起来。变成方波信号，变换后，方波信号接入的脚（的输入端）。输出端脚外接、和构成低通滤波器，滤波后进入压控振荡器的输入端（脚）。压控振荡器的输出（脚）分两路：一路接入鉴相器的另一端（脚），另一路用来驱动在不计传输延迟逆变器开关器件，即负载电压信号。时，当负载电流与负载电压信号相位差为零时，锁相环锁定，完成频率跟踪。在感应加热电源工作的过程中，负载等效参数的变化会引起负载固有谐振频率的变化，只要该频率在锁相环的跟踪范围内，就能保证负载处于谐振状态。串连谐振感应加热电源一般都含有复杂的他激到自激的起动电路，图中利用的特点

6、设计了简单的起动控制电路。电路起动瞬时，视为短路，端加电源电压，输出最高频率，随着的充电，端电压降低，也由最高频率向最低频率变化。只要负载谐振频率在最高频和最低起动完成后，将频率之间，就会引起负载谐振。起动电路和滤波电路隔离，锁相环进入无相差跟踪状态。在实际电路中，电流采样、锁相跟踪、隔离驱动单片机实现的锁相环技术由单片机实现的数字锁相环技术近年来在感应加热电源中得到了应用。图为一种利用单片机来实现锁相环频率跟踪的电路图。在图中，利用电流传感器检测负载电流，经比较器后，变成方波信号。然后送入单片机的外中断口，单片机在检测到中断信号后，起动计数器开始计数，之后循环检测外中断口，直到中断信号消失，

7、计数器停止计数。研究与设计电焊机第卷图利用单片机对负载电流进行锁相环频率跟踪电路图实现锁相环频率跟踪电路具体工作过程是：当加热电源的负载电流由负半波向正半波过零时，单片机的有中断信号，起动计数，之后循环检测口；当负载电流由正半波向负半波过零时，中断信号消失，停止计数。此计数值乘以二就得到负载的谐振周期，以该谐振周期为定时器的时间常数，发出第一路驱动脉冲，延时经过设定的死区时间后发出第二路驱动脉冲。这样，在不考虑时间延迟的情况下，可以保证两路驱动脉冲和外中断信号严格同频，即负载电压信号与负载电流信号同频，从而保证加热电源工作在谐振或准谐振状态。在由单片机控制实现的频率跟踪电路中，死区时间可根据负

8、载谐振周期的百分数来设定，并通过由单片机来控软件进行修改，不需要另加辅助电路。制实现负载电流的频率跟踪，大范围对负载电流进行频率跟踪，且具有性能可靠、稳定性好、抗干扰能力强等优点。但单片机的工作频率和控制精度是一对矛盾，而且处理速度也很难满足高频电路的要求。而实现频率跟踪。提供了较为完美的全比较单元波形，可直接用来产生两路输出波形，经隔离驱动电路后驱动逆变开关器件。电路中通过调节电阻另外，专用的死区控9来调节相位补偿时间。制寄存器能够较方便的实现上下桥臂的死区控制。由于具有丰富的片内外设资源，不仅可以进行锁相环频率跟踪，同时也可以实现功率调节、故障检测和保护等功能。因此，用可以使整个电源但也装

9、置结构紧凑、可靠性高、抗干扰能力强。存在一些局限性，如采样频率的选择、信号频率及其精度、采样延时、运算时间及精度等，这些都或多或少影响电路控制性能。实现的锁相环技术现场可编程门阵列与复杂的可编程逻辑器件属于可重构器件，其内部功能可以根据需要任意设定，具有集成度高、处理速度快、效率高等优点，近年来在通信系统、数字信号处理、图像处理、工业控制与数据采集、测量等行业得到广泛应用。许多公司都开发出了多种可编程逻辑器件，比较典型的就是公司和公司的器件系列和器件系列。在感应加热电源中可以由形成全数字锁相环，即环路部件全部数字化，采用数字鉴相器、数字环路滤波器、数控振荡器。锁相环结构框图如图所示。如图中，数

10、字环路滤波器由变模可逆计数器来实现，数控振荡器由增减线路和分频器构成。取串连谐振加热电源的负载反馈电流作为频率跟踪的输入，分频器的输出作为反馈信实现的锁相环技术与单片机相比，数字信号处理器（）具有高图为一种利速的运算能力，且片内外设资源丰富。用来实现频率跟踪电路框图。如图所示，取串联谐振加热电源负载上的电流作为频率跟踪的输入，采用专用事件管理模块，该电路利用高速捕获单元捕获负载电流输入脉冲的时间，从而精确读入脉冲周期，然后产生中断，程序自动进入数字锁相环（）运算，当负载电流信号从负半波向正半波过零时，输出一路驱动脉冲；反之，当电流信号由正半波向负半波过零时，输出另一路驱动脉冲，从研究与设计段海

11、雁等：感应加热电源中的频率跟踪技术第期全数字锁相环结构框图图号，同时作为逆变器的驱动脉冲信号。鉴相器输出到图电流过零点同步频率跟踪电路计数器，如果输入信号超前反馈信号，计数器输出进位脉冲至线路的增量输入，线路输出增加周期的插入脉冲，经次分频后，使反馈如果信号提前，使相位差不断减小，直到差值为零。输入信号滞后反馈信号，计数器输出借位脉冲至器输出低电平，经脉冲发生电路和驱动电路后，触发这样，、导通。、的驱动频率完全由负载谐振电流的频率决定，触发相位由谐振当感应加热电源在加热过程中，电流过零点决定。负载谐振回路的参数发生变化时，谐振频率也发生变化，经电流传感器检测，频率跟踪电路及时调节触发频率，最终

12、达到频率跟踪。线路的减量输入，线路输出减少周期的脉冲，经次分频后，使反馈信号滞后，使相位差不断减小，直到差值为零。经过上述调节，最终使感应加热电源的负载电压信号与负载电流信号同频。采用设计的全数字锁相环具有设计灵活、修改方便、精度高且不受温度和电压影响，环路带宽和中心频率编程可调等优点。随数字技术的发展和集成电路逻辑速度的提高，由形成的全数字锁相环在感应加热电源中将得到更广泛的应用。但是，也存在芯片成本高、嵌入电路困难等缺点。结论各种频率跟踪电路在感应加热电源的应用中各有其优点，为适应不同的加热需要，可以综合应用。由单片机、控制的数字锁相环电路将得到更广泛的应用，感应加热电源装置也进一步向智能

13、化方向发展。同时随着感应加热电源的日趋高频化和复杂化，各种数字器件的混合使用将成为一个重要发展趋势。电流过零点同步技术虽然目前感应加热电源的频率跟踪主要采用参考文献，沈锦飞，颜文旭，惠毛晶，等串联谐振式高频感应焊接逆变电源焊接学报，（）：鸿，吴兆麟感应加热电源无相差频率跟踪控制电路电力电子技术，（）：锁相环技术，但是技术存在一些缺点，如超调量大，过渡时间长，当负载变化范围大时，系统控制品质变差。而电流过零点同步技术具有过渡时间短、超调小等特点，所以在一些经常需要起动的场合一般选用电流过零点同步技术。图为加热电源应用电流过零点同步技术来进行频率跟踪的电路图。如图所示，电流过零点同步电路包括相位检测电路（由电流传感器实现）、相位补偿电路、相位比较器、脉冲发生电路和驱动电路。电流传感器检