CN103501555B - 数字锁相和频率跟踪的电磁感应加热电源控制器 - Google Patents

Abstract

数字锁相和频率跟踪的电磁感应加热电源控制器，属于电子电路技术领域。首先对全桥逆变器输出电流和电压进行采样，经过零检测、数字鉴相得到鉴相输出信号Q1和Q2，当Q1高电平时间小于当前全桥逆变器开关管的驱动信号半周期值，则负载回路为感性，选择Q1进行环路滤波；否则负载回路为容性，选择Q2进行环路滤波；补偿器根据环路滤波输出值计算下一周期全桥逆变器开关管所需驱动信号的频率；DPWM单元根据补偿器的计算结果产生下一周期全桥逆变器开关管的驱动信号。本发明采用数字鉴相，并利用DSP芯片实现频率跟踪，可有效地提高频率调节范围，提高系统效率。本发明结构简单、控制有效，能够适应电磁感应加热电源频率跟踪的应用需求。

Description

数字锁相和频率跟踪的电磁感应加热电源控制器

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，涉及电磁感应加热电源控制器，特别是基于数字锁相和具有频率跟踪功能的电磁感应加热电源控制器。

技术背景

基于LC谐振，以及电磁感应原理，集肤效应，邻近效应和圆环效应，人们发明了电磁感应加热电源。电磁感应加热电源能够对金属工件迅速加热，广泛用于工业淬火、锻造、熔炼等领域。金属工件在被加热的过程中，其物理性质，如磁导率、电导率，会随着温度升高而发生变化，因此负载的等效参数如电感L、电阻R、电容C，也会随之变化，从而改变负载回路的固有谐振频率。当电磁感应加热电源控制器的驱动信号频率接近负载回路固有谐振频率时，系统处于准谐振状态，同时逆变桥开关器件可实现零电流换流(ZCS)或零电压换流(ZVS)，此时系统的功率因素接近1，其效率较高；当电磁感应加热电源驱动信号频率偏离负载回路固有谐振频率时，系统的功率因数小于1，部分能量浪费在储能元件和开关器件上，电源效率大大降低。为了提高工作效率，逆变电源必须工作在功率因数接近于1的准谐振状态，因此要求电源控制系统具有频率自动跟踪功能，能够实时调整工作频率，并将工作频率稳定在负载回路的固有谐振频率附近。

目前对于谐振频率的跟踪控制，传统方法是采用基于CD4046芯片的模拟锁相环技术，如中国专利《锁相环高中频感应加热装置》(公告号CN2456436Y)。在实际工作中，往往需要一台设备能够多用途化，负载谐振频率变化范围很大。从CD4046的跟踪机理可以看出，纯粹的CD4046是不能满足大范围频率跟踪的，因此这种技术具有频率跟踪范围较窄的缺点。其次是动态响应慢，因为锁相的过渡时间长，环路进入锁定状态需要很长的捕获时间及同步时间，在突然加上负载干扰后，又容易使锁相环（PLL）电路失锁。另外当谐振电压和电流信号不是非常规则时，这种模拟锁相技术容易失控，因此该方法稳定性不高。近年来，随着芯片技术的快速发展，数字及软件锁相技术广泛应用于谐振电源中。纯数字锁相环对芯片速率要求高，数字低通滤波器实现起来较难，精度有限，并且中低频信号不宜使用片内数字锁相环。软件锁相环算法复杂，如中国专利《一种非固定采样频率的软件锁相环实现方法》(公告号:CN101777912A)提到的软件锁相环，其信号处理过程复杂，对处理器要求较高。但数字化智能化控制已经成为大趋势，感应加热电源急需新的更简单有效的控制技术。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于数字锁相和具有频率跟踪功能的电磁感应加热电源频率控制器，该控制器可以快速有效地调整电磁感应加热电源的工作频率，使其稳定工作在负载回路固有谐振频率点附近，提高功率因数，实现开关管零电压开关，最终达到提高系统稳定性和工作效率的目的。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

数字锁相和频率跟踪的电磁感应加热电源控制器，如图1所示，包括一个过零检测单元、一个相位鉴定单元和一个DSP控制单元；所述过零检测单元包括两个并行的过零检测电路，其中第一过零检测电路P1对电磁感应加热电源中全桥逆变器输出电流的采样信号i_o进行过零检测，输出采样信号i_o的过零检测数字输出信号i1，第二过零检测电路P2对电磁感应加热电源中全桥逆变器输出电压的采样信号V_o进行过零检测，输出采样信号V_o的过零检测数字输出信号v1；所述相位鉴定单元包括两个RS触发器RS1和RS2，过零检测数字输出信号i1分别输入到第一RS触发器RS1的S端和第二RS触发器RS2的R端，过零检测数字输出信号v1分别输入到第一RS触发器RS1的R端和第二RS触发器RS2的S端，第一RS触发器RS1的Q端输出反应过零检测数字输出信号i1相位超前于过零检测数字输出信号v1相位的信号Q1，第二RS触发器RS2的Q端输出反应过零检测数字输出信号i1相位滞后于过零检测数字输出信号v1相位的信号Q2；所述DSP控制单元首先对相位鉴定单元的两路输出信号Q1和Q2进行选择：如果信号Q1高电平时间小于当前电磁感应加热电源中全桥逆变器开关管的驱动信号半周期值，则负载回路为感性，选择信号Q1进行环路滤波；否则，则负载回路为容性，选择信号Q2进行环路滤波；然后将环路滤波输出值输入补偿器，补偿器则根据环路滤波后的输出信号计算下一周期电磁感应加热电源中全桥逆变器开关管所需驱动信号的频率以实现频率跟踪功能；最后，数字脉冲宽度调制DPWM单元根据补偿器的计算结果产生下一周期电磁感应加热电源中全桥逆变器开关管的驱动信号G；所述驱动信号G一方面直接作为全桥逆变器中第一开关管的驱动信号G1和第三开关管的驱动信号G3，另一方面经反相处理后作为全桥逆变器中第二开关管的驱动信号G2和第四开关管的驱动信号G4。

进一步地，过零检测单元中第一过零检测电路P1如图3所示，由4个电阻、3个二极管、一个电容、两个电源和一个比较器构成，其正向输入端通过第一电阻R1接比较器的正向输入端，其负向输入端通过第二电阻R2接比较器的负向输入端，比较器的正、负向输入端之间连接一个由第一二极管D1和第二二极管D2反向并联的电路，比较器的正电源端通过电源V+接控制器地，比较器的负电源端通过电源V-接控制器地，比较器的输出端和正电源端之间连接第三电阻R3，比较器的输出端接第三二极管D3的正极，第三二极管D3的负极通过第一电容C1和第四电阻R4的并联电路后接控制器地，比较器的负向输入端接控制器地。第一过零检测电路P1正、负向输入端之间输入电流采样信号i_o，第三二极管D3的负极输出过零检测数字输出信号i1。

进一步地，过零检测单元中第二过零检测电路P2如图3所示，由4个电阻、3个二极管、一个电容、两个电源和一个比较器构成，其正向输入端通过第一电阻R1接比较器的正向输入端，其负向输入端通过第二电阻R2接比较器的负向输入端，比较器的正、负向输入端之间连接一个由第一二极管D1和第二二极管D2反向并联的电路，比较器的正电源端通过电源V+接控制器地，比较器的负电源端通过电源V-接控制器地，比较器的输出端和正电源端之间连接第三电阻R3，比较器的输出端接第三二极管D3的正极，第三二极管D3的负极通过第一电容C1和第四电阻R4的并联电路后接控制器地，比较器的负向输入端接控制器地。第一过零检测电路P2正、负向输入端之间输入电压采样信号V_o，第三二极管D3的负极输出过零检测数字输出信号V1。

本发明提供的数字锁相和频率跟踪的电磁感应加热电源控制器，首先对全桥逆变器输出电流和电压进行采样，电压采样信号和电流采样信号分别经过零检测变换成数字信号（方波信号），然后经数字鉴相得到反应电压采样信号和电流采样信号相位关系的信号Q1和Q2，然后对数字鉴相输出信号进行判定和选择：当信号Q1高电平时间小于当前电磁感应加热电源中全桥逆变器开关管的驱动信号半周期值，则负载回路为感性，选择信号Q1进行环路滤波；否则，则负载回路为容性，选择信号Q2进行环路滤波；然后将环路滤波输出值输入补偿器，补偿器则根据环路滤波后的输出信号计算下一周期电磁感应加热电源中全桥逆变器开关管所需驱动信号的频率以实现频率跟踪功能；最后，数字脉冲宽度调制单元根据补偿器的计算结果产生下一周期全桥逆变器开关管的驱动信号。本发明采用数字鉴相，并利用DSP芯片实现频率跟踪，可以有效地提高频率调节范围，提高系统效率。本发明具有结构简单、控制有效，能够较好适应电磁感应加热电源频率跟踪的应用需求。

附图说明

图1为本发明提供的适用于基于数字锁相的感应加热电源频率跟踪技术的系统总体框图。

图2为串联谐振原理图。

图3为本发明提供的适用于基于数字锁相的谐振电源频率跟踪技术的过零检测单元电路。

图4为本发明提供的适用于基于数字锁相的谐振电源频率跟踪技术的相位差检测原理图。

图5为本发明提供的适用于基于数字锁相的谐振电源频率跟踪技术的控制器算法流程图。

具体实施方式

数字锁相和频率跟踪的电磁感应加热电源控制器，如图1所示，包括一个过零检测单元、一个相位鉴定单元和一个DSP控制单元；所述过零检测单元包括两个并行的过零检测电路，其中第一过零检测电路P1对电磁感应加热电源中全桥逆变器输出电流的采样信号i_o进行过零检测，输出采样信号i_o的过零检测数字输出信号i1，第二过零检测电路P2对电磁感应加热电源中全桥逆变器输出电压的采样信号V_o进行过零检测，输出采样信号V_o的过零检测数字输出信号v1；所述相位鉴定单元包括两个RS触发器RS1和RS2，过零检测数字输出信号i1分别输入到第一RS触发器RS1的S端和第二RS触发器RS2的R端，过零检测数字输出信号v1分别输入到第一RS触发器RS1的R端和第二RS触发器RS2的S端，第一RS触发器RS1的Q端输出反应过零检测数字输出信号i1相位超前于过零检测数字输出信号v1相位的信号Q1，第二RS触发器RS2的Q端输出反应过零检测数字输出信号i1相位滞后于过零检测数字输出信号v1相位的信号Q2；所述DSP控制单元首先对相位鉴定单元的两路输出信号Q1和Q2进行选择：如果信号Q1高电平时间小于当前电磁感应加热电源中全桥逆变器开关管的驱动信号半周期值，则负载回路为感性，选择信号Q1进行环路滤波；否则，则负载回路为容性，选择信号Q2进行环路滤波；然后将环路滤波输出值输入补偿器，补偿器则根据环路滤波后的输出信号计算下一周期电磁感应加热电源中全桥逆变器开关管所需驱动信号的频率以实现频率跟踪功能；最后，数字脉冲宽度调制DPWM单元根据补偿器的计算结果产生下一周期电磁感应加热电源中全桥逆变器开关管的驱动信号G；所述驱动信号G一方面直接作为全桥逆变器中第一开关管的驱动信号G1和第三开关管的驱动信号G3，另一方面经反相处理后作为全桥逆变器中第二开关管的驱动信号G2和第四开关管的驱动信号G4。

进一步地，过零检测单元中第一过零检测电路P1如图3所示，由4个电阻、3个二极管、一个电容、两个电源和一个比较器构成，其正向输入端通过第一电阻R1接比较器的正向输入端，其负向输入端通过第二电阻R2接比较器的负向输入端，比较器的正、负向输入端之间连接一个由第一二极管D1和第二二极管D2反向并联的电路，比较器的正电源端通过电源V+接控制器地，比较器的负电源端通过电源V-接控制器地，比较器的输出端和正电源端之间连接第三电阻R3，比较器的输出端接第三二极管D3的正极，第三二极管D3的负极通过第一电容C1和第四电阻R4的并联电路后接控制器地，比较器的负向输入端接控制器地。第一过零检测电路P1正、负向输入端之间输入电流采样信号i_o，第三二极管D3的负极输出过零检测数字输出信号i1。

进一步地，过零检测单元中第二过零检测电路P2如图3所示，由4个电阻、3个二极管、一个电容、两个电源和一个比较器构成，其正向输入端通过第一电阻R1接比较器的正向输入端，其负向输入端通过第二电阻R2接比较器的负向输入端，比较器的正、负向输入端之间连接一个由第一二极管D1和第二二极管D2反向并联的电路，比较器的正电源端通过电源V+接控制器地，比较器的负电源端通过电源V-接控制器地，比较器的输出端和正电源端之间连接第三电阻R3，比较器的输出端接第三二极管D3的正极，第三二极管D3的负极通过第一电容C1和第四电阻R4的并联电路后接控制器地，比较器的负向输入端接控制器地。第一过零检测电路P2正、负向输入端之间输入电压采样信号V_o，第三二极管D3的负极输出过零检测数字输出信号V1。

下面首先以串联谐振电路原理进行分析，如图2所示的LCR串联电路，为感应加热电源负载等效电路，等效电阻R与工件的温度、磁导率、电导率等因素有关。该谐振电路的固有频率为：

$f_c={\mathrm{\ω}}_c/2\mathrm{\π}=1/2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}$

开关管S1，S2，S3，S4组成通用全桥逆变器，系统要求其输出电压频率f靠近固有频率f_c。由于开关管具有一定的输出等效电容，当负载表现为感性负载时，可实现零电压开关，以减小开关损耗(软开关的原理)。为了使负载表现为弱感性，要求f>f_c，此时电流相位略超前于电压相位。

本方案采用互感器检测电流，电压检测则直接采用分压电阻，电流电压信号接入过零检测单元。过零检测电路如图3所示，使用正负电源供电，当输入信号为正时，第二二极管D2和第三二极管D3导通，Out_Port端口输出高电平；当输入信号为负时，第一二极管D1导通，第三二极管D3不导通，Out_Port端口输出低电平，从而实现对电流和电压采样信号的过零检测。电流电压过零检测输出端口Out_Port分别接入RS触发器的S端和R端，RS触发器的真值表如表一所示，输入输出波形如图4所示，当电流相位超前于电压时，Qⁿ⁺¹(图1中Q1信号)高电平的时间长度反应了电流超前于电压的相位；当电流相位落后于电压时，将电流电压接入方式交换，则Qⁿ⁺¹(图1中Q2信号)为高电平的时间长度反应了电压超前于电流的相位。触发器输出端口接到DSP控制器的CAP端口。

表一：RS触发器的真值表

由于RS触发器输出信号Q的高电平持续时间代表了相位差，用DSP控制器的CAP端口捕获该信号，然后按照处理器内部DPWM模块的上一周期值换算出该相位差值。软件控制算法流程如图5所示，首先对控制器进行初始化设置，包括配置处理器主频等相关参数，设置感应加热电源逆变桥初始驱动频率。当系统启动后，采样电路开始工作，然后过零检测单元、相位鉴定单元也相继工作。当相位鉴定单元输出信号被检测到之后，软件算法单元首先根据该相位差信号的大小对系统所处状态(负载呈感性或容性)作出判断：如果Q1信号高电平时间小于当前驱动信号半周期值，则负载表现为感应，采用Q1信号作为环路滤波输入信号，否则负载表现为容性，则采用Q2信号环路滤波输入信号。环路滤波采用常规的PID算法，补偿器则是利用当前采样滤波值通过线性关系来计算DPWM的下一周期值。DPWM为DSP内部模块，补偿器输出值为DPWM的周期值，该模块输出相应的PWM驱动波形，并通过外部驱动电路接入G1、G2、G3、G4。本发明方案结合了数字锁相与软件锁相的优势，提高系统的稳定性，提高系统响应速率，达到准确跟踪频率的目的。

Claims (3)

1.数字锁相和频率跟踪的电磁感应加热电源控制器，包括一个过零检测单元、一个相位鉴定单元和一个DSP控制单元；所述过零检测单元包括两个并行的过零检测电路，其中第一过零检测电路(P1)对电磁感应加热电源中全桥逆变器输出电流的采样信号i_o进行过零检测，输出采样信号i_o的过零检测数字输出信号i1，第二过零检测电路(P2)对电磁感应加热电源中全桥逆变器输出电压的采样信号V_o进行过零检测，输出采样信号V_o的过零检测数字输出信号v1；所述相位鉴定单元包括两个RS触发器，过零检测数字输出信号i1分别输入到第一RS触发器(RS1)的S端和第二RS触发器(RS2)的R端，过零检测数字输出信号v1分别输入到第一RS触发器(RS1)的R端和第二RS触发器(RS2)的S端，第一RS触发器(RS1)的Q端输出反应过零检测数字输出信号i1相位超前于过零检测数字输出信号v1相位的信号Q1，第二RS触发器(RS2)的Q端输出反应过零检测数字输出信号i1相位滞后于过零检测数字输出信号v1相位的信号Q2；所述DSP控制单元首先对相位鉴定单元的两路输出信号Q1和Q2进行选择：如果信号Q1高电平时间小于当前电磁感应加热电源中全桥逆变器开关管的驱动信号半周期值，则负载回路为感性，选择信号Q1进行环路滤波；否则，则负载回路为容性，选择信号Q2进行环路滤波；然后将环路滤波输出值输入补偿器，补偿器则根据环路滤波后的输出信号计算下一周期电磁感应加热电源中全桥逆变器开关管所需驱动信号的频率以实现频率跟踪功能；最后，数字脉冲宽度调制单元根据补偿器的计算结果产生下一周期电磁感应加热电源中全桥逆变器开关管的驱动信号；所述驱动信号G一方面直接作为全桥逆变器中第一开关管的驱动信号G1和第三开关管的驱动信号G3，另一方面经反相处理后作为全桥逆变器中第二开关管的驱动信号G2和第四开关管的驱动信号G4。

2.根据权利要求1所述的数字锁相和频率跟踪的电磁感应加热电源控制器，其特征在于，所述过零检测单元中第一过零检测电路(P1)由4个电阻、3个二极管、一个电容、两个电源和一个比较器构成，其正向输入端通过第一电阻(R1)接比较器的正向输入端，其负向输入端通过第二电阻(R2)接比较器的负向输入端，比较器的正、负向输入端之间连接一个由第一二极管(D1)和第二二极管(D2)反向并联的电路，比较器的正电源端通过电源V+接控制器地，比较器的负电源端通过电源V-接控制器地，比较器的输出端和正电源端之间连接第三电阻(R3)，比较器的输出端接第三二极管(D3)的正极，第三二极管(D3)的负极通过第一电容(C1)和第四电阻(R4)的并联电路后接控制器地，比较器的负向输入端接控制器地；第一过零检测电路(P1)正、负向输入端之间输入电流采样信号i_o，第三二极管(D3)的负极输出过零检测数字输出信号i1。

3.根据权利要求1所述的数字锁相和频率跟踪的电磁感应加热电源控制器，其特征在于，所述过零检测单元中第二过零检测电路(P2)由4个电阻、3个二极管、一个电容、两个电源和一个比较器构成，其正向输入端通过第一电阻(R1)接比较器的正向输入端，其负向输入端通过第二电阻(R2)接比较器的负向输入端，比较器的正、负向输入端之间连接一个由第一二极管(D1)和第二二极管(D2)反向并联的电路，比较器的正电源端通过电源V+接控制器地，比较器的负电源端通过电源V-接控制器地，比较器的输出端和正电源端之间连接第三电阻(R3)，比较器的输出端接第三二极管(D3)的正极，第三二极管(D3)的负极通过第一电容(C1)和第四电阻(R4)的并联电路后接控制器地，比较器的负向输入端接控制器地；第一过零检测电路(P2)正、负向输入端之间输入电压采样信号V_o，第三二极管(D3)的负极输出过零检测数字输出信号V1。