CN103795407B - 一种利用谐振电流最大有效值寻优实现锁相环的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用谐振电流最大有效值寻优实现锁相环的方法，包括以下步骤：测量电感量范围，结合电容量计算谐振频率范围；利用4046锁相环芯片锁相得到参考频率；利用AD736芯片测的电流有效值，结合谐振频率黄金寻优算法得到最优测试频率；对比参考频率、最优测试频率和估算的频率范围,综合评估。本发明用于解决串联谐振型感应加热系统中的谐振频率漂移的问题，该方法不仅降低了开关频率、实现软开关，并且可以确保系统的最大功率输出，最终使得感应加热系统的稳定工作和达到高效电热转换的状态。

Description

一种利用谐振电流最大有效值寻优实现锁相环的方法

【技术领域】

本发明涉及感应加热系统中锁相环技术领域，具体涉及一种利用谐振电流最大有效值寻优实现锁相环的方法。

【背景技术】

在感应加热系统中加热感应线圈和加热体的电感量一般较小（μH级），难以准确测的，感应线圈的电感量不仅与通过线圈的电流频率相关，还与温度、加热体等诸多因素相关。因而对于不同的感应线圈，很难准确的获知它在不同条件下的准确电感量。

虽然在设计系统时无法准确知道电感量，但是可以通过电桥测得电感量的粗略估计值。而实际感应线圈工作时的电感量是在所测值附近波动。这样就可以依据谐振频率设计出谐振电路。在匹配负载的过程中需要用电容（称为谐振无感电容）来减小无功功率，由于制造工艺和测量手段的限制，电容值也不十分精确，在设计时会引入额外的误差。因此影响工作点的因素有以下几点：

1、电感值测量误差大，随频率波动大；

2、电容值标称有±5%的偏差，长时间使用会漂移；

3、工作环境的影响，温度等。

综合前面提到的各种不准确的因素，只能够得到谐振电路的谐振点范围。加热电源实际工作时的频率在设计工作点附近波动。锁相环技术的引入则可以很有效的解决谐振点实时跟踪的问题。

传统的一般使用CD4046锁相环芯片实现锁相，但是本身固有许多缺点：跟踪范围窄，频段不同，对应的滤波器参数不同，在串联谐振电路中另加辅助电路实现死区时间，电路元件较多，参数易受影响，同时电源启动成功率不高，并且故障率多，工作中易失锁，实际应用可靠性较低。

【发明内容】

本发明的目的就是为了解决上述传统使用CD4046锁相环芯片的缺点，提出了一种利用谐振电流最大有效值寻优实现锁相环的方法，该方法从负载特性的角度上出发，通过结合使用传统锁相环芯技术作参考，双管齐下，可以实现的对谐振频率的漂移实现了有效跟踪、锁定。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用谐振电流最大有效值寻优实现锁相环的方法，包括以下步骤：

1）利用电桥测量出在不同频率下的串联谐振型感应加热系统的加热线圈对应的电感值，并结合串联谐振型感应加热系统的电容值计算出谐振频率的数值范围Φ；

2）采集串联谐振型感应加热系统的感应加热电源负载回路中的电流信号，并对该电流信号进行过零比较后，再将过零比较后的电流信号的正弦波转换为同相位的矩形波，并反馈给CD4046芯片后，与感应加热电源负载电压的驱动信号相比，当两者同相位时，CD4046芯片将驱动信号的频率锁定，记录该频率为参考频率f_VREF；

3）利用负载电压驱动信号的频率和负载回路中的电流为单峰值曲线的关系，使用黄金寻优法对步骤1）中得出的谐振频率的数值范围Φ进行频点采样，将采样的频点的电流信号经过电流互感器采集，再经过精密电阻，变换为电压信号，并输入到AD736芯片转换为对应电流信号有效值的电平信号，对比电平信号的高低，然后迭代出电流信号在最大有效值下对应的最优测试频率f_optimal；

4）当参考频率f_VREF和最优测试频率f_optimal均在谐振频率的数值范围Φ内时，比较参考频率f_VREF和最优测试频率f_optimal的大小，当时，取最终谐振频率f_Last=Max(f_VREF,f_optimal)，当时，取最终谐振频率f_Last=f_optimal，通过使用最终谐振频率对实际谐振频率进行跟踪，实现锁相环；

当参考频率f_VREF或最优测试频率f_optimal不在谐振频率的数值范围Φ内时，返回步骤1）。

本发明进一步改进在于，步骤1）中，谐振频率f的计算公式如下：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}---\left(1\right)$

式中：

L——感应加热线圈的电感值，单位为H；

C——谐振电容值，单位为F。

本发明进一步改进在于，步骤2）中，通过电流互感器采集串联谐振型感应加热系统的感应加热电源负载回路中的电流信号。

本发明进一步改进在于，步骤3）中，使用黄金寻优法对步骤1）中得出的谐振频率的数值范围Φ进行频点采样，包括以下步骤：

a）定义谐振频率的数值范围Φ=[f_min,f_max]，以及谐振频率的数值范围Φ内的两个黄金分割点对应的频率f₁和f₂，将两个黄金分割点对应的频率f₁和f₂作为负载电压驱动频率，测试出在频率f₁和f₂对应下的电流有效值I₁和I₂；当I₁>I₂时，更新谐振频率的数值范围Φ为E₁=[f_min,f₂]，当I₁<I₂时，更新谐振频率的数值范围Φ为

Φ₁=[f₁,f_max]，其中，f_min为下线频率，f_max为上限频率，f₁>f₂；

b）重复步骤a）得到下一次更新谐振频率的数值范围Φ₂，再经过重复n-1次步骤a）之后确定出最终的谐振频率的数值范围Φ_n，选择Φ_n的上限频率作为最优测试频率f_optimal，其中，n=1,2,…。

本发明进一步改进在于，重复进行步骤a）的次数n的计算公式如下：

式中：

Δf——频率区间精度；

Δf₁——频率下波动幅度；

Δf₂——频率上波动幅度。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

本发明针对感应线圈的电感量随诸多因素变化时，对谐振频率的漂移实现了有效跟踪、锁定；通过加入了谐振频率黄金寻优的核心算法，大大提高了每次寻优的成功概率和准确性；使用CD4046锁相环芯片锁频作为补充，来限制谐振频率的大致范围，再进一步对电流最大有效值进行寻优对比已知的范围，综合评估出可靠的最终谐振频率。本发明所公开的方法能够快速、高效实现，并具有良好的可移植性，相对于单纯使用CD4046锁相环芯片锁频有较高的可靠性和准确性。

【附图说明】

图1为本发明一种利用谐振电流最大有效值寻优实现锁相环的方法的流程图；

图2为本发明串联谐振型感应加热系统的原理图；

图3为本发明CD4046锁相实验电路原理图；

图4为本发明AD736有效值芯片原理图；

图5（a）和（b）为本发明黄金寻优算法示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明一种利用谐振电流最大有效值寻优实现锁相环的方法，用于串联谐振型感应加热系统中谐振频率漂移的有效跟踪、锁定，包括以下步骤：

步骤1），估算谐振频率范围。利用电桥测量出在不同频率下的串联谐振型感应加热系统的加热线圈对应的电感值，并结合串联谐振型感应加热系统的电容值计算出谐振频率的数值范围Φ，这个范围一般较大，并且包含了实际谐振频率；

●串联谐振型感应加热系统的原理图

串联谐振型感应加热系统负载L，补偿电容C和等效阻抗R是串联的，原理图如图2。为确保采集电流有效值时由电压波动产生的固有误差，使用高稳压精度、快响应时间的稳压电源E作为电源输入，经过开关管S1、S4和S2、S3同步开关工作，在RLC谐振回路两端产生频率可调的交替正反电压，从而在谐振回路中的激起和电压同频率的正弦电流。

●测量电感值、估算谐振频率范围

利用电桥测量出10kHz和100kHz频率下的电感值(根据步骤1）中确定的谐振频率的数值范围Φ灵活选取)，利用串联谐振频率公式，计算出频率的上下限，确定系统谐振频率f的范围Φ，其中，谐振频率f的计算公式如下：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}\sqrt{\mathrm{LC}}}---\left(1\right)$

式中：

L——感应加热线圈的电感值，单位为H；

C——谐振电容值，单位为F；

步骤2），确定参考频率。通过电流互感器采集串联谐振型感应加热系统的感应加热电源负载回路中的电流信号，并对该电流信号进行过零比较后，再将过零比较后的电流信号的正弦波转换为同相位的矩形波，并反馈给CD4046芯片后，与感应加热电源负载电压的驱动信号相比，当两者同相位时，CD4046芯片将驱动信号的频率锁定，记录该频率为参考频率f_VREF；

●配置CD4046锁相环芯片的外围电路

参见图3，R₄和C₂构成了一阶低通滤波器。通过配置6、7管脚间的电容C₁～C₄以及11、12管脚连接的电阻R₁、R₂可以设置芯片中压控振荡器的最小输出频率和最大输出频率范围：

$f_{\min }=\frac{1}{R_2(C+32\mathrm{pF})};f_{\max }=\frac{1}{R_1(C+32\mathrm{pF})}+f_{\min }$

式中：

f_min——压控振荡器的最小输出频率，单位为Hz；

f_max——压控振荡器的最大输出频率，单位为Hz；

●确定参考频率f_VREF

将感应加热电源负载回路中的电流经电流互感器采集后，进行过零比较，转换正弦波为同相位的矩形波，反馈给CD4046芯片，对比原负载电压的驱动信号，锁频成功时得到参考频率f_VREF。

步骤3），引入黄金寻优算法确定最优测试频率。利用负载电压驱动信号的频率和负载回路中的电流为单峰值曲线的关系，使用黄金寻优法对步骤1）中得出的谐振频率的数值范围Φ进行频点采样，将采样的频点的电流信号经过电流互感器采集，再经过精密电阻，变换为电压信号，并输入到AD736芯片转换为对应电流信号有效值的电平信号，对比电平信号的高低，然后迭代出电流信号在最大有效值下对应的最优测试频率f_optimal；

●配置AD736有效值检测芯片的外围电路

参见图3，调整C₃电容值可改变响应速度，最终确定取值为1μF时系统的响应速度为15ms，满足系统的响应时间需求。

因为输入信号为电流，所以串接一个精密电阻，变换成电压值，经过有效值转换芯片最终转换成电平信号供控制器采样。

需要注意的是，因为AD736在转换速率上受转换电压幅值的影响，所以，在已知系统工作电流范围的情况下，适当选择取样电阻，使得被采样电压在采样范围内幅值较大，转换芯片的转换速率也会更快。

●黄金寻优算法

黄金寻优法是用于一元函数f(x)在给定的初始区间[a,b]内搜索极值的一种方法。具有算法简单、收敛速度均匀、效果好等特点

黄金寻优法的条件设定：

a)在[a,b]上函数是单峰函数；

b)在已知的不定区间上函数必须有最大(小)值；

c)寻优法得到的结果的是包含函数最大(小)值点的最大值区间，而不是精确值；

d)通过选择误差来控制区间的长度到精度范围内，直到最后得到的包含最值的区间长度小于设定的误差范围。

黄金寻优法基本原理：依照“去劣存优”原则来逐步缩小搜索区间。

具体步骤是(区间[a,b]寻取最大值)：

a)设定精度为ε>0；

b)在区间[a,b]内取点：x₁=a+0.382(b-a)，x₂=a+0.618(b-a)，x₁和x₂把[a,b]分为三段。

c)计算f(x₁)和f(x₂)并比较。

分两种情况讨论：

(a)如果f(x₁)>f(x₂)，则最优解在[a,x₂]令a1=a、b1=x₂、x₂=x₁；

(b)如果f(x₁)≤f(x₂)，则最优解在[x₁,b]令a1=x₁、b1=b、x₁=x₂；

d)用步骤c)中产生的新区间代替上一步的搜索区间，判断b1-a1=Δ与搜索精度的关系；如果新得到的Δ>ε，重新开始b)。如果Δ<ε，则停止搜索，所得到的区间[a1,b1]包含所要求的最优值。

因为[a,b]为单峰区间，每次分割后的区间将包含极大点的区间缩小为0.618倍，循环迭代，将使搜索区[a,b]逐步缩小，直至满足预先给定的精度。

实际操作中除第一次执行b)外，每次执行b)时都只需更新一个数值点。

●确定最优测试频率f_optimal

参见图5（a）和（b），黄金寻优搜索法每次都只需改变一个数值点。另外，黄金寻优法中下一个区间长度都是前一个区间长度的0.618倍，因此，对比较多的搜索次数而言，经过n次搜索后，区间长度近似下降了(0.618)^n-1，黄金寻优法的逼近速度很快。

对于搜索次数，其实可以在计算之前就预测得到。即：

$\frac{\mathrm{\&epsiv;}}{|b-a|}>{\left(0.618\right)}^{n-1}---\left(3\right)$

式中：ε——设定精度；

b——区间上边界；

a——区间下边界；

n——迭代测试次数。

根据实际系统物理参数确定谐振点的大概数值f₀，并估算出参数波动引起的谐振点变动的范围[f₀-Δf₁,f₀+Δf₂]。依据实际需求设计的谐振电路的开关频率一般不会有数量级的差异。根据实际需求选定搜索精度ε=Δf，依据式下公式计算搜索次数n的计算公式为：

式中：

Δf——频率区间精度；

Δf₁——频率下波动幅度；

Δf₂——频率上波动幅度。

然后，依据黄金寻优法的计算步骤计算搜索点的测试频率f₁和f₂，并将f₁和f₂分别加载到测试系统上。待系统稳定，使用电流互感器测量振荡电流的变送，并将电流送至有效值芯片转换成有效值，被采样计算得到电路中真实的振荡电流，即为f(f₁)和f(f₂),再依据黄金寻优算法计算的下一个测试的区间和测试点，并比较是否满足精度需求。如此循环直至满足设计精度停止，这样就得到系统在当前条件下的谐振点范围，一般用最后的测试区间的上限作为作为最优测试频率f_optimal。

步骤4），确定最终使用频率。当参考频率f_VREF和最优测试频率f_optimal均在谐振频率的数值范围Φ内时，比较参考频率f_VREF和最优测试频率f_optimal的大小，当时，取最终谐振频率f_Last=Max(f_VREF,f_optimal)，当时，取最终谐振频率f_Last=f_optimal，通过使用最终谐振频率对实际谐振频率进行跟踪，实现锁相环；

当参考频率f_VREF或最优测试频率f_optimal不在谐振频率的数值范围E内时，返回步骤1）。

本发明由于该算法精巧、简单、高效，一次寻优时间只需几秒钟，当电感、电容参数波动时，只要间隔一定时间寻优一次，便可实现对谐振频率的漂移自动跟踪、锁定；

综上所述，本发明一种利用谐振电流最大有效值寻优实现锁相环的方法具有以下优点及效果：

1、本发明从负载特性的角度上出发，利用串联谐振中负载电流在谐振点处取得最大电流值的特点，间接通过测量电流最大有效值来得到最优测量频率，抗干扰性强，锁频成功率较高；

2、本发明通过对两种技术进行综合，使得总体的对谐振频率的漂移自动跟踪、锁定更加准确、可靠；

3、此方法简单使用，易于扩展，可以方便地移植到多种形式的串联谐振逆变器的频率跟踪的场合中。

Claims (4)

1.一种利用谐振电流最大有效值寻优实现锁相环的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用电桥测量出在不同频率下的串联谐振型感应加热系统的加热线圈对应的电感值，并结合串联谐振型感应加热系统的电容值计算出谐振频率的数值范围Φ；

2)采集串联谐振型感应加热系统的感应加热电源负载回路中的电流信号，并对该电流信号进行过零比较后，再将过零比较后的电流信号的正弦波转换为同相位的矩形波，并反馈给CD4046芯片后，与感应加热电源负载电压的驱动信号相比，当两者同相位时，CD4046芯片将驱动信号的频率锁定，记录该频率为参考频率f_VREF；

3)利用负载电压驱动信号的频率和负载回路中的电流为单峰值曲线的关系，使用黄金寻优法对步骤1)中得出的谐振频率的数值范围Φ进行频点采样，将采样的频点的电流信号经过电流互感器采集，再经过精密电阻，变换为电压信号，并输入到AD736芯片转换为对应电流信号有效值的电平信号，对比电平信号的高低，然后迭代出电流信号在最大有效值下对应的最优测试频率f_optimal；

其中，使用黄金寻优法对步骤1)中得出的谐振频率的数值范围Φ进行频点采样，包括以下步骤：

a)定义谐振频率的数值范围Φ＝[f_min,f_max]，以及谐振频率的数值范围Φ内的两个黄金分割点对应的频率f₁和f₂，将两个黄金分割点对应的频率f₁和f₂作为负载电压驱动频率，测试出在频率f₁和f₂对应下的电流有效值I₁和I₂；当I₁＞I₂时，更新谐振频率的数值范围Φ为E₁＝[f_min,f₂]，当I₁＜I₂时，更新谐振频率的数值范围Φ为

Φ₁＝[f₁,f_max]，其中，f_min为下线频率，f_max为上限频率，f₁＞f₂；

b)重复步骤a)得到下一次更新谐振频率的数值范围Φ₂，再经过重复n-1次步骤a)之后确定出最终的谐振频率的数值范围Φ_n，选择Φ_n的上限频率作为最优测试频率f_optimal，其中，n＝1,2,…；

4)当参考频率f_VREF和最优测试频率f_optimal均在谐振频率的数值范围Φ内时，比较参考频率f_VREF和最优测试频率f_optimal的大小，当时，取最终谐振频率f_Last＝Max(f_VREF,f_optimal)，当时，取最终谐振频率f_Las_t＝f_optimal，通过使用最终谐振频率对实际谐振频率进行跟踪，实现锁相环；

当参考频率f_VREF或最优测试频率f_optimal不在谐振频率的数值范围Φ内时，返回步骤1)。

2.根据权利要求1所述的一种利用谐振电流最大有效值寻优实现锁相环的方法，其特征在于，步骤1)中，谐振频率f的计算公式如下：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}\sqrt{LC}}---\left(1\right)$

式中：

L——感应加热线圈的电感值，单位为H；

C——谐振电容值，单位为F。

3.根据权利要求1所述的一种利用谐振电流最大有效值寻优实现锁相环的方法，其特征在于，步骤2)中，通过电流互感器采集串联谐振型感应加热系统的感应加热电源负载回路中的电流信号。

4.根据权利要求1所述的一种利用谐振电流最大有效值寻优实现锁相环的方法，其特征在于，重复进行步骤a)的次数n的计算公式如下：

式中：

Δf——频率区间精度；

Δf₁——频率下波动幅度；

Δf₂——频率上波动幅度。