CN105472803B - 一种数字化并联感应加热电源双dsp+fpga体系结构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及感应加热电源技术领域，公开一种数字化并联感应加热电源双DSP+FPGA体系结构及方法，本方法采用的电路结构，包括：主电路、控制电路、核心控制电路，所述核心控制电路通过控制电路与主电路相连；所述主电路包含：三相全控整流电路、平波电抗器、桥式逆变电路、LC并联谐振回路；所述控制电路包含：逆变反馈电路、保护检测电路、直流电压电流功率设定检测电路、能量监控及手持操作器。本发明能够应用在音频及超音频感应加热电源中，启动成功率高、工作稳定性好、控制精度高、功能扩展灵活，其智能化程度高，并使用能量监控系统对每次加工的工件质量进行记录，取得了较好的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及感应加热电源技术领域，尤其涉及一种数字化并联感应加热电源双DSP+FPGA体系结构及方法。
背景技术
目前，随着感应加热电源的发展，采用模拟控制技术的电源已显得落后。DSP技术的发展给数字化电源的发展带来了契机，数字化感应加热电源由于其智能化程度高、控制精度高、功能扩展灵活的优点已经显现。采用双DSP+FPGA的控制方案应用在音频/超音频感应加热电源中，启动成功率高、工作稳定性好，并使用能量监控系统对每次加工的工件质量进行记录，取得了较好的经济效益。
发明内容
为了克服背景技术中的不足，本发明提供一种数字化并联感应加热电源双DSP+FPGA体系结构。能够应用于数字化音频/超音频感应并联加热电源。
为了实现上述发明目的，本发明采用技术方案如下：
一种数字化并联感应加热电源双DSP+FPGA体系结构，包括：主电路、控制电路、核心控制电路，所述核心控制电路通过控制电路与主电路相连；
所述主电路包含：三相全控整流电路、平波电抗器、桥式逆变电路、LC并联谐振回路；
所述控制电路包含：逆变反馈电路、保护检测电路、直流电压电流功率设定检测电路、能量监控及手持操作器；
所述核心控制电路为双DSP+FPGA体系结构，由微处理器DSP芯片Ⅰ、微处理器DSP芯片Ⅱ、FPGA芯片组成，电连接微处理器DSP芯片Ⅱ的微处理器DSP芯片Ⅰ输入端与保护检测电路电连接，微处理器DSP芯片Ⅰ的功率设定端、缺相报警端与FPGA芯片对应端相连，所述微处理器DSP芯片Ⅱ的IGBT逆变脉冲产生端与FPGA芯片的IGBT逆变脉冲对应端相连；
其中DSP芯片Ⅰ的设定检测端通过模数转换电路A/D与直流电压电流功率设定检测电路相连；DSP芯片Ⅰ的通讯端通过232通讯模块与能量监控及手持操作器相连；
其中微处理器DSP芯片Ⅱ的输入端通过逆变反馈电路与LC并联谐振回路相连；其中FPGA芯片的SCR触发脉冲端与三相全控整流电路相连，所述三相全控整流电路输入端连接三相交流电源AC，三相交流电源AC的三相交流同步信号与FPGA芯片的三相交流同步信号端相连；其中FPGA芯片的IGBT触发脉冲端与桥式逆变电路相连。
一种数字化并联感应加热电源双DSP+FPGA体系结构，所述保护检测电路由霍尔传感器、分流器、水压传感器、温度传感器构成，霍尔传感器、分流器、水压传感器、温度传感器通过信号线与微处理器DSP芯片Ⅰ相连。
一种用于并联感应加热电源的数字化双DSP+FPGA体系结构的工作方法，其步骤如下：
1）、具有用于三相全控整流脉冲信号的产生、IGBT逆变脉冲信号的产生、系统状态的监测、与能量监控及手操通信的核心控制电路；
2）、将核心控制电路与并联感应加热电源的主电路电连接；核心控制电路与保护检测电路的霍尔传感器、分流器、水压传感器、温度传感器电连接；
3）、主电路采用由晶闸管组成的三相全控整流电路,整流输出可调节的直流电压范围：0~500V；
4）、调节的直流电压经平波电抗器后送至由IGBT组成的桥式逆变电路；负载采用LC并联谐振回路，逆变输出最终经负载变压器送至感应器，对工件进行加热；当检测到异常的报警信号，传递给DSP-I，DSP-I工作方式具体如下：
第一，通过A/D采样检测后的直流电压、直流电流送往工业触摸屏，即能量监控及手操，实时显示电源直流电压、直流电流状态；在触摸屏中计算功率并显示，记录历史曲线用以判断所加工工件是否合格； DSP-I与工业触摸屏的通信应用屏蔽线，同时采用了232电平+ModBus的通信方式，提高抗干扰能力；另外DSP-I通过A/D检测功率电位器的设定值，将检测到的值分100档传给FPGA，用以实现不同的工作电压即功率；并且在FPGA检测到三相交流电缺相时，接收缺相报警信号，停止电源工作；
第二，如果报警检测电路检测到直流过压、过流、冷却水压过高过低、冷却水超温、交流过压故障，DSP-I接收这些故障信号，停止电源工作，并将这些信息传递给能量监控及手操；
第三，将检测到功率电位器的值或者通过能量监控及手操设定的功率值，在DSP-I芯片内部程序中进行平滑数字滤波；并且在电源大功率工作时，使功率逐渐抬升，然后传递给FPGA，用以产生三相全控移相脉冲，以免瞬间的高电压、大电流对电源形成冲击，实现软启动；软启动时间在200ms的时间内完成；
5）、并联感应加热电源对逆变的频率由LC并联谐振电路决定，并且采用数字锁相环DSP-II芯片，以产生IGBT逆变触发脉冲，稳定谐振频率，保护IGBT逆变桥；
当谐振频率发生变化时，频率的变化由逆变反馈电路，送入DSP-II，利用数字锁相环使DSP-II产生的IGBT逆变脉冲的频率与谐振频率相一致，实现逆变频率的自动跟踪锁频即频率自适应；
6）、FPGA芯片具有用于三相整流的移相触发电路和IGBT逆变脉冲分配电路，
所述移相触发电路对降压整形后的三相同步信号和DSP-I给定的功率设置参数，产生6路晶闸管移相触发脉冲，控制晶闸管的导通角，用以调整整流输出电压即输出功率；每一路脉冲都采用双触发的PWM信号，以保证晶闸管不会漏触发；
所述IGBT逆变脉冲分配电路，对DSP-II产生的两路IGBT触发脉冲分配成4路、8路或12路；
其中4路为IGBT单逆变桥的触发脉冲， 4路中的2路为对角桥臂的触发脉冲，另2路为另一个对角桥臂的触发脉冲，相互差半个逆变周期；
其中8路为双逆变桥的触发脉冲；
其中12路为三逆变桥的触发脉冲。
一种用于并联感应加热电源的数字化双DSP+FPGA体系结构的工作方法，根据输出功率增减逆变桥的数量，采用IGBT分时导通方法，对2个逆变桥实现IGBT逆变频率的倍增，逆变频率达80KHz。
由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：
一种数字化并联感应加热电源双DSP+FPGA体系结构及方法，采用双DSP+FPGA的控制方案应用在音频/超音频感应加热电源中，启动成功率高、工作稳定性好、控制精度高、功能扩展灵活，其智能化程度高，并使用能量监控系统对每次加工的工件质量进行记录，取得了较好的经济效益。
【附图说明】
图1是并联感应加热电源体系结构的电路工作方框图。
【具体实施方式】
如图1所示，一种数字化并联感应加热电源双DSP+FPGA体系结构，包括：主电路、控制电路、核心控制电路，所述核心控制电路通过控制电路与主电路相连；
所述主电路包含：三相全控整流电路、平波电抗器、桥式逆变电路、LC并联谐振回路；
所述控制电路包含：逆变反馈电路、保护检测电路、直流电压电流功率设定检测电路、能量监控及手持操作器。
所述核心控制电路为双DSP+FPGA体系结构，包括：DSP芯片Ⅰ、DSP芯片Ⅱ、FPGA芯片，所述电连接保护检测电路的DSP芯片Ⅰ与电连接逆变反馈的DSP芯片Ⅱ相连，所述DSP芯片Ⅰ的功率设定端、缺相报警端与FPGA芯片对应端相连，所述DSP芯片Ⅱ的IGBT逆变脉冲产生端与FPGA芯片的IGBT逆变脉冲对应端相连；
其中DSP芯片Ⅰ的设定检测端通过模数转换电路A/D与直流电压电流功率设定检测电路相连；DSP芯片Ⅰ的通讯端通过232通讯模块与能量监控及手持操作器相连；
其中微处理器DSP芯片Ⅱ的输入端通过逆变反馈电路与LC并联谐振回路相连；
其中FPGA芯片的SCR触发脉冲端与三相全控整流电路相连，所述三相全控整流电路输入端连接三相交流电源AC，三相交流电源AC的三相交流同步信号与FPGA芯片的三相交流同步信号端相连；其中FPGA芯片的IGBT触发脉冲端与桥式逆变电路相连。
所述保护检测电路由霍尔传感器、分流器、水压传感器、温度传感器构成。
本发明的并联感应加热电源体系结构应用于数字化音频/超音频感应并联加热电源。
该电源的体系结构中，主电路包含包含：三相全控整流电路、平波电抗器、桥式逆变电路、LC并联谐振回路；
控制电路包含逆变反馈电路、保护检测电路、直流电压电流功率设定检测电路、能量监控及手持操作器。该专利保护的核心电路为双DSP+FPGA电路虚线框内组成的核心控制电路。该核心控制电路用于三相全控整流脉冲信号的产生、IGBT逆变脉冲信号的产生、系统状态的监测、与能量监控及手操的通信。两片DSP芯片采用德州仪器（TI）公司生产的TMS320F2812。FPGA芯片采用莱迪思（LATTICE）公司生产的LFXP3C-3TN144C。
主电路采用由SCR组成的三相全控整流电路，整流输出可调节的0~500V左右的直流电压。经平波电抗器后送至由IGBT组成的桥式逆变电路。逆变输出电压由整流后的直流电压决定，逆变频率由IGBT触发脉冲的频率决定。负载采用LC并联谐振回路，逆变输出最终经负载变压器送至感应器，对工件进行加热。
保护检测电路主要由霍尔传感器、分流器、水压传感器、温度传感器等组成。负责检测异常的报警信号，传递给DSP-I。
DSP-I作用主要有三个方面。
第一，通过A/D采样检测后的直流电压、直流电流送往工业触摸屏（即能量监控及手操），实时显示电源直流电压、直流电流等状态。在触摸屏中计算功率并显示，记录历史曲线用以判断所加工工件是否合格。由于感应加热电源的工作环境较恶劣，电磁干扰较大，DSP-I与工业触摸屏的通信应用屏蔽线，同时采用了232电平+ModBus的通信方式，提高抗干扰能力。另外DSP-I通过A/D检测功率电位器的设定值，将检测到的值分100档传给FPGA，用以实现不同的工作电压（即功率）。并且在FPGA检测到三相交流电缺相时，接收缺相报警信号，停止电源工作。
第二，如果报警检测电路检测到直流过压、过流、冷却水压过高过低、冷却水超温、交流过压等故障，DSP-I接收这些故障信号，停止电源工作，并将这些信息传递给能量监控及手操。
第三，将检测到功率电位器的值或者通过能量监控及手操设定的功率值，在DSP-I软件中进行平滑数字滤波。并且在电源大功率工作时，使功率逐渐抬升，然后传递给FPGA，用以产生三相全控移相脉冲，以免瞬间的高电压、大电流对电源形成冲击，实现软启动。软启动时间大约在200ms的时间内完成。
由于电源系统对逆变的频率有着严格的要求，为了保证处理器对逆变控制的实时性和稳定性，本设计中单独设置了DSP-II，以产生IGBT逆变触发脉冲。
电源为并联电源，IGBT逆变桥的工作频率表面上由DSP-II决定，实际上是由LC并联谐振电路决定。由于更换感应器、更改输出变压器匝比、增减匹配电容器的数量、放入不同的工件都会引起LC并联谐振电路的谐振频率的改变，且工件在加热的过程中，尤其是在接近或达到居里点以后，谐振频率会发生变化。这些都会引起电路失谐，可能烧毁IGBT逆变桥。DSP-II利用数字锁相环解决了这个问题。当谐振频率发生变化时，频率的变化由逆变反馈电路，送入DSP-II，利用数字锁相环使DSP-II产生的IGBT逆变脉冲的频率与谐振频率相一致，实现逆变频率的自动跟踪锁频，即频率自适应。
FPGA主要有两方面的作用。
第一、在FPGA中设计了用于三相整流的移相触发电路。FPGA根据经降压整形后的三相同步信号和DSP-I给定的功率设置参数，产生6路晶闸管移相触发脉冲，控制晶闸管的导通角，用以调整整流输出电压，即输出功率。每一路脉冲都采用双触发的PWM信号，以保证晶闸管不会漏触发。
第二、在FPGA中设计了IGBT逆变脉冲分配电路，将DSP-II产生的两路IGBT触发脉冲分配成4路、8路或12路。4路为IGBT单逆变桥的触发脉冲，其中2路为对角桥臂的触发脉冲，另2路为另一个对角桥臂的触发脉冲，相互差半个逆变周期。8路为双逆变桥的触发脉冲、12路为三逆变桥的触发脉冲，逆变桥的数量可根据输出功率增减。此外，如果采用IGBT分时导通技术，利用2个逆变桥，还可实现IGBT逆变频率的倍增，最高逆变频率可达80KHz左右。
Claims (4)
1.一种数字化并联感应加热电源双DSP+FPGA体系结构，其特征是：包括：主电路、控制电路、核心控制电路，所述核心控制电路通过控制电路与主电路相连；
所述主电路包含：三相全控整流电路、平波电抗器、桥式逆变电路、LC并联谐振回路；
所述控制电路包含：逆变反馈电路、保护检测电路、直流电压电流功率设定检测电路、能量监控及手持操作器；
所述核心控制电路为双DSP+FPGA体系结构，由微处理器DSP芯片Ⅰ、微处理器DSP芯片Ⅱ、FPGA芯片组成，电连接微处理器DSP芯片Ⅱ的微处理器DSP芯片Ⅰ输入端与保护检测电路电连接，微处理器DSP芯片Ⅰ的功率设定端、缺相报警端与FPGA芯片对应端相连，所述微处理器DSP芯片Ⅱ的IGBT逆变脉冲产生端与FPGA芯片的IGBT逆变脉冲对应端相连；
其中DSP芯片Ⅰ的设定检测端通过模数转换电路A/D与直流电压电流功率设定检测电路相连；DSP芯片Ⅰ的通讯端通过232通讯模块与能量监控及手持操作器相连；
其中微处理器DSP芯片Ⅱ的输入端通过逆变反馈电路与LC并联谐振回路相连；
其中FPGA芯片的SCR触发脉冲端与三相全控整流电路相连，所述三相全控整流电路输入端连接三相交流电源AC，三相交流电源AC的三相交流同步信号与FPGA芯片的三相交流同步信号端相连；其中FPGA芯片的IGBT触发脉冲端与桥式逆变电路相连。
2.根据权利要求1所述的一种数字化并联感应加热电源双DSP+FPGA体系结构，其特征是：所述保护检测电路由霍尔传感器、分流器、水压传感器、温度传感器构成，霍尔传感器、分流器、水压传感器、温度传感器通过信号线与微处理器DSP芯片Ⅰ相连。
3.一种用于并联感应加热电源的数字化双DSP+FPGA体系结构的工作方法，其特征是：其步骤如下：
1）、具有用于三相全控整流脉冲信号的产生、IGBT逆变脉冲信号的产生、系统状态的监测、与能量监控及手操通信的核心控制电路；
2）、将核心控制电路与并联感应加热电源的主电路电连接；核心控制电路与保护检测电路的霍尔传感器、分流器、水压传感器、温度传感器电连接；
3）、主电路采用由晶闸管组成的三相全控整流电路,整流输出可调节的直流电压范围：0~500V；
4）、调节的直流电压经平波电抗器后送至由IGBT组成的桥式逆变电路；负载采用LC并联谐振回路，逆变输出最终经负载变压器送至感应器，对工件进行加热；当检测到异常的报警信号，传递给DSP-I，DSP-I工作方式具体如下：
第一，通过A/D采样检测后的直流电压、直流电流送往工业触摸屏，即能量监控及手操，实时显示电源直流电压、直流电流状态；在触摸屏中计算功率并显示，记录历史曲线用以判断所加工工件是否合格； DSP-I与工业触摸屏的通信应用屏蔽线，同时采用了232电平+ModBus的通信方式，提高抗干扰能力；另外DSP-I通过A/D检测功率电位器的设定值，将检测到的值分100档传给FPGA，用以实现不同的工作电压即功率；并且在FPGA检测到三相交流电缺相时，接收缺相报警信号，停止电源工作；
第二，如果报警检测电路检测到直流过压、过流、冷却水压过高过低、冷却水超温、交流过压故障，DSP-I接收这些故障信号，停止电源工作，并将这些信息传递给能量监控及手操；
第三，将检测到功率电位器的值或者通过能量监控及手操设定的功率值，在DSP-I芯片内部程序中进行平滑数字滤波；并且在电源大功率工作时，使功率逐渐抬升，然后传递给FPGA，用以产生三相全控移相脉冲，以免瞬间的高电压、大电流对电源形成冲击，实现软启动；软启动时间在200ms的时间内完成；
5）、并联感应加热电源对逆变的频率由LC并联谐振电路决定，并且采用数字锁相环DSP-II芯片，以产生IGBT逆变触发脉冲，稳定谐振频率，保护IGBT逆变桥；
当谐振频率发生变化时，频率的变化由逆变反馈电路，送入DSP-II，利用数字锁相环使DSP-II产生的IGBT逆变脉冲的频率与谐振频率相一致，实现逆变频率的自动跟踪锁频即频率自适应；
6）、FPGA芯片具有用于三相整流的移相触发电路和IGBT逆变脉冲分配电路，
所述移相触发电路对降压整形后的三相同步信号和DSP-I给定的功率设置参数，产生6路晶闸管移相触发脉冲，控制晶闸管的导通角，用以调整整流输出电压即输出功率；每一路脉冲都采用双触发的PWM信号，以保证晶闸管不会漏触发；
所述IGBT逆变脉冲分配电路对DSP-II产生的两路IGBT触发脉冲分配成4路、8路或12路；
其中4路为IGBT单逆变桥的触发脉冲， 4路中的2路为对角桥臂的触发脉冲，另2路为另一个对角桥臂的触发脉冲，相互差半个逆变周期；
其中8路为双逆变桥的触发脉冲；
其中12路为三逆变桥的触发脉冲。
4.根据权利要求3所述的一种用于并联感应加热电源的数字化双DSP+FPGA体系结构的工作方法，其特征是：根据输出功率增减逆变桥的数量，采用IGBT分时导通方法，对2个逆变桥实现IGBT逆变频率的倍增，逆变频率达80KHz。
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