CN113784470A - 一种基于llc的感应加热系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种基于LLC的感应加热系统,包括:T型LLC模块,用于感应加热,具有电容电压与输入电压;逆变桥模块,用于将直流电源转换为交流电给所述T型LLC模块供电;控制系统,用于获取所述T型LLC模块的电容电压与输入电压在k时刻的相位差θb(t=k);根据所述相位差θb(t=k),向所述逆变桥模块输出PWM信号,使得所述电容电压与输入电压在k+1时刻的相位差θb(t=k+1)保持在设定角度范围θc内。本申请提供一种基于LLC的感应加热系统,可使得当T型LLC模块负载发生变化时,依然可使所述T型LLC模块处于谐振状态,提高了工作效率。
Description
技术领域
本公开一般涉及感应加热系统技术领域,具体涉及一种基于LLC的感应加热系统。
背景技术
T型LLC模块上的感应线圈LC可进行感应加热,当T型LLC模块的电容电压滞后于输入电压90度时,此时T型LLC模块处于谐振点,即感应线圈Lc处于最佳工作状态;
然而,当更换T型LLC模块的负载或负载阻值受外部因素产生变化时,电容电压与输入电压的相位差随之变化,使得T型LLC模块无法处于谐振状态,工作效率较低。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足,期望提供一种可解决上述技术问题的一种基于LLC的感应加热系统。
本申请提供一种基于LLC的感应加热系统,包括:
T型LLC模块,用于感应加热,具有电容电压与输入电压;
逆变桥模块,用于将直流电源转换为交流电给所述T型LLC模块供电;
控制系统,用于获取所述T型LLC模块的电容电压与输入电压在k时刻的相位差θb(t=k);根据所述相位差θb(t=k),向所述逆变桥模块输出PWM信号,使得所述电容电压与输入电压在k+1时刻的相位差θb(t=k+1)保持在设定角度范围θc内。
根据本申请实施例提供的技术方案,所述设定角度范围θc=θs±θm;其中设定值θs为90°,θm为常数。
根据本申请实施例提供的技术方案,所述控制系统包括:
转换模块,用于获取所述电容电压的波形,转换为第一方波;获取所述输入电压的波形,转化为第二方波;
DSP模块,计算所述第一方波和第二方波的相位差θb(t=k);根据所述相位差θb(t=k)以及设定值θs确定PWM重装值arr(k);
控制模块,根据所述PWM重装值arr(k)调整所述PWM信号。
根据本申请实施例提供的技术方案,所述控制模块配置用于,根据公式(四)调整所述PWM信号:
其中,ft为所述控制模块的时钟频率,psc为分频系数,f(k)为所述PWM信号的频率。
根据本申请实施例提供的技术方案,所述PWM重装值arr(k)通过公式(一)、公式(二)、公式(三)计算得到:
arr(k)=arr(k-1)+Δarr(k) (一)
Δarr(k)=kp[θe(t=k)-θe(t=k-1)]+kIθe(t=k) (二);
θe(t=k)=θb(t=k)-θs (三);
其中,kp、kI为常数。
根据本申请实施例提供的技术方案,所述转换模块包括过零检测单元和电平调理单元;
所述过零检测单元的输入端与T型LLC模块连接,用于获取所述T型LLC模块的输入电压波形和电容电压波形,将所述电容电压波形转化为第一方波,将所述输入电压波形转化为第二方波;
所述电平调理单元的输入端与所述过零检测单元的输出端连接,所述电平调理单元的输出端与所述DSP模块的输入端连接,用于将所述第一方波与第二方波整形。
根据本申请实施例提供的技术方案,所述T型LLC模块包括:第一匹配电感Ls1、加热线圈Lc、负载R以及电容C;
所述第一匹配电感Ls1的一端与所述T型LLC模块的正极输出端连接,所述第一匹配电感Ls1的另一端与所述加热线圈Lc一端连接,所述加热线圈Lc的另一端与所述负载R的一端连接,所述负载R的另一端与所述T型LLC模块的负极输出端连接;所述电容C的一端连接在所述第一匹配电感Ls1与加热线圈Lc之间,所述电容C的另一端与所述T型LLC模块的负极输出端连接。
根据本申请实施例提供的技术方案,所述控制模块的输出端与所述逆变桥模块的控制端间设有PWM隔离驱动模块;
所述PWM隔离驱动模块包括PWM隔离电源单元和PWM隔离驱动单元;所述PWM隔离驱动单元的输入端与所述控制模块的输出端连接,所述PWM隔离驱动单元的输出端与所述逆变桥模块的控制端连接;所述PWM隔离电源单元用于向所述PWM隔离驱动单元供电;
根据本申请实施例提供的技术方案,所述控制模块的输入端连接有用于检测所述逆变桥模块的温度的温度电平转换模块;所述控制模块的输出端连接有散热风扇;
所述控制模块还配置用于:
获取所述逆变桥模块的温度;
根据所述逆变桥模块的温度,控制所述散热风扇转速。
根据本申请实施例提供的技术方案,所述逆变桥模块的输入端连接有工频整流桥模块和滤波模块。
本申请的有益效果在于:使用时将直流电源接入至所述逆变桥模块的直流输入端,所述逆变桥模块将直流电转化为交流电向所述T型LLC模块供电,T型LLC模块内的感应线圈即可进行感应加热工作;
控制系统通过获取所述T型LLC模块的电容电压与输入电压在k时刻的相位差θb(t=k),根据所述相位差θb(t=k),向所述逆变桥模块输出PWM信号,使得所述电容电压与输入电压在k+1时刻的相位差θb(t=k+1)保持在设定角度范围θc内。
因此,该控制系统的调控下,当所述T型LLC模块内的负载值变化时,控制系统可根据k时刻的电容电压与输入电压的相位差θb(t=k),重新计算并向所述逆变桥模块输出PWM信号,以使得在k+1时刻的相位差θb(t=k+1)保持在设定角度范围θc,进而使所述T型LLC模块的负载处于谐振状态,提高了工作效率。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述,本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1为本申请提供的一种基于LLC的感应加热系统原理图;
图2为图1所示工频整流模块与滤波模块的电路原理图;
图3为图1所示逆变桥模块2连接T型LLC模块1的电路原理图;
图4为图1所示PWM隔离驱动模块6中PWM隔离电源单元的原理图;
图5为图1所示PWM隔离驱动模块6中PWM隔离驱动单元的原理图;
图6为图1所示转换模块3中过零检测电路15与调理电路16的电路原理图。
图中标号:
1、T型LLC模块;2、逆变桥模块;3、转换模块;4、DSP模块;5、控制模块;6、PWM隔离驱动模块;7、温度电平转换模块;8、散热风扇;9、工频整流模块;10、滤波模块;11、电压检测模块;12、电流检测模块;13、负载红外温度检测模块;14、通信屏;15、过零检测电路;16、调理电路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明,而非对该发明的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
请参考图1为本申请提供的一种基于LLC的感应加热系统,包括:
T型LLC模块1,用于感应加热,具有电容电压与输入电压;
逆变桥模块2,用于将直流电源转换为交流电给所述T型LLC模块1供电;
控制系统,用于获取所述T型LLC模块1的电容电压与输入电压在k时刻的相位差θb(t=k);根据所述相位差θb(t=k),向所述逆变桥模块2输出PWM信号,使得所述电容电压与输入电压在k+1时刻的相位差θb(t=k+1)保持在设定角度范围θc内。
具体的,所述逆变桥模块2为MOS管H桥逆变桥模块,具有用于与外部直流连接的直流输入端,用于向所述T型LLC模块1供电的交流输出端;以及用于与所述控制系统连接的控制端;如图3所示,所述逆变桥模块2的控制端包括s1、s2、s3、s4;
工作原理:使用时将直流电源接入至所述逆变桥模块2的直流输入端,所述逆变桥模块2将直流电转化为交流电向所述T型LLC模块1供电,T型LLC模块内的感应线圈即可进行感应加热工作;
控制系统通过获取所述T型LLC模块1的电容电压与输入电压在k时刻的相位差θb(t=k),根据所述相位差θb(t=k),向所述逆变桥模块2输出频率为f的PWM信号,PWM信号经逆变桥模块2的控制端输入至逆变桥模块2内,并产生与PWM波形频率相同的逆变输出的方波电压,使得所述电容电压与输入电压在k+1时刻的相位差θb(t=k+1)保持在设定角度范围θc内;所述PWM信号的频率f可根据相位差θb(t=k)得到。
因此,该控制系统的调控下,当所述T型LLC模块2内的负载值变化时,控制系统可根据k时刻的电容电压与输入电压的相位差θb(t=k),重新计算并向所述逆变桥模块2输出PWM信号,以使得在k+1时刻的相位差θb(t=k+1)保持在设定角度范围θc,进而使所述T型LLC模块处于谐振状态,提高了工作效率。
其中,在所述设定角度范围θc的优选实施方式中,所述设定角度范围θc=θs±θm;其中设定值θs为90°,θm为常数。
可以知道的是,当电容电压滞后于输入电压90°时,LLC模块负载达到谐振点,此时为最佳工作状态;θm为常数,以表征实际使用时的误差范围,例如θm可以为1°。
其中,在所述控制系统的优选实施方式中,所述控制系统包括:
转换模块3,用于获取所述电容电压的波形,转换为第一方波;获取所述输入电压的波形,转化为第二方波;
DSP模块4,计算所述第一方波和第二方波的相位差θb(t=k);根据所述相位差θb(t=k)以及设定值θs确定PWM重装值arr(k);
控制模块5,根据所述PWM重装值arr(k)调整所述PWM信号。
具体的,所述转换模块3可通过两个电压传感器分别获取所述T型LLC模块上的电容电压波形和输入电压波形;可以知道的是,此时获取的输入电压波形为方波,电容电压波形为正弦波;其波形通过所述转换模块3可分别得到第一方波,第二方波;
具体的,所述DSP模块4的型号可以为TMS320F2808;
具体的,DSP模块内的捕获模块计数器通过捕获第二方波的第一个上升沿所对应的时刻t1,捕获第一方波的第一个上升沿所对应的时刻t2,捕获第二方波的第二个上升沿所对应的时刻t3;
通过公式(五)计算所述第一方波和第二方波的相位差θb:
具体的,所述控制模块5的型号可以为:STM32F103;
其中,在一优选实施方式中,所述控制模块5配置用于,根据公式(四)调整所述PWM信号:
其中,ft为所述控制模块的时钟频率,psc为分频系数,f(k)为所述PWM信号的频率。
优选的,所述控制模块采用STM32F103,其内部定时器TIM1的时钟频率为84Mhz。
其中,在一优选实施方式中,所述PWM重装值arr(k)通过公式(一)、公式(二)、公式(三)计算得到:
arr(k)=arr(k-1)+Δarr(k) (一)
Δarr(k)=kp[θe(t=k)-θe(t=k-1)]+kIθe(t=k) (二);
θe(t=k)=θb(t=k)-θs (三);
其中,kp、kI为常数。
具体的,误差值θe(t=k)=θb(t=k)-θs;为了使负载处于谐振状态,则设定θs=90°;将得到的误差值θe输入到DSP模块4内部的数字PI调节器,经过PI调节器通过上述公式(一)及公式(二)调节后输出PWM重装载值arr(k)。
其中,在所述转换模块3的优选实施方式中,所述转换模块3包括过零检测单元和电平调理单元;
所述过零检测单元的输入端与T型LLC模块1连接,用于获取所述T型LLC模块1的输入电压波形和电容电压波形,将所述电容电压波形转化为第一方波,将所述输入电压波形转化为第二方波;
所述电平调理单元的输入端与所述过零检测单元的输出端连接,所述电平调理单元的输出端与所述DSP模块4的输入端连接,用于将所述第一方波与第二方波整形。
其中,在所述T型LLC模块的优选实施方式中,所述T型LLC模块1包括:第一匹配电感Ls、加热线圈Lc、负载R以及电容C;
所述第一匹配电感Ls的一端与所述T型LLC模块1的正极输出端连接,所述第一匹配电感Ls的另一端与所述加热线圈Lc一端连接,所述加热线圈Lc的另一端与所述负载R的一端连接,所述负载R的另一端与所述T型LLC模块1的负极输出端连接;所述电容C的一端连接在所述第一匹配电感Ls与加热线圈Lc之间,所述电容C的另一端与所述T型LLC模块1的负极输出端连接。
优选的,所述T型LLC模块1的正极与负极之间设有第三电压传感器T3;所述电容C串联有第四电压传感器T4;
其中,所述过零检测单元包括:两个过零检测电路15;两个过零检测电路15的电路结构相同,且分别用于与第三电压传感器T3、第四电压传感器T4连接;为了便于区分说明,因此将两个过零检测电路分别表示为第一过零检测电路和第二过零检测电路;
第一过零检测电路的输入端与第四电压传感器T4的输出端连接,用于获取所述T型LLC模块1的电容电压波形,将所述电容电压波形转化为第一方波;
第二过零检测电路的输入端与第三电压传感器T3的输出端连接,用于获取所述T型LLC模块1的输入电压波形,将所述输入电压波形转化为第二方波;
如图6所示,所述过零检测电路15包括:运算放大器U20以及比较器U21;
所述运算放大器U20的正向输入端、反向输入端作为所述检测电路的输入端分别用于与所述第三电压传感器T3的两个输出端(+、-)或第四电压传感器T4的两个输出端(+、-)连接;
所述运算放大器U20的正向输入端还并联有电容C87,所述电容C87另一端接地;所述电容C87两端并联有电阻R138;
所述运算放大器U20的反向输入端通过电阻R133与所述运算放大器U20的输出端连接;所述电阻R133两端并联有电容C81;
所述运算放大器U20的电源正极连接+5V电压,同时电源正极还连接有电容C82,所述C82的另一端接地;所述运算放大器U20的电源负极连接有-5V电压,同时电源负极还连接有电容C86,所述C86另一端接地;
所述运算放大器U20的输出端通过电阻R136与所述比较器U21的2脚正向输入端连接;所述比较器U21的3脚反向输入端接地;所述比较器8脚关断控制信号端接地;所述比较器7脚电源端连接3.3V电压;所述比较器U21的输出端与电源端间连接有电阻R135;所述比较器关断控制信号端与电源端间连接有电容C84。
优选的,所述运算放大器U20的型号为LM318MX;所述比较器U21的型号为TLV3501。
通过采用高速运算放大器LM318MX和施密特触发器SN2A对MOS管H逆变桥的输出电压(也即LLC模块的输入电压)和LLC负载槽路的电容电压进行过零检测,确保了过零点检测的实时有效性和频率追踪的快速性。
其中,所述电平调理单元包括:两个调理电路16;两个调理电路16的电路结构相同,为了便于区分说明,将两个调理电路16表示为第一调理电路和第二调理电路;
所述第一调理电路的输入端与所述第一过零检测电路输出端连接,所述第一调理电路的输出端与所述DSP模块4连接;
所述第二调理电路的输入端与所述第一过零检测电路输出端连接,所述第二调理电路的输出端与所述DSP模块4连接。
所述调理电路16包括:施密特触发器U22;
所述施密特触发器U22的输入端与所述过零检测电路的输出端连接;
所述施密特触发器U22的电源正极连接3.3V电压,其电源正极还连接有电容C83,所述电容C83的另一端接地;所述施密特触发器U22的电源负极接地;
所述施密特触发器U22的输出端与所述DSP模块输入端连接。
优选的,所述施密特触发器的型号为SN2A。
其中,在所述控制模块5的优选实施方式中,所述控制模块5的输出端与所述逆变桥模块2的控制端间设有PWM隔离驱动模块6;
如图4及图5所示,所述PWM隔离驱动模块6包括PWM隔离电源单元和PWM隔离驱动单元;所述PWM隔离驱动单元的输入端与所述控制模块5的输出端连接,所述PWM隔离驱动单元的输出端与所述逆变桥模块2的控制端连接;所述PWM隔离电源单元用于向所述PWM隔离驱动单元供电。
具体的,如图5所示,PWM隔离驱动单元具有四路输入(PWM1 IN、PWM2 IN、PWM3 IN、PWM4 IN),分别用于与所述控制模块5的输出端连接;PWM隔离驱动单元具有四路输出,分别为PWM 10、PWM 20、PWM30、PWM40;PWM隔离驱动单元PWM 10端与所述逆变桥模块2的控制端s1连接,PWM隔离驱动单元PWM 20端与所述逆变桥模块2的控制端s3连接,PWM隔离驱动单元PWM 30端与所述逆变桥模块2的控制端s2连接,PWM隔离驱动单元PWM 40端与所述逆变桥模块2的控制端s4连接。
优选的,所述PWM隔离电源单元用于产生24V隔离电压;所述24V隔离电压通过定频以及定占空比的PWM控制芯片控制MOSFET以及1:1变压器的方式实现,该方式产生的隔离电压方式结构简单,输出电压稳定,有效的降低了装置所需的隔离电压开发的难度和系统成本。
其中,在所述控制模块5的优选实施方式中,所述控制模块5的输入端连接有用于检测所述逆变桥模块2的温度的温度电平转换模块7;所述控制模块5的输出端连接有散热风扇8;
所述控制模块还配置用于:
获取所述逆变桥模块2的温度;
根据所述逆变桥模块2的温度,控制所述散热风扇8转速。
例如:当所述控制模块获取到所述温度大于等于第一阈值时,则控制所述散热风扇8的转速为第一转速;
当所述控制模块获取到所述温度小于第一阈值且大于第二阈值时,则控制所述散热风扇8的转速为第二转速;
当所述控制模块获取到所述温度小于等于所述第二阈值时,则控制所述散热风扇8的转速为第三转速;
所述第一阈值大于第二阈值,第一阈值、第二阈值为设定值。
其中,在所述逆变桥模块2的优选实施方式中,如图2所示,所述逆变桥模块2的输入端连接有工频整流桥模块9和滤波模块10。
具体的,所述工频整流桥模块9的输入端连接直流电源,所述工频整流桥模块9的输出端与所述滤波模块10的输入端连接,所述滤波模块10的输出端与所述逆变桥模块2的输入端连接。
作为优选的,所述基于LLC的感应加热系统还包括电压检测模块11,电流检测模块12,负载红外温度检测模块13以及通信屏14。
所述电压检测模块11的输入端与所述逆变桥模块2的输入端连接,所述电压检测模块11的输出端与所述DSP模块的ADC2引脚连接;所述电压检测模块11用于获取所述逆变桥模块2的输入电压并发送至所述DSP模块内;
所述电流检测模块12的输入端与所述逆变桥模块2的输入端连接,所述电流检测模块12的输出端与所述DSP模块的ADC1引脚连接;所述电流检测模块12用于获取所述逆变桥模块2的输入电流并发送至所述DSP模块4内;
所述负载红外温度检测模块13用于检测所述T型LLC模块内负载的温度值并发送至所述DSP模块4内;
所述通信屏14与所述DSP模块的输出端通过RS485交互通信,用于显示电压,电流及温度信息。
可以知道的是,本装置中可设置多个T型LLC模块以及多个所述控制系统,使得可同时控制多个型LLC模块进行控制调节。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解,本申请中所涉及的发明范围,并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案,同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下,由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (10)
1.一种基于LLC的感应加热系统,其特征在于,包括:
T型LLC模块(1),用于感应加热,具有电容电压与输入电压;
逆变桥模块(2),用于将直流电源转换为交流电给所述T型LLC模块(1)供电;
控制系统,用于获取所述T型LLC模块(1)的电容电压与输入电压在k时刻的相位差θb(t=k);根据所述相位差θb(t=k),向所述逆变桥模块(2)输出PWM信号,使得所述电容电压与输入电压在k+1时刻的相位差θb(t=k+1)保持在设定角度范围θc内。
2.根据权利要求1所述的基于LLC的感应加热系统,其特征在于,所述设定角度范围θc=θs±θm;其中设定值θs为90°,θm为常数。
3.根据权利要求1或2所述的基于LLC的感应加热系统,其特征在于,所述控制系统包括:
转换模块(3),用于获取所述电容电压的波形,转换为第一方波;获取所述输入电压的波形,转化为第二方波;
DSP模块(4),计算所述第一方波和第二方波的相位差θb(t=k);根据所述相位差θb(t=k)以及设定值θs确定PWM重装值arr(k);
控制模块(5),根据所述PWM重装值arr(k)调整所述PWM信号。
5.根据权利要求3所述的一种基于LLC的感应加热系统,其特征在于:所述PWM重装值arr(k)通过公式(一)、公式(二)、公式(三)计算得到:
arr(k)=arr(k-1)+Δarr(k) (一)
Δarr(k)=kp[θe(t=k)-θe(t=k-1)]+kIθe(t=k) (二);
θe(t=k)=θb(t=k)-θs (三);
其中,kp、kI为常数。
6.根据权利要求3所述的一种基于LLC的感应加热系统,其特征在于:所述转换模块(3)包括过零检测单元和电平调理单元;
所述过零检测单元的输入端与T型LLC模块(1)连接,用于获取所述T型LLC模块(1)的输入电压波形和电容电压波形,将所述电容电压波形转化为第一方波,将所述输入电压波形转化为第二方波;
所述电平调理单元的输入端与所述过零检测单元的输出端连接,所述电平调理单元的输出端与所述DSP模块(4)的输入端连接,用于将所述第一方波与第二方波整形。
7.根据权利要求3所述的一种基于LLC的感应加热系统,其特征在于:
所述T型LLC模块(1)包括:第一匹配电感Ls1、加热线圈Lc、负载R以及电容C;
所述第一匹配电感Ls1的一端与所述T型LLC模块(1)的正极输出端连接,所述第一匹配电感Ls1的另一端与所述加热线圈Lc一端连接,所述加热线圈Lc的另一端与所述负载R的一端连接,所述负载R的另一端与所述T型LLC模块(1)的负极输出端连接;所述电容C的一端连接在所述第一匹配电感Ls1与加热线圈Lc之间,所述电容C的另一端与所述T型LLC模块(1)的负极输出端连接。
8.根据权利要求3所述的一种基于LLC的感应加热系统,其特征在于:所述控制模块(5)的输出端与所述逆变桥模块(2)的控制端间设有PWM隔离驱动模块(6);
所述PWM隔离驱动模块(6)包括PWM隔离电源单元和PWM隔离驱动单元;所述PWM隔离驱动单元的输入端与所述控制模块(5)的输出端连接,所述PWM隔离驱动单元的输出端与所述逆变桥模块(2)的控制端连接;所述PWM隔离电源单元用于向所述PWM隔离驱动单元供电。
9.根据权利要求1所述的一种基于LLC的感应加热系统,其特征在于:所述控制模块(5)的输入端连接有用于检测所述逆变桥模块(2)的温度的温度电平转换模块(7);所述控制模块(5)的输出端连接有散热风扇(8);
所述控制模块还配置用于:
获取所述逆变桥模块(2)的温度;
根据所述逆变桥模块(2)的温度,控制所述散热风扇(8)转速。
10.根据权利要求1-8任意一项所述的一种基于LLC的感应加热系统,其特征在于:所述逆变桥模块(2)的输入端连接有工频整流桥模块(9)和滤波模块(10)。
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