CN113972849A - 感应加热电源的频率自适应装置、方法及相关设备 - Google Patents

感应加热电源的频率自适应装置、方法及相关设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种感应加热电源的频率自适应装置、方法及相关设备，属于感应加热电源技术领域，该感应加热电源的频率自适应装置、方法及相关设备，通过采用数字锁相环，对逆变电路输出侧输出的控制变量进行相位追踪，得到与控制变量相位相适应的调整信号，从而通过信号处理模块对调整信号处理后，得到与控制变量相位相适应的驱动信号，以使驱动信号驱动逆变电路，使得逆变电路的输出电压和输出电流的相位相同，使得逆变电路工作在谐振状态，提升了频率跟踪精度，避免了元件老化及零漂现象。

Description

感应加热电源的频率自适应装置、方法及相关设备
技术领域
本发明属于感应加热电源技术领域，具体涉及一种感应加热电源的频率自适应装置、方法及相关设备。
背景技术
感应加热电源具有加热温度高、加热效率高以及节能环保等优势，在金属熔炼、透热、淬火等技术行业中被广泛应用。感应加热电源的工作原理是利用交变电流产生交变磁场，交变磁场在工件上产生涡流，进而利用感应涡流的热效应来加热工件。
为了提升感应加热电源的工作效率，通常需要感应加热电源的输出功率保持最大化，这就需要其输出电流和输出电压同相位，即工作在谐振状态。相关技术中，通常采用锁相芯片进行相位跟踪，或者通过DSP的ECAP接口进行相位捕获，然后通过PI控制器进行锁相。但是，前者容易出现元件老化以及零漂的现象，后者相位跟踪容易出现静差，影响跟踪精度。
因此，如何提升频率跟踪精度，避免元件老化及零漂现象，成为现有技术中亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种感应加热电源的频率自适应装置、方法及相关设备，以解决现有技术中元件老化、出现零漂现象，跟踪精度差的技术问题。
本发明提供的技术方案如下：
一方面，一种感应加热电源的频率自适应装置，包括：逆变电路、数字锁相环模块和信号处理模块；所述信号处理模块分别连接所述数字锁相环模块的输出端和所述逆变电路的驱动端；
所述数字锁相环模块的输入端与所述逆变电路的输出侧相连,所述逆变电路的输出侧用于输出控制变量；
所述数字锁相环模块，用于获取所述控制变量，并根据所述控制变量，得到调整信号；
所述信号处理模块，用于对所述调整信号进行处理，得到驱动信号，以使所述驱动信号驱动所述逆变电路处于谐振状态。
可选的，所述信号处理模块，还用于接收控制变量设定指令，根据所述控制变量设定指令，确定控制变量。
可选的，所述控制变量，包括电流信号；所述数字锁相环模块，用于根据所述电流信号，得到与所述电流信号相位相同的调整信号。
可选的，所述控制变量，包括电压信号；所述数字锁相环模块，用于根据所述电压信号，得到与所述电压信号的相位相差预设角度的调整信号。
可选的，所述信号处理模块，用于接收电压指令，根据所述电压指令和调整信号，得到所述驱动信号。
又一方面，一种感应加热电源的频率自适应方法，应用于上述任一所述的感应加热电源的频率自适应装置，所述方法包括：
基于数字锁相环模块获取控制变量，根据所述控制变量，得到调整信号；
对所述调整信号进行处理，得到驱动信号，以使所述驱动信号驱动所述逆变电路处于谐振状态。
可选的，还包括：
接收控制变量设定指令；
根据所述控制变量设定指令，确定控制变量。
可选的，所述控制变量，包括电流信号；所述根据所述控制变量，得到调整信号，包括：
根据所述电流信号，得到与所述电流信号相位相同的调整信号。
可选的，所述控制变量，包括电压信号；所述根据所述控制变量，得到调整信号，包括：
根据所述电压信号，得到与所述电压信号的相位相差预设角度的调整信号。
又一方面，一种感应加热电源的频率自适应设备，包括：处理器，以及与所述处理器相连接的存储器；
所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序至少用于执行上述任一项所述的感应加热电源的频率自适应方法；
所述处理器用于调用并执行所述存储器中的所述计算机程序。
又一方面，一种感应加热电源，包括上述任一所述的感应加热电源的频率自适应装置。
又一方面，一种感应加热电源的频率自适应系统，包括：负载和上述任一所述的感应加热电源的频率自适应装置；所述感应加热电源的频率自适应装置与所述负载相连。
本发明的有益效果为：
本发明实施例提供的感应加热电源的频率自适应装置、方法及相关设备，通过采用数字锁相环，对逆变电路输出侧输出的控制变量进行相位追踪，得到与控制变量相位相适应的调整信号，从而通过信号处理模块对调整信号处理后，得到与控制变量相位相适应的驱动信号，以使驱动信号驱动逆变电路，使得逆变电路的输出电压和输出电流的相位相同，使得逆变电路工作在谐振状态，提升了频率跟踪精度，避免了元件老化及零漂现象。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种感应加热电源的频率自适应装置的电路结构原理示意图；
图2为本发明实施例提供的又一种感应加热电源的频率自适应装置的电路工作原理示意图；
图3为本发明实施例提供的又一种感应加热电源的频率自适应装置的电路工作原理示意图；
图4为本发明实施例提供的一种数字锁相环模块的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种感应加热电源的频率自适应方法的流程示意图；
图6为本发明实施例提供的一种感应加热电源的频率自适应设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
为了提升感应加热电源的工作效率，通常需要感应加热电源的输出功率保持最大化，这就需要其输出电流和输出电压同相位，即工作在谐振状态。相关技术中，通常采用锁相芯片进行相位跟踪，或者通过DSP的ECAP接口进行相位捕获，然后通过PI控制器进行锁相。但是，前者容易出现元件老化以及零漂的现象，后者相位跟踪容易出现静差，影响跟踪精度。
因此，如何提升频率跟踪精度，避免元件老化及零漂现象，成为现有技术中亟待解决的技术问题。
基于此，本发明实施例提供了一种感应加热电源的频率自适应装置、方法及相关设备。
实施例一：
本发明实施例提供了一种感应加热电源的频率自适应装置。
图1为本发明实施例提供的一种感应加热电源的频率自适应装置的电路结构原理示意图。
参阅图1，本发明实施例提供的感应加热电源的频率自适应装置，包括：逆变电路1、数字锁相环模块2和信号处理模块3。其中，信号处理模块分别连接数字锁相环模块的输出端和逆变电路的驱动端；数字锁相环模块的输入端与逆变电路的输出侧相连,逆变电路的输出侧用于输出控制变量；数字锁相环模块，用于获取控制变量，并根据控制变量，得到调整信号；信号处理模块，用于对调整信号进行处理，得到驱动信号，以使驱动信号驱动逆变电路处于谐振状态。
其中，采用数字锁相环模块实现对信号的追踪和锁定，避免模拟电路中元件老化、零漂等问题的发生。
本发明实施例提供的感应加热电源的频率自适应装置，通过采用数字锁相环，对逆变电路输出侧输出的控制变量进行相位追踪，得到与控制变量相位相适应的调整信号，从而通过信号处理模块对调整信号处理后，得到与控制变量相位相适应的驱动信号，以使驱动信号驱动逆变电路，使得逆变电路的输出电压和输出电流的相位相同，使得逆变电路工作在谐振状态，提升了频率跟踪精度，避免了元件老化及零漂现象。
实施例二：
基于一个总的发明构思，本发明实施例还提供又一种感应加热电源的频率自适应装置。
在上述实施例的基础上，本发明实施例提供的感应加热电源的频率自适应装置，信号处理模块，还用于接收控制变量设定指令，根据控制变量设定指令，确定控制变量。
其中，用户可以根据需求，设定控制变量，例如，控制变量可以为电流信号，也可以为电压信号。在控制变量设定成功后，根据设定好的控制变量，进行频率跟踪。
图2为本发明实施例提供的又一种感应加热电源的频率自适应装置的电路工作原理示意图。
在一些实施例中，可选的，参阅图2，控制变量，可以包括电流信号iin；数字锁相环模块，用于根据电流信号，得到与电流信号相位相同的调整信号。
其中，以电流信号iin作为控制变量，使得逆变电路输出电压信号的相位和电流信号的相位保持一致，从而使得逆变电路工作在谐振状态。数字锁相环模块输出的调整信号与逆变电路输出电流同相位，在经过信号处理模块处理后，得到与逆变电路输出电流同相位的驱动信号，从而驱动逆变电路处于谐振状态。
在一个具体的感应加热电源的频率自适应装置中，参阅图2，还可以包括整流电路4、谐振负载5。整流电路的作用是将把工频交流变为直流电；逆变电路将整流滤波得到的直流电逆变为加热工件的高频交流电；谐振负载中的感应加热线圈将能量传递给工件，实现电能到热能的转换。其中，整流电路4可以安装方式为沿地铺设(F)，可以包括断路器QF1、塑铜线设置二极管(BV)、电阻R和开关KM1；逆变电路1可以包括电容C0、C、C1、C2、C3、C4，三极管T1、T2、T3和T4，Udc为电容C0的电压，iin为输出电流；Uin和Uout分别为变压器T的输入和输出，R为电阻，均为现有技术，参阅现有技术，本发明实施例中不做赘述。
图3为本发明实施例提供的又一种感应加热电源的频率自适应装置的电路工作原理示意图。
在一些实施例中，可选的，参阅图3，控制变量，可以包括电压信号Uc；数字锁相环模块，用于根据电压信号Uc，得到与电压信号的相位相差预设角度的调整信号。其中，预设角度可以为90°。
其中，以电压信号Uc作为控制变量，使得逆变电路输出电压信号的相位和电流信号的相位保持一致，从而使得逆变电路工作在谐振状态。数字锁相环模块输出的调整信号与逆变电路输出电容的电压信号的相位设置相差90°，在经过信号处理模块处理后，得到与电容电压相位相差90°的驱动信号，从而驱动逆变电路处于谐振状态。其中，信号处理模块可以为DSP处理模块。
在一个具体的感应加热电源的频率自适应装置中，参阅图3，还可以包括整流电路、谐振负载。整流电路、逆变电路、谐振负载的工作原理参阅图2，本发明实施例中不做赘述。
图4为本发明实施例提供的一种数字锁相环模块的结构示意图。
其中，数字锁相环模块，可以为SOGI-QSG-PLL(second-order generalizedintegrator-quadrature signals generator phase-locked-loop，基于二阶广义积分器的正交信号发生器的锁相环)，也可以根据需求，设定其他的数字锁相环，本实施例中不做具体限定。本实施例中，以SOGI-QSG-PLL为例，对数字锁相环工作原理进行说明。
参阅图4，当以电流信号作为控制变量时，设定电流i为控制变量，作为输入信号，i0和qi0均为数字锁相环的输出信号，当ω0等于输入信号的频率时，i0与输入信号同相位，qi0与输入信号的相位相差90°。因此，当SOGI-QSG-PLL输入信号为输出电流时，只要将ω0设定为负载的谐振频率，则设定的SOGI-QSG-PLL的输出信号i0与输出电流同相位，从而使得感应电源的逆变器处于谐振状态。
当以电容电压信号作为控制变量时，即SOGI-QSG-PLL输入信号为电容电压时，将ω0设定为负载的谐振频率，则设定的SOGI-QSG-PLL的输出信号qi0与输出电流的相位相差90°，同样可以使得感应电源的逆变器处于谐振状态。其中，kP和1/s,均为调节系数，本实施例中不做具体限定。
在一些实施例中，可选的，信号处理模块，用于接收电压指令，根据电压指令和调整信号，得到驱动信号。
其中，电压指令可以可以由设定设备发送，例如上位机或触摸屏；也可以由用户进行发送，本实施例中不做具体限定。根据电压指令，确定移相给定角度，例如，移相给定角度可以由
Figure BDA0003324435760000071
得到，其中，Uab为逆变电路输出的电压有效值，Ud为直流母线电压值，本实施例中不做具体赘述，根据移相给定角度和数字锁相环模块输出的调整信号，得到驱动信号为PWM1滞后β，PWM3超前β。
本发明实施例提供的感应加热电源的频率自适应装置，无论控制变量是输出电流还是电容电压信号，经过数字锁相环模块后，都可以使逆变器处于谐振状态，采用数字锁相环模块进行频率跟踪，可以扩展感应加热电源的应用范围。通过采用数字锁相环，对逆变电路输出侧输出的控制变量进行相位追踪，得到与控制变量相位相适应的调整信号，从而通过信号处理模块对调整信号处理后，得到与控制变量相位相适应的驱动信号，以使驱动信号驱动逆变电路，使得逆变电路的输出电压和输出电流的相位相同，使得逆变电路工作在谐振状态，提升了频率跟踪精度，避免了元件老化及零漂现象。
实施例三：
基于一个总的发明构思，本发明实施例还提供一种感应加热电源的频率自适应方法。
图5为本发明实施例提供的一种感应加热电源的频率自适应方法的流程示意图，本发明实施例提供的感应加热电源的频率自适应方法应用于上述任一的感应加热电源的频率自适应装置，本实施例提供的方法可以包括以下步骤：
S1、获取控制变量；
S2、根据控制变量，得到调整信号，以使信号处理模块根据调整信号确定驱动信号，驱动逆变电路处于谐振状态。
在一些实施例中，可选的，还包括：
接收控制变量设定指令；
根据控制变量设定指令，确定控制变量。
在一些实施例中，可选的，控制变量，包括电流信号；根据控制变量，得到调整信号，包括：根据电流信号，得到与电流信号相位相同的调整信号。
在一些实施例中，可选的，控制变量，包括电压信号；根据控制变量，得到调整信号，包括：根据电压信号，得到与电压信号的相位相差预设角度的调整信号。
关于上述实施例中的方法，其中各个步骤执行操作的具体方式已经在有关该装置的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
本发明实施例提供的感应加热电源的频率自适应方法，通过采用数字锁相环，对逆变电路输出侧输出的控制变量进行相位追踪，得到与控制变量相位相适应的调整信号，从而通过信号处理模块对调整信号处理后，得到与控制变量相位相适应的驱动信号，以使驱动信号驱动逆变电路，使得逆变电路的输出电压和输出电流的相位相同，使得逆变电路工作在谐振状态，提升了频率跟踪精度，避免了元件老化及零漂现象。
实施例四：
基于一个总的发明构思，本发明实施例还提供一种感应加热电源的频率自适应设备。
图6为本发明实施例提供的一种感应加热电源的频率自适应设备的结构示意图，请参阅图6，本发明实施例提供的一种感应加热电源的频率自适应设备，包括：处理器61，以及与处理器相连接的存储器62。
存储器62用于存储计算机程序，计算机程序至少用于上述任一实施例记载的感应加热电源的频率自适应方法；
处理器61用于调用并执行存储器中的计算机程序。
实施例五：
基于一个总的发明构思，本发明实施例还提供一种感应加热电源。
本发明实施例提供的感应加热电源，包括上述任一的感应加热电源的频率自适应装置。
实施例六：
基于一个总的发明构思，本发明实施例还提供一种感应加热电源的频率自适应系统。
本发明实施例提供的感应加热电源的频率自适应系统，包括负载和上述任一实施例记载的感应加热电源的频率自适应装置；感应加热电源的频率自适应装置与负载相连。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (12)

1.一种感应加热电源的频率自适应装置，其特征在于，包括：逆变电路、数字锁相环模块和信号处理模块；所述信号处理模块分别连接所述数字锁相环模块的输出端和所述逆变电路的驱动端；
所述数字锁相环模块的输入端与所述逆变电路的输出侧相连,所述逆变电路的输出侧用于输出控制变量；
所述数字锁相环模块，用于获取所述控制变量，并根据所述控制变量，得到调整信号；
所述信号处理模块，用于对所述调整信号进行处理，得到驱动信号，以使所述驱动信号驱动所述逆变电路处于谐振状态。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号处理模块，还用于接收控制变量设定指令，根据所述控制变量设定指令，确定控制变量。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制变量，包括电流信号；所述数字锁相环模块，用于根据所述电流信号，得到与所述电流信号相位相同的调整信号。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制变量，包括电压信号；所述数字锁相环模块，用于根据所述电压信号，得到与所述电压信号的相位相差预设角度的调整信号。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号处理模块，用于接收电压指令，根据所述电压指令和调整信号，得到所述驱动信号。
6.一种感应加热电源的频率自适应方法，其特征在于，应用于权利要求1-5任一所述的感应加热电源的频率自适应装置，所述方法包括：
基于数字锁相环模块获取控制变量，根据所述控制变量，得到调整信号；
对所述调整信号进行处理，得到驱动信号，以使所述驱动信号驱动所述逆变电路处于谐振状态。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：
接收控制变量设定指令；
根据所述控制变量设定指令，确定控制变量。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述控制变量，包括电流信号；所述根据所述控制变量，得到调整信号，包括：
根据所述电流信号，得到与所述电流信号相位相同的调整信号。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制变量，包括电压信号；所述根据所述控制变量，得到调整信号，包括：
根据所述电压信号，得到与所述电压信号的相位相差预设角度的调整信号。
10.一种感应加热电源的频率自适应设备，其特征在于，包括：处理器，以及与所述处理器相连接的存储器；
所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序至少用于执行权利要求6～9任一项所述的感应加热电源的频率自适应方法；
所述处理器用于调用并执行所述存储器中的所述计算机程序。
11.一种感应加热电源，其特征在于，包括权利要求1-5任一所述的感应加热电源的频率自适应装置。
12.一种感应加热电源的频率自适应系统，其特征在于，包括：负载和权利要求1-5任一所述的感应加热电源的频率自适应装置；所述感应加热电源的频率自适应装置与所述负载相连。
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