CN115696664A - 一种基于采样法的高频感应加热电源频率跟踪控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于采样法的高频感应加热电源频率跟踪控制方法，包括1)设定感应加热电源初始频率为f＝f0，启动电源工作；2)设定参数Δx<0；3)以电源输出方波信号y为触发信号，触发CPU的AD采样，采集正弦波信号x，并获取采样值x1；通过采样值x1的符号直接识别频率跟踪控制方向；4)求取采样偏差值Δx1＝x1‑Δx；通过设定值Δx来实现电源系统的弱容性或弱感性控制；5)将采样偏差值Δx1送入比例积分调节器，积分调节器输出频率补偿信号Δf；6)将Δf与f相叠加，实时更新电源频率f＝f+Δf；7)进入下一个y控制周期，返回步骤2)。本发明有效解决了现有基于相位检测法的数字化频率跟踪控制算法存在的结构复杂、占用较多CPU资源以及工程实现繁琐等技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种频率跟踪控制方法，特别涉及一种基于采样法的高频感应加热电源频率跟踪控制方法。
背景技术
在高频感应加热过程中，感应加热负载通常在运行中是复杂时变的，从而导致负载谐振频率的变化。此时，如果感应加热电源的频率固定不变，一方面，将导致感应加热电源的功率开关器件处于硬开关状态，增加了开关两端电压电流应力，并增加开关损耗；另一方面，导致系统无功增加，降低了加热电源工作效率，并增加输出波形纹波。因此，为了增强感应加热电源系统的运行效率和可靠性，必须使感应加热电源系统频率跟踪负载谐振频率，使加热电源始终工作在功率因数接近于1的准谐振状态，以适应负载参数随温度的变化。
目前，在高频感应加热领域，现有的频率跟踪控制技术主要包括分为模拟锁相技术和数字锁相技术两大类：
1)模拟锁相技术主要为基于集成锁相环电路CD4046的模数混合锁相环电路，在实际工程中获得了广泛的应用。此类方法的不足之处在于锁频范围窄，且由于模拟器件存在温漂、抗干扰能力差等缺点，当负载工况复杂或负载谐振频率变化较大时,容易造成锁相失败。
2)数字锁相技术主要为基于DSP或FPGA等数字化锁相控制技术，相对于模拟控制技术，数字锁相控制技术不仅在稳定性、可靠性性、抗干扰能等方面的优势，而且设计灵活，处理速度快。
通过大量文献资料分析总结，基于数字化锁相环的现有频率跟踪控制技术通常以相位检测法为主，其基本原理为：实时检测感应加热电源输出电压和电流的相位差，并通过PI调节器控制该相位差为零来进行频率的实时跟踪控制。该方法通常包括：①电压电流相位检测、②电压电流相位差检测、③低通滤波、④相位差符号识别、⑤PI调节和⑥频率控制等几个模块组成。其中：①电压电流相位检测环节主要采用过零比较器将电压或电流高频正弦信号转变成方波信号；②电压电流相位差检测环节主要是通过异或电路或者同或电路获取电压电流方波信号的相位差；③低通滤波器主要用来获取相位差平均值；④相位差符号识别环节用来判断电压超前或滞后电流，从而决定频率控制的方向；⑤PI调节主要用来控制相位差为零；⑥频率控制环节用来实时更新高频感应加热电源的实际输出频率。可见，此类方法中，无论是基于DSP的混合数字锁相环技术还是基于FPGA的全数字化锁相环技术，不足之处均在于锁频控制的环节较多，电路或算法实现复杂。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术缺陷，提供一种基于采样法的高频感应加热电源频率跟踪控制方法，能够解决现有基于相位检测法的数字化频率跟踪控制算法结构复杂、稳定性不高以及工程实现繁琐等技术问题。
本发明的目的是这样实现的：一种基于采样法的高频感应加热电源频率跟踪控制方法，包括以下步骤：
步骤1)设定感应加热电源初始频率为f＝f0，启动电源工作；
步骤2)设定参数Δx<0；
步骤3)以电源输出方波信号y为触发信号，触发CPU的AD采样，采集正弦波信号x，并获取采样值x1；通过采样值x1的符号直接识别频率跟踪控制方向；
步骤4)求取采样偏差值Δx1＝x1-Δx；通过设定值Δx来实现电源系统的弱容性或弱感性控制；
步骤5)将采样偏差值Δx1送入比例积分调节器，积分调节器输出频率补偿信号Δf；
步骤6)将Δf与f相叠加，实时更新电源频率f＝f+Δf；
步骤7)进入下一个y控制周期，返回步骤2)。
作为本发明的进一步限定，步骤1)中所述定感应加热电源具体包括电流型逆变器和电压型逆变器。
作为本发明的进一步限定，所述步骤2)具体包括：以方波y为采样信号，正弦波信号x为被采样信号，一个y周期内采样一次x信号，获得的采样值x1作为频率跟踪控制变量。
作为本发明的进一步限定，所述感应加热电源为电流型逆变器时，正弦波x为电源输出电压、方波y为电源输出电流；所述感应加热电源为电压型逆变器时，正弦波x为电源输出电流、方波y为电源输出电压。
本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，有益效果为：1)节约控制资源；本发明方法取消了电压电流相位检测、电压电流相位差检测、低通滤波器、相位差符号识别等四个控制环节，用每个控制周期的一次数据采集代替，极大降低了控制算法的复杂程度，简化了硬件电路设计，节约了数字CPU资源，便于工程实施。
2)优化频率控制方向识别；系统频率跟踪方向控制是比较关键的技术步骤，指每个控制周期中的系统频率变化方向，即升高或降低。现有技术通常采用专门的控制算法来判断电压超前或滞后电流，本发明专利无需另外增加控制环节，直接由采样值的符号识别频率跟踪控制方向，有效降低了控制的复杂性。
3)简化系统功率因数控制；为了实现感应加热逆变电源的软开关要求，降低系统损耗，通常使系统工作在弱容性(电流型逆变器)或弱感性(电压型逆变器)状态。现有技术通常采用延时控制算法，即将电源输出电压(电压型逆变器)或电流(电流型逆变器)延时后再进行其他控制流程。本发明直接在采样值上叠加一个设定值(对应控制延时)即可实现电压电流相位差控制，从而满足功率因数控制需求。
附图说明
图1本发明的控制原理图。
图2本发明实施例中电流型高频感应加热电源系统。
图3本发明实施例中系统控制流程图。
具体实施方式
一种基于采样法的高频感应加热电源频率跟踪控制方法，包括以下步骤：
步骤1)设定感应加热电源初始频率为f＝f0，启动电源工作；
步骤2)设定参数Δx<0；
步骤3)以电源输出方波信号y为触发信号，触发CPU的AD采样，采集正弦波信号x，并获取采样值x1；通过采样值x1的符号直接识别频率跟踪控制方向；
步骤4)求取采样偏差值Δx1＝x1-Δx；通过设定值Δx来实现电源系统的弱容性或弱感性控制；
步骤5)将采样偏差值Δx1送入比例积分调节器，积分调节器输出频率补偿信号Δf；
步骤6)将Δf与f相叠加，实时更新电源频率f＝f+Δf；
步骤7)进入下一个y控制周期，返回步骤2)。
本发明方法适用于电流型和电压型高频感应加热电源。如图1所示，当感应加热电源为电流型逆变器时，正弦波x为电源输出电压、方波y为电源输出电流；当感应加热电源为电压型逆变器时，正弦波x为电源输出电流、方波y为电源输出电压。以方波y为采样信号，正弦波信号x为被采样信号，一个y周期内采样一次x信号，获得的采样值x1作为频率跟踪控制变量。
通过控制采样值x1为零或某一设定值Δx来实现电源输出频率对负载谐振频率的精确跟踪；通过设定值Δx来实现电源系统的弱容性(电流型逆变器)或弱感性(电压型逆变器)控制，从而实现电源软开关；通过采样值x1的符号直接识别频率跟踪控制方向。
这里以电流型并联谐振高频感应加热电源为例，阐述本发明专利的实施方式：
图2为基于本发明所述频率跟踪控制方法的电流型并联谐振高频感应加热电源。其中，主电路由三相晶闸管整流器、H桥逆变器以及谐振负载组成。电网侧为晶闸管相控整流器，用来调节电源功率，并通过L0、C0组成的滤波电路平滑直流输出电压。Ld为直流平波电抗，为H桥谐振逆变器提供恒流源。负载侧为C、Lr构成LC型并联谐振电路，为加热钢带提供加热功率。
(1)信号调理：如图2所示，通过电压和电流传感器实时检测电源逆变器输出电压uH和电流iH信号，并将模拟信号uH和iH进行适当调理，如滤除模拟信号中的高频干扰信号或谐波分量、以及将信号进行适当的线性变换(放大或缩小)等。
(2)本实施案例中，设置电源容量为20kW；主处理器CPU采用DSP芯片TMS320F28035，并充分利用该芯片的增强型捕捉eCAP模块、模数转换器ADC、增强型脉宽调制器ePWM以及定时器Timer0等内部外设，实现相关控制功能。其中：信号iH连接到DSP芯片的eCAP1端口，定义上升沿触发；uH连接到DSP芯片的ADC模块的AD1输入端口。
(3)控制流程如图3所示，1)CPU配置与系统初始化，DSP芯片TMS320F28035初始化以及系统控制参数初始化，设置系统初始频率f0＝100kHz，控制延时电压偏差Δu＝-0.5A；
2)当eCAP1捕捉到iH上升沿时，启动AD模块采样uH，并将采样值赋值给变量uH1；
3)延时控制，求取采样偏差值ΔuH1＝uH1-Δu，进行实现系统的弱容性控制；
4)PI调节控制，将ΔuH1送入比例积分PI调节器，PI调节器输出频率补偿信号Δf；
5)系统频率更新控制，f＝f+Δf；
6)PWM脉冲生成。根据系统频率f实时更新ePWM的周期寄存器和比较寄存器，生成占空比50％的PWM脉冲，触发H桥逆变器工作。
本发明提出了一种基于采样法的高频感应加热电源频率跟踪控制方法，有效解决了现有基于相位检测法的数字化频率跟踪控制算法存在的结构复杂、占用较多CPU资源以及工程实现繁琐等技术问题。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种基于采样法的高频感应加热电源频率跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)设定感应加热电源初始频率为f＝f0，启动电源工作；
步骤2)设定参数Δx<0；
步骤3)以电源输出方波信号y为触发信号，触发CPU的AD采样，采集正弦波信号x，并获取采样值x1；通过采样值x1的符号直接识别频率跟踪控制方向；
步骤4)求取采样偏差值Δx1＝x1-Δx；通过设定值Δx来实现电源系统的弱容性或弱感性控制；
步骤5)将采样偏差值Δx1送入比例积分调节器，积分调节器输出频率补偿信号Δf；
步骤6)将Δf与f相叠加，实时更新电源频率f＝f+Δf；
步骤7)进入下一个y控制周期，返回步骤2)。
2.根据权利要求1所述的一种基于采样法的高频感应加热电源频率跟踪控制方法，其特征在于，步骤1)中所述定感应加热电源具体包括电流型逆变器和电压型逆变器。
3.根据权利要求2所述的一种基于采样法的高频感应加热电源频率跟踪控制方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：以方波y为采样信号，正弦波信号x为被采样信号，一个y周期内采样一次x信号，获得的采样值x1作为频率跟踪控制变量。
4.根据权利要求3所述的一种基于采样法的高频感应加热电源频率跟踪控制方法，其特征在于，所述感应加热电源为电流型逆变器时，正弦波x为电源输出电压、方波y为电源输出电流；所述感应加热电源为电压型逆变器时，正弦波x为电源输出电流、方波y为电源输出电压。
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