CN202773109U - 一种基于cpld的超音频调频电磁感应加热控制模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于CPLD的超音频调频电磁感应加热控制模块，硬件包括：CPLD芯片，功率调节电位器，85摄氏度温度开关，炉底线圈温度传感器，CT线圈及其电路，25MHz晶振和LED指示灯；CPLD芯片是整个模块的核心，由它控制其他部件的运行，通过对芯片内部逻辑的设计，可实现对过流，欠压，过压，IGBT集射电压检测，IGBT和炉底线圈超温保护，PWM生成和输出的控制，并可通过可调电位器实现手动的功率细微调节。所有以上逻辑功能模块集中于一片CPLD芯片之中，通过CPLD的IO端口和外部电路物理连接，而在CPLD芯片内部又可分为三个相对独立的子模块，在芯片内部有序的进行物理连接和逻辑组合，用以复杂的电磁加热时序逻辑和组合逻辑控制。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电磁加热功率控制技术或电子信息领域，主要是应用于电磁感应加热行业的一种基于CPLD的超音频调频电磁感应加热控制模块。
背景技术
时至今日，电磁加热技术以其低辐射，无污染，清洁，环保等众多优点而迅速在能源行业得到大力推广，并逐渐替代传统加热方式而涌入市场。但是电磁加热技术的控制核心几十年来一直大量采用单片机或是通用的DSP芯片，这对于强电磁干扰而且又要求快速响应的电磁加热行业来说，的确成了一个不可逾越的鸿沟。随着单片机以及DSP芯片的制造成本的降低，人们更加倾向于选择它们，而忽视了性能更加稳定而且高速的可编程逻辑器件，例如CLPD，FPGA等。尽管CPLD和FPGA在当前通信领域应用广泛，但用于电磁加热行业的成功案例却很少，这种局面不但造成了电磁加热行业的主控板平均故障率居高不下，更使得企业的运营成本翻倍的上升，结果，就连稍微好些技术改进都很难，导致了行业内部的恶性循环。
实用新型内容
本实用新型为解决上述技术问题，提供一种基于CPLD的超音频调频电磁感应加热控制模块，它在本模块电磁加热行业内率先采用了基于乘积项的高密度CPLD器件，通过电路优化设计以及在线仿真与调试，本模块将所有电磁加热所需的控制程序和保护输入输出逻辑以及状态指示等，集合与一片CPLD芯片内部，通过本模块对感应加热外部电路的调节，可以确保在最短时间内保护IGBT免受损伤以及使得电磁感应加热负载始终运行于最佳谐振状态，为用户节约了大量能源。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案。
本实用新型的基于CPLD的超音频调频电磁感应加热控制模块，
模块内部分为三个子功能模块，各子功能模块为：
子模块1：用于对IGBT，炉盘，功率调节电位器的信号检测，并将信号处理完成后送到其他子模块或LED显示；本模块同时以电网的50Hz交流信号调理后生成的100Hz方波信号作为子模块1的时钟源，并通过一个三分频电路将产生的33Hz信号送给子模块2作为子模块2的时钟源；本模块同时实现了对IGBT集射电压的实时检测和对各种故障状态的LED指示输出，以便对IGBT和控制主板进行保护，并通过四个LED指示灯来指示用户操作或排查故障。
子模块2：用于对CT电流互感器线圈感应，并分别通过频率或电流检测电路产生的负载超频或过流信号进行检测，通过频率调节以实现负载的谐振频率调节，从而调节负载功率，通过检测负载电流，可对负载的故障进行及时的处理，避免对IGBT等功率器件的损坏；本模块同时实现了由可控分频器组成的多进制计数器，用于协调三个子模块间的数据交互时序和进行逻辑控制。
子模块3：用于PWM波形生成，输出功率控制以及对输入故障信号的处理，并迅速关闭PWM输出信号及其相关部件；其中，PWM波形的信号源由压频转换芯片送出，经过内部数字处理后生成两个波形互补的PWM波，并且经过死区插入电路，分别插入了2微秒的死区时间；然后，通过两个CPLD的I/O口，将PWM信号送入后级处理电路波形放大后，驱动IGBT运行。
实现本实用新型的硬件包括：CPLD芯片，功率调节电位器，85摄氏度温度开关，炉底线圈温度传感器，CT线圈及其电路，25MHz晶振和LED指示灯；其中：
CPLD芯片用于控制模块外部各部件的工作；CPLD芯片的型号是EPM7128SLC84-15；
功率调节电位器采用WX110（010）10K精度为5%的电位器，占用一根CPLD的I/O线，用于功率调节；
85摄氏度常闭性温度开关，占用一根CPLD的I/O线，实现IGBT的温度检测；
正温度系数热敏电阻温度传感器，占用一根CPLD的I/O线，实现炉盘温度检测；
CT线圈及其附属电路，占用两根CPLD的I/O线，其中一根用于频率检测，另一根实现过流检测；
25MHz晶振，占用一根CPLD的I/O线，作为芯片的总时钟输入；
LED指示灯，占用四根CPLD的I/O线，用于模块运行指示和故障报警；
本实用新型的有益效果时，首先是以CPLD为控制核心，并且率先在电磁加热行业采用了高密度可编程逻辑阵列CPLD，在CPLD芯片的内部内建了三个相对独立又有机连接的功能子模块，通过三个功能子模块的协调工作，共同完成了对信号的采样，输出以及整体逻辑的控制；由于CPLD内部数字逻辑时序的可预测性，可对CPLD芯片内部构建的数字电路的时序特性进行综合评估，从而使得电路运行的时序稳定性得以保障，进而使得CPLD芯片可以快速的响应输入故障信号，并及时处理后，在极短时间内关闭PWM波形的输出，从而保护设备免受损伤。其次，本实用新型作为一个标准模块，可以作为全桥或半桥串联谐振电源的控制核心。
附图说明
图1是基于CPLD的超音频电磁感应加热外部控制模块组成图。
图2是CPLD芯片内部各功能模块组成图。
图3为CT线圈及其附属电路图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
本实用新型的模块主要包括以下几部分：
CPLD芯片:是整个模块的核心器件，由它控制其他外围电路的运行，本实用新型采用的CPLD芯片是美国Altera公司MAX7000S系列的84脚芯片，其型号是EPM7128SLC84-15。该芯片是基于乘积项结构的CPLD，特别适用于完成复杂的组合，时序逻辑。EPM7128SLC84-15的器件门数为5000门，宏单元128个，用户可用I/O引脚64个。以上资源完全可以满足本模块设计的要求。
功率调节电位器采用WX110（010）10K精度为5%的电位器，占用一根CPLD的I/O线，用于功率调节。功率调节电位器分别通过LM339芯片两个比较器输出电平比较信号和欠压保护信号，然后一起送到CPLD芯片内的三个功能子模块；
85摄氏度常闭性温度开关，占用一根CPLD的I/O线，实现IGBT的温度检测；当IGBT散热片温度达到85摄氏度时，通过TLC272和LM339组成的信号调理电路输出报警脉冲，送到CPLD芯片内部的功能子模块1。
正温度系数热敏电阻温度传感器，占用一根CPLD的I/O线，实现炉盘温度检测；
CT线圈及其附属电路，占用两根CPLD的I/O线，其中一根用于频率检测，另一根实现过流检测，生成的报警信号分别送到CPLD内部的功能子模块3和功能子模块1；
25MHz晶振，占用一根CPLD的I/O线，作为芯片的总时钟输入；
LED指示灯，占用四根CPLD的I/O线，用于模块运行指示和故障报警；
如图1所示，本实用新型是基于CPLD的超音频调频电磁感应加热控制模块，包括CPLD芯片，功率调节电位器，85摄氏度温度开关，炉底线圈温度传感器，CT线圈及其电路，25MHz晶振和LED指示灯。该模块各部件连接关系为：
功率调节电位器采用WX110（010）10K精度为5%的电位器，占用一根CPLD的I/O线，用于功率调节；
85摄氏度常闭性温度开关，占用一根CPLD的I/O线，实现IGBT的温度检测；
正温度系数热敏电阻温度传感器，占用一根CPLD的I/O线，实现炉盘温度检测；
CT线圈及其附属电路，占用两根CPLD的I/O线，其中一根用于频率检测，另一根实现过流检测；
25MHz晶振，占用一根CPLD的I/O线，作为芯片的总时钟输入；
LED指示灯，占用四根CPLD的I/O线，用于模块运行指示和故障报警；
本实用新型CPLD芯片内部三个功能子模块关系图如图2所示。
其中，三个功能子模块与外部电路接口定义如下：
U1-CP为CPLD功能子模块1的100Hz时钟输入信号；
U1-CR-DET为集射电压检测信号；
U1-C为IGBT高温保护输入信号；
U1-D为炉盘线圈高温保护输入信号；
U1-14为异常指示LED2
U1-15为保护封锁输入信号；
U1-16为炉盘线圈高温保护指示LED3；
U1-17为IGBT高温保护指示LED4；
U2-D为检锅信号延时输出信号；
U2-E 为通过CT电流互感器过流检测电路检测到的过流保护输入信号；
U2-H和U1-H为功率微调输入信号，来自功率微调电位器；
U2-I 为异常状态消除后，故障标志清除脉冲信号；
U3-CP为功率输出信号源；
U3-C为死去插入用2us脉冲输入信号；
U3-D为功率检测信号，即为检锅信号；
U3-13为NE555触发脉冲信号；
U3-14为功率输出指示LED1，当LED1亮时，表示有功率输出，否则进入故障处理程序；
U3-16为检锅信号输出；
U3-18和U3-19为两路互补的中心对齐的PWM输出信号；
以下是对三个功能子模块的功能进行基本的描述：
子模块1：用于对IGBT，炉盘，功率调节电位器的信号检测，并将信号处理完成后送到其他子模块或LED显示。本模块同时以电网的50Hz交流信号调理后生成的100Hz方波信号作为子模块1的时钟源，并通过一个三分频电路将产生的33Hz信号送给子模块2作为子模块2的时钟源。本模块同时实现了对IGBT集射电压的超快速检测和对各种故障状态的LED指示输出，以便在最短的时间内对IGBT和控制主板进行保护，并通过四个LED指示灯来指示用户操作或排查故障。
子模块2：用于对CT电流互感器线圈感应，并分别通过频率或电流检测电路产生的负载超频或过流信号进行检测，通过频率调节以实现负载的谐振频率调节，从而调节负载功率，通过检测负载电流，可对负载的故障进行及时的处理，避免对IGBT等功率器件的损坏。本模块同时实现了由可控分频器组成的多进制计数器，用于协调三个子模块间的数据交互时序和进行逻辑控制。
子模块3：用于PWM波形生成，输出功率控制以及对输入故障信号的处理，并迅速关闭PWM输出信号及其相关部件。其中，PWM波形的信号源由压频转换芯片LM331的3脚送出，经过内部数字处理后生成两个波形互补的PWM波，并且经过死区插入电路，分别插入了2微秒的死区时间。然后，通过两个CPLD的I/O口，将PWM信号送入后级处理电路波形放大后，驱动IGBT运行。
上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。
Claims (1)
1.一种基于CPLD的超音频调频电磁感应加热控制模块，其特征在于，模块内部分为三个子功能模块，各子功能模块为：
子模块1：用于对IGBT，炉盘，功率调节电位器的信号检测，并将信号处理完成后送到其他子模块或LED显示；本模块同时以电网的50Hz交流信号调理后生成的100Hz方波信号作为子模块1的时钟源，并通过一个三分频电路将产生的33Hz信号送给子模块2作为子模块2的时钟源；本模块同时实现了对IGBT集射电压的超快速检测和对各种故障状态的LED指示输出，以便在最短的时间内对IGBT和控制主板进行保护，并通过四个LED指示灯来指示用户操作或排查故障；
子模块2：用于对CT电流互感器线圈感应，并分别通过频率或电流检测电路产生的负载超频或过流信号进行检测，通过频率调节以实现负载的谐振频率调节，从而调节负载功率，本模块同时实现了由可控分频器组成的多进制计数器，用于协调三个子模块间的数据交互时序和进行逻辑控制；
子模块3：用于PWM波形生成，输出功率控制以及对输入故障信号的处理，并迅速关闭PWM输出信号及其相关部件；其中，PWM波形的信号源由压频转换芯片送出，经过内部数字处理后生成两个波形互补的PWM波，并且经过死区插入电路，分别插入了2微秒的死区时间；然后，通过两个CPLD的I/O口，将PWM信号送入后级处理电路波形放大后，驱动IGBT运行；
所述硬件包括：CPLD芯片，功率调节电位器，85摄氏度温度开关，炉底线圈温度传感器，CT线圈及其电路，25MHz晶振和LED指示灯；其中：
CPLD芯片用于控制模块外部各部件的工作；CPLD芯片的型号是EPM7128SLC84-15；
功率调节电位器采用WX110（010）10K精度为5%的电位器，占用一根CPLD的I/O线，用于功率调节；
85摄氏度常闭性温度开关，占用一根CPLD的I/O线，实现IGBT的温度检测；
正温度系数热敏电阻温度传感器，占用一根CPLD的I/O线，实现炉盘温度检测；
CT线圈及其附属电路，占用两根CPLD的I/O线，其中一根用于频率检测，另一根实现过流检测；
25MHz晶振，占用一根CPLD的I/O线，作为芯片的总时钟输入；
LED指示灯，占用四根CPLD的I/O线，用于模块运行指示和故障报警。
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