基于TL494感应加热电源频率自动跟踪技术研究

河南 孙汉卿

引言

为了使感应加热始终工作在功率因数接近或者等于1的准谐振或者谐振状态，感应加热电源必须具有自动频率跟踪能力，以提高感应加热的加热效率[1]。本文提出一种基于TL494芯片控制的感应加热电路，自动频率跟踪采用比例调节和积分调节电路的方法实现其频率自动跟踪，通过理论分析和试验研究，结果表明该方法具有电路设计简单、工作可靠性高且频率跟踪快、准确等优点。

1 传统频率自动跟踪技术

传统的感应加热电路中多采用锁相环(PLL)电路实现频率的自动调节[2],PLL主要由各种霍尔感应器、比较器、鉴相器、低通滤波器及压控振荡器组成，其工作过程是通过电流霍尔感应器的电气隔离采集到加热谐振回路中的正弦波电流，经过过零比较电路得到与输出电流频率一样的方波信号，通过RC低通滤波器加到压控振荡器上，通过鉴相器比较谐振电路和控制输出信号之间的相位差来调整输出频率，而从实现谐振电路和控制电路同频。但是全桥逆变电路需要两路相差180度且有死区间隔的驱动信号，这使得整个电路设计非常的复杂而且也会造成两路控制信号的不平衡，从而引起全桥逆变电路中两个桥臂不平衡工作。

2 基于比例调节和积分的自动跟踪技术

2.1 控制原理

本设计的控制电路的核心部件采用TL494及其外围电路组成如图1所示。TL494是一种脉宽调制型开关电源集成控制芯片，具有可调整的死区时间控制、脉冲控制封锁保护等功能。控制电路的频率由5脚的电容和6脚的电阻决定。4脚可以设置两路脉冲的死区时间。

TL494生成的控制脉冲信号频率f由下式决定[3]:

式中:CT为5脚上谐振电容

RT为6脚上谐振电阻

图1 TL494管脚连线图

本设计采用比例调节及积分调节电路与TL494芯片相结合的方法，以锁相环控制原理为基础，采用三极管和电阻串联的方式来代替6脚上的电阻RT,通过调节三极管的基极电压Ub改变三极管集电极上的电流大小,等效于改变RT的大小,从而改变频率。

采用PI调节器实现的自动频率跟踪电路原理如图2，霍尔感应器用来采集信号，过零比较器是将正弦波变成方波信号，鉴相器是将两路方波信号的相位差变为电压信号。将其输出电压接到三极管的基极电压Ub，实现频率的自动调节。

图2 本设计的自动频率跟踪电路的原理框图

2.2 比例调节及积分调节电路的工作原理及控制效果

PI调节电路输入和输出的基本关系为[4]:

式中：Kp为比例放大倍数

τ为积分调节时间

当uin=ε（t）时，输出为

当t=τ时，

PI控制电路的单位阶跃响应是一条直线。当t=0时，调节电路输出电压较小，只有比例增益。当t>0时，输出电压将按积分特性线性增大。当输入和输出出现误差时，由于输出和输入之间是积分关系，控制电路的输出电压不会立刻变大，系统出现大的误差时，调节电路输出电压不会立即变的很大，而是随着时间的推移慢慢增加。这样就能保证系统平稳工作。频率的自动跟踪过程分析[5]：在稳定的工作状态时PI控制电路输出一个稳定的电压uo，形成稳定的Ub，从而形成稳定的振荡电阻,加热回路能够工作在谐振状态。当加热过程中谐振回路的参数发生变化时,加热回路将偏离谐振状态,加热回路电压ua与加热回路电流ia之间将产生一个相位差，其中加热回路电压ua是由主控制电路输出频率确定的，加热回路电流ia是由谐振电路实际工作确定的。当ua超前ia时,即控制器输出的控制频率大于谐振回路的谐振频率,ua和ia的相位差进入PI控制电路的反相端,根据PI控制电路的工作原理可知PI控制电路的输出电压降低,从而引起Ub的减小,即增大RT，从而降低主控制电路的工作频率,使其向谐振频率靠近；当ua滞后ia时,即控制器输出的控制频率小于谐振回路的谐振频率,ua和ia的相位差反相后进入PI控制电路的反相端,根据PI控制电路的工作原理可知PI控制电路的输出电压升高,从而引起Ub的增大,即等效RT减小，从而提高主控制电路的工作频率,使其向谐振频率靠近；

3 结论

PI控制电路具有结构简单、稳定性好、工作可靠等特点，利用其与TL494芯片相结合的方法控制感应加热电源的自动跟踪是可行的。该方法具有跟随速度快、频率跟踪准确、电路设计简单、工作可靠等优点。实验结果表明，结合PI控制电路与TL494相结合的方法实现自动频率跟踪技术，能在感应加热过程中实现自动跟踪回路谐振频率，最终达到提高工作效率和质量的目的。

[1]潘天明.现代感应加热装置[M].北京：冶金工业出版社,1996.

[2]毛鸿,等.感应加热电源无相差频率跟踪控制电路[J].电力电子技术,1998(2):69～72.

[3]王永,等.一种新型实用的IGBT驱动电路[J].微计算机信息，2001，12期17卷：37-38.

[4]严楣辉.集成运算放大器分析与应用[M].四川：电子科技大学出版社，1992.

[5]赵晶,等.PI调节逆变式IGBT感应加热电源频率自动跟踪技术[J].电力电子技术，2003（4）：12～14.