基于MCU和FPGA双处理器的超音频感应加热电源设计

宋强，宋建国，孙梦娟

（北京工业大学 电子信息与控制工程学院，北京 100124）

基于MCU和FPGA双处理器的超音频感应加热电源设计

宋强，宋建国，孙梦娟

（北京工业大学 电子信息与控制工程学院，北京 100124）

摘 要:本文提出一种采用DSP英飞凌XC2267与ALTERA公司的EP2C5T144C8N为双控制核心，主开关器件为IGBT的超音频感应加热电源的设计方案。DSP（xc2267）作为主控芯片进行增量式PI算法，实现了电压电流双闭环控制。提出基于FPGA的相序自适应的三相可控硅整流控制方法；设计一种扫频启动电路，实现由他激到自激启动，实现了高功率和低功率之间的转换。逆变系统采用改进的PWM频率相位锁相和移向调功的复合控制来提高控制精度和效率。最后，通过实验台架对电路进行实验，给出实验结果，验证了整个系统的可行性和有效性。

关键词:感应加热；DSP；FPGA；锁相环；频率锁相

*项目简介：横向项目（46002211201301），清华大学核反应研究院电力电子厂整机组新型电源研究项目。

本文引用格式：宋强，宋建国，孙梦娟.基于MCU和FPGA双处理器的超音频感应加热电源设计[J].新型工业化，2015，5(4)：48-54

0　引言

感应加热用晶闸管中频电源是一种将三相工频交流电源转变为中频或高频交流电源通过感应加热方式完成加工手段的一种装置通常的变换方式是AC/DC/AC。目前我国适用于淬火加热的超音频感应加热电源多在中小功率领域，且多用模拟锁相环来实现频率跟踪，故存在着很多问题，如：电路结构复杂、元器件易老化、系统升级再调试困难等。

随着数字化芯片（DSP、FPGA）的不断开发，实现超音频加热电源的数字化成为可能，同时提高了提高功率调节速度和频率跟踪。采用16位DSP单片机的处理数据和算法能力对超音频加热电源的算法进行了有效地控制，外围电路更加简化。采用IGBT提高了工作频率，与传统的中频可控硅不同，IGBT控制工作频率提高，效率高。

1　感应加热电源原理及结构

1.1感应加热电源原理

感应加热电源是根据电磁感应原理，利用涡流对置于交变磁场中的工件进行加热。电流通过线圈产生交变的磁场，当磁场内磁力线通过待加热金属工件时，交变的磁力线穿透金属工件形成回路，故在其截面产生感应电流，该电流可使待加热工件局部瞬时发热，达到进行淬火加热的目的[1]。工作原理如图1所示：

图1　感应加热原理图Figure.1 schematic diagram of induction heating

1.2感应加热电源结构框图

感应加热电源由整流环节、滤波电路、逆变环节、滤波电路、驱动电路、信号采集电路、保护电路、控制电路以及锁相环电路等组成。工作原理为：三相交流电通过可控全桥整流电路转变成脉动直流电，经过大电感滤波电路变成恒定的直流电压，经过单相逆变桥，把直流逆变成一定功率的单相中频电压。驱动电路主要产生整流桥二极管和逆变桥IGBT的驱动信号。然后采集中频电压信号通过AD转换在控制器中进行PID控制算法实现电压电流的双闭环控制，同时进行频率跟踪，达到恒压、恒功的控制效果。整体框图如图2所示。

图2　感应加热电源总体框图Figure.2 The overall block diagram of induction heating power supply

图3　并联谐振式逆变电路Figure.3 parallel resonant inverter circuit

感应加热负载部分本系统采用并联谐振，如图3所示：

当负载并联电路工作在谐振状态时，感应输出负载的电流并不是不大，但线圈L和电容C的电流却很大，是输入电源的N倍，通过此可实现大功率的电源。并联谐振式逆变，其交流输出电流波形为矩形波。谐波在负载电路上产生压降很小，故负载电压波形接近正弦波。从而实现并联式的逆变[2]。波形如图4：

图4　并联谐振式逆变电路电流电压波形Figure.4 parallel resonant inverter circuit of current and voltage waveforms

1.3感应加热电源主电路的设计

综合考虑确定系统结构图如图5所示。主电路设计主要是整流和逆变部分。通过三相整流之后采用大电感滤波器抑制浪涌电流的电路，减少对电网的影响；FPGA用来产生开关管IGBT的驱动信号而且用于数字锁相环的设计。

图5　感应加热主电路结构Figure.5 The main circuit structure of the induction heating

FPGA中产生驱动信号，以及辅助启动信号。同时，进行数字锁相环的设计。

2　频率跟踪和控制

2.1数字锁相环原理

在感应加热系统中，锁相环自动频率跟踪是保证感应加热电源正常稳定工作的首要条件。全数字锁相环[3]能解决频率跟踪范围窄、易温移、受外界环境影响大等问题。本系统采用的是FPGA集成的数字锁相环，通过分频来实现频率的数字跟踪。

锁相环主要由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器组成[3]。锁相环的结构框图如图6所示。

图6　锁相环结构框图Figure.6 block diagram of PLL

采用异或门鉴相器的数字锁相环在稳定后的输出信号要比输入信号超前90°，于是，我们采用锁相环的输出信号作为逆变角控制的基准信号，通过调节输出信号的延时时间的大小，来调节逆变角的大小[4]。鉴相器（PD）是将压控振荡器的输出信号θ2(t)与外部给定信号θ1(t)作比较，得到一个相位差信号θe(t)。输出误差信号θe(t)是θe(t)的函数：Ve(t)=f［θe(t)］，该误差信号经环路低通滤波器（LF）后得到低频信号Vd(t)，压控振荡器在一定范围内是一个输出频率与低频输入电压呈正比的信号发生器，从低通滤波器输出的低频信号电压去控制压控振荡器的频率变化，使输入与输出信号频率之差不断减少至这个差值为零时锁定，实现频率跟踪[5]。

鉴相器通常可以采用模拟乘法器或异或门来实现。传递函数为：

Ke灵敏度；

环路滤波器具有低通特性，其作用是滤除误差电压Ve(t)中的高频分量和噪声，以保证环路所要求的性能，增加系统的稳定性。环路滤波器常用的有RC积分滤波器、无源比例积分型以及有源比例积分型滤波器。此系统设计的为无源低通滤波器，如图7：

图7　无源低通滤波器Figure.7 passive low-pass filter

传递函数为：

其中T1=(R1+R2)C， T2=R2C；

其中Ts=R1C；

压控振荡器是将电压转化为频率的一个装置，他的震荡频率随输入控制电压Vd(t)线性变化。它的瞬间角频率ωv(t)受控制电压Vd(t)控制，使其频率向输入信号的频率靠近，直至频率差消失，环路锁定。VCO的角频率-电压特性如图8所示。

在线性范围内：ωv(t)=ω0+K0Vd(t)

其中，ω0是固有振荡频率，K0为压控振荡器特性曲线的斜率。

图8　压控振荡器特性图Figure.8 voltage controlled oscillator characteristics

压控振荡器的传递函数为：

在感应加热电源中，系统参数变化很缓慢，一般只存在相位阶跃和频率阶跃两种情况。所以采用滞后型LF的稳态误差很小，系统稳定。设计结果在实验图像和结论处可以证实。

3　PID控制算法

PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单，鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制系统中。而在此控制系统中，常规PID控制器不能达到理想的控制效果，故进行改进式PID的设计。

积分分离控制基本思路是，当被控量与设定值偏差较大时，取消积分作用，以免由于积分作用使系统稳定性降低，超调量增大；当被控量接近给定量时，引入积分控制，以便消除静差，提高控制精度[6-8]。

具体实现的步骤是：

(1)根据实际情况，人为设定阈值ε>0；

(2)当∣e (k)∣>ε时，采用PD控制，可避免产生过大的超调，又使系统有较快的响应；

(3)当∣e (k)∣≤ε时，采用PID控制，以保证系统的控制精度。

积分分离控制算法可表示为

式中，T为采样时间，β项为积分项的开关系数根据上式可以得到程序框图如图9：

图9　PID程序流程图Figure.9 flow chart of PID program

4　系统实验与结论

本文数字锁相环在FPGA中进行设计，10KHz IGBT超音频感应电源的基础上进行实验，负载采用并联谐振。以下为频率为15K时实验数据和图像，黄色图线为输入A相，蓝色为B相，从图中可以看出经过数字锁相环以后A相超前B相90度，B相跟随A相变化，锁相环工作稳定。实验结果如图：

图10　锁相环实验结果图Figure.10 the experimental results of phase locked loop

图11　双CPU控制电路板Figure.11 double CPU control circuit board

短路实验和测试结果如下：

图12　短路实验图Figure.12 diagram of short circuit test

图13　纯阻性整流电压波形Figure.13 pure resistance rectifier voltage waveforms

分析上图可知：当短路时，电流迅速上升并出现超调。经过改进式PI算法控制后，在很短的调节时间内，电流迅速稳定到一定值，起到保护主电路的作用。

纯电阻负载实验：

图14　逆变桥电压波形Figure.14 voltage waveform of the inverter bridge

从图14可以看出：起振后，固定中频电压给定，电压为标准正弦波途中缺口处为换向时的角度。

实验结论：通过实验看以看出本次符合设计要求；数字锁相环扩大了锁相范围，提高了功率因数；实现了频率跟踪与控制；改进式PID算法也达到了很好的控制效果。

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The Design of Audio-frequency Induction Heating Power Supply System of Dual Microprocessor Based on MCU and FPGA

SONG Qiang, SONG Jianguo, SUN Mengjuan
(College of Electronic Information and Control Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Abstract:Medium frequency induction heating power supply will be proposed based on the dual microprocessor (XC2267 of Infineon and EP2C5T144C8N of ALTERA) and the IGBT was used as the main switching element in this thesis.XC2267 is the main control chip which does the increment PI algorithms and realizes the voltage and current double closed-loop control.Three-phase thyristor rectifier method based on the phase self-adjusting of FPGA is proposed.A method for swept-frequency start circuit is designed to implement the transition between the high-power and low-power.The invert system uses the compound control of improved PWM and frequency phase lock to improve the control accuracy and efficiency.Lastly, by using bench, the circuit is tested and the feasibility and effectiveness of the whole system are verified.

Keywords:Induction heating supply; DSP; FPGA; PLL; Frequency phase lock

DOI：10.3969/j.issn.2095-6649.2015.04.07

作者简介：宋强（1990-），男，汉族，山东人，北京工业大学硕士研究生，研究方向为电力电子与电气传动；宋建国（1974-），男，汉族，北京人，副教授，硕士生导师。

Citation: SONG Qiang, SONG Jianguo,SUN Mengjuan .The Design of Audio-frequency Induction Heating Power Supply System of Dual Microprocessor Based on MCU and FPGA [J].The Journal of New Industrialization, 2015, 5(4): 48‒54.