基于无线监控的感应加热电源故障检测

魏宁 卢军 孙大湖 王欢 赵程

摘要：本项目主要研究内容主要有三方面：一是设计精确、低成本、快速的电流检测电路;二是设计可以处理感应加热电源的过流、IGBT故障以及主控可以根据需求封锁控制信号的电路;三是开发基于 Android 系统的无线网络监控装置。

关键词：感应加热;故障检测;无线监控

1 引言

传统的感应加热电源常采用独立分散控制，无法实现网络化远程监控，自动化程度低，安全性差。网络化远程监控系统可同时监控数台高频感应加热电源的并列运行，大大提高了生产效率和设备的利用率，基于Android系统的无线网络监控装置，轻便灵活，无地域限制。

电流检测电路摒弃整流桥，采用运放整流，减少了二极管导通分压，可以测量小信号，电流检测的范围更广。保护模块不仅提供了硬件故障处理机制，还保留了软件故障处理机制以及主控屏蔽故障的功能，不仅增加了设备故障处理的速度，也提高了设备的可靠性，应用更加灵活。硬件故障处理具有自锁功能，使设备安全可靠的运行。

2 电流检测

电流检测电路主要完成电流信号检测以及产生过流脉冲，具有响应速度快、灵敏 度高、实时电流采集、检测小信号能力强等特点，主要由电流信号转换模块、信号放大模块、信号整流模块、过流脉冲产生模块以及模拟生成AD模块组成。

电流检测模块利用交流互感器采集设备运行的实时电流，并把其转化为对应的电压信号。利用一级运放对信号进行放大，根据实际应用设计运放参数。利用二级运放对一级运放输出的信号进行整流与适当放大，整流后的信号经过一阶滤波后输出给主控芯片进行处理;与此同时将整流后的信号经比较器，判断是否过流，若过流则产生过流脉冲。

设计的电流检测电路采集到的交流信号稳定、波形失真小、输出电压精度高，达到了采集的要求，较好地满足了感应加热电源系统的需求。尤其是过流脉冲生成功能的加入，使得系统运行更加安全可靠。

电流检测电路主要完成电流信号检测以及产生过流脉冲，感应加热电源的逆变器输出是200A左右的强交流电，不宜直接测量。电流互感器是依据电磁感应原理，把匝数较少的一次绕组串联在需要测量电流的回路中，而匝数较多的二次绕组串联到电流检测电路中，其作用是把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小、易于检测和处理的二次电流。

之后用信号放大模块主要是对交流互感器传出的信号进行放大，以达到主控板AD模块的输入要求。用2个反相运放电路完成交流信号的整流，为主控器提供采集电流的幅值信息，产生过流脉冲起到保护的功能。使用滤波模块对电流信号进行整流、放大之后把部分负半轴的杂波接到地上，将负电平迅速释放掉，电容滤波将交流信号转变为直流信号，由DSP控制器通过AD芯片采集。同时过流脉冲产生模块可以预设限制感应线圈的最大电流，当设备运行中电流超过预设时生成过流脉冲，使設备安全可靠地运行。

3 故障处理电路

硬件故障处理电路主要完成设备的故障处理工作，故障逻辑运算模块主要完成在硬件电路对多个故障检测之前进行一次运算处理，生成一个总的故障信号，主要由与非门以及非门组成。很多故障信号是脉冲信号，如过流故障、欠压故障等，处理这些故障需要硬件电路具有故障自锁与解锁的功能。故障封锁与自锁模块主要完成故障信号自锁以及主控解除故障封锁的功能，为使设备安全可靠的运行要根据故障封锁信号决定是否输出PWM信号，系统正常工作，输出则为高电平，当任意故障信号有效（低电平）时，故障逻辑运算模块使低电平总故障信号输出，总故障信号触发故障检测与自锁电路输出故障封锁信号，实现对PWM信号的封锁。故障解除之后，将控制器拉高一个时钟，故障检测与自锁电路进入故障检测工作模式，输出故障封锁信号为高电平，PWM封锁模块进入正常工作模式，实现解锁。

故障处理电路通过CPLD实现了故障发生时封锁PWM信号，故障清除时解锁PWM信号的逻辑功能。另外，通过设计故障逻辑运算模块大大简化了电路的整体设计。通过硬件电路进行故障处理，相比于软件处理，具有实时性好、处理速度 快的优势，且不占用主控芯片资源，增加了控制系统的扩展性。

4 无线网络监控装置

在进行高频感应加热电源控制系统硬件设计过程中需要基于整流器以及逆变器两个方面，选择适合的电路类型，以设计合适的硬件电路，在选择器件参数的过程中需要对整流电路以及逆变电路的控制方式进行系统的分析，并且将这些电路有机整合起来，在设计驱动保护电路时需要做到工作的有序，可以使电路精简，节约成本，并且为电路的有效运行提供必要的保障。

在整个电源控制系统的程序中主要包括主程序，逆变器驱动脉冲生成程序等，这些程序就是构成控制系统的软件部分，在这些软件的启动过程中，需要主电路通电，整流器率先启动工作，并且可以输出稳定的直流电压，而在激起逆变器的过程中需要保证流过负载的电流足够大，同时需要电压电流的闭环来稳定逆变器的输出量，以最终实现电源功率调节的目的。

采用 AVR 单片机ATmega328P-PU 为核心的Arduino Uno开发板做数据采集上传端。W5100EthernetShield网络扩展板与Arduino Uno搭配使用实现Internet接入，将数据上传到指定服务器。W5100网络扩展板使用RJ45接口与无线路由器LAN口相连，无线路由器接入互联网，开启DHCP功能。在程序中设定Arduino Uno控制板IP地址，智能手机终端打开Wi-Fi功能，连接无线路由器自动获得IP地址与Arduino Uno处于同一无线局域网段中。此时Android智能手机通过自带的浏览器就能访问到作为WEB服务器的Arduino Uno板，可以监控到连接到Arduino Uno板上的传感器数据。开发的基于Android系统的无线网络监控装置就可以实时控制感应加热电源。

5结束语

基于Android系统的无线网络监控装置可通过网络远程监控数台高频感应加热电源的并列运行，轻便灵活，无地域限制。大大提高了生产效率和设备的利用率，降低成本，提高产品竞争力。

参考文献：

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[4] 现代锻造中频感应电源的发展——串、并联电源比较[J].唐永君.锻压技术.2009（06）

（作者单位：湖北汽车工业学院电气与信息工程学院）