数字式感应加热电源实验平台的设计与实现

吕 淼，李金刚

（西安理工大学，陕西 西安 710048）

1 引言

国内感应加热电源在控制方面还是采用模拟控制为主，还没实现全数字化控制，电源的核心控制部分（功率控制、频率跟踪）仍然采用模拟电路来实现。数字控制的感应加热电源具有稳定性好、控制精度高、可实现最优控制算法以及远程监控等优点，采用数字控制设计的电源产品不仅性能可靠，而且更有易于实现产品的更新换代，是感应加热技术的一个研究热点和发展趋势。而目前设计的数字控制的感应加热电源只是一部样机，采用单一的调功方式或控制算法，稳定性较差，且设计成本较高［1,2］。

本文在现有研究基础上，开发一台基于DSP320F2812的全数字控制感应加热电源实验研究平台，把多种调功方式和控制算法集成在一台控制器和一套主电路上，为深入研究感应加热电源新的控制策略和特性性能提供了一个便于操作的研究平台，并对相关参数和外围电路进行优化。

2 平台控制系统设计

2.1 功率调节方式选择

固态感应加热电源对于功率调节方式来说，主要分为直流器侧调功和逆变器侧调功两类［3］。不同的调功方式都有其自身的优缺点，如表1所示。

表1 功率调节方式对照表

中小功率的固态感应加热电源一般采用逆变器侧调功，以简化主电路，而对于中大功率的固态感应加热电源，主要采用整流器侧调功，使谐振逆变器获得最佳的工作性能。本文针对数字控制感应加热电源已有的研究状况，调功部分最终选择直流侧斩波调功和逆变侧脉冲宽度调制 (PWM)调功两种方式。

2.2 控制算法选择

随着电力电子技术的高速发展，数字化、智能化控制的感应加热电源是目前研究热点方向。数字控制方式利用先进的控制策略使感应加热电源具有更好的稳定性和灵活性。本文采用数字锁相环调功，逆变器开关管驱动PWM自动跟踪负载电流，并在数字锁相环的控制下很快保持同频同相，因而负载功率因数可达到最高。

另外，因为电磁感应加热系统是典型的非线性系统，工作过程中需要对感应加热电源的输出功率进行控制，即，对负载功率进行控制，因此一个精准、快速、稳定的功率控制系统非常重要。传统的感应加热电源功率调节多采用PID控制方法，PID方法对于线性的系统非常有效，是一种稳定的、实现简单的控制方法［4］。而对于非线性系统，一般采用模糊算法，该方法对非线性复杂变化的控制对象在线辨识，具有参数准确、数字实现简单、参数修改方便等优点；并且可以根据负载的温度变化进行提前预测进行控制，因此非常适合感应加热电源的功率调节［5］。以下介绍两种控制算法对系统控制性能的影响。

（1）PID调节对系统性能的影响

首先将模拟量离散化，得到PID控制的离散形式：

式（1）是位置式PID控制算式。为了增加控制系统的可靠性，采用增量式PID控制算式，即让DSP只输出控制量u（k）的增量Δu（k）。由式（1）可得增量式PID控制算式如下式所示：

令式中KD=0，则得到增量式PID控制算式：

式中：A=（KP＋KI），B=KP。

使用PID功率调节算法能够实现在不同谐振参数下感应加热电源的频率跟踪控制以及输出功率连续调节，并且具有较好的闭环控制特性。

（2）模糊控制对系统性能的影响

感应加热电源的功率调节采用模糊控制时，锁相环能使逆变器很好地跟踪负载的谐振频率，系统很快从启动到给定功率并保持稳定精确匹配；当负载功率改变时，功率调节波形超调很小，并且在很短的时间内就达到稳定并和给定功率达到精确匹配。逆变电源在功率因数接近或等于1的状态下运行，提高了效率，在工业控制中具有一定的实用意义。

3 感应加热电源平台的设计与实现

3.1 控制面板设计

本文以串联谐振负载感应加热电源为对象，集成已有的调功方式和控制算法，设计特性组合选择实验平台。如图1所示。

图1 感应加热电源平台的控制面板选择图

3.2 主电路拓扑

感应加热实验平台主电路拓扑如图2所示，由整流环节(AC-DC)、Buck斩波器、滤波器、逆变器(DC-AC)、负载槽路及相关的控制电路和保护电路等构成。采用串联谐振逆变电路，以IGBT为主开关器件，由功率反馈跟踪电路进行闭环功率调节，用频率跟踪电路控制逆变器的工作频率，使逆变器始终工作于谐振状态，逆变器输出功率因数接近于1，整机工作效率较高。

当感应加热实验平台采用直流侧调功方式时，控制算法可以选择PI调节方式以及模糊控制。平台直流侧以三相不可控整流加Buck斩波为主电路，采用串联谐振负载，通过调节Buck斩波电路开关管的驱动占空比来调节实验平台的输出功率。

平台采用逆变侧方式调功时，通过带锁相环的移相PWM控制方式控制逆变输出，即通过调节IGBT管的驱动占空比调节输出电压，从而达到调节输出功率的目的，控制算法可以选择PI调节或者模糊控制。

图2 感应加热实验平台主电路拓扑

3.3 感应加热电源平台的设计方案

本文按照以下参数进行设计：输入为380V/50Hz三相交流电，电网电压波动范围±10%；输出功率10kW；逆变器工作频率范围：20kHz－50kHz。

感应加热电源平台直流侧调功控制框图如3（a）所示。当逆变器的输入直流电压为Ud时，固定臂和移相臂错开角度θ，逆变器的输出功率PH为：

逆变侧调功式控制框图如3（b）所示。检测输出电压及电流变化，将反馈信号输入到DSP的ADC采样端口，进行模数转换，得到电压与电流的反馈值，然后通过乘法器将两者相乘，再与给定比较，功率调节器的输出控制逆变器的移相角度，使系统的输出功率保持恒定。逆变器的输出功率PH为：

图3 感应加热电源平台控制系统框图

根据以上要求，搭建感应加热电源实验平台，完成接口的外控制，包括电源开关、切换开关、过压过流过热保护按钮等。

3.4 基于DSP控制系统的实现

本文采用TMS320F2812实现数字控制系统。该芯片具有单周期32×32位的乘与加运算功能，每秒可执行1.5亿次指令(150MIPS)，具有大容量的Flash存储器，最多可以发出12路PWM信号，并具有16通道的ADC单元，共有6个CAP捕获单元，可满足本文数字控制感应加热平台的需求［6］。

串联谐振式感应加热电源平台控制系统如图4所示。采用TMS320F2812作为数字控制系统主芯片，配合外围电路，即可构成平台的控制系统。

图4 感应加热实验平台控制系统图

平台工作时，研究人员通过操作面板上的数字键盘完成不同控制方式的切换，按下按键后，系统进入相应的控制方案进行运行。平台实验特性的组合选择流程如图5所示。

图5 实验特性的组合选择流程图

4 实验结果与分析

当控制面板选择PWM移相调功与PID算法相结合时，图6所示为负载电感L≈105μH，补偿电容C=0.4μF时，固有谐振频率等于24.6kHz，负载变化时闭环控制的实验波形。在实验过程中，功率给定不变，改变负载串联电阻的大小。图6（a）、（b）中负载串联电阻分别为R=5.2Ω，R=10Ω。负载串联电阻的改变会引起负载电流的变化，从图中可以看出，在闭环控制的作用下，输出电压的占空比发生相应变化。

图6 PWM与PID算法结合时电压电流波形(给定电压为20V)

令给定功率不变，仅改变直流侧输入电压，重复进行上述实验，当平台输入电压为25V时，在恒功率闭环控制的作用下，平台逆变输出电压Uab的占空比随之减小，得到图7所示的逆变器输出电压与输出电流实验波形。可以看出，直流侧输入电压变化后，逆变输出电压Uab与输出电流IO保持同频同相，系统工作特性与前述相同。实验结果与理论分析一致。

图7 PWM与PID算法结合时电压电流波形（给定电压为25V）

当控制面板选择Buck斩波调功与模糊算法相结合时，选择参数M=0.78，N=0.008，数字锁相环控制效果最好，平台运行最稳定。实验过程中，当功率给定逐渐增大时，Buck电路开关管驱动波形占空比相应增大，如图8所示。

图8 Buck与模糊算法结合时功率给定与Buck驱动波形

实验结果表明，选择不同特性方式的组合，逆变器输出电压与输出电流波形始终保持同频同相，并且具有非常好的稳定性和快速性。这表明本文设计的感应加热电源实验平台是正确可行的。

5 结束语

本文设计了一台数字式集成多种调功方式和控制算法的综合性研究开发平台，即在一个平台上可以实现不同控制方案的运行而不改变硬件。实验证明选择不同的控制策略，感应加热电源研究平台正确可行，并具有可靠性好、实时性和快速性的优点。用户可以进行多种控制策略的学习、开发和进一步研究，在工业控制中具有重要的实用意义。

［1］李江.基于TMS320F2810的数字控制感应加热电源研究［D］.西安理工大学，2010.

［2］樊宝林.基于模糊控制的感应加热电源研究［D］.西安理工大学，2011.

［3］李金刚.电压型负载谐振变换器谐振槽路参数优化设计与负载匹配的研究［D］.西安理工大学，2007.

［4］Qinghua Xiao，Jie Zhao，Mingfa Wang.Research on Frequency Tracking Capacitive PWM of Induction HeatingPower Supply［J］.International Conference on Challenges in EnvironmentalScienceand ComputerEngineering（CESCE），2010，2：377－380.

［5］Yiwang Wan.Study of Induction Heating Power Supply Based on Fuzzy Controller［J］.4th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications，2009，Page（s）：726－729.

［6］韩丰田.TMS320F281xDSP原理及应用技术［M］.北京：清华大学出版社，2011.