一种超音频感应加热电源装置及其数字化控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种超音频感应加热电源装置及其数字化控制方法。包括三相不控整流电路、滤波电路、过压保护电路、IGBT构成的全桥逆变电路、负载电路、ARM处理器、电压采集电路、电流采集电路以及过零检测电路。在原有的模拟控制的超音频感应加热电源的基础上提出一种数字化控制方法，此方法可以实现让控制器通过改变定时器产生的脉宽调制PWM的相位差来自动控制电源输出功率，还能以一种新的二分法方案让负载快速工作在谐振状态，最大幅度的减小无功功率带来的损耗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种可控加热电源的数字化控制技术，属于AC-AC变换

技术介绍
传统的加热方法普遍采用电阻丝加热和燃炉加热等方式，这些方式不仅效率低而且环境污染大，并且控制精度很低。又由于现代工业发展的需求以及IGBT等固态电力电子器件的出现，超音频感应加热电源得以广泛应用，它利用电磁感应原理产生涡流损耗而对金属类工件进行加热，达到熔炼、透热、淬火等要求。这种加热方法不仅改善了传统方法加热不均、效率低、速度慢等问题，还解决了不易实现自动控制的问题。已有的超音频感应加热大部分采用模拟控制，而模拟控制存在着硬件老化带来偏差以及不易升级和扩展等问题，同时也不易进行故障诊断和远程控制。目前在感应加热电源功率调节的方法上有晶闸管全控整流调功法、直流斩波调功法和逆变调功法。而晶闸管全控整流法在晶闸管的控制角较大时，电路的功率因数会很低，并且晶闸管存在固有延时，会使得系统在闭环调节时响应较慢。直流斩波比晶闸管全控整流方案降低了对供电电网的干扰，提高了输入功率因数，但是这种方案需要在主电路增加额外的功率器件以及功率控制电路，而且斩波开关器件工作在硬开关状态，开关损坏较大。逆变调功是通过在逆变环节对开关功率器件的通断进行控制，调节输出电压的频率来调节负载功率因数，调节输出电压的有效值大小来调节输出功率，它的优点是控制电路比前面两种方案简单，调节输出功率的速度比晶闸管全控整流方案要快。在逆变调功的方案里又分为脉冲频率调制(PFM)方法、脉冲密度调整(PDM)方法和脉冲宽度调制(PWM)方法。PFM方法通过改变逆变器输出电压频率来改变负载功率因数从而调节输出功率的大小，这种方法的主要缺点是工作频率在功率调节过程中不断变化，导致集肤深度也会改变，这在很多要求严格的场合中不适用。PDM方法通过控制脉冲密度，实际上是控制负载馈送能量的时间控制输出功率，它的优点是输出频率基本不变，开关损坏相对较小，缺点是工作稳定性比较差。PWM方式是通过改变两斜对开关管驱动信号之间的相位差
来改变输出电压的有效值以此来调节功率，它可以实现对输出功率的大范围调节而频率变化很小，还有利于数字化实现，易于实现电路的准谐振软开关条件。在对电路进行无功功耗的优化时，都要考虑功率管的开关频率是否匹配负载的谐振频率，只有当二者相等时，无功功率造成的损耗才最小。而在频率匹配的方法上目前普遍采用的是锁相环技术，它是一个相位反馈控制系统，作用是实现对输入信号频率和相位的自动跟踪。这种系统适用范围广而且抗干扰能力较强，但它是一种模拟化的控制方法，并且存在频率跟踪范围窄和响应速度较慢的缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种超音频感应加热电源，并在此基础上实现数字化控制。为了达到上述目的，本专利技术的一个技术方案是提供了一种超音频感应加热电源装置，包括整流电路，整流电路依次连接滤波电路、过压保护回路以及由IGBT管构成的逆变桥，逆变桥的逆变侧与负载回路相连，通过负载回路对工件进行超音频感应加热，其特征在于，在逆变桥的逆变侧连接有电压采集电路及电流采集电路，电压采集电路及电流采集电路的输出均连接控制单元，控制单元通过电压采集电路及电流采集电路不停地检测逆变侧的输出电压与输出电流的相位差，基于相位差通过二分法调整控制单元输出PWM波的频率，让PWM波的频率与负载回路的谐振频率相差在一个设定的范围内，控制单元输出频率调整后的PWM波至驱动电路，利用驱动电路驱动逆变桥的IGBT管开关，使得IGBT管的开关频率准确跟踪到负载回路的谐振频率。优选地，所述控制单元包括两路过零检测电路及两路AD采样电路，其中：两路过零检测电路分别连接所述电压采集电路及所述电流采集电路的输出，通过两路过零检测电路分别得到与电压同相位同频率的方波及与电流同相位同频率的方波，通过定时器二采集任意一路方波的周期，根据采集到的周期获得需产生的PWM波的频率后输入定时器一，由定时器一利用两路PWM波发生器产生所述逆变桥的基准臂的PWM波及所述逆变桥的移相臂的PWM波；两路AD采样电路分别连接所述电压采集电路及所述电流采集电路的输出，通过两路AD采样电路来采集实时的电压有效值和电流有效值，从而计算出实时
功率，将实时功率与设定的期望功率进行比较，经过增量式PID调节后对移相臂的移相臂的PWM波进行移相角度的调节，实现功率控制。本专利技术的另一个技术方案是提供了一种上述的超音频感应加热电源装置的数字化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、通过两路所述过零检测电路分别得到与所述逆变桥逆变侧的输出电压同相位同频率的方波一及与所述逆变桥逆变侧的输出电压同相位同频率的方波二，对两路方波分别进行检测，得到方波一的上升沿时间tc以及方波二的上升沿时间tv，采集方波一或方波二的周期T；步骤2、将PWM的频率初始化为若则进入步骤3，若则进入步骤4；步骤3、将PWM频率设置为f2＝f1+fmax/2，接着对tv-tc进行检测，若则将PWM频率设置为f3＝f2+fmax/2，若则将PWM频率设置为f3*＝f2+f1/2，依此循环，直到或步骤4、将PWM频率设置为f2＝f1+fmin/2，接着对tv-tc进行检测，若则将PWM频率设置为f3＝f2+f1/2，若则将PWM频率设置为f3*＝fmin+f1/2，依此循环，直到或步骤5、由定时器一利用两路PWM波发生器产生所述逆变桥的基准臂的PWM波及所述逆变桥的移相臂的PWM波经由驱动电路驱动所述逆变桥的IGBT管开关后返回步骤1，其中，通过两路AD采样电路来采集实时的电压有效值和电流有效值，从而计算出实时功率，将实时功率与设定的期望功率进行比较，经
过增量式PID调节后实现移相臂的PWM波的移相角度调节。本专利技术的有益效果是：整体系统输出的交流电通至负载模块，负载在交流电的作用下会产生交变磁场，将工件放在交变磁场中由于电磁感应原理产生涡流而发热。让感应加热电源逆变桥IGBT管的开关频率准确跟踪到负载的谐振频率，使其达到准谐振状态，有效减小无功功率带来的损耗。能测得电源输出的有效电流和电压值并得出瞬时的有效功率，通过触摸屏设定功率期望值，让瞬时功率与设定期望功率进行比较，经过增量式PID调节后对控制单元定时器输出的PWM进行移相角的调节，实现电源输出功率的自动控制。附图说明图1为超音频感应加热电源的主电路图；图2为数字化控制的超音频感应加热电源的原理图；图3为RLC电路的阻抗感抗以及容抗的向量图；图4为交流系统电流相位超前于电压的示意图；图5为交流系统电流相位滞后于电压的示意图；图6为二分法控制功率管开关频率跟踪谐振频率示意图；图7为控制芯片工作在输出比较模式下的移相原理图；图8为系统工作流程图。具体实施方式为使本专利技术更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。本专利技术提供的一个超音频感应加热电源的数字控制系统，包括三相不控整流电路、滤波电路、过压保护电路、IGBT管构成的全桥逆变电路、负载电路、ARM处理器、电压采集电路、电流采集电路、过零检测电路。三相不控整流电路是接在工频三相电之后，三相不控整流电路之后接滤波电路，然后接过压保护电路，接着是全桥逆变电路，再接着是负载电路。在负载电路和逆变电路之间接电压采集电路以及电流采集电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超音频感应加热电源装置，包括整流电路，整流电路依次连接滤波电路、过压保护回路以及由IGBT管构成的逆变桥，逆变桥的逆变侧与负载回路相连，通过负载回路对工件进行超音频感应加热，其特征在于，在逆变桥的逆变侧连接有电压采集电路及电流采集电路，电压采集电路及电流采集电路的输出均连接控制单元，控制单元通过电压采集电路及电流采集电路不停地检测逆变侧的输出电压与输出电流的相位差，基于相位差通过二分法调整控制单元输出PWM波的频率，让PWM波的频率与负载回路的谐振频率相差在一个设定的范围内，控制单元输出频率调整后的PWM波至驱动电路，利用驱动电路驱动逆变桥的IGBT管开关，使得IGBT管的开关频率准确跟踪到负载回路的谐振频率。

【技术特征摘要】
1.一种超音频感应加热电源装置，包括整流电路，整流电路依次连接滤波电路、过压保护回路以及由IGBT管构成的逆变桥，逆变桥的逆变侧与负载回路相连，通过负载回路对工件进行超音频感应加热，其特征在于，在逆变桥的逆变侧连接有电压采集电路及电流采集电路，电压采集电路及电流采集电路的输出均连接控制单元，控制单元通过电压采集电路及电流采集电路不停地检测逆变侧的输出电压与输出电流的相位差，基于相位差通过二分法调整控制单元输出PWM波的频率，让PWM波的频率与负载回路的谐振频率相差在一个设定的范围内，控制单元输出频率调整后的PWM波至驱动电路，利用驱动电路驱动逆变桥的IGBT管开关，使得IGBT管的开关频率准确跟踪到负载回路的谐振频率。2.如权利要求1所述的一种超音频感应加热电源装置，其特征在于，所述控制单元包括两路过零检测电路及两路AD采样电路，其中：两路过零检测电路分别连接所述电压采集电路及所述电流采集电路的输出，通过两路过零检测电路分别得到与电压同相位同频率的方波及与电流同相位同频率的方波，通过定时器二采集任意一路方波的周期，根据采集到的周期获得需产生的PWM波的频率后输入定时器一，由定时器一利用两路PWM波发生器产生所述逆变桥的基准臂的PWM波及所述逆变桥的移相臂的PWM波；两路AD采样电路分别连接所述电压采集电路及所述电流采集电路的输出，通过两路AD采样电路来采集实时的电压有效值和电流有效值，从而计算出实时功率，将实时功率与设...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓丽，邹传智，顾天，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海;31