数字化感应加热电源设计软件子系统
感应加热电源具有加热效率高、速度快、可控性好及自动化程度高等优点，已经在熔炼、铸造、弯管、热锻、焊接和表面热处理等行业得到广泛的应用。目前对于感应加热电源的控制技术已经发展到了一定的水平，但都是采用模拟电子电路设计，存在着电路复杂、稳定性差等缺点。在数字信号处理技术迅速发展的今天，对感应加热电源采用DSP设计对于提高其控制系统的性能有一定的促进作用。本文以10KW/20KHz串联谐振型感应加热电源为研究对象，通过分析其负载特性、不同的逆变器形式及在感应加热电源中常用的功率调节方式，选择了主电路采用不控整流和IGBT全桥逆变电路，功率调节采用移相PWM控制方式；其中重点分析感性移相PWM调功方式，及其在串联谐振逆变器中的应用，确定了过零锁相移相PWM调功方式。感应加热电源因其负载固有特性，在工作过程中需要实现逆变器工作频率与负载频率同步的频率跟踪功能，本文在分析阐述传统控制技术的基础上，提出了基于DSP的数字锁相环和数字移相PWM控制方式，由DSP对捕获得到的负载信号进行处理实现频率跟踪，这个频率信号作为数字移相PWM控制方式的载波时基，在DSP内实现数字锁相环DPLL与移相PWM的有机结合，实现了控制系统主体部分的数字化。对提出的控制方式建立数学模型进行了理论分析，并在MATLAB/simulink中建立仿真模型，验证了理论的正确性。关键词 感应加热，DSP， IGBT， PWM，数字锁相环
目 录
1 绪论 5
1.1 感应加热的工作原理 5
1.2 感应加热技术的特点及应用 6
1.3感应加热发展趋势 6
1.4 本文主要任务 8
2 感应加热电源主电路设计 8
2.1感应加热电源结构框图 8
2.2 感应加热电源主电路 9
3控制系统软件设计 10
3.1 DSP TMS320LF2407简介及简要外围电路 10
3.2 DSP软件编程特点 12
3.3 各模块程序设计 14
3.4小节 18
4 建模与仿真 19
4.1 控制系统模型的建立 19
4.2 控制系统仿真结果分析 21
4.3 实验结果 24
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/> 结 论 25
致 谢 26
参考文献 27
附录A设计实验程序 29
1 绪论
1.1 感应加热的工作原理
感应加热原理为产生交变的电流，从而产生交变的磁场，在利用交变磁场来产生涡流达到加热的效果[1]。如图1.1：
/
图1.1 感应电流图示
当交变电流通入感应圈时，感应圈内就会产生交变磁通，使感应圈内的工件受到电磁感应电势。设工件的等效匝数为。则感应电势：
（11）
如果磁通是交变得，设，则
有效值为：
( 12）
感应电势E在工件中产生感应电流/使工件内部开始加热，其焦耳热为：
（13）
式中： ——感应电流有效值（安），——工件电阻（欧），——时间（秒）。
这就是感应加热的原理。感应加热与其它的加热方式，如燃气加热，电阻炉加热等不同，它把电能直接送工件内部变成热能，将工件加热[2]。而其他的加热方式是先加热工件表面，然后把热再传导加热内部。
金属中产生的功率为：
（14）
感应电势和发热功率不仅与频率和磁场强弱有关，而且与工件的截面大小、截面形状等有关，还与工件本身的导电、导磁特性等有关[3]。
1.2 感应加热技术的特点及应用
感应加热技术诞生前，都是使用煤气或石油为能源的装置来加热金属和非金属的。自从在工业上开始应用感应加热电源以来，无论是感应加热理论还是感应加热装置都得到了很大的发展。感应加热的应用范围也越来越广。究其原因，主要是感应加热具有如下一些特点：
加热温度高，感应加热是非接触式加热；
加热速度快，效率高，能加热形状不规则的工件。从金属内部即从金属的电流透入深度层开始加热的，这样就很大程度的节省了热传导时间，因此集热速度快，系统效率可达60%以上；
工件容易加热均匀——产品质量好；
温度容易控制，可局部加热，工件加热均匀，产品质量稳定，节能；
铁屑无氧化材料利用率高，快速加热有效地降低了材料损耗；
自动化程度高，对于感应加热装置，可频繁的启停，控制温度的精度高，温差可达到－0.01～＋0.01 %；
节能环保，不工作时，可将感应电源关闭，使用时对大气及周围环境无污染(热，灰尘等)，作业占地少，生产效率高。
在应用领域方面，感应加热可用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等过程，己成为冶金、国防、机械加工等部门及铸锻和船舶、飞机汽车制造业等不可缺少的一部分。此外，随着以感应加热为手段的微波炉、电磁炉等的推广，感应加热技术也已经不断进入到人们的家庭生活。
1.3感应加热发展趋势
感应加热电源的水平与半导体功率器件的发展密切相关，因此当前功率器件在性能上的不断完善，使得感应加热电源的发展趋势呈现出以下几方面的特点。
①高频率
目前，感应加热电源在中频频段主要采用晶闸管，超音频频段主要采用IGBT，而高频频段，由于SIT存在高导通损耗等缺陷，主要发展MOSFET电源[4]。感应加热电源谐振逆变器中采用的功率器件利于实现软开关，但是，感应加热电源通常功率较大，对功率器件，无源器件，电缆，布线，接地，屏蔽等均有许多特殊要求，尤其是高频电源。因此，实现感应加热电源高频化仍有许多应用基础技术需要进一步探讨。
②大容量化
从电路的角度来考虑感应加热电源的大容量化，可将大容量化技术分为二大类：一类是器件的串、并联，另一类是多台电源的串、并联器件的均流问题，由于器件制造工艺和参数的离散性，限制了器件的串、并联数目，且串、并联数越多，装置的可靠性越差。多台电源的串、并联技术是在器件串、并联技术基础上进一步大容量化的有效手段，借助于可靠的电源串、并联技术，在单机容量适当的情况下，可简单地通过串、并联运行方式得到大容量装置，每台单机只是装置的一个单元或一个模块。感应加热电源逆变器主要有并联逆变器和串联逆变器，串联逆变器输出可等效为一低阻抗的电压源，当二电压源并联时，相互间的幅值、相位和频率不同或波动时将导致很大的环流以致逆变器器件的电流产生严重不均，因此串联逆变器存在并机扩容困难；而对并联逆变器，逆变器输入端的直流大电抗器可充当各并联器之间的电流缓冲环节，使得输入端的AC/DC或DC/AC环节有足够的时间来纠正直流电源的偏差，达到多机并联扩容。
目 录
1 绪论 5
1.1 感应加热的工作原理 5
1.2 感应加热技术的特点及应用 6
1.3感应加热发展趋势 6
1.4 本文主要任务 8
2 感应加热电源主电路设计 8
2.1感应加热电源结构框图 8
2.2 感应加热电源主电路 9
3控制系统软件设计 10
3.1 DSP TMS320LF2407简介及简要外围电路 10
3.2 DSP软件编程特点 12
3.3 各模块程序设计 14
3.4小节 18
4 建模与仿真 19
4.1 控制系统模型的建立 19
4.2 控制系统仿真结果分析 21
4.3 实验结果 24
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/> 结 论 25
致 谢 26
参考文献 27
附录A设计实验程序 29
1 绪论
1.1 感应加热的工作原理
感应加热原理为产生交变的电流，从而产生交变的磁场，在利用交变磁场来产生涡流达到加热的效果[1]。如图1.1：
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图1.1 感应电流图示
当交变电流通入感应圈时，感应圈内就会产生交变磁通，使感应圈内的工件受到电磁感应电势。设工件的等效匝数为。则感应电势：
（11）
如果磁通是交变得，设，则
有效值为：
( 12）
感应电势E在工件中产生感应电流/使工件内部开始加热，其焦耳热为：
（13）
式中： ——感应电流有效值（安），——工件电阻（欧），——时间（秒）。
这就是感应加热的原理。感应加热与其它的加热方式，如燃气加热，电阻炉加热等不同，它把电能直接送工件内部变成热能，将工件加热[2]。而其他的加热方式是先加热工件表面，然后把热再传导加热内部。
金属中产生的功率为：
（14）
感应电势和发热功率不仅与频率和磁场强弱有关，而且与工件的截面大小、截面形状等有关，还与工件本身的导电、导磁特性等有关[3]。
1.2 感应加热技术的特点及应用
感应加热技术诞生前，都是使用煤气或石油为能源的装置来加热金属和非金属的。自从在工业上开始应用感应加热电源以来，无论是感应加热理论还是感应加热装置都得到了很大的发展。感应加热的应用范围也越来越广。究其原因，主要是感应加热具有如下一些特点：
加热温度高，感应加热是非接触式加热；
加热速度快，效率高，能加热形状不规则的工件。从金属内部即从金属的电流透入深度层开始加热的，这样就很大程度的节省了热传导时间，因此集热速度快，系统效率可达60%以上；
工件容易加热均匀——产品质量好；
温度容易控制，可局部加热，工件加热均匀，产品质量稳定，节能；
铁屑无氧化材料利用率高，快速加热有效地降低了材料损耗；
自动化程度高，对于感应加热装置，可频繁的启停，控制温度的精度高，温差可达到－0.01～＋0.01 %；
节能环保，不工作时，可将感应电源关闭，使用时对大气及周围环境无污染(热，灰尘等)，作业占地少，生产效率高。
在应用领域方面，感应加热可用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等过程，己成为冶金、国防、机械加工等部门及铸锻和船舶、飞机汽车制造业等不可缺少的一部分。此外，随着以感应加热为手段的微波炉、电磁炉等的推广，感应加热技术也已经不断进入到人们的家庭生活。
1.3感应加热发展趋势
感应加热电源的水平与半导体功率器件的发展密切相关，因此当前功率器件在性能上的不断完善，使得感应加热电源的发展趋势呈现出以下几方面的特点。
①高频率
目前，感应加热电源在中频频段主要采用晶闸管，超音频频段主要采用IGBT，而高频频段，由于SIT存在高导通损耗等缺陷，主要发展MOSFET电源[4]。感应加热电源谐振逆变器中采用的功率器件利于实现软开关，但是，感应加热电源通常功率较大，对功率器件，无源器件，电缆，布线，接地，屏蔽等均有许多特殊要求，尤其是高频电源。因此，实现感应加热电源高频化仍有许多应用基础技术需要进一步探讨。
②大容量化
从电路的角度来考虑感应加热电源的大容量化，可将大容量化技术分为二大类：一类是器件的串、并联，另一类是多台电源的串、并联器件的均流问题，由于器件制造工艺和参数的离散性，限制了器件的串、并联数目，且串、并联数越多，装置的可靠性越差。多台电源的串、并联技术是在器件串、并联技术基础上进一步大容量化的有效手段，借助于可靠的电源串、并联技术，在单机容量适当的情况下，可简单地通过串、并联运行方式得到大容量装置，每台单机只是装置的一个单元或一个模块。感应加热电源逆变器主要有并联逆变器和串联逆变器，串联逆变器输出可等效为一低阻抗的电压源，当二电压源并联时，相互间的幅值、相位和频率不同或波动时将导致很大的环流以致逆变器器件的电流产生严重不均，因此串联逆变器存在并机扩容困难；而对并联逆变器，逆变器输入端的直流大电抗器可充当各并联器之间的电流缓冲环节，使得输入端的AC/DC或DC/AC环节有足够的时间来纠正直流电源的偏差，达到多机并联扩容。
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