数字化感应加热电源设计
随着科学技术日新月异的进步，在工农业生产中，感应加热电源因为其节能、稳定性好、可靠性高和环保等优点得到了蓬勃发展。随着感应加热电源对自动化控制程度及可靠性要求的提高,感应加热电源正向智能化与数字化控制的方向发展。
本课题在选择主电路结构方式上，选取了具有代表性的串联谐振电路拓扑结构，选择容性的工作方式，并选取了移相脉宽调制法，逆变器的功率开关器件采用大功率绝缘栅双极性晶体管(IGBT)，控制器采用的是TI公司研发的DSP芯片TMS32OF2812，从而完成感应加热的总体设计。
由于本文侧重于课题软件设计方面，因此对频率跟踪常用的锁相环技术(PLL)进行详细的研究。利用数字锁相环实现频率跟踪，采用模块化设计的思路设计了针对DSP芯片的编程，并给出了各模块的实现流程图。
关键词 感应加热，串联谐振，频率跟踪，数字锁相环
目 录
1 引言 1
1.1 课题背景 1
1.2 研究课题的技术应用及其发展 1
1.3 课题的研究内容 2
2 感应加热电源总体方案 3
2.1 感应加热电源的结构 3
2.2 主电路的参数设计 4
2.3 感应加热主电路拓扑选择 4
2.4 功率控制方式分析与选择 7
2.5 控制器选择 10
3 频率跟踪技术的设计 11
3.1 频率跟踪技术 11
3.2 锁相环工作原理及性能分析 12
3.3 基于DSP实现数字锁相环 15
4 感应加热电源的软件设计 16
4.1主程序设计 16
4.2 数字锁相环设计 18
4.3 数字PID控制 20
结 论 25
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
致 谢 26
参 考 文 献 27
附录 源程序代码 28
1 引言
1.1 课题背景
目前，感应加热技术被广泛运用于金属透热、熔炼、及热处理等工业生产过程，是国防、冶金、机械加工等部门以及铸锻、船舶、汽车等制造行业不可或缺的技术设备。此外，在日常生活中，我们也对这种技术有大量的运用，例如大多家用电器就是利用这种加热方式实现的[1]。感应加热相比一些传统的加热方式具有很大优势。
感应加热的优势：无需整体加热，可进行局部加热。加热速度快，使用方便，操作简单，可随时开启或关闭。系统平台体积小，但工作效率高。对电能的利用率较高，节能环保，可靠性，工作条件也相对较好。可实现手动操作，也可进行半自或全自动操作。可根据不同需求调整工作频率和功率，对淬硬层进行控制，使硬度和韧性都比较高。
1.2 研究课题的技术应用及其发展
感应加热技术诞生于19世纪，首先被应用于金属熔化领域[2]。1927年，感应加热技术就被运用于对钢件表面进行淬火的处理工艺[3]。感应加热电源的发展史可用20世纪60年代作为分界点。在20世纪60年代以前，发电机组是感应加热电源的主要设计对象[4]。到了20世纪50年代末，美国科学家在贝尔实验室发明了晶闸管(SCR)，这是电力电子技术发展史上的一个重要里程碑。晶闸管的发明标志电力电子技术进入了一个新的的发展阶段，同时也给感应加热电源的发展提供了新的研究方向[5]。1966年，科学家在瑞士成功研发出了开关器件为晶闸管的感应加热电源，引发了固态感应加热电源的研究潮流[6]。自20世纪70年代以来，使用晶闸管的感应加热电源在功率和频率方面不断提高，性能日益完善。但由于晶闸管本身特性的限制，即通过对门极的控制只能使其导通，却不能使其关断，因此其控制电路比较繁杂，最终导致运用晶闸管制成高频电源相当困难。直到1983年，一种新型的电力电子器件—IGBT的诞生，才使得高频感应加热电源的研究得以实现[7]。
到了70年代末，全控型器件(如GTO、BJT、Power-MOSFET)飞速地发展，感应加热电源也随之迅速发展[8]。进入80年代之后，电力电子器件的功率变得越来越大，并出现了模块化的趋势。随后，新型电力电子器件（如SITH和MCT）的出现，感应加热电源又得到进一步发展[9]。
在高频感应加热研发领域，西班牙应用MOSFET功率器件制造了400KHz/600KW电流型并联谐振电源，德国可以制造出200KHz/480KW水平的高频电源，而比利时在这方面的制造水平可达到600KHz/1000KW。相比而言，美国应达公司的开发团队发明了400KHz/2000KW水平的MOSFET高频感应加热电源，这是目前能够达到的最高性能[10]。
在国内，浙江大学一直致力于感应加热电源的研究。上个世纪90年代，浙江大学独自研发出了采用MOSFET的300KHz/200KW高频感应加热电源。进入21世纪，西安理工大学、华北电力大学等科研院所也逐渐开始了对于感应加热电源的研究。值得一提的是，经过多方合作，华北电力大学研制出的感应加热电源工作频率和功率可达到500KHz/400KW水平。由于国内对感应加热电源的研究起步较晚，在功率和频率方面与国外的技术水平存在不小的差距。
随着技术发展和应用需求，感应加热电源的发展趋势如下：
(1)智能化控制。对于生产线自动化性能以及供电要求的提高，智能化控制是感应加热电源发展的新方向。具备计算机接口、远程控制等性能是下一代优良电源必不可少的优势。
(2)高功率因数，低谐波电源。一般情况下，感应加热电源的功率都非常大，目前对其功率因数和谐波污染指标也没有特别严格的要求，然而对于电网无功及谐波污染的要求不断提高，具有高功率因数和低谐波污染必将成为衡量感应加热电源优秀与否的新标准。
(3)电源和负载的最佳匹配。由于大多情况下应用于工业现场，运行工况相对比较繁杂，因此电源运行的可靠性和效率很大程度上依赖于电源逆变器与负载之间的配置方式。为了实现逆变器输出功率的最大化，必须使负载阻抗与逆变器的功率定额相匹配。因此如何选择合适的磁性材料以及绕组结构，来提高变压器的传输效率，已成为一个重要课题。
1.3 课题的研究内容
1.3.1 课题研究的目的及意义
在工业生产中，一般都需要加热环节。发明感应加热技术以前，通常采用传统加热方式，也就是运用煤、石油、天然气等化石资源提高热源，不仅要消耗大量不可再生的能源而且也产生很大的污染[11] 。而采用感应加热方式，不仅节约能源还能大大地提高效率和产品质量，提升产品的强度、韧性与耐磨性能。随着我国改善电力供应系统以及倡导环保的力度加强，对感应加热生产规模的发展和扩大是必然趋势。如今，人们对节能减耗的呼声越来越高，感应加热肯定会取代传统加热，成为主流的加热手段[12]。
通过本课题可以让自己掌握感应加热、DSP处理器、频率跟踪及锁相环的相关知识，给出感应加热电源的整体设计，完成课题的软件方面的设计，锻炼自己的自学能力，培养自己的分析设计才能。
电路的负载导纳：
(2-1)
谐振状态下：
2.4.1直流侧调功方式
直流调功又被称为调压调功(PAM)，由于整流电路输出电压可以改变负载功率，通过调节输出电压可对负载功率进行相应的调节，又通过频率跟踪实现负载工作在（准）谐振状态下。这种调功方式下，使得输出电压与输出电流之间具有固定的相位关系，易实现器件的软开关。根据电力电子技术的相关知识，可利用晶闸管全控整流电压，三相不控制整流器以及斩波电压来调整工作。
1 引言 1
1.1 课题背景 1
1.2 研究课题的技术应用及其发展 1
1.3 课题的研究内容 2
2 感应加热电源总体方案 3
2.1 感应加热电源的结构 3
2.2 主电路的参数设计 4
2.3 感应加热主电路拓扑选择 4
2.4 功率控制方式分析与选择 7
2.5 控制器选择 10
3 频率跟踪技术的设计 11
3.1 频率跟踪技术 11
3.2 锁相环工作原理及性能分析 12
3.3 基于DSP实现数字锁相环 15
4 感应加热电源的软件设计 16
4.1主程序设计 16
4.2 数字锁相环设计 18
4.3 数字PID控制 20
结 论 25
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
致 谢 26
参 考 文 献 27
附录 源程序代码 28
1 引言
1.1 课题背景
目前，感应加热技术被广泛运用于金属透热、熔炼、及热处理等工业生产过程，是国防、冶金、机械加工等部门以及铸锻、船舶、汽车等制造行业不可或缺的技术设备。此外，在日常生活中，我们也对这种技术有大量的运用，例如大多家用电器就是利用这种加热方式实现的[1]。感应加热相比一些传统的加热方式具有很大优势。
感应加热的优势：无需整体加热，可进行局部加热。加热速度快，使用方便，操作简单，可随时开启或关闭。系统平台体积小，但工作效率高。对电能的利用率较高，节能环保，可靠性，工作条件也相对较好。可实现手动操作，也可进行半自或全自动操作。可根据不同需求调整工作频率和功率，对淬硬层进行控制，使硬度和韧性都比较高。
1.2 研究课题的技术应用及其发展
感应加热技术诞生于19世纪，首先被应用于金属熔化领域[2]。1927年，感应加热技术就被运用于对钢件表面进行淬火的处理工艺[3]。感应加热电源的发展史可用20世纪60年代作为分界点。在20世纪60年代以前，发电机组是感应加热电源的主要设计对象[4]。到了20世纪50年代末，美国科学家在贝尔实验室发明了晶闸管(SCR)，这是电力电子技术发展史上的一个重要里程碑。晶闸管的发明标志电力电子技术进入了一个新的的发展阶段，同时也给感应加热电源的发展提供了新的研究方向[5]。1966年，科学家在瑞士成功研发出了开关器件为晶闸管的感应加热电源，引发了固态感应加热电源的研究潮流[6]。自20世纪70年代以来，使用晶闸管的感应加热电源在功率和频率方面不断提高，性能日益完善。但由于晶闸管本身特性的限制，即通过对门极的控制只能使其导通，却不能使其关断，因此其控制电路比较繁杂，最终导致运用晶闸管制成高频电源相当困难。直到1983年，一种新型的电力电子器件—IGBT的诞生，才使得高频感应加热电源的研究得以实现[7]。
到了70年代末，全控型器件(如GTO、BJT、Power-MOSFET)飞速地发展，感应加热电源也随之迅速发展[8]。进入80年代之后，电力电子器件的功率变得越来越大，并出现了模块化的趋势。随后，新型电力电子器件（如SITH和MCT）的出现，感应加热电源又得到进一步发展[9]。
在高频感应加热研发领域，西班牙应用MOSFET功率器件制造了400KHz/600KW电流型并联谐振电源，德国可以制造出200KHz/480KW水平的高频电源，而比利时在这方面的制造水平可达到600KHz/1000KW。相比而言，美国应达公司的开发团队发明了400KHz/2000KW水平的MOSFET高频感应加热电源，这是目前能够达到的最高性能[10]。
在国内，浙江大学一直致力于感应加热电源的研究。上个世纪90年代，浙江大学独自研发出了采用MOSFET的300KHz/200KW高频感应加热电源。进入21世纪，西安理工大学、华北电力大学等科研院所也逐渐开始了对于感应加热电源的研究。值得一提的是，经过多方合作，华北电力大学研制出的感应加热电源工作频率和功率可达到500KHz/400KW水平。由于国内对感应加热电源的研究起步较晚，在功率和频率方面与国外的技术水平存在不小的差距。
随着技术发展和应用需求，感应加热电源的发展趋势如下：
(1)智能化控制。对于生产线自动化性能以及供电要求的提高，智能化控制是感应加热电源发展的新方向。具备计算机接口、远程控制等性能是下一代优良电源必不可少的优势。
(2)高功率因数，低谐波电源。一般情况下，感应加热电源的功率都非常大，目前对其功率因数和谐波污染指标也没有特别严格的要求，然而对于电网无功及谐波污染的要求不断提高，具有高功率因数和低谐波污染必将成为衡量感应加热电源优秀与否的新标准。
(3)电源和负载的最佳匹配。由于大多情况下应用于工业现场，运行工况相对比较繁杂，因此电源运行的可靠性和效率很大程度上依赖于电源逆变器与负载之间的配置方式。为了实现逆变器输出功率的最大化，必须使负载阻抗与逆变器的功率定额相匹配。因此如何选择合适的磁性材料以及绕组结构，来提高变压器的传输效率，已成为一个重要课题。
1.3 课题的研究内容
1.3.1 课题研究的目的及意义
在工业生产中，一般都需要加热环节。发明感应加热技术以前，通常采用传统加热方式，也就是运用煤、石油、天然气等化石资源提高热源，不仅要消耗大量不可再生的能源而且也产生很大的污染[11] 。而采用感应加热方式，不仅节约能源还能大大地提高效率和产品质量，提升产品的强度、韧性与耐磨性能。随着我国改善电力供应系统以及倡导环保的力度加强，对感应加热生产规模的发展和扩大是必然趋势。如今，人们对节能减耗的呼声越来越高，感应加热肯定会取代传统加热，成为主流的加热手段[12]。
通过本课题可以让自己掌握感应加热、DSP处理器、频率跟踪及锁相环的相关知识，给出感应加热电源的整体设计，完成课题的软件方面的设计，锻炼自己的自学能力，培养自己的分析设计才能。
电路的负载导纳：
(2-1)
谐振状态下：
2.4.1直流侧调功方式
直流调功又被称为调压调功(PAM)，由于整流电路输出电压可以改变负载功率，通过调节输出电压可对负载功率进行相应的调节，又通过频率跟踪实现负载工作在（准）谐振状态下。这种调功方式下，使得输出电压与输出电流之间具有固定的相位关系，易实现器件的软开关。根据电力电子技术的相关知识，可利用晶闸管全控整流电压，三相不控制整流器以及斩波电压来调整工作。
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