串联谐振感应加热电源设计软件子系统
串联谐振感应加热电源设计软件子系统[20200102174055]
感应加热技术，作为一种新型加热技术，在与传统技术相比较下，有着许多优点，目前，感应加热技术正越来越广泛地被应用到各种工业领域之中，而在感应加热技术之中，感应加热电源又是必不可少的器件。本文着重设计和介绍了感应加热的软件子系统。 首先，本文对感应加热电源做了原理性的研究，再通过比较和选择，决定使用串联谐振型逆变器。再进一步分析了串联谐振感应加热电源的负载特性以及调功方式，确定了采用移相调工方式。分析了逆变器的感性，容性的不同工作方式之后，决定了采用感性移相调功策略。 接下来，分析了频率跟踪和移相调功的实现方法，介绍了DSP及其芯片TMS320F2812，分析了锁相环的工作原理，决定采用CD4046芯片通过硬件方式来实现频率跟踪，用基于DSP的驱动波形合成电路来实现移相控制，并将两者相结合。 最后，简单分析了DPLL数字锁相环的算法，给出了PS-PWM移相式脉宽调制法的说明，并设计了相关的程序流程。 *查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:感应加热,串联谐振,频率跟踪,移相控制
目 录
1 绪论 1
1.1 感应加热技术背景与意义 1
1.2 感应加热技术发展现状 3
1.3 感应加热技术发展趋势 4
1.4 本章小结 5
2 主电路分析及调功方式选择 5
2.1 感应加热电源总体结构 5
2.2 感应加热电源逆变器负载分析 6
2.3 串并联谐振电路比较 8
2.4 串联谐振逆变电路分析 8
2.5 调功方式介绍与选择 11
2.6 本章小结 17
3 控制方法分析 17
3.1 DPS简介及控制芯片选取 17
3.2 频率跟踪移向控制系统 17
3.3 锁相环介绍 20
3.4 频率跟踪控制方法 20
3.5 移相调功方法 21
3.6 本章小结 23
4 算法及程序流程 23
4.1 DPLL及其算法 23
4.2 功率控制程序 24
4.3 PWM脉冲生成方式 25
4.4 程序基本流程 26
4.5 本章小结 28
结论 32
致谢 33
参考文献 34
附录 35
1 绪论
1.1 感应加热技术背景与意义
感应加热技术，作为工业加热技术之中的一种，它是通过在工件之中产生涡流，并利用这样的涡流来对工件进行加热的一种加热方式，其中利用了电磁感应传递能量的原理。它和传统的加热技术最大的区别，就在于感应加热技术避免了工件之间的直接接触，即非接触式加热。同时，感应加热技术可以有效并且精确地将热量聚集在所要加热的工件部位。这也是其比一般加热技术优越的重要特点[1]。
感应加热技术的优点在于加热速度快，热量分布均匀，控制性好，器件占地面积少，自动化能力强，产品产出质量好等等。跟着上问题到的新技术的不断进步，传统产业形式（铸造，锻造，焊接，熔炼等）已不能满足了这种新型的加热技术，它已经越来越广泛地应用于更新方面，比如袖珍型电子器件的高精度焊接，航空航天工业，对特殊材料的表面改性层的一些特殊零件，特殊处理等不同领域。
图1-1感应加热原理图
如图1-1，当交变电流i通过图中感应线圈的时候，线圈内部会产生磁通量 ，而这种磁通量 的频率与交变电流i相同。之后由于磁通量 的存在，在工件内部又会产生感应电势。从麦斯威尔的电磁感应方程之中我们可以看出，感应电动势：
（1-1）
N的数量表示了线圈的匝数，当假定 为正弦量的时候：
（1-2）
接下来可得：
（1-3）
最后计算感应电动势有效值：
（1-4）
从上面的计算过程可以看出，感应加热技术的重点是感应线圈，感应线圈负责把电能传送给所要加热的部件，然后在部件内部发生电能向热能转化的过程[2]。在这一过程之中，线圈和所要加热的部件从本质上说不构成直接的接触，而是经过电磁感应来完成热量的转移这一过程。同时，这里所说的感应加热过程之中涡流的产生，与普通工业之中产生涡流的原理或者方法并没有很大的不同，只是唯一有区别的地方，即是在其他工业过程之中，涡流的产生往往有害于该工业过程，但是在感应加热过程之中，涡流的产生却是能否获得最终结果的关键因素。
下面提到四个重要的并且有很大联系的参量：感应电动势，发热的功率，频率的高低，以及磁场的强弱。当被加热工件的磁通随着交变电流的增加而增加的同时，工件内部的涡流也随之增大。提高频率而导致电流增加也会导致同样的影响。但涡流大小并不仅仅受频率影响，工件的物理属性（导电导磁率，截面大小。截面形状）也同时会影响涡流的产生。接下来介绍感应加热过程之中可能出现的三种效应：
集肤效应：因为导体部分上面的电流的漫衍,当其中的交流电经过导体时，往往汇集在工件表面，如此，我们把这样的现象称之为集肤效应。
邻近效应：导体中的电流分布不是仅仅受到导体内部的影响，它同样受到邻近导体内部电流的影响。当两根通电金属部件之间的间距很近的时候，如果他们的电流方向不同，那么最大电流分布在导体的内侧，反之则会在外部出现，此现象我们把它叫做邻近效应。
圆环效应：当线圈是圆环形状的时候，通入的最大电流分布在圆环内侧，这种效应就是圆环效应。
1.2 感应加热技术发展现状
说到感应加热技术，不得不提的就是电力电子技术，这两种正蓬勃发展的工业技术一直息息相关[3]。在六十年代之前，也就是晶闸管尚未问世的时候，那一系列的加热功率（工频感应炉，电磁频率乘法器，中频发电机和电子管振荡器）我们统称为传统的功率，静止式中频感应加热装置，然后按照晶闸管和应运而生，变逐渐成为了原来“传统电源”的替代品，但这些感应电源还没有涉及到所谓“全控型”器件，在八十年代之后，大量的“全控型”器件的问世，更先进的感应加热技术的发展和进步，感应加热电源正逐步进入高频方向，同时，新兴技术，感应加热电源具有促使外观，一系列重大变化特性，效率和安全性。
接下来介绍电力半导式感应加热装置。这是一种可以实现“频率跟踪”的装置，它可以侦测到负载的频率，同时自己选择合适的工作频率来进行运转，打到节能并且提高效率，节省时间的目的。
现在市面上的产品一般按频率来划分：比较低的频段一般小于200Hz,中间频段的范围在0.4一10kHz之间,“超音频”的范围在20一100kHz之间，这里尤其要注意100Khz为超音频,而最后的高频即是100kHz以上的频率。
在低频范围（0-200Hz），感应加热装置主要应用在大型工件的处理之上，如果需要将大型工件进行整体加热，或者是在大型熔炉里进行熔炼等工作，那么低频感应加热技术就可以发挥作用。据调查，国外用于这一领域的的工频感应装置可以达到数百兆瓦，技术指标达到几十吨重钢材或者工件的整体加热，国内也可以找到相关的产品，但是不管怎样，和普通工频感应炉相比，感应加热这一新技术所带来的新产品在低频领域还是很难与之相抗衡，不管在效率，可靠性甚至价格方面。
中频段（0.4一10kHz），中频发电机与感应加热技术的结合要从二十年代之后说起了，在二十年代之后，中频发电机才被采用在感应加热方面，而随后就不仅仅是简单尝试，而是大刀阔斧的改进和研发，但还是存在一些问题，譬如效率低，需要不断更换补偿电源，倍频器的饱和深度难以控制等等，而1956年之后（即晶闸管问世之后），晶闸管式中频感应加热电源被越来越多的人所认可，直到最后几乎完全替代了原来的两种器件（中频发电机和倍频器）。但问题在于国内的中频感应加热电源的逆变器通常采用并联逆变结构，而在串联结构逆变器的开发上还略有欠缺。
感应加热技术，作为一种新型加热技术，在与传统技术相比较下，有着许多优点，目前，感应加热技术正越来越广泛地被应用到各种工业领域之中，而在感应加热技术之中，感应加热电源又是必不可少的器件。本文着重设计和介绍了感应加热的软件子系统。 首先，本文对感应加热电源做了原理性的研究，再通过比较和选择，决定使用串联谐振型逆变器。再进一步分析了串联谐振感应加热电源的负载特性以及调功方式，确定了采用移相调工方式。分析了逆变器的感性，容性的不同工作方式之后，决定了采用感性移相调功策略。 接下来，分析了频率跟踪和移相调功的实现方法，介绍了DSP及其芯片TMS320F2812，分析了锁相环的工作原理，决定采用CD4046芯片通过硬件方式来实现频率跟踪，用基于DSP的驱动波形合成电路来实现移相控制，并将两者相结合。 最后，简单分析了DPLL数字锁相环的算法，给出了PS-PWM移相式脉宽调制法的说明，并设计了相关的程序流程。 *查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:感应加热,串联谐振,频率跟踪,移相控制
目 录
1 绪论 1
1.1 感应加热技术背景与意义 1
1.2 感应加热技术发展现状 3
1.3 感应加热技术发展趋势 4
1.4 本章小结 5
2 主电路分析及调功方式选择 5
2.1 感应加热电源总体结构 5
2.2 感应加热电源逆变器负载分析 6
2.3 串并联谐振电路比较 8
2.4 串联谐振逆变电路分析 8
2.5 调功方式介绍与选择 11
2.6 本章小结 17
3 控制方法分析 17
3.1 DPS简介及控制芯片选取 17
3.2 频率跟踪移向控制系统 17
3.3 锁相环介绍 20
3.4 频率跟踪控制方法 20
3.5 移相调功方法 21
3.6 本章小结 23
4 算法及程序流程 23
4.1 DPLL及其算法 23
4.2 功率控制程序 24
4.3 PWM脉冲生成方式 25
4.4 程序基本流程 26
4.5 本章小结 28
结论 32
致谢 33
参考文献 34
附录 35
1 绪论
1.1 感应加热技术背景与意义
感应加热技术，作为工业加热技术之中的一种，它是通过在工件之中产生涡流，并利用这样的涡流来对工件进行加热的一种加热方式，其中利用了电磁感应传递能量的原理。它和传统的加热技术最大的区别，就在于感应加热技术避免了工件之间的直接接触，即非接触式加热。同时，感应加热技术可以有效并且精确地将热量聚集在所要加热的工件部位。这也是其比一般加热技术优越的重要特点[1]。
感应加热技术的优点在于加热速度快，热量分布均匀，控制性好，器件占地面积少，自动化能力强，产品产出质量好等等。跟着上问题到的新技术的不断进步，传统产业形式（铸造，锻造，焊接，熔炼等）已不能满足了这种新型的加热技术，它已经越来越广泛地应用于更新方面，比如袖珍型电子器件的高精度焊接，航空航天工业，对特殊材料的表面改性层的一些特殊零件，特殊处理等不同领域。
图1-1感应加热原理图
如图1-1，当交变电流i通过图中感应线圈的时候，线圈内部会产生磁通量 ，而这种磁通量 的频率与交变电流i相同。之后由于磁通量 的存在，在工件内部又会产生感应电势。从麦斯威尔的电磁感应方程之中我们可以看出，感应电动势：
（1-1）
N的数量表示了线圈的匝数，当假定 为正弦量的时候：
（1-2）
接下来可得：
（1-3）
最后计算感应电动势有效值：
（1-4）
从上面的计算过程可以看出，感应加热技术的重点是感应线圈，感应线圈负责把电能传送给所要加热的部件，然后在部件内部发生电能向热能转化的过程[2]。在这一过程之中，线圈和所要加热的部件从本质上说不构成直接的接触，而是经过电磁感应来完成热量的转移这一过程。同时，这里所说的感应加热过程之中涡流的产生，与普通工业之中产生涡流的原理或者方法并没有很大的不同，只是唯一有区别的地方，即是在其他工业过程之中，涡流的产生往往有害于该工业过程，但是在感应加热过程之中，涡流的产生却是能否获得最终结果的关键因素。
下面提到四个重要的并且有很大联系的参量：感应电动势，发热的功率，频率的高低，以及磁场的强弱。当被加热工件的磁通随着交变电流的增加而增加的同时，工件内部的涡流也随之增大。提高频率而导致电流增加也会导致同样的影响。但涡流大小并不仅仅受频率影响，工件的物理属性（导电导磁率，截面大小。截面形状）也同时会影响涡流的产生。接下来介绍感应加热过程之中可能出现的三种效应：
集肤效应：因为导体部分上面的电流的漫衍,当其中的交流电经过导体时，往往汇集在工件表面，如此，我们把这样的现象称之为集肤效应。
邻近效应：导体中的电流分布不是仅仅受到导体内部的影响，它同样受到邻近导体内部电流的影响。当两根通电金属部件之间的间距很近的时候，如果他们的电流方向不同，那么最大电流分布在导体的内侧，反之则会在外部出现，此现象我们把它叫做邻近效应。
圆环效应：当线圈是圆环形状的时候，通入的最大电流分布在圆环内侧，这种效应就是圆环效应。
1.2 感应加热技术发展现状
说到感应加热技术，不得不提的就是电力电子技术，这两种正蓬勃发展的工业技术一直息息相关[3]。在六十年代之前，也就是晶闸管尚未问世的时候，那一系列的加热功率（工频感应炉，电磁频率乘法器，中频发电机和电子管振荡器）我们统称为传统的功率，静止式中频感应加热装置，然后按照晶闸管和应运而生，变逐渐成为了原来“传统电源”的替代品，但这些感应电源还没有涉及到所谓“全控型”器件，在八十年代之后，大量的“全控型”器件的问世，更先进的感应加热技术的发展和进步，感应加热电源正逐步进入高频方向，同时，新兴技术，感应加热电源具有促使外观，一系列重大变化特性，效率和安全性。
接下来介绍电力半导式感应加热装置。这是一种可以实现“频率跟踪”的装置，它可以侦测到负载的频率，同时自己选择合适的工作频率来进行运转，打到节能并且提高效率，节省时间的目的。
现在市面上的产品一般按频率来划分：比较低的频段一般小于200Hz,中间频段的范围在0.4一10kHz之间,“超音频”的范围在20一100kHz之间，这里尤其要注意100Khz为超音频,而最后的高频即是100kHz以上的频率。
在低频范围（0-200Hz），感应加热装置主要应用在大型工件的处理之上，如果需要将大型工件进行整体加热，或者是在大型熔炉里进行熔炼等工作，那么低频感应加热技术就可以发挥作用。据调查，国外用于这一领域的的工频感应装置可以达到数百兆瓦，技术指标达到几十吨重钢材或者工件的整体加热，国内也可以找到相关的产品，但是不管怎样，和普通工频感应炉相比，感应加热这一新技术所带来的新产品在低频领域还是很难与之相抗衡，不管在效率，可靠性甚至价格方面。
中频段（0.4一10kHz），中频发电机与感应加热技术的结合要从二十年代之后说起了，在二十年代之后，中频发电机才被采用在感应加热方面，而随后就不仅仅是简单尝试，而是大刀阔斧的改进和研发，但还是存在一些问题，譬如效率低，需要不断更换补偿电源，倍频器的饱和深度难以控制等等，而1956年之后（即晶闸管问世之后），晶闸管式中频感应加热电源被越来越多的人所认可，直到最后几乎完全替代了原来的两种器件（中频发电机和倍频器）。但问题在于国内的中频感应加热电源的逆变器通常采用并联逆变结构，而在串联结构逆变器的开发上还略有欠缺。
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