SH69P42單片機在電磁爐控制中的應用

電磁爐工作時,雖然輸入信號是市電的220 V交流電,但是為了保持功率恒定和內部穩定工作,需要對各參數進行實時的檢測和控制,以有效地實現鍋具超溫保護、鍋具干燒保護、鍋具傳感器開／短路保護、忘記關機保護、IGBT溫度限制、IGBT溫度過高保護、低溫環境工作模式、IGBT測溫傳感器開／短路保護、高低電壓保護、浪涌電壓保護、VCE抑制、VCE過高保護、過零檢測、小物檢測、鍋具材質檢測、定時等功能。

??? 這些參數中有很多是互相關聯、互相影響的,因此,使用單片機實現檢測和控制,無論從成本上,還是從可靠性、實現方案上,均是較好的選擇。

??? 1 控制參數及其相互關系

??? 1.1 電磁爐的工作原理

??? 電磁爐是一種利用電磁感應原理將電能轉換為熱能的廚房電器。它有兩種類型：一種是利用工頻電流進行感應加熱;另一種是利用15 kHz以上的高頻電流進行感應加熱。前者稱為"工頻電磁爐",后者稱為"高頻電磁爐"。工頻電磁爐無需進行工頻到高頻的變換電路,電路復雜性較小;但是,需要特殊的復合材料(一般為不銹鋼、鐵、不銹鋼、鋁四層復合)制成的烹飪鍋具才能正常工作。高頻電磁爐需要設置高頻變換和控制電路,但無需復合材料制成鍋體。家用電磁爐一般采用高頻模式。

??? 高頻電磁爐熱效率高達83％。在電磁爐內部的主諧振部分,由整流電路將50 Hz／60 Hz的交流電壓變成直流電壓,再經過控制電路將直流電壓轉換成頻率為20～50 kHz的高頻電壓。高速變化的電流流過線圈時,產生高速交變的磁場;當磁場內的磁力線通過金屬器皿時,底部會產生巨大的渦流,使器皿本身自行高速發熱,然后再加熱器皿內的物質。

??? 1.2 電磁爐的檢測和控制參數

??? 電磁爐工作時需要檢測、控制的信號或參數有以下14種：工作電壓(輸入、模擬量),工作電流(輸入、模擬量),IGBT工作溫度(輸入、模擬量),輸出到器皿的溫度(輸入、模擬量),交流電過零(輸入、數字量)．同步(輸入、數字量),風扇(輸出、數字量),蜂鳴器(輸出、PWM)．IG-BT導通和截止(輸出、PWM),電源浪涌(輸入／輸出、數字量),IGBT之C端的過壓(輸入／輸出、數字量),試探信號(輸出、數字量),按鍵監測(輸入／輸出、數字量),顯示控制(輸出、數字量)。

??? 1.3 控制參數的相互關系

??? 以上參數除后兩項屬于人機交互界面外,其他12項參數均互相關聯,關聯關系如圖1所示。

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??? 在圖1中,參數I、V、Vp-p、VCE、T1、T2分別為：工作電流設定值、工作電壓設定值、浪涌電壓設定值、IGBT最大擊穿電壓設定值、IGBT溫度值和加熱線圈溫度值。所有參數的加入均以使IGBT可靠、正常地工作為中心。IGBT可靠、正常地工作是指：輸出功率恒定,發熱和鍋底溫度在允許的范圍內。

??? 2 綜合控制的實現

??? 2.1 單片機SH69P42

??? SH69P42是中穎公司基于SH6610D內核的4位RISC指令集的單片機。它帶有4通道8位SAR A／D轉換器,2通道10位PWM輸出,2級3種中斷(A／D中斷、端口中斷和定時器中斷),2個8位定時器,16個I／O引腳;內有OTP型ROM(3 072×16位)和RAM(192×4位);還有低電壓監視復位和內置看門狗電路,振蕩器工作頻率為32 768 Hz～8 MHz。SH69P42共有43條指令,每條指令的執行時間均等,為振蕩器周期的4倍。

??? SH69P42適合工業級,應用于對系統抗干擾能力要求極高的場合,家電應用是它的一個重要方面。從SH69P42的單片機資源分析,結合1.2節給出的參數可以看到,該單片機非常適合于電磁爐的控制。

??? 2.2 綜合控制的策略

??? 2.2.1 輸出功率的控制

??? 控制IGBT的信號是一個周期固定的PWM脈沖。由文獻[2]可知,電磁爐的輸出瞬時功率決定于一個PWM周期中高電平的占空比,此期間導通的IGBT所流過電流的大小決定功率的大小。因此,電磁爐的輸出功率可以間接地使用PWM周期的占空比來實現。計算方法可以簡單地使用線性對應。

??? SH69P42有2個10位PWM,可以通過簡單的編程來實現規定的占空比輸出。

??? PWM0：對應的周期寄存器為$22、$23、$24三個單元,分別對應低4位、中4位和高2位;

??? PWM1：對應的周期寄存器為$28、$29、$2A三個單元,分別對應低4位、中4位和高2位。

??? 對應的PWM周期=3個單元連起來的10位二進制數×PWM時鐘

??? PWM0：對應的占空比寄存器為$25、$26、$27三個單元,分別對應低4位、中4位和高2位;

??? PWM1：對應的周期寄存器為$2B、$2C、$2D三個單元,分別對應低4位、中4位和高2位。

??? 對應的PWM占空比=3個單元連起來的10位二進制數×PWM時鐘

??? PWM時鐘可以編程(PWM0為$20,PWM1為$21單元)設定為振蕩周期的1、2、4、8倍。

??? 功率輸出還應與鍋底溫度的檢測相結合,并且以鍋底溫度為上限條件,即使達不到設定功率值,只要鍋底溫度達到了規定值也視為功率達標。
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??? 2.2.2 IGBT的安全

??? 電磁爐中的IGBT工作時,根據不同設定功率,導通電流為8～40 A不等．承受電壓為800 V左右。對封裝在小空間里的電子器件來說,這個工作參數是比較危險的。一旦出現IGBT的擊穿,將會危及周圍的元器件。因此,在電磁爐的控制策略里,保護IGBT正常工作是重中之重。從以下幾個方面來進行IGBT的保護：

??? ①如圖1所示,關斷IGBT后,在加熱線圈和振蕩電容自由振蕩時,從正電壓到零點以前不可使IGBT導通,要在濾波電容經過IGBT的回復二極管導通時打開IGBT控制脈沖,因為此時IGBT處于反偏狀態,正向的電壓尚未加入。此處的控制由同步電路承擔。

??? ②出現電源浪涌時,應立即關斷IGBT。TGBT的耐壓極限一般為1 200 V,對轉換為直流后的浪涌的檢測要限制在1 150 V以內,所以該段一定要使用金屬膜精密電阻。

??? ③電源出現過壓、過流時要關斷IGBT,理由同上。

??? ④電磁爐在工作一段時間后,可能會出現元器件的老化,從而造成參數的偏移。尤其是加熱線圈和振蕩電容的參數偏移會造成自由振蕩時電壓過高,這時加在IGBT的C、E兩端的電壓就會超過設計值,從而造成IGBT過壓擊穿。這里的保護類似①中電源的浪涌保護原理。

??? ⑤IGBT長時間大功率工作或散熱不良,會造成IG-BT溫度過高。根據IGBT的電流一溫度工作曲線．溫度在100℃時,其電流通過能力為25℃時的50％,因此要隨時監視IGBT的溫度,一旦超過設定值,應馬上關斷IGBT并實時檢測該溫度。

??? 2.3 軟硬件設計

??? 以SH69P42為核心的電磁爐控制系統,利用PWM0來控制IGBT的導通與截止,利用PWM1來控制無源的蜂鳴器;A／D轉換器用來接收工作電壓、工作電流、IGBT溫度和鍋底溫度4個信號。其余I／O除用于鍵盤掃描、顯示外,用來輸出試探信號、交流過零檢測、風扇驅動。

??? 軟件方面,設計定時中斷來循環判斷IGBT溫度、鍋底溫度,隨時進行IGBT的保護。使用SH69P42的時鐘中斷來進行有鍋無鍋檢測,因為在實際的應用中,電磁爐上的鍋具會隨時移開,電磁爐的加熱線圈和振蕩電容的工作狀態隨時會發生變化。無鍋時,該LC是一種無阻尼振蕩,峰值電壓會超過1 200 V進而損壞IGBT。實踐證明,檢測周期超過8 ms,就會引起IGBT的過壓損壞。

??? 結 語

??? 電磁爐的控制是目前家用電器中比較復雜的,尤其是廚房家電,工作環境比較復雜,內部又處于高壓、高溫、高頻狀態。SH69P42單片機憑借其優良的抗干擾性能、簡潔的指令系統和強大的邏輯運算指令,可以像控制一個PLD一樣控制一個系統。可以預見,該單片機將會有更廣闊的應用空間。