基于DSP的全橋移相控制感應加熱電源研究

0 引言
??? 隨著感應加熱電源對自動化控制程度及可靠性要求的提高，感應加熱電源正向智能化與數字化控制的方向發展。DSP具有高速的數字處理能力及豐富的外設功能，使得一些先進的控制策略能夠應用實踐，研究基于DSP的數字控制感應加熱電源，可使產品具有更加優良的穩定性及控制的實時性，并且具有簡單靈活的特點。本文以TMS320F2812為核心，設計了超音頻串聯諧振式感應加熱電源的數字化控制系統，包括數字鎖相環(DPLL)、移相PWM發生與系統閉環控制等。

1 系統結構
??? 串聯諧振式感應加熱電源主電路如圖1所示。采用不控整流加可控逆變電源結構，負載為感應線圈(等效為電感)與補償電容串聯。逆變部分采用帶鎖相環的移相PWM控制。基于TMS320F2812的系統控制框圖如圖2所示。其中直流側電壓檢測電路和電流檢測電路用于系統的閉環控制；輸出電流檢測電路是獲取負載電流頻率脈沖信號，用于頻率跟蹤的同步信號。

2 移相PWM調功原理
??? 圖1中由VTl和VT2的臂作為基準臂，VT3和VT4的臂作為移相臂，控制脈沖如圖3所示。由圖可見，其中VT1和VT2、VT3和VT4控制信號仍然保持互補相位關系，但VT3和VT4控制信號分別滯后VT1和VT2角度β，該角度在0～π范圍內連續可調。改變移相臂的相位角β即可改變輸出電壓波形，從而改變電壓基波有效值，實現橋內調壓的目的。

??? 設輸入直流電壓為Ud，VT4控制信號滯后VT1控制信號β角。則電路輸出功率可用基波有功功率表示：

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3 基于DSP控制系統的實現
??? 1)數字鎖相環與移相PWM信號的發生
??? 采用TMS320F2812的EV單元，結合數字鎖相環基本算式，可有效實現感應加熱電源的頻率跟蹤。數字鎖相環基本算式如下：

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??? 式中，T0(n)為同步信號周期，T1(n)為二階濾波后的結果，T(n)為頻率相位修正后的結果。A為頻率修正系數，B為相位修正系數。
??? 基于TMS320F28l2實現數字鎖相環(DPLL)的基本原理如圖4所示。算法過程如下：

??? (1)設置捕獲單元為上升沿捕獲，當同步信號脈沖的上升沿到達到，計數器2從零開始計數，當下一個脈沖上升沿到達時，捕獲計數器2的值，得到同步信號的周期值T0(n)。
??? (2)開放定時器1的下溢中斷，當計數器l為零時即進入下溢中斷，立即讀取并記錄此刻計數器2的值，如圖4中點M，該值即為相位差θ(n)，將其存入到相應寄存器中，等待程序調用。
??? (3)調用相關變量，基于鎖相環基本算式，計算得到新的周期值T(n)。
??? (4)判斷T(n)是否在頻率限定范圍之內，限幅處理后，將T(n)作為計數器1下一周期的周期值，這樣在每個周期都進行調節便可實現鎖相的目的。
??? 考慮到移相PWM信號的發生，這里需設置計數器l為連續增減計數模式，所以實際載入周期寄存器的值的需再除以2。
??? 移相PWM信號的發生原理如圖5所示。設置定時／計數器1(GPl)為連續增減計數模式，設A和A′兩點對應于比較單元l(CMPl)，B和B′對應于比較單元2(CMP2)。比較單元1與比較單元2分別輸出兩路互補的脈沖信號。在GPl的下溢中斷和周期匹配中斷及時改變定時器比較寄存器的值，即可產生所需的移相PWM信號。

??? 比較寄存器值的算法如下：

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??? 其中，TPR(n)為定時器l的周期值，date1和date2為兩個變量值。改變datel與date2的差值，即可得到移相角可控的PWM輸出。
??? 設移相臂的滯后角度為β，則

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??? 由式(3)可知，當datel=0，date2=TPR(n)時，移相角β最大，此時移相范圍為0～π，但在DSP的程序設計中datel(A點)是不能取零的，所以在這種算法下，移相角的范圍與datel的最小取值有關。

?結合數字鎖相環與移相PWM的發生原理，可以設計出兩者相結合的算法，在DSP中的算法流程圖如圖6所示。

??? 2)閉環控制
??? 本文采用閉環控制結構如圖7所示。檢測輸出電壓及電流變化，將反饋信號輸入到DSP的ADC采樣端口，進行模數轉換，得到電壓與電流的反饋值，然后通過乘法器將兩者相乘，再與給定比較，功率調節器的輸出控制逆變器的移相角度，使輸出功率保持恒定。
??? 因為感應加熱電源系統負載的慣性比較大，即參數變化比較慢。因此，可以不考慮PID微分環節，采用PI調節，就可以滿足系統的控制要求。
??? 3)相位補償與啟動問題
??? 由于系統在實際運行中硬件滯后的影響或是程序執行效率的影響，在沒有進行相位補償的時候，控制信號必滯后于反饋信號某一角度。在實際應用中常采用外部相位補償電路實現輸出與反饋的相位同步，同樣也可以在程序中進行補償。本文在鎖相環的算法程序中添加了相位補償環節。在相位差的計算中引入誤差角θerr，令

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??? 式中θ′(n)為重新計算后的相位差，將其作為DPLL算法中的相位差即可實現輸出脈沖的相位補償。根據實驗測試與計算得到準確的θerr，最終可以使輸入脈沖與輸出信號保持零相位差關系，這對于系統的實際運行是非常必要的。

感應加熱電源在啟動時，由于負載還沒有電流，無法進行頻率跟蹤，所以必須先依靠他激信號使電源正常啟動，當反饋電流達到一定幅值后再轉化為自激狀態。本文在系統啟動時先通過DSP發生50kHz到20kHz的掃頻PWM信號，然后ADC采樣單元不斷檢測負載電流有效值反饋，設定閥值，當反饋電流有效值高于閥值時，跳出掃頻程序進入到數字鎖相環程序，使系統工作在自激狀態，算法流程圖如圖8所示。

4 實驗結果及結論
??? 基于TMS320F2812編寫控制系統程序，聯結感應加熱電源樣機，進行實驗與調試，得到以下實驗結果。
??? 圖9所示為感應加熱電源在頻率跟蹤與移相式閉環控制作用下，輸出電壓與輸出電流的工作波形。此時負載電感L≈105μH，補償電容C=0．4μF。從圖中可以看出，輸出電壓與電流始終保持固定的相位關系，說明數字鎖相環正常工作。

??? 實驗過程中，給定不變，改變負載串聯電阻的大小，如圖9中(a)、(b)、(c)所示，負載串聯電阻分別為尺=6Ω，R=5Ω，R=4Ω，可以看出，在閉環控制的作用下，負載串聯接入的電阻值變大后，輸出電壓的占空比即隨之相應變小。圖9中(d)、(e)、(f)為逆變器直流側輸入電壓分別為Ud=27V、Ud=30V、Ud=34V時，輸出電壓與輸出電流波形，從圖中可以看出，在不同輸入電壓情況下，輸出電壓的占空比會發生相應變化。
??? 實驗表明，本文設計的算法是穩定有效的，實驗結果符合理論分析。基于TMS320F2812構成的感應加熱電源移相式閉環控制系統，可以完成對串聯諧振式感應加熱電源的頻率跟蹤與輸出功率的連續可調，且具有較好的閉環控制特性。