基于DSP的IGBT感应加热电源的研究

论文摘要

感应加热表面淬火是利用感应电流通过工件产生热效应,使工件表面局部加热继之快速冷却的现代工业淬火技术。淬火后,工件心部仍保持淬火前的韧性,而表面具有高硬度和高耐磨性的优点。这种淬火技术的核心部分是智能化感应加热电源。本文研究了适用于较大直径轴类、中大齿轮淬火的20kHz/10kW中频电源的设计。该电源的主电路由三相不控整流电路和容易频繁启动的串联谐振逆变器组成。该逆变器的功率开关器件采用先进的大功率绝缘栅双极性晶体管(IGBT),控制芯片采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812。本文对该感应加热电源进行了整体设计并重点研究了其数字化频率跟踪和功率控制技术。论文首先介绍了串联感应加热电源的工作原理,具体分析了串联逆变器在感性、谐振、容性三种工作情况下功率器件的开关状态,然后根据IGBT关断损耗大的特征设计了容性移相功率控制,并具体介绍了容性状态下移相PWM功率调节的方法,还采用MATLAB/SIMULINK仿真对所设计的功率调节方法进行了验证。在感应加热电源硬件电路设计方面,介绍了以TMS320F2812为核心的控制采样电路及IGBT驱动电路,在此基础上编程了软件锁相环和功率移相PWM控制程序,完成了样机并对其进行了整体调试。实验结果验证了软件锁相的正确性,实现了快速频率自动跟踪控制,生成了移相角连续可调的驱动脉冲,实现了闭环功率控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 感应加热电源的理论基础
• 1.1.1 电磁感应定律和焦耳热效应
• 1.1.2 集肤效应
• 1.2 感应加热电源发展现状与趋势
• 1.2.1 感应加热电源发展与现状
• 1.2.2 感应加热电源发展趋势
• 1.3 选题的意义和论文的主要工作
• 2 IGBT串联感应加热电源结构及工作原理
• 2.1 感应加热电源的结构
• 2.2 串联谐振负载
• 2.3 全桥移相逆变器工作原理
• 2.3.1 软开关技术
• 2.3.2 串联谐振逆变器三种工作状态
• 2.4 容性工作状态下移相PWM逆变器的工作特点
• 3 电路参数设计及MATLAB仿真
• 3.1 主电路参数设计
• 3.1.1 三相不控整流滤波参数
• 3.1.2 逆变器及负载参数设计
• 3.2 感应加热电源仿真及仿真分析
• 3.2.1 MATLAB/SIMULINK简介
• 3.2.2 系统仿真模型
• 3.2.3 仿真结果及分析
• 4 感应加热电源整体设计
• 4.1 TMS320F2812控制系统硬件设计
• 4.1.1 DSP芯片的特点
• 4.1.2 DSP外围电路设计
• 4.2 IGBT的驱动电路设计
• 4.2.1 IGBT的驱动电路设计要求
• 4.2.2 IGBT的驱动器SKHI22及外围电路设计
• 4.3 负载电压、电流取样检测电路
• 5 感应加热电源的软件设计
• 5.1 总体设计方案
• 5.1.1 软件开发环境
• 5.1.2 主程序设计
• 5.2 锁相环设计原理
• 5.2.1 锁相基本原理
• 5.2.2 数字锁相环设计原理
• 5.3 数字PID控制
• 5.3.1 PID控制原理
• 5.3.2 PID控制程序
• 5.3.3 有功功率计算
• 5.3.4 有功功率计算程序
• 6 实验结果与分析
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢