全数字控制高频感应加热电源的研究

论文摘要

感应加热电源以其节能、高效、无污染等优点在工业生产中得到了广泛的应用。本文以感应加热电源为研究对象,对感应加热电源常用的谐振槽路和拓扑结构进行了分析,选择了更适合高频感应加热电源的串联型逆变器;并分析了感应加热电源的各种调功方式,在对比几种功率调节方式的基础上,得出了整流侧调功有利于高频感应加热电源频率和功率提高的结论,选择了不控整流加斩波器的功率调节方式。感应加热电源的频率跟踪电路大都采用基于CD4046的模拟锁相环,但传统模拟锁相环存在着频率跟踪范围较窄、动态响应较慢、可靠性差,死区时间需要用辅助电路实现等一些缺点。本文对锁相环原理进行了分析,根据其数学模型,针对传统锁相环的缺点提出了一种基于数字信号处理器(DSP)的软件锁相环(SPLL)的实现方法。文中对这种软件锁相环(SPLL)的算法及软硬件设计进行了详细的阐述。本文同时设计了感应加热电源的功率闭环控制系统,将功率控制问题转化为Buck斩波器的电压控制问题。根据感应加热电源功率控制的特点,设计了基于模糊PI控制的功率闭环控制系统,并详细阐述了其基于DSP的软硬件实现方法。在理论分析的基础上,本文设计了一台10kW的基于DSP的高频感应加热电源实验样机,其中斩波器频率为20kHz,逆变器工作频率为100kHz,控制核心采用TI公司的TMS320LF2407A DSP控制芯片,简化了系统结构的同时提高了系统性能。最后,本文还给出了软硬件设计方案和实验结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 高频感应加热技术概述
• 1.2 感应加热电源的现状与发展趋势
• 1.2.1 国外感应加热电源的发展现状
• 1.2.2 国内感应加热电源的发展现状
• 1.2.3 感应加热电源未来的发展方向
• 1.3 选题的研究内容与意义
• 1.3.1 选题的研究意义
• 1.3.2 选题的主要研究内容
• 第二章 感应加热电源的原理、结构及分析
• 2.1 感应加热电源的整体结构方案
• 2.2 感应加热电源功率控制方式分析
• 2.2.1 逆变侧功率调节
• 2.2.2 直流侧功率调节
• 2.3 感应加热电源逆变拓扑结构分析
• 2.3.1 串联谐振逆变器
• 2.3.2 并联谐振逆变器
• 2.3.3 逆变电路拓扑结构的选择
• 2.4 小结
• 第三章 频率跟踪控制系统设计
• 3.1 琐相环的原理及数学模型
• 3.1.1 琐相环的基本原理
• 3.1.2 线性化相位模型及传递函数
• 3.2 传统锁相环的实现
• 3.3 软件锁相环（SPLL）原理与算法
• 3.3.1 软件锁相环（SPLL）原理
• 3.3.2 TM5320LF240x 芯片的捕获单元
• 3.3.3 感应加热电源软件锁相原理
• 3.3.4 软件锁相环中各种环路滤波程序算法实现
• 3.4 基于DSP 的软件锁相环的设计
• 3.4.1 TM5320X240x 的结构与特点
• 3.4.2 基于DSP 的软件锁相环算法分析
• 3.5 小结
• 第四章 基于直流斩波的功率控制系统设计
• 4.1 BUCK 斩波功率调节原理
• 4.2 基于BUCK 变换器功率闭环控制系统
• 4.2.1 Buck 变换器闭环控制模型
• 4.2.2 单闭环调功控制系统
• 4.2.3 功率闭环控制系统
• 4.2.4 电流电压双闭环控制系统
• 4.3 模糊PI 控制器设计
• 4.4 基于DSP 的功率闭环控制系统的实现
• 4.5 小结
• 第五章 基于DSP 的系统软硬件设计
• 5.1 系统构成
• 5.2 电源的参数设计与选择
• 5.3 系统的硬件设计
• 5.3.1 DSP 最小系统的设计
• 5.3.2 基于DSP 的感应加热电源控制电路的设计
• 5.3.3 IGBT 驱动和保护电路设计
• 5.3.4 系统供电电源的设计
• 5.4 系统的软件设计
• 5.4.1 软件设计的基本思想
• 5.4.2 系统程序设计
• 5.5 小结
• 第六章 实验结果与结论
• 6.1 实验结果分析
• 6.2 全文总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附录A 主要电路图
• 附录B 部分源程序
• 附录C 攻读硕士学位期间的学术论文及研究成果清单