基于STM32的超音頻感應(yīng)加熱電源設(shè)計(jì)

鄒傳智，李曉麗

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620)

基于STM32的超音頻感應(yīng)加熱電源設(shè)計(jì)

鄒傳智，李曉麗

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620)

提出一種利用STM32作為控制芯片來(lái)控制實(shí)現(xiàn)超音頻感應(yīng)加熱的電源方案。讓STM32的高級(jí)定時(shí)器輸出四路PWM控制逆變?nèi)珮虻腎GBT管門(mén)極，通過(guò)檢測(cè)負(fù)載回路電壓及電流波形的相位差實(shí)時(shí)調(diào)控輸送給門(mén)極PWM的頻率，使系統(tǒng)達(dá)到準(zhǔn)諧振狀態(tài)，從而將無(wú)功功率的消耗控制到最小，并且通過(guò)改變逆變電橋左右橋臂的IGBT門(mén)極輸入的驅(qū)動(dòng)波形的相位來(lái)改變電源的輸出功率。

STM32；超音頻電源；脈沖寬度調(diào)制；移相

0 引言

傳統(tǒng)的加熱方法普遍采用電阻絲加熱和燃爐加熱等方式，這些方式不僅效率低而且環(huán)境污染大，并且控制精度差。在當(dāng)今對(duì)環(huán)境保護(hù)以及能源利用很重視的條件下，超音頻感應(yīng)加熱得以廣泛應(yīng)用。在工業(yè)環(huán)境中，它利用電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生渦流損耗而對(duì)金屬類(lèi)工件進(jìn)行加熱，達(dá)到熔煉、透熱、淬火等要求[1]。這不僅改善了傳統(tǒng)加熱方法加熱不均、效率低、速度慢等問(wèn)題，還改善了不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的問(wèn)題。但現(xiàn)有的感應(yīng)加熱電源很多都是模擬化控制，存在著硬件老化帶來(lái)偏差以及不方便等因素。故本文提出一種基于STM32芯片的數(shù)字化控制的超音頻感應(yīng)加熱電源。

目前在感應(yīng)加熱電源功率調(diào)節(jié)的方法上有晶閘管全控整流調(diào)功法、直流斬波調(diào)功法和逆變調(diào)功法。晶閘管全控整流法在晶閘管的控制角比較大時(shí)，電路的功率因數(shù)會(huì)很低。直流斬波相對(duì)于晶閘管全控整流方案提高了電路功率因數(shù)，但是自身的開(kāi)關(guān)損耗比較大。逆變調(diào)功是在逆變環(huán)節(jié)對(duì)開(kāi)關(guān)功率器件的通斷進(jìn)行控制，通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電壓的頻率來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載功率因數(shù)，調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值大小，從而調(diào)節(jié)輸出功率。它的優(yōu)點(diǎn)是控制電路比前面兩種方案簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)輸出功率的速度比晶閘管全控整流方案要快。

逆變調(diào)功的方案又分為脈沖頻率調(diào)制(PFM)方法、脈沖密度調(diào)整(PDM)方法和脈沖寬度調(diào)制(PWM)方法。PFM方法通過(guò)改變逆變器輸出電壓頻率來(lái)改變負(fù)載功率因數(shù)，從而調(diào)節(jié)輸出功率的大小，其主要缺點(diǎn)是工作頻率在功率調(diào)節(jié)過(guò)程中不斷變化，導(dǎo)致集膚深度也會(huì)改變，這在很多要求嚴(yán)格的場(chǎng)合中不適用。PDM方法通過(guò)控制負(fù)載饋送能量的時(shí)間控制輸出功率，它的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)損壞相對(duì)較小，缺點(diǎn)是工作穩(wěn)定性比較差[2]。PWM方式是通過(guò)改變兩斜對(duì)開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的相位差來(lái)改變輸出電壓的有效值，以此來(lái)調(diào)節(jié)功率，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率的大范圍調(diào)節(jié)而頻率變化很小，還有利于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，易于實(shí)現(xiàn)電路的準(zhǔn)諧振軟開(kāi)關(guān)條件。

在對(duì)電路進(jìn)行無(wú)功功耗的優(yōu)化時(shí)，都要考慮功率管的開(kāi)關(guān)頻率是否匹配負(fù)載的諧振頻率，只有當(dāng)二者相等時(shí)，無(wú)功功率造成的損耗才最小。而在頻率匹配的方法上，目前普遍采用的是鎖相環(huán)技術(shù)，它是一個(gè)相位反饋控制系統(tǒng)，作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)頻率和相位的自動(dòng)跟蹤。這種系統(tǒng)適用范圍廣而且抗干擾能力較強(qiáng)，但它是一種模擬化的控制方法，并且存在頻率跟蹤范圍窄和響應(yīng)速度較慢的缺點(diǎn)[3]。本文提出一種對(duì)負(fù)載電壓及電流同頻方波進(jìn)行相位檢測(cè)并利用二分法方案快速調(diào)節(jié)PWM頻率，使系統(tǒng)工作在準(zhǔn)諧振狀態(tài)。

1 超音頻感應(yīng)加熱電源的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的超音頻感應(yīng)加熱電源主電路首先是從工頻三相電接入三相不可控整流電路，然后通過(guò)濾波電路得到脈動(dòng)直流電，接著是過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路，再接入逆變環(huán)節(jié)輸出頻率可變、功率可調(diào)的交流電。將交流電通到由銅線繞成的銅管上，把工件放入其中便可進(jìn)行感應(yīng)加熱。這里被加熱的工件可以視為一個(gè)電阻加電感，在此串聯(lián)一個(gè)補(bǔ)償電容以抵消電感作為負(fù)載帶來(lái)的無(wú)功損耗。

控制系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)負(fù)載諧振頻率的跟蹤和輸出功率的調(diào)節(jié)。首先在負(fù)載端對(duì)負(fù)載電壓和負(fù)載電流進(jìn)行采集，得到與負(fù)載電壓和電流同頻的方波，并用一個(gè)定時(shí)器對(duì)這兩個(gè)方波進(jìn)行采集，計(jì)算出相位差，再對(duì)給到逆變電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。利用霍爾元件可以采集到負(fù)載的有效電流和有效電壓，由此可以計(jì)算出輸出功率的有效值。整個(gè)系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 諧振頻率的跟蹤

在輸入為交流電的RLC負(fù)載電路下，電壓和電流是同頻率的，電感L會(huì)使電路呈現(xiàn)出感性，表現(xiàn)是電流的相位滯后于電壓。電容C會(huì)讓電路呈現(xiàn)出容性，表現(xiàn)是電流相位超前于電壓。整個(gè)負(fù)載電路的電抗計(jì)算公式為：

(1)

(2)

圖2 二分法控制功率管開(kāi)關(guān)頻率跟蹤諧振頻率示意圖

這里設(shè)定剛開(kāi)始左右橋臂功率管門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位差為0°，這樣逆變輸出的電壓就不會(huì)有零電壓區(qū)，對(duì)電源輸出電壓及電流的相位比較就不會(huì)造成影響。一旦諧振頻率跟蹤完成就保持不變，直到檢測(cè)到電流有效值變?yōu)橐粋€(gè)極小值，也就是更換工件的情況，才開(kāi)始一次新的諧振頻率跟蹤。由于工件在整個(gè)加熱過(guò)程中感抗變化值不大，對(duì)負(fù)載的諧振頻率不會(huì)造成太大影響，而且逆變器功率管的開(kāi)關(guān)頻率不斷變化會(huì)造成工作的不穩(wěn)定，故這里只考慮每一次更換工件時(shí)快速對(duì)該負(fù)載進(jìn)行諧振頻率的跟蹤。

這種頻率跟蹤方法相對(duì)于傳統(tǒng)的鎖相環(huán)有3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)更有利于數(shù)字化控制；(2)比鎖相環(huán)響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)速度更快；(3)不需要鎖相環(huán)方法下的啟動(dòng)切換模式，在鎖相環(huán)方法下先要給一個(gè)外激的驅(qū)動(dòng)信號(hào)去啟動(dòng)逆變器，在啟動(dòng)后再切換到鎖相環(huán)自激模式，本文的方法就省去了啟動(dòng)切換的步驟，更加便捷。

3 STM32定時(shí)器與PWM控制

STM32用的是Cortex-M3的內(nèi)核，其采用ARMV7-M架構(gòu)，比曾經(jīng)風(fēng)靡一時(shí)的ARMV4T架構(gòu)擁有更強(qiáng)的性能，更高的代碼密度，更高的性價(jià)比[4]。本文采用的是STM32F103ZET6控制芯片，其內(nèi)部有8個(gè)定時(shí)器，其中定時(shí)器1和定時(shí)8是高級(jí)定時(shí)器，其余為普通定時(shí)器，一個(gè)高級(jí)定時(shí)器可以輸出7路PWM，還可以輸出3路互補(bǔ)的波形。這里由IGBT構(gòu)成的逆變橋路是全橋，故需要輸出4路PWM。其中，為了防止短路，每個(gè)橋臂上下的PWM必須是互補(bǔ)的，但是在實(shí)際中，IBGT的導(dǎo)通與關(guān)斷是需要時(shí)間的，一般情況下為3μs，那么對(duì)給到上下橋臂IBGT的PWM就得考慮死區(qū)時(shí)間了，每次一個(gè)IGBT管關(guān)斷后大概要過(guò)3μs另一個(gè)才能導(dǎo)通[5]。

為滿足上述要求這里采用高級(jí)定時(shí)器1就可滿足要求，選擇其中的兩個(gè)通道，每個(gè)通道輸出兩路PWM。其中TIM1_CH1和TIM1_CH1N互補(bǔ)，TIM1_CH2和TIM1_CH2N互補(bǔ)。這里設(shè)置ARR寄存器就和預(yù)分頻系數(shù)就可確定輸出波形的頻率，因?yàn)橐紤]輸出PWM的移相，故這里選擇輸出比較模式而不選擇脈沖寬度調(diào)制模式。給自動(dòng)重裝載寄存器ARR設(shè)置一個(gè)初值并設(shè)置為向上計(jì)數(shù)模式，當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到初值時(shí)便清零開(kāi)始從新計(jì)數(shù)。向捕獲/比較寄存器CCR寫(xiě)入初值，在輸出比較模式下，當(dāng)ARR寄存器的計(jì)數(shù)值與CCR寄存器設(shè)定的值相等時(shí)輸出引腳便會(huì)發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)，在PWM模式下，PWM的頻率計(jì)算公式為：

(3)

這里CLK表示總線頻率，因?yàn)楦呒?jí)定時(shí)器1掛載在APB2下，故時(shí)鐘為72MHz；arr表示自動(dòng)重裝載寄存器的設(shè)定值；psc表示預(yù)分頻系數(shù)。然而，在輸出比較模式下，ARR寄存器每重裝載兩次才輸出一次完整周期的PWM，故這里的頻率為PWM模式下輸出頻率的1/2。其工作過(guò)程如圖3所示。

圖3 PWM的生成及移相原理圖

這里使用的是移相調(diào)功，設(shè)置占空比為50%不變，改變CCR2的值就可以改變兩路PWM的移相角。同一個(gè)通道輸出互補(bǔ)的PWM還要考慮死區(qū)時(shí)間，這可以直接通過(guò)設(shè)置高級(jí)定時(shí)器里的剎車(chē)和死區(qū)寄存器BDTR的第0～7位來(lái)改變死區(qū)時(shí)間。

4 試驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)中，利用KeiluVision和MATLAB做了仿真。設(shè)定初始的PWM輸出頻率為20kHz，并且設(shè)定上下橋臂的死區(qū)時(shí)間為3μs。帶死區(qū)時(shí)間且移相角分別為30°和60°的仿真圖分別如圖4和圖5所示。

圖4 4路帶死區(qū)時(shí)間且移相角為30°的仿真波形

圖5 4路帶死區(qū)時(shí)間且移相角為60°的仿真波形

進(jìn)行負(fù)載諧振頻率跟蹤后，不同移相角的負(fù)載端電壓和電流波形分別如圖6和圖7所示。

圖6 移相角為30°的電壓及電流波形

圖7 移相角為60°的電壓及電流波形

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于STM32F103控制器的超音頻感應(yīng)加熱電源充分利用了此控制器的優(yōu)越性能，有效地完成了負(fù)載諧振頻率的跟蹤，通過(guò)改變逆變電橋兩個(gè)橋臂IGBT驅(qū)動(dòng)的信號(hào)相位差有效地改變了輸出功率。

[1]GWAN-BONK,GUN-WOOM.Analysisanddesignofphaseshiftfullbridgeconverterwithseries-connectedtwotransformers[J].IEEETransactiononPowerElectronics, 2004,19(2):411-419.

[2] 馮雪梅.基于IGBT的大功率變頻感應(yīng)式加熱電源[D].成都：電子科技大學(xué)，2014.

[3] 賀昆，王景芹，于新昌，等.基于DSP技術(shù)的超音頻感應(yīng)加熱電源的仿真模型[J].電氣應(yīng)用，2006，25(1)：86-89.

[4]STM32中文參考手冊(cè)_V10.意法半導(dǎo)體(中國(guó))投資有限公司[Z].2010

[5] 張志遠(yuǎn)，王建軍，羅應(yīng)力.基于STM32的逆變弧焊電源控制器設(shè)計(jì)[J].微型電腦應(yīng)用，2012，28(1)：5-8.

Design of super-frequency induction heating power supply based on STM32

ZouChuanzhi，LiXiaoli

(SchoolofInformationScienceandTechnology,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

Thispaperproposesamethodtocontrolsuper-frequencyinductionheatingpowersupplybasedonSTM32.ItusestheseniortimerofSTM32tocontrolthegateofIGBTwhichformsfullbridgeinverter.Bydetectingthedifferenceofphasebetweencircuitloadvoltageandcurrentinrealtimesenttothegate-controlPWMfrequency,thissystemworksinquasi-resonantstate,andminimizesthedepletionofreactivepower.Beyondthat,itcanchangepowersupply’soutputpowerbychangingthephaseofdrivingwaveoutputtothetwobridgeofinverter’sgateofIGBT.

STM32;super-frequencypowersupply;PWM;phaseshift

TM

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.22.008

鄒傳智，李曉麗. 基于STM32的超音頻感應(yīng)加熱電源設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(22)：29-32.

2016-06-24)

鄒傳智(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向:高頻開(kāi)關(guān)電源和嵌入式系統(tǒng)。

李曉麗(1980-)，女，博士，副教授，主要研究方向:分布式協(xié)作控制、群體機(jī)器人系統(tǒng)、移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等。