f于锁相环1MHz感应加热电源频率跟踪的研究
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
锁相环的基本频率特性由环路滤波器决定。常用的
控振荡器固有振荡角频率；０ ｏ（ｔ）为压控振荡器输出信 号以其固有振荡频率ｔｏｏｔ为参考的输出瞬时相位。
，
Ｏ ｏ（ｔ）＝Ｋｏ Ｖｏ（ｔ）ｄｔ。
Ｊ
ｒ
Ｕ．，＝Ｕｏｃｏｓ（２＝ｌｏｔ＋Ｋ ｆ Ｖｏ（ｔ）ｄｔ）。
由此构造出ＶＣＯ的仿真模型，如图６所示。图 中Ｅ１为增益值为Ｋ。的积分环节；Ｅ２为两输入信 号相加环节；Ｅ３幅值为Ａ，取Ｃ０８运算；Ｅ４输入方程 序反应，在此为Ｙ＝２＝ｆｏｔ。
图２基于７４ＨＣ４０４６的频率跟踪控制电路
在实际电路中，负载电流经高频变压器、过零 比较器、锁相环路和驱动电路时都需要时间，这将 引起驱动滞后负载电流一个相角度，使逆变器工作 在容性负载状态，开关管无法工作于零电流开关状 态。在相位比较器负端加由Ｒ，、Ｒｎ组成的分压电 路形成比较偏置电压，使比较器输出信号上升沿时 间提前△ｒ，锁相环对应的输出信号及其反相信号 经死区形成电路后作为功率开关管的驱动信号，驱
ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ａ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔｉｎｇ ｐｏｗｅｒ，ａ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｎｏｐｈａｓｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｒａｃｋ ｄｅｖｉｓｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＨＣ４０４６ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｐｈａｓｅ ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆｉｒｓｄｙ．Ｉｔ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ａ １ ＭＨｚ
ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＬＬ
ＧＵＯ Ｈｏｎｇ
（Ｊｉａｎｇｙｉｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｊｉａｎｇｙｉｎ ２１４４０５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂｅｉｎｇ ｃｈａｎｇｅｄ ｂｙ ｌｏａｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｖａｒｉａｔｉｏｎ．ｗｈｉｃｈ １ｅｄ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ
收稿日期：２００７－０９－０５ 作者简介：郭红（１９７２．＿），女．江苏江阴人，讲师．在读硕士．
主要从事机电控制的研究工作。
功率因数接近或等于１的准谐振或谐振状态，以实 现逆变器开关器件的零电流或零电压开关，逆变电 路必须具有频率自动跟踪能力，以适应负载参数的 时变性质。高频逆变电源的频率跟踪可以通过锁相 环电路来实现，最早开始广泛使用的是ＣＤ４０４６锁 相环。采用模拟控制。随着对电源控制要求的不断 提高，出现了单片机、ＤＳＰ等数字化控制，同时还出 现了数字锁相环，这些都使频率跟踪控制技术得到 了很大的发展。但在高频（１ ＭＨｚ以上）频段，数字化 还显得力不从心，一般只能采用模拟控制技术，而 且随着频率的提高，对频率跟踪的快速性和准确性 的要求相应提高。在此采用高频电流互感器、电压 比较器和７４ＨＣ４０４６锁相环对负载电流进行频率
万方数据
一究与设计
重珲墩
第３８卷
跟踪，并就控制系统的相位补偿和起动等问题进行 了分析。仿真和实验结果表明，整个电路具有跟踪快、 跟踪频率准确、抗干扰能力强等优点。
１ １ ＭＨｚ高频串联谐振逆变器电路 结构【１】
１ Ｍｍ高频串联谐振逆变器及其负载连接如 图ｌ所示。Ｒ、Ｌ为负载等效电阻和电感，Ｃ为无功 功率补偿电容，图中ＭＯＳＦＥＴｌ～ＭＯＳＦＥＴ４为主开关， 与之并联的二极管为寄生的反并联二极管。在感应 加热过程中，逆变电路由锁相环控制，其工作频率 总是略高于负载的谐振频率，始终工作在功率因数 接近或等于１的准谐振或谐振状态。
ｓｅｒｉａｌ ｒｅｓｏｎａｌｌｔ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｗｉｔｈ ｐｏｗｅｒ ＭＯＳＦＥＴ ａｇ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｄｉｖｉｅｅ ｔｉｍｅｌｙ，ＳＯ ａｓ ｔｏ ａｄａｐｔ ｖａｒｉｅｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｏ
ｋｅｅｐ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ａｌｗａｙｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ｏｎ Ｚｅｒｏ Ｖｏｔａｇｅ－Ｚｅｍ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｍｏｄｅ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ａｎｄ ｑｕｅｓｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ＰＩ工’Ｓ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｓｅｔ ｕｐ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ Ｐｓｐｉｃｅ．
提出并实现了一种以集成高速锁相环７４ＨＣ４０４６为核心，应用于以功率ＭＯＳＦＥＴ为主开关器件的； ；ｌ ＭＨｚ串联谐振感应加热电源的无相差频率跟踪控制系统中，对电源的输出频率进行实时控制，实现 ，逆变器工作频率对负裁谐振频率的同步跟踪，并就控制系统的相位补偿和起动等问题进行了分析讨论。’
。推出了适用于高频逆变电源的锁相环数学模型．并用Ｐｓｐｉｃｅ进行了仿真分析和实验验证。
振荡频率为１ ＭＩ－Ｉｚ，仿真参数匠、尺。、尺：、Ｃ。、Ｇ的选择 根据叫．乏Ⅱ居２Ⅱｘ１０６ｒａｄ／ｓ，选取Ｋ乏Ⅱｘ１０６ｒａｄ／ｓ－ｔ·Ｖ；
∞。＝２．２８ｘ１０５ ｒａｄ／ｓ；Ｒ１－－８．３ ｋｆｌ；ｃｌ＿３．８５ ｎＦ；总＝１．６１ ｋ Ｑ；
Ｃ２主要用于消除鉴相纹波，选取Ｃ２＝Ｃ／１０＝－３８５ ｐＦ。
Ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉｓ ｄｏｎｅ ｆｉｎａｌｌｙ．Ａｆｔｅｒ ｔｈａｔ，ｔｈｅ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ
ｍｏｄｅｌｓ眦ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｃｌｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ
；
关键词：高频；频率跟踪；锁相环路；鉴相器；环路滤波器；压控振荡器
，：
。中图分类号：ＴＭ９２４．５
文献标识码ｍ
文章编号：１００１－２３０３（２００８）０３－００５７－０５
童
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ·ｔｒａｃｉｎｇ ｆｏｒ １ ＭＨｚ ｓｅｒｉｅｓ ｒｅａｓｏｎａｔｅ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔｉｎｇ
‘型Ｌ‰脚名‰
动信号相对于电流提前了时间△玎相位补偿时间），调 节偏置电压值即可调节补偿时间值，如图３所示。
系统刚上电时，因负载电流尚未建立。７４ＨＣ４０４６ 信号输入端无信号输入，压控振荡器始终在最低频 率处振荡，起动时不能自动人锁。在此利用锁相环 ＨＣ４０４６和Ｃ３、Ｒ１０、ＶＤ，实现的它激一自激转换电 路。当系统上电时，电容Ｃ，相当于短路，９脚所加电 压最高，压控振荡器输出最高频率；随后由于电容
Ｒ：
Ｘ。＝一（一（，。十０）＝＋乩。
而在玑的上升沿随后到来时，Ｑ：变为高电平
乩，ＶＤ２导通，晤＋乩，因此
Ｘ０－一（一【，ｍ＋㈨＝０，
ｂ
此时与非门输入端皆为高电平，故输出一复位
图５常用的比例积分滤波器
脉冲至Ｄ触发器复位端，使Ｑ。、Ｑ：重新置于０电平；
式中 玑为压控振荡器输来自百度文库信号的振幅；甜。为压
反之当Ｕｏ的上升沿到来时，Ｑ２由０电平转为高电平，
设为“，ＶＤ２导通，皓＋乩，因而
Ｘ。＝一（０＋￡，Ｊ＝一巩。
而在Ｕ的上升沿随后到来时，Ｑ，变为高电平
玩，则经倒相后变为一仉，ＶＤ。导通，昨一“，因此 Ｘｏ．一（一吣己Ｕ＝０，
此时与非门输入端皆为高电平，故输出一复位
脉冲至Ｄ触发器复位端，使Ｑ。、Ｑ：重新置于。电平。 环路滤波器（ＬＰＦ）是锁相环电路的重要环节，
万方数据
研究与设计
郭红：基于锁相环１ ＭＨｚ感应加热电源频率跟踪的研究
第３期
， Ｕ ％
ＭＯＳＦＥＴ２ 图３锁相环输出及相位补偿波形
Ｃ的充电，９脚电压由Ｖ。逐渐降低，压控振荡器从 最高频率滑向最低频率。
３锁相环路仿真模型的建立［３１
电压型鉴频一鉴相电路的仿真模型如图４所示。 依据运算放大器构成的加法器原理，输出Ｘ。为
ａｎｄ ｃｏｒｒｅｃｔ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｒａｃｋｉｎｇ；ｐｈａｓｅ－·ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ；ｐｈａｓｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ；ｌｏｏｐ ｆｉｌｔｅｒ；ｖｏｌｔａｇｅ—－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ
Ｕ 刖舌 应用于钎焊、熔炼等热加工工艺的高频逆变电
２基于锁相环的频率跟踪控制电路
７４ＨＣ４０４６锁相环１２１可实现无相差的频率跟踪。 如果将逆变器负载电压或电流相位作为锁相环的 输入信号，将锁相环输出作为逆变器驱动电路的控 制信号，就可以实现逆变器对负载的频率跟踪。基 于上述思路，在此设计了如图２所示的集成锁相环 无相差频率跟踪控制电路，为串联逆变器实现零电 流谐振开关创造了条件。从高频电流互感器反馈来
设输入信号频率为．厂，压控振荡器自由振荡频 率为而。锁相环的仿真工作波形见图８，图中实线表
示输入信号“，虚线表示压控振荡器输出信号配。
１５
图９是频率跟踪实验波形。频率跟踪范围为
９００ ｋＨｚ～１．１ ＭＨｚ。中心振荡频率ｌ ＭＨｚ。图中方
波信号为ＶＣＯ输出信号，正弦波为电流反馈信号。
图９ａ为ＶＣＯ输出信号（方波）相位超前于电流反馈
比例积分滤波器分无源和有源两种，如图５所示。
压控振荡器的输出电压％可表示为
将鉴相器（ＰＤ）和压控振荡器（ｖｃｏ）的子电路模 块化，可得锁相环的模型框图，如图７所示。Ｖ。为输
Ｕ。＝ＵｏｅｏＳ［ｔＯ。件口ｏ（ｔ）】，
入方波信号，为频率；ｍｙ－ｌａｄ为鉴相器模块；ｍｙ－ｖｅｏ
‰锄施磅翻‰·５９·
万方数据
Ａ Ｂ Ｃ
图１高频串联谐振逆变器电路
的负载电流信号，经电阻变换为电压信号，然后经 ＬＭ３１１变成方波信号，由７４ＨＣ４０４６的１４脚进入相 位比较器２，它代表负载的电流信号，而３脚的输 人信号与逆变器的驱动信号一样，它近似为逆变器 的输出电压信号；电压和电流的相位在鉴相器内进 行比较。从１３脚输出误差电压信号，再经Ｒ，、心、Ｃ。 组成的低通滤波器，在此得到一个正比于从１４脚 和３脚输入信号相位差的平均电压，这个控制电压从 ＶＣＯ的９脚输入改变其振荡频率，使逆变器输出 电压和负载电流的相位差不断减小，直到两者同相。 只要负载固有谐振频率的变化在锁相环的跟踪范 围内，就可保证锁相环实现自动跟踪。
研究与设计
雹珲梭
第３８卷
矗＋ｖ（％ＩＮ＋，％ＩＮ一）＊ｔｉｍｅ
Ｖｏ＊ＣＯＳ（Ｖ（％ＩＮ＋，％ＩＮ一））
图６ ＶＣＯ的仿真模型
为压控振荡器模块。
Ｃ２
图７锁相环的模型框图
４锁相环仿真与实验嗍 二
．
低通滤波器数学模型表达式
Ｇ：国＝聃＝１＃．孚甲ｏ ， ‘１．）
式中 ｒｌ＝Ｒ。Ｃ。；ｆ ２＝Ｒ２Ｃ１。本研究的压控振荡器中心
Ｘｏ．一（【，ａ＋㈨。 在Ｕ和玑的上升沿未出现时，因为两个Ｄ触 发器的Ｄ端都处于高电位，所以两块Ｄ触发器的Ｑ－、 Ｑ：皆为０电平输出，二极管ＶＤ，、ＶＤ２不导通，故以、 玩皆等于零，所以
Ｘｏ＝００
图４电压型鉴频一鉴相电路的仿真模型
当Ｕ上升沿到来时，Ｑ。由。电平转为高电平，
Ｃ２
设为“，则经倒相后变为一玩，ＶＤ－导通，眙一玩，则
第３８卷第３期 ２００８年３月
雹晖墩
Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ
ＶｏＬ３８ Ｎｏ．３ Ｍａｒ．２００８
基于锁相环１ Ｍ Ｈ‘ｚ’感应加热电源 频率跟踪的研究
郭红
（江阴职业技术学院，江苏江阴２１４４０５）
摘要：针对高频感应加热电源负载参数变化引起固有谐振频率变化，从而导致逆变器效率降低的现象，？
源在运行过程中，负载串联谐振式Ｄ叭Ｃ逆变器负
载参数的变化常会使电源固有谐振频率发生变化。 导致逆变器偏离最佳工作点，因而不仅使逆变桥上 ＭＯＳ管的关断电流值增加，引起关断损耗增大；而 且当逆变器工作点距离负载谐振点较远时，在一定 Ｑ值下，还会使负载阻抗增大，逆变器的功率容量 不能充分利用。
为保证电源正常运行，应使逆变器始终工作在
信号（正弦波），图９ｂ为ＶＣＯ输出信号（方波）相位滞
后于电流反馈信号（正弦波），图９ｃ为锁定时的情
形，ＶＣＯ输出信号（方波）和电流反馈信号（正弦波）
相位逐渐趋于一致。
＞言
，｜
薹差 ：胡 风专一ｌ：
｛
ｌ
ｆ
‘
一ｄ
＼６“ｊ
烈 再 ”
，一 ｆ）
喜姜 ｌ＿一 ｋ｝ ’Ｖｉｉ／；、Ｚｉ；、ＶＺｏ 、Ｖ，
控振荡器固有振荡角频率；０ ｏ（ｔ）为压控振荡器输出信 号以其固有振荡频率ｔｏｏｔ为参考的输出瞬时相位。
，
Ｏ ｏ（ｔ）＝Ｋｏ Ｖｏ（ｔ）ｄｔ。
Ｊ
ｒ
Ｕ．，＝Ｕｏｃｏｓ（２＝ｌｏｔ＋Ｋ ｆ Ｖｏ（ｔ）ｄｔ）。
由此构造出ＶＣＯ的仿真模型，如图６所示。图 中Ｅ１为增益值为Ｋ。的积分环节；Ｅ２为两输入信 号相加环节；Ｅ３幅值为Ａ，取Ｃ０８运算；Ｅ４输入方程 序反应，在此为Ｙ＝２＝ｆｏｔ。
图２基于７４ＨＣ４０４６的频率跟踪控制电路
在实际电路中，负载电流经高频变压器、过零 比较器、锁相环路和驱动电路时都需要时间，这将 引起驱动滞后负载电流一个相角度，使逆变器工作 在容性负载状态，开关管无法工作于零电流开关状 态。在相位比较器负端加由Ｒ，、Ｒｎ组成的分压电 路形成比较偏置电压，使比较器输出信号上升沿时 间提前△ｒ，锁相环对应的输出信号及其反相信号 经死区形成电路后作为功率开关管的驱动信号，驱
ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ａ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔｉｎｇ ｐｏｗｅｒ，ａ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｎｏｐｈａｓｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｒａｃｋ ｄｅｖｉｓｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＨＣ４０４６ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｐｈａｓｅ ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆｉｒｓｄｙ．Ｉｔ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ａ １ ＭＨｚ
ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＬＬ
ＧＵＯ Ｈｏｎｇ
（Ｊｉａｎｇｙｉｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｊｉａｎｇｙｉｎ ２１４４０５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂｅｉｎｇ ｃｈａｎｇｅｄ ｂｙ ｌｏａｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｖａｒｉａｔｉｏｎ．ｗｈｉｃｈ １ｅｄ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ
收稿日期：２００７－０９－０５ 作者简介：郭红（１９７２．＿），女．江苏江阴人，讲师．在读硕士．
主要从事机电控制的研究工作。
功率因数接近或等于１的准谐振或谐振状态，以实 现逆变器开关器件的零电流或零电压开关，逆变电 路必须具有频率自动跟踪能力，以适应负载参数的 时变性质。高频逆变电源的频率跟踪可以通过锁相 环电路来实现，最早开始广泛使用的是ＣＤ４０４６锁 相环。采用模拟控制。随着对电源控制要求的不断 提高，出现了单片机、ＤＳＰ等数字化控制，同时还出 现了数字锁相环，这些都使频率跟踪控制技术得到 了很大的发展。但在高频（１ ＭＨｚ以上）频段，数字化 还显得力不从心，一般只能采用模拟控制技术，而 且随着频率的提高，对频率跟踪的快速性和准确性 的要求相应提高。在此采用高频电流互感器、电压 比较器和７４ＨＣ４０４６锁相环对负载电流进行频率
万方数据
一究与设计
重珲墩
第３８卷
跟踪，并就控制系统的相位补偿和起动等问题进行 了分析。仿真和实验结果表明，整个电路具有跟踪快、 跟踪频率准确、抗干扰能力强等优点。
１ １ ＭＨｚ高频串联谐振逆变器电路 结构【１】
１ Ｍｍ高频串联谐振逆变器及其负载连接如 图ｌ所示。Ｒ、Ｌ为负载等效电阻和电感，Ｃ为无功 功率补偿电容，图中ＭＯＳＦＥＴｌ～ＭＯＳＦＥＴ４为主开关， 与之并联的二极管为寄生的反并联二极管。在感应 加热过程中，逆变电路由锁相环控制，其工作频率 总是略高于负载的谐振频率，始终工作在功率因数 接近或等于１的准谐振或谐振状态。
ｓｅｒｉａｌ ｒｅｓｏｎａｌｌｔ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｗｉｔｈ ｐｏｗｅｒ ＭＯＳＦＥＴ ａｇ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｄｉｖｉｅｅ ｔｉｍｅｌｙ，ＳＯ ａｓ ｔｏ ａｄａｐｔ ｖａｒｉｅｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｏ
ｋｅｅｐ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ａｌｗａｙｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ｏｎ Ｚｅｒｏ Ｖｏｔａｇｅ－Ｚｅｍ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｍｏｄｅ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ａｎｄ ｑｕｅｓｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ＰＩ工’Ｓ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｓｅｔ ｕｐ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ Ｐｓｐｉｃｅ．
提出并实现了一种以集成高速锁相环７４ＨＣ４０４６为核心，应用于以功率ＭＯＳＦＥＴ为主开关器件的； ；ｌ ＭＨｚ串联谐振感应加热电源的无相差频率跟踪控制系统中，对电源的输出频率进行实时控制，实现 ，逆变器工作频率对负裁谐振频率的同步跟踪，并就控制系统的相位补偿和起动等问题进行了分析讨论。’
。推出了适用于高频逆变电源的锁相环数学模型．并用Ｐｓｐｉｃｅ进行了仿真分析和实验验证。
振荡频率为１ ＭＩ－Ｉｚ，仿真参数匠、尺。、尺：、Ｃ。、Ｇ的选择 根据叫．乏Ⅱ居２Ⅱｘ１０６ｒａｄ／ｓ，选取Ｋ乏Ⅱｘ１０６ｒａｄ／ｓ－ｔ·Ｖ；
∞。＝２．２８ｘ１０５ ｒａｄ／ｓ；Ｒ１－－８．３ ｋｆｌ；ｃｌ＿３．８５ ｎＦ；总＝１．６１ ｋ Ｑ；
Ｃ２主要用于消除鉴相纹波，选取Ｃ２＝Ｃ／１０＝－３８５ ｐＦ。
Ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉｓ ｄｏｎｅ ｆｉｎａｌｌｙ．Ａｆｔｅｒ ｔｈａｔ，ｔｈｅ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ
ｍｏｄｅｌｓ眦ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｃｌｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ
；
关键词：高频；频率跟踪；锁相环路；鉴相器；环路滤波器；压控振荡器
，：
。中图分类号：ＴＭ９２４．５
文献标识码ｍ
文章编号：１００１－２３０３（２００８）０３－００５７－０５
童
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ·ｔｒａｃｉｎｇ ｆｏｒ １ ＭＨｚ ｓｅｒｉｅｓ ｒｅａｓｏｎａｔｅ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔｉｎｇ
‘型Ｌ‰脚名‰
动信号相对于电流提前了时间△玎相位补偿时间），调 节偏置电压值即可调节补偿时间值，如图３所示。
系统刚上电时，因负载电流尚未建立。７４ＨＣ４０４６ 信号输入端无信号输入，压控振荡器始终在最低频 率处振荡，起动时不能自动人锁。在此利用锁相环 ＨＣ４０４６和Ｃ３、Ｒ１０、ＶＤ，实现的它激一自激转换电 路。当系统上电时，电容Ｃ，相当于短路，９脚所加电 压最高，压控振荡器输出最高频率；随后由于电容
Ｒ：
Ｘ。＝一（一（，。十０）＝＋乩。
而在玑的上升沿随后到来时，Ｑ：变为高电平
乩，ＶＤ２导通，晤＋乩，因此
Ｘ０－一（一【，ｍ＋㈨＝０，
ｂ
此时与非门输入端皆为高电平，故输出一复位
图５常用的比例积分滤波器
脉冲至Ｄ触发器复位端，使Ｑ。、Ｑ：重新置于０电平；
式中 玑为压控振荡器输来自百度文库信号的振幅；甜。为压
反之当Ｕｏ的上升沿到来时，Ｑ２由０电平转为高电平，
设为“，ＶＤ２导通，皓＋乩，因而
Ｘ。＝一（０＋￡，Ｊ＝一巩。
而在Ｕ的上升沿随后到来时，Ｑ，变为高电平
玩，则经倒相后变为一仉，ＶＤ。导通，昨一“，因此 Ｘｏ．一（一吣己Ｕ＝０，
此时与非门输入端皆为高电平，故输出一复位
脉冲至Ｄ触发器复位端，使Ｑ。、Ｑ：重新置于。电平。 环路滤波器（ＬＰＦ）是锁相环电路的重要环节，
万方数据
研究与设计
郭红：基于锁相环１ ＭＨｚ感应加热电源频率跟踪的研究
第３期
， Ｕ ％
ＭＯＳＦＥＴ２ 图３锁相环输出及相位补偿波形
Ｃ的充电，９脚电压由Ｖ。逐渐降低，压控振荡器从 最高频率滑向最低频率。
３锁相环路仿真模型的建立［３１
电压型鉴频一鉴相电路的仿真模型如图４所示。 依据运算放大器构成的加法器原理，输出Ｘ。为
ａｎｄ ｃｏｒｒｅｃｔ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｒａｃｋｉｎｇ；ｐｈａｓｅ－·ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ；ｐｈａｓｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ；ｌｏｏｐ ｆｉｌｔｅｒ；ｖｏｌｔａｇｅ—－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ
Ｕ 刖舌 应用于钎焊、熔炼等热加工工艺的高频逆变电
２基于锁相环的频率跟踪控制电路
７４ＨＣ４０４６锁相环１２１可实现无相差的频率跟踪。 如果将逆变器负载电压或电流相位作为锁相环的 输入信号，将锁相环输出作为逆变器驱动电路的控 制信号，就可以实现逆变器对负载的频率跟踪。基 于上述思路，在此设计了如图２所示的集成锁相环 无相差频率跟踪控制电路，为串联逆变器实现零电 流谐振开关创造了条件。从高频电流互感器反馈来
设输入信号频率为．厂，压控振荡器自由振荡频 率为而。锁相环的仿真工作波形见图８，图中实线表
示输入信号“，虚线表示压控振荡器输出信号配。
１５
图９是频率跟踪实验波形。频率跟踪范围为
９００ ｋＨｚ～１．１ ＭＨｚ。中心振荡频率ｌ ＭＨｚ。图中方
波信号为ＶＣＯ输出信号，正弦波为电流反馈信号。
图９ａ为ＶＣＯ输出信号（方波）相位超前于电流反馈
比例积分滤波器分无源和有源两种，如图５所示。
压控振荡器的输出电压％可表示为
将鉴相器（ＰＤ）和压控振荡器（ｖｃｏ）的子电路模 块化，可得锁相环的模型框图，如图７所示。Ｖ。为输
Ｕ。＝ＵｏｅｏＳ［ｔＯ。件口ｏ（ｔ）】，
入方波信号，为频率；ｍｙ－ｌａｄ为鉴相器模块；ｍｙ－ｖｅｏ
‰锄施磅翻‰·５９·
万方数据
Ａ Ｂ Ｃ
图１高频串联谐振逆变器电路
的负载电流信号，经电阻变换为电压信号，然后经 ＬＭ３１１变成方波信号，由７４ＨＣ４０４６的１４脚进入相 位比较器２，它代表负载的电流信号，而３脚的输 人信号与逆变器的驱动信号一样，它近似为逆变器 的输出电压信号；电压和电流的相位在鉴相器内进 行比较。从１３脚输出误差电压信号，再经Ｒ，、心、Ｃ。 组成的低通滤波器，在此得到一个正比于从１４脚 和３脚输入信号相位差的平均电压，这个控制电压从 ＶＣＯ的９脚输入改变其振荡频率，使逆变器输出 电压和负载电流的相位差不断减小，直到两者同相。 只要负载固有谐振频率的变化在锁相环的跟踪范 围内，就可保证锁相环实现自动跟踪。
研究与设计
雹珲梭
第３８卷
矗＋ｖ（％ＩＮ＋，％ＩＮ一）＊ｔｉｍｅ
Ｖｏ＊ＣＯＳ（Ｖ（％ＩＮ＋，％ＩＮ一））
图６ ＶＣＯ的仿真模型
为压控振荡器模块。
Ｃ２
图７锁相环的模型框图
４锁相环仿真与实验嗍 二
．
低通滤波器数学模型表达式
Ｇ：国＝聃＝１＃．孚甲ｏ ， ‘１．）
式中 ｒｌ＝Ｒ。Ｃ。；ｆ ２＝Ｒ２Ｃ１。本研究的压控振荡器中心
Ｘｏ．一（【，ａ＋㈨。 在Ｕ和玑的上升沿未出现时，因为两个Ｄ触 发器的Ｄ端都处于高电位，所以两块Ｄ触发器的Ｑ－、 Ｑ：皆为０电平输出，二极管ＶＤ，、ＶＤ２不导通，故以、 玩皆等于零，所以
Ｘｏ＝００
图４电压型鉴频一鉴相电路的仿真模型
当Ｕ上升沿到来时，Ｑ。由。电平转为高电平，
Ｃ２
设为“，则经倒相后变为一玩，ＶＤ－导通，眙一玩，则
第３８卷第３期 ２００８年３月
雹晖墩
Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ
ＶｏＬ３８ Ｎｏ．３ Ｍａｒ．２００８
基于锁相环１ Ｍ Ｈ‘ｚ’感应加热电源 频率跟踪的研究
郭红
（江阴职业技术学院，江苏江阴２１４４０５）
摘要：针对高频感应加热电源负载参数变化引起固有谐振频率变化，从而导致逆变器效率降低的现象，？
源在运行过程中，负载串联谐振式Ｄ叭Ｃ逆变器负
载参数的变化常会使电源固有谐振频率发生变化。 导致逆变器偏离最佳工作点，因而不仅使逆变桥上 ＭＯＳ管的关断电流值增加，引起关断损耗增大；而 且当逆变器工作点距离负载谐振点较远时，在一定 Ｑ值下，还会使负载阻抗增大，逆变器的功率容量 不能充分利用。
为保证电源正常运行，应使逆变器始终工作在
信号（正弦波），图９ｂ为ＶＣＯ输出信号（方波）相位滞
后于电流反馈信号（正弦波），图９ｃ为锁定时的情
形，ＶＣＯ输出信号（方波）和电流反馈信号（正弦波）
相位逐渐趋于一致。
＞言
，｜
薹差 ：胡 风专一ｌ：
｛
ｌ
ｆ
‘
一ｄ
＼６“ｊ
烈 再 ”
，一 ｆ）
喜姜 ｌ＿一 ｋ｝ ’Ｖｉｉ／；、Ｚｉ；、ＶＺｏ 、Ｖ，