PWM调功介绍及PLL锁相环

PWM调功介绍及PLL锁相环
常宏
（深圳北辰亿科科技有限公司西安研发中心）
摘要：本文对感应加热控制方式中的PWM控制方式进行介绍，并针对PWM方式中常用的锁相环进行介绍。

关键词：PWM PLL
1PFM控制方式和PWM控制方式简绍
1.1控制方式的概述
感应加热中需要根据工件和主回路设定加热功率和加热频率，并根据实际的加工要求进行功率及频率的控制。

其中对于功率和频率的控制方式常用两类方式，一类是前级调功，也就是调整整流侧的直流电压，另一种是不控整流，也就是不调前级电压，只通过逆变侧的占空比和频率来改变功率。

但这两种方式都要涉及到频率和电流控制，也就是说，对于逆变侧的占空比和频率的控制是必须完成的。

调整占空比和频率有三种控制方式：1.PWM（脉冲宽度调制法）；2.PFM（脉冲频率频率调制法）；3.PDM（脉冲密度调制法）.
1.2PFM（脉冲频率频率调制法）控制方式
项目中现在使用的就是PFM方法。

这种方法是通过调整输出频率来调整电流的。

下图中可以看出，在频率靠近谐振点处，系统阻抗是减小的，也就是说，输出的电流会逐渐增大。

由于串联谐振对开关器件的特殊要求，所以，频率变化总是在谐振点右侧的。

PFM的优点是：1，功率范围大；2，适应范围宽，对主回路的要求也就随之减低。

缺点是：1，谐振点处的保护非常困难；2，频率不断改变，导致穿透深度变化较大，对于淬火等工艺很难完成。

图1 串联谐振的频率阻抗特性
1.3PWM（脉冲宽度调制法）控制方式
这种方法也非常简单，是通过改变占空比来实现的，简单的说，就是改变开关管打开和关断的时间。

图2 串联回路的主回路
图3 脉冲宽度调整示意图
另外，这种方法还有一种更加常用的实现方式，四个管子的打开时间错开一个移相角，占空比不变。

通过控制移相角，来控制打开的时间，也就控制了功率。

图4 移相调整示意图
2PLL锁相环简介
PLL是锁相环的缩写，具有自动完成相位同步的作用，进而达到锁定频率的目的。

2.1PLL的基本原理
锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。

因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。

锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。

锁相环通常由鉴相器（PD,Phase Detector）、环路滤波器（LF,Loop Filter）和压控振荡器（VCO,V oltage Controlled Oscillator）三部分组成，锁相环组成的原理框图如下图所示。

锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成Ud（t）电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压Uc（t），对振荡器输出信号的频率实施控制。

图5 锁相环内部原理
假定输入的波形U1是电流整形完毕的方波，输出是驱动IGBT的PWM波，那么通过PLL后，能够达到电流波形和PWM波形同频同相。

当然，通过调整参数也可以实现，电压和电流同频，但电压始终比电流超前一个固定角度。

2.2PLL在高频感应中的应用
假定输入的波形U1是电流整形完毕的方波，输出是驱动IGBT的PWM波，那么通过PLL后，能够达到电流波形和PWM波形同频同相。

当然，通过调整参数也可以实现，电压和电流同频，但电压始终比电流超前一个固定角度。

需要特别引起重视的是下面两个方面：
2.2.1相位补偿
实际电路中，驱动板、IGBT、采集和整形等电路都会产生时延。

在PLL中就是产生一个相角差。

这里需要说明的是，不只要补偿上面电路中的相角差，还要补偿一个固定相角或者固定时延作为跟踪的弱感性补偿。

补偿固定相角叫做定角控制，补偿固定时延叫做定时控制。

完
成上面的补偿后，就可以得到一个“准谐振”状态。

2.2.2启动捕获
在启动的开始状态是没有电流的，所以不能进入捕获。

这就需要通过别的方法加入启动波形，然后进入锁相。

2.3DPLL的基本算法
DPLL是数字锁相环，利用数字电路或程序实现锁相功能。

项目中采用DSP作为DPLL 算法的实现器件，实现软件DPLL。

下图是一个DPLL的基本原理。

图6 DPLL锁相环原理
计数器0 在同步信号作用下,记录同步信号的周期与相位,周期记为T0 (n)。

计数器1 相当于压控振荡器,其频率相位修正后的锁相环实际输出信号的周期为T(n)。

在n个周期内计算出T ( n) ,供第n + 1 个周期启动计数器1。

将θ( n) 定义为本周期的相位差,θ(n) 实际上是启动定时器T0 (n+1) 与启动定时器T (n) 的时间差。

如果T (n)滞后于T0 (n+1) , 则θ(n) 为负,反之,则为正。

于是有：
T0 ( n) = T ( n - 1) +θ( n) - θ( n - 1) （1）
如果考虑滤除噪声的，可以采用下面的公式（2）取代公式（1），
频率调整公式T′( n) = A T′( n - 1) + (1 - A ) T0 ( n)（2）
相角调整公式T ( n) = T′( n) + Bθ( n)（3）
式中：
A ———滤波参数, A =τ/ ( Ts +τ) ,0 < A ≤1
其中，Ts ———采样周期
τ———时间常数,τ= RC
B ———相位修正系数,0 < B < 1。

需要特别说明的是，在高频或频率变化较大时,尤其是在启动的时候，两个周期相差太远，采用上述算法频率跟踪速度较慢，可能会出现跟不上。

为解决这个问题，在实现时采用了先频率修正（公式2），后频率相位同时修正的调节方法（公式2和3）。

即，当频率相差很
大时，只进行频率修正,而不进行相位修正;当频率相差较小时,进行频率与相位同时修正。

3总结
从上面的分析看，PWM控制方式有以下几个优点：1，工作在准谐振状态，对电网污染小，干扰小；2，固定相差的跟踪方式避免了PFM方式的相角保护问题，工作可靠性高；3，工作时频率变化不大，对于淬火等要求较高的使用场合非常合适。

当然也会存在以下缺点：1，工作范围较窄，只能在锁相范围内工作；2，实现比PFM复杂；3，需要调整2个参数，即移相角和频率，而PFM方式只需要调整周期，波动可能较大。