基于DSP的60kW_300kHz高频感应加热电源

（２）
式中：Ｔ 为采样时间；ｐ０（ｋＴ－ Ｔ）为上一时刻相位偏差的采样； ｐ（ｋＴ）为第 ｋ 个采样时刻的相位偏差。
４．２．２ 数据库的建立
设 ｅ（ｋｔ），ｅｃ（ｋｔ）的论域为：Ｘ＝｛－ ６，－ ５，－ ４，－ ３，－ ２，
－ １，０，＋１，＋２，＋３，＋４，＋５，＋６｝，在其论域上取 ７ 个变
量 ＮＬ，ＮＭ，ＮＳ，ＺＥ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＬ。ｅ（ｋｔ），ｅｃ（ｋｔ）采用对
（Ｓｏｕｔｈｅｒｎ Ｙａｎｇｔｚｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｘｉ ２１４１２２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ：Ａｎ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａ ６０ ｋＷ／３００ ｋＨｚ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｗｈｉｃｈ ａｄｏｐｔｓ ＭＯＳＦＥＴ ａｓ ｓｗｉｔｃｈ ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ ｉｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｂｒｉｄｇｅｓ ｗｉｔｈ ｃａｐａｃｉｔｙ ２０ ｋＷ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｃｈｏｐｐｅｒ ｉｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ．Ｉｔ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｄｖａｎｃｅｄ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｕｚｚｙ－ＤＰＬＬ ｃａｎ ｔｒａｃｋ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒａｐｉｄｌｙ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ． Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ：ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ；ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔｉｎｇ ／ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｃｈｏｐｐｅｒ；ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ
２ ＴＭＳ３２０ＬＦ２８１２ 的结构特点
ＴＭＳ３２０ＬＦ２８１２ 型 ＤＳＰ 采用改进的哈佛总线结 构，８ 级流水线操作，运算速度高达 １５０ ＭＨｚ。集事 件管理器模块 ＥＶＡ 和 ＥＶＢ，１２ 路 ＰＷＭ，ＳＣＩ 模块、 ＳＰＩ 模块、１６ 路 １２ 位 Ａ／Ｄ 模块、ＣＡＮ 模块等外设模 块为一体，具有集成度高，功耗小，运算速度快的优
文献标识码： Ａ
文章编号： １０００－ １００Ｘ（２００８）０６－ ００５１－ ０２
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ６０ ｋＷ／３００ ｋＨｚ Ｉｎｖｅｒ ｔｅｒ ｆｏｒ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｈｅａｔｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ
ＷＥＩ Ｋａｉ，ＷＵ Ｌｅｉ，ＪＩＡＮＧ Ｆｅｎｇ，ＦＵ Ｈｕａｎ－ｓｅｎ
参考文献
［１］ Ｈｅｎｇｃｈｕｎ Ｍａｏ，Ｌｅｅ Ｃ Ｙ，Ｂｏｒｏｙｅｖｉｃｈ Ｄ，ｅｔ ａｌ．Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｈｉｇｈ－
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｔｈｒｅｅ －ｐｈａｓｅ Ｐｏｗｅｒ －ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，Ａｕｇ． １９９７，４４ （４）：４３７－ ４４６． ［２］ 方 宇，裘 迅，邢 岩，等．基于预测电流控制的三相高
利用 ＤＳＰ 的脉冲捕获功能，可对输出电压和转 化为矩形波的输出电流进行过零跳变检测，并通过 中断方式获取由通用定时器产生的计数值，经过计 算变为与输出频率成正比的信号。该系统中 ε取负 载固有谐振频率 ｆ０ 的 ８％。当相位偏差 ｅ（ｋ）≥ε时， 电源采用模糊算法控制，进行快速的纠偏控制，否则 系统进入 ＤＰＬＬ 控制，进行精确的纠偏控制［４］。
１引言
高频感应加热电源利用电磁感应原理对工件进 行加热，可以通过选择电源频率和合理设计感应线 圈得到其功率密度在被加热工件内的分布。在各种 全控器件中，ＭＯＳＦＥＴ 以其开关速度快，输入阻抗 高，输入功率小，无二次击穿现象等优点，已成为高 频感应加热电源中最常用的器件。近年来智能控制 等控制思想和策略迅速发展，为感应加热电源这种 复杂的非线性控制提供了先进的控制策略；高速的 ＤＳＰ 芯片为数字信号的高速采样、高速运算和先进 的控制策略提供了控制核心。
［４］ 张崇巍，张 兴．ＰＷＭ 整流器及其控制［Ｍ］．北京：机械工 业出版社，２００３．
［５］ 杨贵杰，孙 力，崔乃政，等．空间矢量脉宽调制方法的研
资源的占用，不必对正弦值进行线性化处理，提高了
究［Ｊ］．中国电机工程学报，２００１，２１（５）：７９－ ８３．
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
第 ４２ 卷第 ６ 期 ２００８ 年 ６ 月
电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖｏｌ．４２， Ｎｏ．６ Ｊｕｎｅ， ２００８
基于 ＤＳＰ 的 ６０ ｋＷ／３００ ｋＨｚ 高频感应加热电源
韦 凯， 吴 雷， 蒋 峰， 付焕森 （江南大学，江苏 无锡 ２１４１２２）
摘要：介绍了一种基于 ＤＳＰ 的高频感应加热电源。现以 ＭＯＳＦＥＴ 为开关器件，并通过逆变器并联扩容为 ６０ ｋＷ／３００ ｋＨｚ。
模糊推理则按照规则库即可得到。
４．２．４ 解模糊
输出量 Ｔ（ｋ＋１）的论域、语言变量 ｅ（ｋｔ）和 ｅｃ（ｋｔ）
一样，在此均采用加权平均解模糊方法，即：
ｎ
"Ｔｉ（ｋＴ）μｃ［Ｔｉ（ｋＴ）］
Ｔ（ｋＴ）＝ ｉ ＝ １ ｎ
"μｃ［Ｔｉ（ｋＴ）］
ｉ＝１
（３）
式中：Ｔ（ｋＴ）为清晰化值；Ｔｉ（ｋＴ）为模糊控制器输出；μｃ［Ｔｉ（ｋＴ）］
定稿日期： ２００７－ １２－ ０５ 作 者 简 介 ： 韦 凯 （ １９８４－ ） ， 男 ， 湖 北 十 堰 人 ， 硕 士 研 究
生， 研究方向为电力电子及电力传动。
点，其整体性能是 ２４ 系列的 １０ 倍。
３ 感应加热电源的系统结构
图 １ 所示的感应加热电源采用 ＡＣ／ＤＣ／ＡＣ 的变 换过程。其中，三相交流经不控整流，逆变器采用串 联谐振式逆变电路，通过 Ｂｕｃｋ 斩波器控制逆变桥的 直流供电电压，以实现功率调节。斩波电路采用多重 斩波，其单个斩波单元的输出电流为总输出电流的 １／２，大大降低了斩波电路 ＩＧＢＴ 的工作负担，增大了 斩波电路的容量，同时减小了输出电流的脉动幅值， 提高了脉动频率，减轻了所需平波电抗器的重量。
４ ｆｕｚｚｙ－ＤＰＬＬ 复合数字锁相环
锁相环可分为数字锁相和模拟锁相。与传统的 模拟锁相相比，数字锁相不仅能有效解决模拟锁相 的老化和温漂问题，提高锁相的精度，还简化了硬件 电路的设计［１］。
然而在高频应用场合，要求频率必须迅速进行 跟踪，否则开关管工作在硬开关状态，会因发热过大 导致开关管损坏。在频率变化较大时，特别是启动
功率因数 ＰＷＭ 整流器研究［Ｊ］．中国电机工程学报，２００６， ２６（２０）：６９－ ７３．
［３］ 朱士海，钱 江，钱照明．三相 ＡＣ／ＤＣ 功率因数校正拓扑
比较［Ｊ］．电工电能新技术，２００２，２１（２）：７２－ ７６．
实验表明，所提出的新型调制算法计算简单，无 需存储正弦表格，可以缩短计算时间，减少对 ＤＳＰ
为对应于 Ｔｉ（ｋＴ）的隶属度。
模糊运算出的周期被加载到通用计时器 １ 的周
期寄存器 Ｔ１ＰＲ 中，然后开始产生由这个周期决定
的输出 ＰＷＭ。通过程序的循环，从而完成锁相［５］。
５ 功率控制器设计
功率控制器为双闭环控制，如图 ６ 所示。通过
直流斩波电路进行功率调节，电流检测和电压检测
信号通过 ＤＳＰ 的 Ａ／Ｄ 转换，参与数字 ＰＩＤ 运算，控
图 ７ 逆变器并联结构图
根据上述策略，采用 １ ２００ Ｖ／１１２ Ａ 的 ＭＯＳＦＥＴ 模块开发了一台 ６０ ｋＷ／３００ ｋＨｚ 高频感应加热电源， 输入电压为 ３８０ Ｖ，频率变化范围为 ２０～３００ ｋＨｚ。 Ｂｕｃｋ 电路的功率管采用 １ ｋＶ／１２０ Ａ 容量的 ＩＧＢＴ 模 块，功率调节范围为 １０％～１００％，且连续可调。变压 器的变比为 ２０ 比 １。图 ８ 示出实验结果。由图可见， 由于各逆变桥之间不可避免地相互影响，故桥 １ 和 桥 ２ 的锁相结果略有差别。试验中，进行了功率调节 和突加负载，即加载后引起谐振频率变化的输出电 压和输出电流锁相过程。系统可以快速完成锁相，没 有失锁现象发生，达到了快速的动态性能和精准的 稳态性能。在功率合成后，系统仍在功率因数接近 １ 的状态下运行，提高了电源的效率。
图 ２ 示出 ｆｕｚｚｙ－ＤＰＬＬ 复合数字锁相环软件流 程图。该复合控制在 ＤＳＰ 上实现，ＤＰＬＬ 算法和模糊 算法分别用两个子程序来实现。
图 ２ ｆｕｚｚｙ－ＤＰＬＬ 复合数字锁相环流程图
４．１ ＤＰＬＬ 实现 图 ３ 示出 ＤＰＬＬ 子程序流程图。计算得出新的
触发周期，并对其上下限进行限定，最后运算出的周 期被加载到通用计时器 １ 的周期寄存器 Ｔ１ＰＲ 中， 然后开始产生由这个周期决定的输出 ＰＷＭ。程序在 主程序中不断循环。
图 ３ ＤＰＬＬ 程序流程图
４．２ 模糊控制算法实现 ４．２．１ 模糊化
模糊控制器系统采用双输入单输出模式的 ｆｕｚｚｙ 控制器结构，其原理如图 ４ 所示。
输入为 ｅ（ｋｔ），ｅｃ（ｋｔ），输出为 Ｔ（ｋ＋１），则有：
ｅ（ｋＴ）＝ｐ（ｋＴ）－ ｐ０（ｋＴ）
（１）
ｅｃ（ｋＴ）＝ ｐ（ｋＴ）－ ｐ０（ｋＴ－ Ｔ） Ｔ
称、均匀分布的高斯三角函数，如图 ５ 所示。
图 ５ ｅ（ｋｔ），ｅｃ（ｋｔ）的隶属度
４．２．３ 规则库和模糊推理
规则库是根据专家经验总结的，这里列出触发
周期 Ｔ（ｋ＋１）的规则表，如表 １ 所示。
表 １ Ｔ（ ｋ＋１） 控制规则表
Ｔ（ｋ＋１） Ｅ ＮＬ ＮＭ ＮＳ ＺＯ ＰＳ ＰＭ ＰＬ ＥＣ
ＮＬ ＰＬ ＰＬ ＰＬ ＰＬ ＰＭ ＰＳ ＺＯ ＮＭ ＰＬ ＰＬ ＰＬ ＰＬ ＰＭ ＺＯ ＺＯ ＮＳ ＰＭ ＰＭ ＰＭ ＰＭ ＺＯ ＰＳ ＰＳ ＺＯ ＰＭ ＰＭ ＰＳ ＺＯ ＮＳ ＮＳ ＮＭ ＰＳ ＰＳ ＰＳ ＺＯ ＮＳ ＮＭ ＮＭ ＮＭ ＰＭ ＰＳ ＺＯ ＮＳ ＮＳ ＮＭ ＮＭ ＮＭ ＰＬ ＺＯ ＺＯ ＮＭ ＮＭ ＮＭ ＮＬ ＮＬ
以高频感应加热电源为研究对象，ＭＯＳＦＥＴ 为 开关器件，开发出 ２０ ｋＷ／３００ ｋＨｚ 的单桥感应加热电 源及其控制系统，并通过逆变器并联开发出Fra Baidu bibliotek６０ ｋＷ／ ３００ ｋＨｚ 的感应加热电源。高速的 ＤＳＰ 芯片为控制 核心，实现 ｆｕｚｚｙ－ＤＰＬＬ 复合数字锁相环技术，从而 提高感应加热电源逆变器的输出效率和功率因数。 在此讨论了该电路的设计及控制，给出了实验结果。
制 ＰＷＭ 的输出脉宽，从而进行功率调节，形成闭
环控制。若改变功率给定值，逆变器的输出功率将
会随之改变。根据自控原理，电网电压的波动对输
出功率无影响。
（ 下转第 ６５ 页）
５２
一种新颖的 Ｂｏｏｓｔ 型 ＰＷＭ 整流器控制算法研究
开关矢量的精确性，减少了谐波，对提高整流器的功 率因数具有积极作用。
采用多重斩波技术，增大了斩波电路的容量，将基于 ＤＳＰ 的 ｆｕｚｚｙ－ＤＰＬＬ 复合数字锁相环技术应用在高频场合，使锁
相有快速的动态性能和高精度的稳态性能，实现了对负载频率的可靠跟踪及对逆变状态的可靠控制，提高了逆变器
的工作效率和功率因数。
关键词：电源；感应加热 ／ 多重斩波；功率合成
中图分类号： ＴＮ８６，ＴＭ９２４．５
（ 上接第 ５２ 页）
６ 功率合成
受功率器件容量、多管并联时分布参数及其开 关管驱动功率的限制，逆变器采用变压器合成的功 率合成方法，如图 ７ 所示，其单桥容量为 ２０ ｋＷ。通过 匹配变压器次级串联的形式来合成输出功率。在该 连接形式下，逆变器并联结构的输入输出均为软连 接，一定程度上放宽了对逆变器一致性的要求，使各 逆变器输出均衡，最大限度地保证了逆变器的安全。
５１
第 ４２ 卷第 ６ 期 ２００８ 年 ６ 月
电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖｏｌ．４２， Ｎｏ．６ Ｊｕｎｅ， ２００８
时，两个周期相差太远，采用单纯的 ＰＬＬ 算法频率 跟踪速度比较慢，甚至可能跟不上［２］。为解决该问题， 采用了一种模糊复合数字锁相环算法，即当频率相 差较大时，先通过模糊算法进行快速的频率修正；当 频率相差较小时，再用数字锁相环算法对相位和频 率同时进行修正［３］。