2812的PWM移相控制在感应加热电源中的应用.pdf

3 3 2第1 8 届全国煤矿自动化与信息化学术会议论文集基于T M S 3 2 0 C 2 8 12 的P W M移相控制在感应加热电源中的应用李文江，庄益诗(辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛1 2 5 1 0 5)摘要：本设计主要研究感应加热电源逆变器属于单相全桥逆变器，以3 2 位数字信号处理器T M s 3 2 0 c 2 8 1 2 为控制核心针对于线路中存在寄生电感。本电路设计采用P W M 的移相控制方式论文对系统的主要电路进行了设计并分折了脉宽调制死区及死区的产生，感应加热电源逆变器选择，最后对该系统进行了仿真，从仿真波形可以看出符合上述分析关键词：感应加热；嗍：移相控制；数字信号处理器1 引言移相控制方式是近年来在全桥变换器中使用最多的一种软开关控制方式它是谐振变换技术和P 蹦技术的结合。其工作原理为每个桥臂的两个开关管1 8 0 度互补导通。两个桥臂的导通之间相差一个相位即所谓移相角。通过调节移相角大小来调节输出电压的脉冲宽度，从而达到调节相应的输出电压的目的1 如图l 所示四个I G B T(Q l 钟)的驱动脉冲分别为u l I，t I 吐，u 口和蛳。则上下臂的脉冲相位为互补(u I，与u 一。u 口与u 一)。但桥对角线臂的脉冲时序已不同相。实际中通过采用控制脉冲相位调节的相移式方波逆变的办法，通过固定一组桥臂的相位称为定相臂。调制另一桥臂即移相臂的相位，达到调制电压的目的瞌1。M l o麟一l 吣一jL一L一【I 啦A_ 一DtC_-一BU d笋-c=j 一、叫卜U bC-一M 4M 5泳jo 跳一一k一L一k图l 采用移相控制方式的全桥逆变电路第1 8 届全国煤矿自动化与信息化学术会议论文集3 3 32 系统主电路设计系统主电路如图2 所示，整流侧采用不控整流三相3 8 0 V 交流电经真空交流接触器给系统上电。同时T M S 3 2 0 C 2 8 1 2 控制系统初始化三相交流经整流二极管模块整流，通过充电电阻对电解电容充电，同时在对电解电容上的电压建立起来后，在没有故障的情况下，T M S 3 2 0 C 2 8 1 2 先输出一路脉冲信号将可控硅触发导通，短路充电电阻后，此时被c d 滤波后的直流电压，加到由四个I G B T 和四个反并联二极管组成的单相全桥逆变器，逆变器输出的电压经超音频变压器隔离并降压后加到负载两端。图2 感应加热电源主电路图3 脉宽调制(P W M)电路与死区为了防止因I G B T 的电流“拖尾”而导致的上下桥臂的直通短路，在上下桥臂的驱动脉冲之问插入一死区时间(该死区时间应大于I G B T 的电流拖尾时间)1。为防止因元件失效、过电流损坏、栅极驱动电路故障和人为故障等而导致全桥逆变电路直通短路和过负荷现象的发生，应在电路中增加互锁保护电路和过流保护电路。为了实现这些设想。以T 硒3 2 0 c 2 8 1 2 为核心，本控制器向I G B T 输入脉宽信号，即P W M 波形n 1。脉宽调制(P W M)电路主要是指逆变器所需的P 删波形的产生。对于每个E 模块，与比较单元相关的P 咖电路使带有可编程死区和输出极性的6 路P 删输出产生成为可能。E v A 模块的P 1 M 电路功能结构包括以下的功能单元：非对称对称波形发生器：可编程的死区单元(D B U)；输出逻辑；空间向量(S V)P 吼状态机。对于E B 模块的P 1】y M 电路结构与E v A 模块的样，只是改变相关寄存器的配置。当P 删波形用于逆变控制时，设计的P 帐电路可以大大减少产出P w M 波形的C P U 开销和减少3 3 4笫1 8 届全国煤矿自动化与信息化学术会议论文集用户的参与工作量。比较单元的P 删波形发生器和相应的P 删电路由以下寄存器控制：T 1 c o N、C O Mc 0 N A、A C T R A 和D B T C O N A(对于E v A 模块)；T 3 C O N、c 0 眦0 N B、A C T R B 和D B T c 0 N B(对于E V B 模块)。E v A 和E v B 模块都有它们各自的可编程的死区单元(分别为D B T C o N A 和D B T C O N B)，可编程死区单元具有以下特点：一个1 6 位死区控制寄存器D B T C o N x(可读写)；一个输入时钟预定标，x 1、x 2、x 4、x 8、x 1 6、x 3 2：内部C P U 时钟输入：3 个4 位减数定时器：控制逻辑。设计死区确保上级器件和下级器件的打开周期没有重叠，上、下级器件是由于每个比较单元相对应的两个比较P 删输出控制的。当死区被禁止用于比较单元时，与此比较单元相对应的P 删输出在一个周期结束时不会复位到一个无效状态。输出逻辑电路决定了比较发生匹配时，输出引脚P w M x(x=l 1 2)上的输出极性和动作。与每个比较单元相对应的输出可设定为低有效、高有效、强制低和强制高。比较单元的P W M 输出极性和动作通过A c T R 寄存器的正确的位来配置。当发生以下任何一种情况时，所有的P 聊输出引脚都置为高阻态：软件清X O 蜮0 N x 9 位；当尸D P 风1 X 没有被屏蔽时，由硬件将脚胁引脚上的电平拉低；任何复位事件的发生。有效的P D 尸，人哩X(当其被使能)和系统复位会覆盖C o M C o N x 和A c T R x 中的位。4 死区的产生死区是为了保证功率器件I G B T 安全可靠的运行而不得不采取的措施。在逆变器中，为了避免上、下功率器件的直通，功率器件的触发总是先使上面导通的功率器件关闭后，经过一定的时间再使下一个功率器件触发。这段时间就称为死区，在死区期间上、下桥臂的功率器件都处于关断状态。删S 3 2 0 C 2 8 1 2 利用其内部特有的功能，并通过软件编程，就可实现所需的驱动脉冲和可控的死区时间，使外围电路得到简化，而且还可利用其内部的定时器实现主电路的过电流保护。T M S 3 2 0 C 2 8 1 2 对每一个输入信号P H x 会产生两个输出信号D T P H x 和D T P H x 一。当死区被禁止用于比较单元及其相应的输出时，这两个信号实际上是相同的。当死区单元被允许用于比较单元时，这两个信号的转换边沿就会被一个称为死区的时间间隔分开。这个时间间隔由D B T C o N x 的位决定。假设D B T C o N x【1 卜8 中的值为m，并且D B T C o N x 4 2 的值对应于预定标因子x p，那么死区值为p m 个C P U 时钟周期。表示的是根据D C r C O N x 中典型的位组合而产生的死区值。这些值是基于一个2 5 n s 的C P U 时钟。电力电子开关的通断需要一定的驱动脉冲这些脉冲可以通过改变一个电压信号来第1 8 届全国煤矿自动化与信息化学术会议论文集3 3 5调节。产生和调节驱动脉冲的电路通常称为控制电路。从以上可知通过软件编程T M S 3 2 0 C 2 8 1 2 可直接输出控制I G B T 的通断的P W M 波形。因此在设计时只需要设计T M S 3 2 0 c 2 8 1 2 到I G E r r 的控制电路即可。因T M S 3 2 0 C 2 8 1 2 工作电压为3 3 V，输出的高电平也只有3 3 V 而驱动电路需要输入的是高电平为5 V 的P w M 脉冲信号。因此在1 I S 3 2 0 C 2 8 1 2的P M 输出端接7 4 A L V l 6 2 4 5 可将高电平电压为3 3 V 的P w M 脉冲转换为5 V 的P w M 脉冲，再接7 4 H c 2 4 4 芯片可以提高信号的驱动能力。5 感应加热电源逆变器选择分析目前变频感应加热电源的负载均为谐振电路，因为当电路达到谐振时，逆变器换流开关损耗最小，从而以实现软开关技术。根据负载补偿形式主要分为串联谐振电路和并联谐振电路两种，因此超音频感应加热电源的逆变器也就主要分为串联谐振式电压型逆变器和并联谐振式电流型逆变器。超音频感应加热的设计有三个要点：器件是前提，工艺上的可实现性是关键，满足工件的加热要求是最终目的。从结构工艺来看，超音频电源对分布参数较为敏感，杂散电感和分布电容很容易引起电压过冲和开关过程的高频振荡，并联逆变器的开关器件要求具有双向耐压的能力，对槽路布线要求较高，较长引线会改变负载电路的结构，因此增加了结构设计和安装的难度和分布参数。另外由于串联逆变器可以利用逆变调功方式不必如并联逆变器那样必须采用可控整流或直流斩波调功。因此采用串联逆变器的感应加热电源在整体结构上更加简洁，有利于超音频电源的结构设计。6 仿真分析电路中三相交流整流后再经大电容滤波其电压波形为脉动的直流，在建立仿真模型时用一个直流电源模块(D cV 0 1 t a g eS o u r c e)代替整流部分，用电流测量模块(C u r r e n tM e a s u r e m e n t)和电压测量模块(V 0 1 t a g eM e a s u r e m e n t)取负载的电流电压送示波器模块显示。其仿真波形如图3 所示，从波形可以看出符合上述分析。图3 逆变电流电压波形3 3 6第18 届全国煤矿自动化与信息化学术会议论文集当重新设置电感、电阻，电容，采样时间，开关频率等参数，对逆变器工作在谐振状态下进行仿真，得到如图4 所示电流电压波形。图4 负载回路电流电压波形从图4 可以看出在理想状态下负载电流电压相位基本达到了一致。参考文献：1 郭均高，张爱萍美国感应热处理的最新发展趋势 J 国外金属热处理，2 0 0 2 2 LR u d n e r，夏玉庆领先的感应加热热处理设备 J 国外金属热处理，2 0 0 2，2 1(1)：3 3 3 7 3 张卫宁编译T M S 3 2 0 C 2 8 X 系列D S P 的C P U 与外设清华大学出版社2 0 0 5作者简介：李文江(1 9 5 卜)，男，辽宁阜新人，教授，博士生导师，现在主要从事电力电子、D S P 及单片机应用方面的研究工作。通讯地址：辽宁省葫芦岛龙湾南大街1 8 8 号辽宁工程技术大学电气与控制工程学院4 4 8 信箱邮编：1 2 5 1 0 5电话：1 3 5 9 1 9 9 2 2 6 0