基于FPGA的感应加热电源控制系统研究.pdf

江南大学硕士学位论文基于FPGA的感应加热电源控制系统研究姓名：庞敬贤申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：惠晶20080601摘要摘要当今社会是数字化的社会，数字控制系统的应用领域也越来越广泛。近年来，随着F P G A 技术的出现，凭借着它在设计上的优越性，不仅在通信领域得到了广泛的应用，而且已经逐渐渗透到控制领域。与单片机和D S P 相比，F P G A 用硬件连线实现其软件算法，具有更高的处理速度。本文针对F P G A 具有设计灵活、集成度高、速度快、设计周期短等优点，用F P G A 来实现应加热电源的频率跟踪和功率控制本文首先介绍了感应加热电源的一些基本原理和发展趋势，然后对电源的拓扑结构进行了深入的研究分析，确定了主电路的拓扑结构为串联谐振式，功率调节方式为不控整流加斩波器调压调功。感应加热电源的频率跟踪电路大都采用锁相环控制，本文对锁相环原理进行了分析，针对传统锁相环的缺点。利用S y s t e mG e n e r a t o r 设计了一种基于F P G A 的数字锁相环(D P L L)。其次，本文根据感应加热电源功率控制的特点，将功率控制问题转化为B u c k斩波器的电压控制问题，并利用S y s t e mG e n e r a t o r 设计了基于F P G A 的数字P I 功率闭环控制系统。根据以上研究，本文利用F P G A 开发平台I S E 完成了上述数字锁相环(D P L L)和数字P I 控制器的综合设计。最后，本文设计了一台3 0 k W 1 0 k H z 的基于F P G A 的感应加热电源实验样机，给出了功率器件的驱动和缓冲电路以及其他电源保护电路等。通过实验，结果表明，利用F P G A 技术实现感应加热电源系统的控制是可行的。关键词：感应加热，串联谐振，现场可编程门阵列，数字锁相环，功率控制A b s 仃a c tN o wt h es o c i e t yi sad i g i t i z e as o c i e t y,D i g i t a lC o n t r o lS y s t e m sa p p l i c a t i o nh a sb e e o m oi n c r e a s i n g l yw i d e s p r e a d I nr e c e n ty e a r s，嘶mt h ee m e r g e n c eo fF P G At e c h n o l o g y,b yv i r m eo fi t ss u p e r i o r i t yi n t h ed e s i g n,i t sn o to n l yh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l do fc o m m u n i c a t i o n s，b u ta l s og r a d u a l l yb e e ni n f i l t r a t e di n t ot h e0 1 e 8o fc o n t r 0 1 C o m p a r e d 谢mM C Ua n dD S P，b e c a u s eo f r e a l i z i n gi t ss o t l 冈v a r ea l g o r i t l m au s i n gh a r d w a r es e g m e n ti nF I G A,i th a sah i g h e rp r o c e s s i n gs p e c d W i t ht h em e r i t so ff l e x i b l ed e s i g n,h i g hi n t e g r a t i o n,s p e e d,s h o r td e s i g nc y c l eo fF P G A，t h ea r t i c a lh a sr e a l i z e dt h ef i e q u e n e yt r a c k i n ga n dp o w e rc o n t r o lo ft h eh e a t i n gp o w e rs y s t e m T l l i sa t t i d ef i r s ti n t r o d u c e d m eb a s i cp r i n c i p l e sa n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do fi n d u c t i o nh e a t i n gt e c h n o l o g y,a n dt h e nc o n d u c t e dad e e pr e s e a r c hO nt h et o p o l o g yo ft h ep o w e r A tl a s tw ed e t e r m i n e dt h es e r i e sr e S O l l l t l l c ef o rt h em a i nc i r c u i t st o p o l o g y,a n dc h o s et h eu n c o n t r o l l e dr e c t i f y i n gc i r c u i ta n dB u c kc h o p p e rf o rt h ep o w e rr e g u l a t i o nm e t h o d P h a s e-l o c k e dl o o pc o n t r o lc i r c u i ti sm o s t l yu s e dt oa c h i e v ef r e q u e n c yt r a c k i n gi ni n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l y 1 1 1 i sp a p e ra n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo ft h ep h a s e-l o c k e d1 0 0 p，p r o p o s e dam e t h o do fd i g i t a lp h a s e-l o c k e dl o o p(D P L L)b a s e d0 1 1F P G Ai nv i e wo ft r a d i t i o n a lp h a s e-l o c k e dl o o p ss h o r t c o m i n g s I nt h ea r t i c l e,t h ed i g i t a lp h a s e l o c k e dl o o p(D P L L)h a r d w a r ed e s i g nm e t h o dh a sb e e nd e t a i l e d S e c o n d l y,w ed e s i g n e dac l o s e d-l o o pc o n t r o ls y s t e mo fp o w e rr e g u l a t i o n A c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fi n d u c t i o nh e a t i n gp O W C l r,p o w e rc o n t r o lw i l lb et r a n s f o r m e di n t ot h ev o l t a g ec o n t r o lo fB u c kc h o p p e r md i 酉t a lp o w e rc l o s e d-l o o pc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d,a n de l a b o r a t e di t sh a r d w a r ei m p l 酬o nb a s e dO nF P G A F i n a l l y,i n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l yb a s e d0 1 1F P G AW a Sd e s i g n e d,t h e 弹哪盯o fw h i c hi s3 0 k Ww i n lt h ef r e q u e n c y1 0k H z A n dt h ed r i v i n ga n db u f f e r i n gc i r c u i t so fp o w e rd e v i c ew e a l s od e s i g n e d，丛w e l l 舔o t h e rp o w e rp r o t e c t i o nc i r c u i t s T h r o u g ht h ee x r 圮r i m e n t,t h er e s u l t ss h o wt h a tu s i n gt h eF P G At e c h n o l o g yt or e a l i z et h ec o n t r o ls y s t e mo fi n d u c t i o nh e a t i n gp o w e ri sf e a s i b l e K e y w o r d s：I n d u c t i o nh e a t i n g,S e r i e sr e s o n a n t,F P G A，D P L L,P o w e rc o n t r o l独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意签名：压敬杼日期：砂易绎铂f，z 留关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅争借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致保密的学位论文在解密后也遵守此规定签名：趔导师签垒-丝日期：知哆，仁第一章绪论1 1 感应加热原理及其特点第一章绪论感应加热是根据电磁感应原理，利用涡流对置于交变磁场中的工件进行加热。其工作原理如图1 1 所示。电流通过线圈产生交变的磁场，当磁场内磁力线通过待加热金属工件时，交变的磁力线穿透金属工件形成回路，故在其横截面内产生感应电流，此电流称为涡流，可使待加热工件局部瞬时迅速发热，进而达到工业加热的目的【1 1 图卜l 感应加热示意图F i g l 1T h es k e c ho f I n d u c ti o nh e a ti n gp o w e rs u p p l y基本电磁定律：法拉第定律：e；掣(1 1)搿安培定律：J n d l=肘(1 2)其中：9=I s a s，口=u u o H(1 3)采用国际单位制，感应电动势e 的单位为n 磁通9 的单位为肠，磁场强度H 的单位为A m，磁感应强度B 的单位为T(特斯拉)以上定律基本阐述了电磁感应的基本性质。当感应线圈上通过上述交变电流i 时，线圈内部会产生相同频率的交变磁通妒，交变磁通是按正弦规律变化的，则有尹=。s i n a 砑(1 4)式1 4 中瓯为交变磁通的最大值，则可得到感应电动势为：P=。0 7 c o s(a t(1 5)式1 5 中N 是线圈匝数。因此感应电动势的有效值为：E=T 2 p f N F,一=4 4 4 N J F,(1 6)式1 6 中，为交变电流的频率。在金属导体横截面内产生的涡流，值与感应电动势和涡流回路的阻抗Z 相关，江南大学硕士学位论文1，=竺=1 坚(1 7)，=一=F 2=k I，夕zR 2+x；其中：J I 卜涡流回路等效的电阻(Q)；置一涡流回路等效的感抗(Q)；感应加热通过感应线圈把电能传递给要加热的金属，然后电能在金属内部转变为热能。感应线圈与被加热工件并不直接接触，能量是通过电磁感应传递的，故感应加热属于非接触式工件加热，其产生焦耳热的功率为：P：o 2 4，z R：霉掣j 22(Z)2(1 8)。R。+工，2。其中：P 一涡流作用在加热工件上所产生的热量(W)：，一电流有效值(A)；由式1 8 可以看出，当负载固定时，发热功率与频率的高低和磁场的强弱有关。感应线圈中流过的电流越大，其产生的磁通也就越大，因此提高感应线圈中的电流可以使工件中产生的涡流加大；同样提高工作频率也会使工件中的感应电流加大，从而增加发热效果，使工件升温更快。另外，涡流的大小与金属的截面大小、截面形状、导电率、导磁率以及透入深度有关。感应加热有以下优点：(1)非接触式加热，热源和受热物件可以不直接接触；(2)加热效率高，速度快，可以减小表面氧化现象；(3)加工精度高，温度容易控制，产品质量稳定；(4)可实现局部加热；(5)可实现自动化控制；(6)占地面积小，热辐射，噪声和灰尘少；(7)容易实现自动控制，省力。鉴于其具有以上诸多优点，因此在工业领域有着广泛的应用【2】。目前，感应加热已广泛应用于金属熔炼、透热、和焊接等过程，已经成为冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻和船舶、飞机、汽车制造等部可缺少的设备【3 1。此外感应加热也己经或不断地进入到人们的家庭生活中，例如微波炉、电磁炉、热水器等。1 2 感应加热电源的发展现状及发展趋势1 2 I 国内外感应加热电源的现状目前，国外的感应加热电源在低频(1 5 0 H z 以下)范围内，普遍采用传统的工频感应炉。功率可达数百兆瓦【4】，用于数十吨的大型工件的透热或数百吨的钢水保温。在中频(1 5 0 H z 一1 0 k H z)范围内，晶闸管出现以后，欧洲各国先后开始研制晶闸管中2第一章绪论频装置【5】。至今，晶闸管感应加热装置已完全取代了传统的中频发电机组和电磁倍频器，成为主导产品【6】，国外的装置容量己达数十兆瓦。在超音频(1 0 k H z-l O O k H z)范围内，八十年代开始随着一系列新型功率器件的相继出现，主要有G T O、G T R、I G B T，以这些新型器件构成的结构简单的全桥型超音频固态感应加热电源逐渐占据了主导地位，其中以I G B T 应用最为普遍r 7 l。日本采用I G B T已研制出了1 2 0 0 k W 5 0 k H z 的电流型感应加热电源，逆变器工作于零电压开关状态。西班牙也已经报道了6 0 0 k W 1 0 0 k H z 的I G B T 电流型感应加热电源，欧、美地区的其它一些国家如英国、法国、瑞士等的系列化超音频感应加热电源也达数百千瓦【8】。在高频(1 0 0 1 d-l z 以上)领域，主要采用功率场效应管(M O S F E T)作开关管【嘎姗，美国的英达公司采用M O S F E T 已经实现了2 0 0 K W 8 0 0 K H z 和2 M W 愀H z 的感应加热电源产品。西班牙采用M O S F E T 的电流型感应加热电源制造水平可达6 0 0 k W 似o o k H z；比利时I n d u c t oE l p h i a c 公司生产的电流型M O S F E T 感应加热电源水平可达IM W 15 0 -6 0 0 k H z；目前德国已经将1 1 0 0 K W 1 5 0 K H z 和2 5 K W 5 M H z 感应加热电源产品化：英国也已经有了5 K W 2 7 M H z 的感应加热电源产品应用于高频电源的另一功率器件为静电感应晶体管(S m，具有大电流、高耐压、大电流的输出功率和高的工作频率【l l 1 2 1。在日本，己开发出了用S I T 作为开关元件，其参数达1 2 0 0 董洲2 0 0 z，4 0 0 枷K H z的高频感应加热电源。在国内，感应加热技术从5 0 年代开始就被广泛应用于工业生产当中。6 0 年代末开始研制晶闸管中频电源。到目前已经形成了一定范围的系列化产品，并开拓了较为广阔的应用市场【l 引。在中频领域，晶闸管中频电源装置基本上取代了旋转发电机【1】。但国产中频电源大多采用并联谐振逆变器结构，因此在开发更大容量的并联逆变中频感应加热电源的同时，尽快研制出结构简单，易于频繁起动的串联谐振逆变中频电源也是中频领域有待解决的问题。在超音频领域的研究工作八十年代己经开始【1 5 1。浙江大学采用晶闸管倍频电路研制了5 0 k W 5 0 k H z 的超音频电源，采用时间分隔电路研制了3 0 k H z 的晶闸管超音频电源从九十年代初开始，国内采用I G B T 研制超音频电源【1 6 l。如今，浙江大学研制开发的2 5 0 k W 5 0 1 d-l z 超音频电源己经产品化。在高频电源领域，更多的是采用电子管，少量的采用S I T 器件。浙江大学上世纪9 0年代已经研制出2 0 k W 3 0 0 k H z 的M O S F E T 高频电源并投入实际应用，江南大学本世纪初研制成功l k W 2 M H z 的M O S F E T 超高频电源样机【1 7 1，华北电力大学研制出2 0 0 k W 4 0 0 k H z 固态高频感应加热电源【l 射，浙江大学研制出l O O k H z 的I G B T 高频感应加热电源l 川。总的来说，在容量、频率和控制手段等方面国内与国外的水平有一定的差距。1 2 2 感应加热电源的发展趋势感应加热技术的发展与功率半导体器件和控制技术的发展密切相关，当前功率器件江南大学硕士学位论文在性能上的不断完善，控制技术的不断发展，使得感应加热电源的发展趋势呈现出以下几方面的特点：(1)高频化、大容量化晶闸管在感应加热的中频段得到了广泛的应用，I G B T 在感应加热的超音频段得到了广泛的应用，而M O S F E T 和S I T 的发展和软开关技术的发展则使感应加热电源向高频化方向发展：而且，随着功率器件大容量化的发展，感应加热电源的容量也随之提高。(2)低损耗、高功率因数随着功率器件的发展，再加上驱动电路的不断完善和优化，使得整个装置的损耗明显降低。随着整个电网无功及谐波污染要求的提高，具有高功率因数、低谐波污染电源必将成为今后发展趋势。(3)应用范围扩大化采用感应加热方法对锻造钢坯透热，节水节电，无污染；铸造熔炼方面可以实现普通钢、特种钢、非铁金属材料的精细熔炼，同时可提高效率、无污染、金属成份可控：感应钎焊效率高，对被焊母材无损伤，适用于精度高、批量大的工件和体积大、难移动的母材局部钎焊及各类金属管材的焊接；各类零部件的表面热处理大量采用感应加热方法；钢塑材料制造、铝塑薄膜加工以及食品工业、医药工业的封口工艺也大量地采用感应加热的方式。(4)数字化、智能化控制随着数字集成芯片，单片机，D S P，F P G A 的发展，电源的控制已经由模拟控制，模数混合控制，进入到全数字控制阶段。且随着感应加热处理生产线自动化控制程度及对电源可靠性要求的提高，感应加热电源正向智能化控制方案发展，具有计算机智能接口远程控制、故障自动诊断等控制性能的感应加热电源正成为下一代发展目标圆。1 3 数字化控制技术及F P G A 的发展1 3 1 数字化技术的发展模拟控制电路控制精度低、动态响应慢、参数整定不便、温度漂移严重、易老化等缺点。专用集成控制芯片的出现大大简化电路的控制线路，提高控制信号的开关频率和电路的可靠性。但由于阻容元件的存在，元件参数的精度和一致性、元件的老化等问题仍然存在。此外还存在着功耗较大、集成度低、控制不够灵活，通用性不强等问题【2 l l。用数字化控制代替模拟控制，能消除温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点，对电流检测误差可以进行精确的数字校正，电压检测也更精确；可以实现快速，灵活的控制设计。同时可减少元器件数目、简化硬件结构。此外还可实行运行数据的自动储存和故障自动诊断，有利于实现电力电子装置运行的智能化。随着电子技术的发展，数字化控制技术也经历了由低端的单片机到高端的D S P、F P G A 等的发展历程。单片机是一种在一块芯片上集成了C P U，R A M R O M、定时器计数器和I O 接口等单元的微控制芯片，具有速度快，功能强、效率高、体积小，性能可靠、抗干扰力强等4第一苹绪论优点，在各种控制系统中应用广泛瞄】。在感应加热电源控制系统中，单片机主要用作数据采集和运算处理、电压电流调节、P W M 信号生成、系统状态监控和故障自我诊断等单片机控制克服了模拟电路的固有缺陷，通过数字化的控制方法，得到高精度和高稳定度的控制特性。然而，单片机的工作频率与控制精度是一对矛盾，且处理速度很难满足高频电路的要求D S P 是数字信号处理器的简称，其内部集成波特率发生器和F I F O 缓冲器，提供高速同步串口和标准异步串口，有的片内还集成了采样保持和A D 转换电路，并提供P W M信号输出【2 3 1 与单片机相比，D S P 具有更快的C P U、更高的集成度和更大容量的存储器。D S P 的大多数指令都能在一个周期内完成，并可通过并行处理技术，在一个指令周期内完成多条指令。而单片机在同一时刻只能单独访问指令或数据。在电力电子装置中，D S P 主要完成主电路控制、系统实时监控及保护、系统通信等功能。应用的具体电路包括B u c k 变换电路、B o o s t 变换电路、逆变电源、U P S、交流电机调速电路、功率因数校正电路和谐波抑制电路等。虽然D S P 有着许多优点，但是它也存在一些局限性，如采样频率的选择、P W M 信号频率及其精度、采样延时、运算时间及精度等。这些因素会或多或少地影响电路的控制性能。F P G A(F i e l dP r o g r a m m a b l eG a t eA r r a y)0 0 现场可编程门阵列，它是在P A L、G A L、E P L D 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。其结构主要分为三部分：可编程逻辑块、可编程F O 模块、可编程内部连线。其内部逻辑功能可以根据需要任意设定，具有集成度高、处理速度快、效率高等优点【2 4 1 一片F P G A 可以实现非常复杂的逻辑，替代多块集成电路和分立元件组成的电路。它借助于硬件描述语言(D L)来对系统进行设计，采用三个层次的硬件描述和自上至下的设计风格，能对三个层次的描述进行混合仿真，从而可以方便地进行数字电路设计，在可靠性、体积、成本上具有相当优势【2 5 1。目前，单片机、D S P 在电子电路的控制系统中得到了广泛的应用，它们较之模拟控制电路有许多共同的优良特性。随着电子电路的日趋高频化和复杂化，上述芯片的单一采用往往难以达到期望的控制效果，因此，各种控制芯片的混合使用将成为控制电路的一个重要发展趋势(1)单片机+D S P 结构：比如，在U P S 中，D C D C、A C D C 的控制可以采用单片机，而D C A C 的控制则采用运算速度和频率更高的D S P 芯片。(2)D S P+F P G A 结构：D S P 具有软件的灵活性，而F P G A 具有硬件的高速性，能够处理复杂算法。因此，本结构有助于在设计中协调软、硬件之间的关系。(3)嵌入D S P 模块的F P G A：将具有基本数字信号功能的D S P 模块嵌入到F P G A中，这样F P G A 提供的D S P 性能可以达到每秒1 2 8 0 亿次M A C(乘法并累加)，这将大大高于目前主流D S P 的性能。总的来说，数字化控制己经广泛应用于电力电子电路的各个方面，满足了电力电子电路日趋高频化和复杂化发展的需要，在提高系统效率、改善系统性能等方面发挥着越来越重要的作用 2 6 1。江南大学硕士学位论文1 3 2 可编程逻辑器件的发展当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会。数字集成电路本身在不断地进行更新换代f 2 7 1。它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、发展到超大规模集成电路(V L S I C，几万门以上)以及许多具有特定功能的专用集成电路。但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路(A S I C)芯片，而且希望A S I C 的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的A S I C 芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件(F P G A)，其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列(F P G A)和复杂可编程逻辑器件(C P L D)。早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存贮器(P R O M)、紫外线可擦除只读存贮器(E P R O M)和电可擦除只读存贮器(E E P R O M)三种。由于结构的限制，它们只能完成简单的数字逻辑功能。其后，出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件(P L D)，它能够完成各种数字逻辑功能。典型的P L D 由一个“与 门和一个“或门阵列组成，而任意一个组合逻辑都可以用“与一或一表达式来描述，所以，P L D 能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能。这一阶段的产品主要有P A L(可编程阵列逻辑)和G A L(通用阵列逻辑)。P A L 由一个可编程的“与盼平面和一个固定的“或 平面构成，或门的输出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。这些早期的P L D 器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。为了弥补这一缺陷，2 0 世纪8 0 年代中期。A l t e w a 和X i l i n x 分别推出了类似于P A L结构的扩展型C P L D(C o m p l e xP r o g r a m m a b l eL o 西cD v i c e)和与标准门阵列类似的F P G A(F i e l dP r o g r a m m a b l eG a t eA r r a y)，它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点1 1 2 4 1。这两种器件兼容了P L D 和通用门阵列的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。与门阵列等其它A S I C(A p p l i c a t i o nS p e c i f i cI C)相比，它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产(一般在1 0，0 0 0 件以下)之中。几乎所有应用门阵列、P L D 和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用F P G A 和C P L D 器件【2 8】。1 3 3F P G A C P L D 概述F P G A(现场可编程门阵列)与C P L D(复杂可编程逻辑器件)都是可编程逻辑器件，它们是在P A L，G A L 等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的队L，G A L 等相比较，F P G A C P L D 的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通用I C 芯片。这样的F P G A C P L D 实际上就是一个子系统部件。这种芯片受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎【2 9 1。经过了十几年的发展，许多公司都开发出了多种可编程逻辑器件。比较典型的就是X i l i n x 公司f 3 0】的F P G A 器件系列和A l t e r a 公司【3 t 的C P L D 器件系列，它们开发较早，占用了较大的P L D 市场。通常来说，在欧洲用X i l i n x 的人多，6第一章绪论在日本和亚太地区用A L l E R A 的人多，在美国则是平分秋色。全球P L D F P G A 产品6 0 以上是由A l t e r a 和X i l i n x 提供的【3 2】。可以讲A l t e r a 和X i l i n x 共同决定了P L D 技术的发展方向尽管F P G A，C P L D 和其它类型P L D 的结构各有其特点和长处。但概括起来，它们是由三大部分组成的：一个二维的逻辑块阵列，构成了P L D 器件的逻辑组成核心；输输出块，连接逻辑块的互连资源：连线资源，由各种长度的连线线段组成，其中也有一些可编程的连接开关，它们用于逻辑块之间、逻辑块与输入幸l 出块之间的连接。对用户而言，C P L D 与F P G A 的内部结构稍有不同，但用法一样，所以多数情况下，不加以区分。F P G A C P L D 芯片都是特殊的A S I C 芯片，它们除了具有A S I C 的特点之外，还具有以下几个优点：随着V I S I(V e r yL a r g eS c a l eI C，超大规模集成电路)工艺的不断提高单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管，F P G A C P L D 芯片的规模也越来越大，其单片逻辑门数已达到上百万门，它所能实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成。F P G A C P L D 芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员承担投片风险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终功能设计。所以，F P G A C P L D 的资金投入小，节省了许多潜在的花费用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同软件就可实现不同的功能。所以，用F P G A P L D 试制样片，能以最快的速度占领市场【3 3 1。F P G A C P L D软件包中有各种输入工具和仿真工具，及版图设计工具和编程器等全线产品，电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作。当电路有少量改动时，更能显示出F P G A C P L D 的优势。电路设计人员使用F P G A C P L D进行电路设计时，不需要具备专门的I C(集成电路)深层次的知识，F P G A C P L D 软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计，快速将产品推向市场。1 4 选题的研究内容及意义1 A 1 课题主要研究内容本文提出一种基于F P G A 的串联谐振式感应加热电源，提出了系统的总体设计方案，利用S y s t e mG e n e r a t o r 生成硬件描述语言(v H D L)设计了感应加热电源的控制系统，并在此基础上进行实验，得出了实验结果。具体主要有以下几方面内容：(1)对比分析了几种常见的感应加热电源的拓扑结构，得出了它们各自的优缺点，选择了搿不控整流+B u c k 斩波+串联谐振型逆变器一作为本课题研究的拓扑结构(2)根据感应加热电源系统自身的特点，需要解决功率调节、输出效率以及软开关这三个问题。感应加热电源的输出效率和软开关这两个问题可以转换为对负载频率的跟踪控制，即采用锁相环控制。本文分析了锁相环的基本原理，探讨了传统锁相环C D 4 0 4 6的工作原理，指出其局限性。针对电源的功率调节问题，通过功率分析，将感应加热电源的功率控制问题转换为B u c k 变换器的控制问题，并通过数学建模分析，确定了功率7江南大学硕士学位论文控制的闭环控制系统，并分析了传统功率控制方法，指出其局限性。(3)利用M a t l a b s i m u l i n k 和S y s t e mG e n e r a t o r 联合建模仿真，设计了基于F P G A的感应加热电源的数字锁相环和数字P I 功率控制系统，并利用F P G A 开发平台I S E 实现(4)设计并制作基于F P G A 的硬件控制平台，包括了功率器件的驱动电路、缓冲电路，电源电压电流的采样电路、过电压过电流的故障保护电路、控制系统辅助电源等。1 4 2 课题研究的意义传统的感应加热电源控制多采用模拟集成电路的方式，电路结构复杂而且随着环境的变化，电路的可靠性明显降低；模拟电路还存在元器件老化、系统升级改造困难等缺点。纵观电力电子设备的发展，全数字化、模块化是它的一个重要趋势。以逆变电源的锁相环为例，目前应用于数字化电力电子设备中的锁相环，多以M C U D S P 为核心，以软件实现离散域的运算及控制。这种以软件为主的方案较大程度上依赖于处理器的性能，D S P 工作频率直接制约了输出电压和锁相相位精度。采用F P G A 作为其控制核心，用硬件连线实现其软件算法，加快运算速度，可以有效地增强控制器的效率，F P G A 实现的高速硬件算法和专用的功能部件可以独立于M C U 运行，不占用控制M C U C P U 时间。目前各F P G A 生产商大力推广的嵌入式软硬核处理器(例如A l t c r a 公司的N i o s 系列，X i n l i n x 公司的V m e x 2、V t r t e x 2 P 系列)为电力电子控制器的进一步集成提供了极大方便。大规模的F P G A 让我们可以将微处理器、专用硬件算法单元，专用波形发生单元、信号采集处理单元都集成于一块F P G A 芯片上，使之成为一个完整的电力电子专用控制系统，从而使电子系统由原来的集成电路变成集成系统。这种A S I C 的设计将进一步推动电力电子设备的发展，为电力电子的产品世界带来一场新的革命。本文正是基于F P G A 的上述优点，利用S y s t e mG e n e r a t o r 设计了感应加热电源的控制系统，将负载频率跟踪电路、功率调节电路等集成在一块F P G A 内，从而最大程度上简化电源装置的电路结构，提高整机稳定性，这是个极有意义的尝试。第二章感应加热电源的拓扑结构分析及选择第二章感应加热电源的拓扑结构分析及选择2 1 感应加热电源谐振方式的选择感应加热电源工作时，工频交流电经整流器整流并经滤波器滤波后成为平滑的直流电，送入逆变器，逆变器采用电力半导体器件作为开关器件，把直流电变为所需频率的交流电供给负载。感应加热电源的负载是由感应线圈和负载组成的，功率因数很低，因此为了提高功率因数，常采用联接电容器法以补偿无功功率【蚓补偿电容器与感应线圈的连接方式有串联和并联两种形式，从而形成两种基本的逆变器：串联谐振式(电压型)逆变器和并联谐振式(电流型)逆变器根据逆变器的不同，其相应采用的滤波环节也不同。对于串联谐振式逆变器采用大电容稳压滤波，为逆变器提供稳定的直流电压信号；对于并联谐振式逆变器，一般采用平波电抗器作为滤波器件，为逆变器提供平滑的直流电流信号【3 5 1 2 1 1 串联谐振型逆变器以补偿电容和感应线圈串联后作为逆变桥的负载，这种利用负载电路串联谐振原理工作的逆变器，被称为串联谐振逆变器【搠。电路结构如图2 1 所示图2-1 串联谐振式逆变器的电路结构图F i g 2-1S t r u c t u r eo fs e r i e sr e s o n a n t i n v e r t e r逆变器由4 个I G B T(、，T 1-一V T 4)和与其反并联的快速二极管V D l-V D 4 组成两个桥臂，由于C d 足够大，可以认为逆变器的输入直流电源玑恒定不变，输出电压“。的波形不受负载变化的影响为矩形。C 为补偿电容，具有换流功能。R，L 为包含负载在内的负载等值电阻和电感。工作时，轮流触发V T l，3 和y r 2，4 且使其开关频率与负载的固有频率相等，L C 谐振槽路发生谐振，输出正弦波电流。串联谐振式电压型逆变器的工作原理如图2 2 所示9江南大学硕士学位论文V T l，3V T 2。4U BIo图2-2 串联谐振式逆变器工作原理图F i g 2-2P r