以DSP为基础的超音频感应加热电源研究与设计

电磁感应加热具有加热速度快、效率高、控制精确、环保、使用寿命长等独特的加热优势,已逐步成为现代加热方式的主流,特别是在工业生产中具有广阔的应用前景。本课题的应用对象是石油钻铤的热处理,是基于电磁感应加热技术对钻铤进行加热的设备。

本课题采用TI公司生产的DSP芯片——TMS320F2812作为主控制器,实现感应加热电源的频率跟踪和功率控制,该控制器相比于传统的单片机控制具有集成度高、数据处理能力强等优势。

数字信号处理(Digital Signal Processing，简称DSP)是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到较为广泛的应用。德州仪器、Freescale等半导体厂商在这一领域拥有很强的实力。

DSP在控制算法上采用模糊控制实现感应加热电源的功率调节,使负载随着温度的变化而不断改变输出功率值。模糊控制与传统PID控制相比,不依赖控制对象精确的数学模型,具有良好的鲁棒性和抑制超调的能力,且调功过渡时间短、电压超调小和稳态精确度高等优点。在锁相环控制上利用TMS320F2812丰富的片内资源实现数字锁相环(DPLL)控制,实现输出频率对负载频率的自动跟踪。数字锁相环(DPLL)精度高、抗干扰能力强、稳定性好,可提高感应加热电源的输出效率,保证逆变器工作在软开关状态。 本文首先介绍感应加热基本原理,对感应加热电源常见的两种拓扑结构和调功方式进行分析比较。在理论分析的基础上完成了系统硬件电路、控制电路的方案设计。其中硬件电路包括主电路、MOSFET驱动电路、调理电路、保护电路及电源模块等,控制电路主要包括控制芯片及外围电路等。由于感应加热电源工作在高压、大电流场合,设备会受到很强的电磁干扰,为避免电磁干扰对负载输出值产生一定的影响,本文从四个方面介绍了抗干扰性的方法及设计。最后对整个系统设计进行仿真并调试,并给出仿真波形和实验结果。