基于FPGA的電磁爐智能逆變控制技術(shù)

鄭品棋，李榮學(xué)，劉建萍，陽恩貴

（1. 佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息系，佛山 528137；2. 廣東伊立浦電器股份有限公司，佛山 528234）

0 引言

電磁爐具有安全、升溫快、廢氣排放少的特點(diǎn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保型社會(huì)有重要的意義。電磁爐向線圈盤提供高頻交流電流使線圈盤產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，磁場(chǎng)通過鍋具并在鍋具上感生渦電流，渦電流在鍋具流動(dòng)時(shí)受阻，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為熱量。高頻交流電由電磁爐逆變電路產(chǎn)生，電磁爐通過改變交流電的頻率或振幅實(shí)現(xiàn)電磁爐輸出功率的調(diào)整。傳統(tǒng)電磁爐逆變電路包括準(zhǔn)諧振電路[1]、半橋諧振電路和全橋諧振電路[2]，這些電路可通過改變開關(guān)管PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的工作頻率、占空比或相位[2]，改變逆變電路輸出電流，進(jìn)而改變電磁爐的輸出功率。

當(dāng)PWM信號(hào)頻率偏離逆變電路的諧振頻率時(shí)，逆變回路呈感性或容性，電磁爐無功功率上升，工作效率下降，尤其在回路呈容性時(shí)由于電流和電壓相位不同，開關(guān)損耗增大；在開關(guān)管切換的瞬間會(huì)產(chǎn)生浪涌信號(hào)，浪涌信號(hào)產(chǎn)生電磁干擾，影響電路工作的穩(wěn)定，還可能導(dǎo)致元器件的損壞[3]。同時(shí)由于電磁爐的負(fù)載受頻率、溫度、鍋具距離、鍋具材質(zhì)形狀等因素的影響會(huì)發(fā)生變化[4]，逆變回路的諧振頻率在電磁爐工作時(shí)動(dòng)態(tài)變化，導(dǎo)致電磁爐工作不穩(wěn)定，工作效率波動(dòng)，電磁爐無法精確控制。

通過改變PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比可以改變逆變產(chǎn)生的交流信號(hào)的振幅，PWM信號(hào)占空比 與交流信號(hào)振幅 的關(guān)系為[5]：

由(1)式可見，占空比 與振幅 為非線性關(guān)系，而且調(diào)幅范圍有限。在實(shí)際使用中，占空比太小時(shí)，開關(guān)管無法啟動(dòng)；占空比過大時(shí)，電感沒有足夠的放電時(shí)間，開關(guān)管很容易擊穿[6,7]。

因此，對(duì)電磁爐的逆變控制技術(shù)進(jìn)行研究，若能使電磁爐逆變電路能在工作中根據(jù)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)調(diào)整交流信號(hào)的頻率和幅值，從而提高電磁爐的工作效率和精確控制電磁爐的輸出功率，將可進(jìn)一步優(yōu)化電磁爐的性能，有利于電磁爐的推廣普及。

圖1 電磁爐等效電路

1 逆變控制電路設(shè)計(jì)

線圈盤和鍋具可等效為空心變壓器，線圈盤為初級(jí)線圈，鍋具為次級(jí)線圈，次級(jí)電路的電阻和等效電感可以折合到初級(jí)；因此線圈盤和鍋具組成的等效負(fù)載由電感和電阻組成，電磁爐的等效電路如圖1 所示[1]。

正弦信號(hào)us可表示為：

則k時(shí)刻時(shí)電壓幅值為：

表1 開關(guān)狀態(tài)與UAB的關(guān)系

如果在k時(shí)刻時(shí)使逆變電路輸出電壓為uk，則逆變電路的輸出信號(hào)與正弦信號(hào)一致，可實(shí)現(xiàn)正弦信號(hào)的產(chǎn)生。

圖2 SVPWM逆變電路

逆變電路如圖2所示，點(diǎn)AB之間電感和電阻為電磁爐的等效負(fù)載。開關(guān)管Q1和Q2狀態(tài)相反，Q1導(dǎo)通時(shí)Q2截止，Q1截止時(shí)Q2導(dǎo)通；同理，Q3和Q4狀態(tài)相反。應(yīng)用ja表示Q1狀態(tài)，jb表示Q3狀態(tài)，1表示導(dǎo)通，0 表示截止，則開關(guān)狀態(tài)與AB之間的瞬時(shí)電壓uAB關(guān)系如表1所示。不同開關(guān)組合下uAB的狀態(tài)值以Uz、U1和U2表示。

iAB為AB支路的瞬時(shí)電流，則iAB和uAB的關(guān)系為：

對(duì)式(4)進(jìn)行在△T時(shí)間內(nèi)積分，可得：

由于通過電感的電流連續(xù)，根據(jù)中值定理，有：

Im恒定，鍋具的電阻R較小，且作用時(shí)間△T很短，可得：

圖3 逆變控制技術(shù)流程

則式(5)可改寫為：

△T時(shí)間內(nèi)電感平均電壓為UAB ，則有：

k時(shí)刻，逆變器△T時(shí)間內(nèi)輸出電壓為Uk，則A B = U k ，有：

不同開關(guān)狀態(tài)下uAB取值不同，因此uAB在采樣周期△T時(shí)間內(nèi)的積分可表示為：

T1、T2和Tz分別為U1、U2和Uz的作用時(shí)間。代入式(7)可得：

其中，T1+T2+TZ=△T。可見，通過基本電壓U1、U2和Uz，可合成正弦輸出電壓。由于Uk為正弦值，相位在[0,π)范圍時(shí)，Uk≥0，以U1和Uz合成；Uk的相位在[π,2π)范圍時(shí)，Uk≤0，以U2和Uz合成。因此Uk≥0可表示為：

結(jié)合式(3)和式(13)，作用時(shí)間Ta和Tz可表示為：

應(yīng)用sim u link對(duì)算法進(jìn)行仿真，逆變控制器如圖4所示，仿真方案如圖5所示。

圖4 逆變控制器模型

圖5 逆變仿真方案

逆變產(chǎn)生的交流信號(hào)如圖6所示，交流信號(hào)為正弦信號(hào)。由仿真結(jié)果可見，由于電感電流連續(xù)變化，交流信號(hào)諧波少。

圖6 逆變產(chǎn)生的交流信號(hào)

圖7 包括分布電容的電磁爐等效負(fù)載

3 電磁爐調(diào)頻控制

電磁爐的線圈盤和鍋具可等效為空心變壓器，變壓器存在分布電容，分布電容由匝間電容和層間電容，包括分布電容的電磁爐等效負(fù)載如圖7所示[8]。高頻時(shí)，分布電容減小，高頻信號(hào)被旁路，輸出衰減[8]。通過調(diào)整交流輸出信號(hào)的頻率，使（信b號(hào)）處于負(fù)載的通頻帶內(nèi)，避免信號(hào)的衰減和失真。圖8為不同頻率時(shí)交流信號(hào)的仿真波形。頻率過低時(shí)，由于電感和電容充放電時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)生了震蕩，震蕩信號(hào)疊加在輸出正弦信號(hào)上，如圖8(a)和8(b)所示；頻率為諧振頻率時(shí)，部分電感量與電容抵消，消除了震蕩信號(hào)，如圖8(c)所示；頻率過高時(shí)，交流信號(hào)被旁路，輸出為直流分量，如圖8(d)所示。電磁爐的負(fù)載在工作過程中動(dòng)態(tài)變化，因此交流輸出信號(hào)的頻率需動(dòng)態(tài)調(diào)整，與負(fù)載的變化相適應(yīng)；通過調(diào)整采樣周期，使輸出信號(hào)工作在諧振頻率上。

圖8 不同頻率的輸出信號(hào)通過等效負(fù)載后的結(jié)果

4 電磁爐功率自動(dòng)控制設(shè)計(jì)

由式(14)：

通過改變作用時(shí)間Ta，可改變正弦輸出信號(hào)的幅值Us，從而改變電磁爐輸出功率，正弦輸出信號(hào)振幅變化如圖9所示。

圖9 正弦輸出信號(hào)幅值變化

由于電磁爐負(fù)載在工作過程中動(dòng)態(tài)變化，為了穩(wěn)定電磁爐的工作溫度，采用模糊控制的辦法，根據(jù)爐溫的變化調(diào)整電磁爐交流輸出信號(hào)的振幅，從而調(diào)整電磁爐的輸出功率。模糊控制器的輸入變量為溫度變化E和溫度變化速度d E；輸出變量為交流輸出信號(hào)振幅變化量d U。溫度變化E和溫度變化速度d E的變化范圍為[-2, 2]，模糊集合為{NE,OK,PO}，表示負(fù)、不變、正，隸屬關(guān)系如圖10和圖11所示。

圖10 溫度變化E的隸屬關(guān)系 圖11 溫度變化速度d E的隸屬關(guān)系

電磁爐的調(diào)整規(guī)則為：

1）如果溫度偏低，則迅速增大交流輸出信號(hào)振幅；

2）如果溫度偏高，則迅速減小交流輸出信號(hào)振幅；

3）如果溫度合適，則交流輸出信號(hào)振幅不變；

4）如果溫度合適而溫度變化慢，則緩慢增大交流輸出信號(hào)振幅；

5）如果溫度合適而溫度變化快，則緩慢減小交流輸出信號(hào)振幅。

模糊控制器的輸出為電磁爐交流信號(hào)振幅變化量d U，變化范圍為[-0.5, 0.5]，模糊集合{DF,DS,ZR,US, UF}，隸屬關(guān)系如圖12所示。

圖12 振幅變化d U的隸屬關(guān)系

圖13 電磁爐控制系統(tǒng)仿真模型

鍋具溫度變化△T與交流信號(hào)電壓振幅變化△I的傳遞函數(shù)可表示為[9]：

其中t 為電磁爐的時(shí)間常數(shù)。
利用System-Test功能[9]，模糊控制器可用查找表代替，以輸入變量E和d E作為索引查找輸出變量d U。因此電磁爐控制系統(tǒng)在Sim u link中的仿真模型如圖13所示，仿真結(jié)果如圖14所示，由圖14可見，實(shí)際控制溫度與目標(biāo)一致，模糊控制能滿足要求。

圖14 仿真結(jié)果

5 電磁爐逆變控制器的FPGA設(shè)計(jì)

應(yīng)用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)電磁爐的逆變控制，電路結(jié)構(gòu)圖如圖15所示。

圖15 電磁爐逆變控制硬件結(jié)構(gòu)

FPGA逆變控制器結(jié)構(gòu)圖如圖16所示，應(yīng)用查找表存儲(chǔ)正弦信號(hào)的采樣值，通過查表的方式在k時(shí)刻尋找逆變電路輸出電壓相位。應(yīng)用查找表實(shí)現(xiàn)模糊控制,以溫度誤差和誤差變化作為地址，對(duì)應(yīng)單元內(nèi)容為交流信號(hào)振幅變化量。在FPGA中，地址值和單元內(nèi)容都為整數(shù)域，因此需要對(duì)溫度誤差和誤差變化進(jìn)行調(diào)整來產(chǎn)生整數(shù)地址。

圖16 FPGA逆變控制器結(jié)構(gòu)

圖17 電磁爐智能逆變控制 Quartus II設(shè)計(jì)方案

圖18 變頻變幅逆變控制器 Quartus II設(shè)計(jì)方案

圖19 電磁爐逆變控制硬件結(jié)構(gòu)

Quartus II上的設(shè)計(jì)圖如圖17所示，圖中vfva為逆變控制器，fuzzy_rom為模糊查找表。其中逆變控制器vfva設(shè)計(jì)如圖18所示。

應(yīng)用QuartusII軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，控制器產(chǎn)生的SVPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖19所示。fc為輸入時(shí)候總信號(hào)，ja和jb為左橋臂和右橋臂的SVPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

6 結(jié)論

實(shí)現(xiàn)了基于FPGA的電磁爐智能逆變控制方案，通過改變電磁爐逆變電路的工作頻率和有效輸出電壓，優(yōu)化電磁爐的工作效率和輸出功率調(diào)節(jié)范圍；采用模糊控制方法實(shí)現(xiàn)電磁爐輸出功率的動(dòng)態(tài)調(diào)整。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)方案滿足設(shè)計(jì)要求。在以后的研究工作中，可在FPGA設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行專用集成芯片(ASIC)的設(shè)計(jì)，降低成本，進(jìn)一步提高控制器的穩(wěn)定性。

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[9] 李會(huì)先.在SIMULINK里把模糊邏輯生成查尋表[EB/OL].http://foundy.blog.163.com/blog/static/263383442010 0150439615/,2010-01-15.