基于S3F9454單片機(jī)感應(yīng)加熱電源的研制

高中學(xué)，張育增，潘道元，吳朋朋

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基于S3F9454單片機(jī)感應(yīng)加熱電源的研制

高中學(xué)，張育增，潘道元，吳朋朋

（無錫德林船舶設(shè)備有限公司，江蘇無錫 214191）

針對(duì)傳統(tǒng)感應(yīng)加熱電源控制電路的穩(wěn)定性差、動(dòng)態(tài)控制效果不理想的缺陷，采用應(yīng)用較為廣泛的S3F9454單片機(jī)與PWM控制器SG3525的結(jié)合的控制策略，增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)負(fù)載參數(shù)變化和外部干擾的適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)更為先進(jìn)、準(zhǔn)確的控制。文章介紹了感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，控制程序的軟件流程，樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本設(shè)計(jì)控制方式的可行性和正確性，改變了傳統(tǒng)的加熱方法，適用于中小功率逆變電源。

感應(yīng)加熱電源 頻率跟蹤 S3F9454 SG3525

0 引言

感應(yīng)加熱電源的早期控制電路以模擬電路為主。模擬電路在溫度波動(dòng)時(shí)極易使參數(shù)變化，可靠性低，抗干擾能力不強(qiáng)，很難實(shí)現(xiàn)智能化。采用單片機(jī)的電路，具有儲(chǔ)存容量大，處理信息快捷，相對(duì)于模擬電路，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和智能化大幅提高[1]。

以SG3525芯片組成的頻率跟蹤電路，因其芯片優(yōu)良的性能、使頻率跟蹤電路運(yùn)用更加方便，可靠性提高，因其輸出驅(qū)動(dòng)是推拉輸出形式，驅(qū)動(dòng)能力增加，解決了原有頻率跟蹤電路跟蹤速度及穩(wěn)定性差的問題[2]。

1 感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

感應(yīng)加熱電源的主電路及控制電路框圖如圖1所示。采用韓國(guó)三星公司生產(chǎn)的8位高性能微處理器S3F9454為核心的控制芯片，其價(jià)格低廉、控制能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高。內(nèi)置RC振蕩、看門狗定時(shí)器、A/D轉(zhuǎn)換器，該單片機(jī)主要用于控制和數(shù)據(jù)處理。與SG3525結(jié)合控制，實(shí)現(xiàn)了更為準(zhǔn)確、可靠的頻率跟蹤。SG3525產(chǎn)生的PWM脈沖信號(hào)經(jīng)過光耦隔離器驅(qū)動(dòng)IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷[3]。

1.1 主電路設(shè)計(jì)與原理分析

感應(yīng)加熱電源由整流部分、濾波部分、逆變部分和輸出負(fù)載四部分，實(shí)現(xiàn)AC-DC-AC的轉(zhuǎn)換。通過整流和濾波后，使電網(wǎng)電壓變換為514~540 V左右平滑的直流高壓，再經(jīng)逆變電路，最終轉(zhuǎn)換為能供給負(fù)載使用的20 kHz的方波交流電壓[4]。

感應(yīng)加熱電源整流電路的結(jié)構(gòu)采用三相橋式不可控整流，因功率二極管的自身特性，不用附加任何控制執(zhí)行電路。相對(duì)于晶閘管全控整流器，此種控制方式產(chǎn)生的諧波電壓、諧波電流得以抑制，也減少了對(duì)電網(wǎng)的對(duì)電網(wǎng)的污染及影響，所以減少了在網(wǎng)側(cè)的諧波治理措施，基于以上因素，三相橋式不可控整流在現(xiàn)代感應(yīng)加熱電源中應(yīng)用普遍。

圖1 感應(yīng)加熱電源的主電路及控制電路框圖

逆變部分采用的半橋式串聯(lián)諧振逆變。如圖2所示為逆變結(jié)構(gòu)圖，它由兩個(gè)半橋電路并聯(lián)而成，目的是減輕管子在開通和關(guān)斷過程中承受的過電壓及過電流。在逆變過程中，若上半橋臂因?yàn)殛P(guān)閉延遲而未完全關(guān)斷，下半橋臂就已經(jīng)開通，使上下兩橋臂直通，造成逆變失敗。為了防止此種情況出現(xiàn)，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，兩組脈沖之間應(yīng)該留有死區(qū)時(shí)間，死區(qū)時(shí)間應(yīng)大于IGBT關(guān)斷的延遲時(shí)間，設(shè)計(jì)的死區(qū)時(shí)間為=1 μs左右。

1.2 控制電路的硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)本加熱電源的特點(diǎn)，選用了一款三星S3F9454型號(hào)的單片機(jī)，該單片機(jī)具有C-51單片機(jī)的一切功能，并且內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)化模塊，一路PWM發(fā)生器。與其它微處理器相比，控制簡(jiǎn)單可靠，編程容易，成本底，是一個(gè)廣泛用于簡(jiǎn)單定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、PWM的通用微控制器。此外，它還能提供低功耗和寬廣的操作電壓范圍。綜上所述，其更適用于本文的控制系統(tǒng)。S3F9454單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，用來控制備的本地/遠(yuǎn)端啟停，實(shí)時(shí)將采集溫度、頻率、電壓、電流等模擬量信號(hào)并進(jìn)行AD轉(zhuǎn)化，將檢測(cè)值終顯示在數(shù)碼管上。通過軟件實(shí)現(xiàn)過熱、過流、過壓等保護(hù)。

如圖3所示，為S3F9454單片機(jī)控制核心電路圖。單片機(jī)的復(fù)位電路采用光耦PC817構(gòu)成，其中soft boot為自鎖開關(guān)，當(dāng)按鍵按下時(shí)，RESET引腳為高電平，系統(tǒng)正常工作。起振電路采用外接晶振振蕩器構(gòu)成。CN4、CN5、CN6分別用來檢測(cè)系統(tǒng)的功率，IGBT溫度和負(fù)載溫度的傳感器，數(shù)據(jù)采集之后送到單片機(jī)的AD5，AD4，AD2口，完成模擬量的轉(zhuǎn)換。單片機(jī)將轉(zhuǎn)換完的模擬量通過串行通信的方式送到TM1628中，其中P2.4與TM1628的DIO（數(shù)據(jù)輸入/輸出端）相連，P2.5與TM1628的CLK（時(shí)鐘線）端相相連接。

本系統(tǒng)采用內(nèi)部的低電壓（LVR）復(fù)位，上電后單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位，由圖3可知復(fù)位引腳P1.2設(shè)為普通I/O口，作為設(shè)備的啟?？刂戚斎?。為防止電動(dòng)開關(guān)抖動(dòng)的干擾，啟動(dòng)部分由光耦隔離控制，系統(tǒng)上電復(fù)位后，當(dāng)沒有輸入信號(hào)時(shí)輸入為低電平，系統(tǒng)不工作；當(dāng)啟動(dòng)開關(guān)按下后光耦導(dǎo)通輸出高電平，此時(shí)系統(tǒng)開始工作。

圖2 半橋串聯(lián)諧振逆變電路圖

圖3 單片機(jī)控制核心電路圖

1.3 頻率跟蹤控制電路

在感應(yīng)加熱過程中，隨著加熱工件溫度等參數(shù)的變化，負(fù)載諧振頻率也會(huì)隨之改變。為了確保系統(tǒng)始終都能工作在負(fù)載諧振頻率附近，頻率自動(dòng)跟蹤技術(shù)顯得尤為重要。電路接收到來自負(fù)載側(cè)輸出電壓和電流的反饋波形，經(jīng)過處理，用來控制之后PWM生成電路的工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載諧振頻率的實(shí)時(shí)跟蹤[5]。

圖4 SG3525的工作電路圖

相比于其他的控制器，采用專用的PWM控制器SG3525來產(chǎn)生PWM波形，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的簡(jiǎn)化和可靠性的提高。S3F9454單片機(jī)已經(jīng)內(nèi)置了看門狗定時(shí)器、A/D 轉(zhuǎn)換器，所以采樣信號(hào)可直接在單片機(jī)中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后通過比較器LM339得出電流和電壓的相位差。SG3525控制器利用采集到的相位差信號(hào)，控制系統(tǒng)的輸出頻率，以實(shí)現(xiàn)工作頻率對(duì)負(fù)載頻率的實(shí)時(shí)跟蹤。相比于其它微處理器，系統(tǒng)更加簡(jiǎn)化實(shí)用[6]。

頻率跟蹤電路如圖4所示。通過引腳5和引腳7之間的外接電阻來調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間；6腳與外電路連接，用來調(diào)節(jié)脈沖頻率；脈沖信號(hào)由11腳和14腳輸出產(chǎn)生，經(jīng)過光耦隔離器驅(qū)動(dòng)IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷。

圖5 軟件流程圖

2 保護(hù)與軟件流程

本系統(tǒng)利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互與智能控制[7]。單片機(jī)接收到各模塊采集發(fā)到的電壓信號(hào)、電流信號(hào)和溫度信號(hào)后，通過控制程序完成對(duì)過壓、過流、過熱等保護(hù)的設(shè)置?？刂瞥绦虻能浖鞒倘鐖D7所示。系統(tǒng)上電后，進(jìn)行初始化、開中斷，然后檢測(cè)有無報(bào)警信號(hào)。當(dāng)逆變啟動(dòng)成功后，開始進(jìn)行模擬量采樣，進(jìn)入頻率自動(dòng)跟蹤階段。若有擾動(dòng)則系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出頻率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

根據(jù)上述分析，研制了一臺(tái)20 kHz/5 kW的串聯(lián)諧振式的感應(yīng)加熱電源樣機(jī)，并在輸水管加熱負(fù)載上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)調(diào)試。圖6是SG3525產(chǎn)生的控制波形，是兩路互補(bǔ)的PWM波，經(jīng)光耦合器隔離傳輸?shù)介_關(guān)器件的控制柵極。

圖6 互補(bǔ)的PWM波形

圖7就是經(jīng)過光耦隔離后的PWM脈沖，直接驅(qū)動(dòng)IGBT的通斷。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，提供給IGBI的驅(qū)動(dòng)電壓約是12.6 V，占空比為48%，預(yù)留的死區(qū)時(shí)間為1 μs。圖8為頻率跟蹤電路的波形圖，實(shí)驗(yàn)測(cè)得跟蹤的頻率范圍為16~23 kHz，諧振頻率為18 kHz。

圖7 IGBT驅(qū)動(dòng)波形

圖8 頻率跟蹤波形圖

圖9為負(fù)載端電壓、電流輸出波形。輸出電壓近似為方波，輸出電流近似為正弦波。工作輸出電流為7~8 A。功率管的兩端電壓波形稍超前于功率管的兩端電流波形，說明此串聯(lián)諧振電路處于弱感性狀態(tài)，滿足理論設(shè)計(jì)所要求。

圖9 為負(fù)載端電壓、電流輸出波形

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本設(shè)計(jì)控制方式的可行性和正確性。而且設(shè)備成本低，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易操作，有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。該設(shè)備已在葫蘆島市試運(yùn)行半年，工作穩(wěn)定可靠，加熱速度快，效率高達(dá)90%以上。

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Development of Induction Heating Power Supply Based on MCU S3F9454

Gao Zhongxue, Zhang Yuzeng, Pan Daoyuan, Wu Pengpeng

(Wuxi DeLin Marine Equipment Co., Ltd., Wuxi 214191, Jiangsu, China)

TM 924

A

1003-4862（2014）10-0035-04

2014-04-03

高中學(xué)(1984-)，男，工程師。研究方向：保鮮設(shè)備的研究設(shè)計(jì)與制造。