感應(yīng)加熱電源中的頻率跟蹤技術(shù)

1、第卷第期年月電焊機(jī)感應(yīng)加熱電源中的頻率跟蹤技術(shù)段海雁，張光先，（山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南；山東山大奧太電氣有限公司，山東濟(jì)南）摘要：分別從鎖相環(huán)技術(shù)和電流過零點同步技術(shù)兩方面展開了論述，重點闡述了鎖相環(huán)技術(shù)的幾種方法。隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，鎖相環(huán)技術(shù)也由傳統(tǒng)的模擬鎖相環(huán)發(fā)展為通過單片機(jī)、元件易老化、零點漂移等缺點，從實現(xiàn)的數(shù)字鎖相環(huán)，克服了模擬鎖相環(huán)線路復(fù)雜、而使頻率跟蹤技術(shù)精度提高、性能更加可靠、穩(wěn)定性好、抗干擾能力增強(qiáng)。分析了頻率跟蹤技術(shù)的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：感應(yīng)加熱；頻率跟蹤；鎖相環(huán)中圖分類號：文獻(xiàn)標(biāo)識碼：文章編號：（），（，Y，；，Y，）：（），：；前言感應(yīng)加熱電源在加熱過

2、程中，由于負(fù)載溫度升鑒相器、壓控振蕩器和低通濾波器?；窘Y(jié)構(gòu)如圖所示。高和爐料熔化等因素，負(fù)載等效參數(shù)發(fā)生了變化，從而引起負(fù)載固有諧振頻率變化。為了使逆變器在功率因數(shù)接近或等于的準(zhǔn)諧振或諧振狀態(tài)下工作，感應(yīng)加熱電源中采用了頻率跟蹤技術(shù)。頻率跟蹤技術(shù)主要分為電流過零點同步技術(shù)和鎖相環(huán)技術(shù)圖。隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)框圖技術(shù)也由傳統(tǒng)的由模擬集成鎖相環(huán)發(fā)展成由單片機(jī)、來控制實現(xiàn)的數(shù)字鎖相環(huán)。鎖相環(huán)的主要工作原理是：輸入電壓與輸出電壓通過鑒相器進(jìn)行相位比較，得到相位誤差電相位誤差電壓再經(jīng)過低通濾波器濾波后得到壓?？刂齐妷海刂齐妷杭拥綁嚎卣袷幤魃鲜怪a(chǎn)生頻率偏移，用來跟蹤輸入信號頻率，當(dāng)輸入

3、信號頻率和輸出信號頻率相同時，鎖相環(huán)鎖定，從而實現(xiàn)頻率跟蹤。鎖相環(huán)技術(shù)鎖相環(huán)簡稱，它主要由三個基本單元構(gòu)成：收稿日期：作者簡介：段海雁（），女，山西太原人，在讀碩士，主要從事電力電子的應(yīng)用與研究工作。研究與設(shè)計段海雁等：感應(yīng)加熱電源中的頻率跟蹤技術(shù)第期由模擬器件構(gòu)成的鎖相環(huán)跟蹤技術(shù)傳統(tǒng)上主要采用由模擬器件構(gòu)成的鎖相環(huán)對蕩器，使用時外接低通濾波器可構(gòu)成完整的鎖相環(huán)。負(fù)載電流進(jìn)行頻率跟蹤，下面以集成鎖相環(huán)為例來介紹模擬器件的鎖相環(huán)跟蹤技術(shù)。有兩個鑒相器（和）和壓控振由邏輯門控制的四個邊沿觸發(fā)器和三態(tài)輸出相移，且與占空比無關(guān)。應(yīng)用中電路組成，產(chǎn)生°一般選用鑒相器來實現(xiàn)無相差的頻率跟蹤。鎖相

4、環(huán)頻率跟蹤電路如圖所示。鎖相環(huán)頻率跟蹤電路圖圖中，串連諧振感應(yīng)加熱電源的負(fù)載電流經(jīng)過霍爾電流傳感器采樣后，送入過零比較器和電子器件的開關(guān)都需要時間，這將引起驅(qū)動信號電壓相位滯后負(fù)載電流相位一個角度，所以必須加入相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)。圖中在比較器的正向輸入端加一偏置電壓，使比較器的輸出信號上升沿提前時間，鎖相環(huán)對應(yīng)的輸出信號作驅(qū)動信號，其相對電流信號提前了時間，實現(xiàn)了相位補(bǔ)償。通過調(diào)節(jié)電位器，即可根據(jù)需要調(diào)節(jié)容性和阻的值，從而使加熱電源工作在感性、性狀態(tài)。雖然鎖相環(huán)能實現(xiàn)電流頻率的自動如頻率跟蹤范圍窄，跟蹤，但是它依然存在一些缺點。不同的頻段要求不同的濾波網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，死區(qū)時間需要另加輔助電路，而且也存在模

5、擬電路的線路復(fù)雜、因此，近年來數(shù)字鎖相元件易老化、零點漂移等缺點。環(huán)技術(shù)逐漸發(fā)展起來。變成方波信號，變換后，方波信號接入的腳（的輸入端）。輸出端腳外接、和構(gòu)成低通濾波器，濾波后進(jìn)入壓控振蕩器的輸入端（腳）。壓控振蕩器的輸出（腳）分兩路：一路接入鑒相器的另一端（腳），另一路用來驅(qū)動在不計傳輸延遲逆變器開關(guān)器件，即負(fù)載電壓信號。時，當(dāng)負(fù)載電流與負(fù)載電壓信號相位差為零時，鎖相環(huán)鎖定，完成頻率跟蹤。在感應(yīng)加熱電源工作的過程中，負(fù)載等效參數(shù)的變化會引起負(fù)載固有諧振頻率的變化，只要該頻率在鎖相環(huán)的跟蹤范圍內(nèi)，就能保證負(fù)載處于諧振狀態(tài)。串連諧振感應(yīng)加熱電源一般都含有復(fù)雜的他激到自激的起動電路，圖中利用的特點

6、設(shè)計了簡單的起動控制電路。電路起動瞬時，視為短路，端加電源電壓，輸出最高頻率，隨著的充電，端電壓降低，也由最高頻率向最低頻率變化。只要負(fù)載諧振頻率在最高頻和最低起動完成后，將頻率之間，就會引起負(fù)載諧振。起動電路和濾波電路隔離，鎖相環(huán)進(jìn)入無相差跟蹤狀態(tài)。在實際電路中，電流采樣、鎖相跟蹤、隔離驅(qū)動單片機(jī)實現(xiàn)的鎖相環(huán)技術(shù)由單片機(jī)實現(xiàn)的數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)近年來在感應(yīng)加熱電源中得到了應(yīng)用。圖為一種利用單片機(jī)來實現(xiàn)鎖相環(huán)頻率跟蹤的電路圖。在圖中，利用電流傳感器檢測負(fù)載電流，經(jīng)比較器后，變成方波信號。然后送入單片機(jī)的外中斷口，單片機(jī)在檢測到中斷信號后，起動計數(shù)器開始計數(shù)，之后循環(huán)檢測外中斷口，直到中斷信號消失，

7、計數(shù)器停止計數(shù)。研究與設(shè)計電焊機(jī)第卷圖利用單片機(jī)對負(fù)載電流進(jìn)行鎖相環(huán)頻率跟蹤電路圖實現(xiàn)鎖相環(huán)頻率跟蹤電路具體工作過程是：當(dāng)加熱電源的負(fù)載電流由負(fù)半波向正半波過零時，單片機(jī)的有中斷信號，起動計數(shù)，之后循環(huán)檢測口；當(dāng)負(fù)載電流由正半波向負(fù)半波過零時，中斷信號消失，停止計數(shù)。此計數(shù)值乘以二就得到負(fù)載的諧振周期，以該諧振周期為定時器的時間常數(shù)，發(fā)出第一路驅(qū)動脈沖，延時經(jīng)過設(shè)定的死區(qū)時間后發(fā)出第二路驅(qū)動脈沖。這樣，在不考慮時間延遲的情況下，可以保證兩路驅(qū)動脈沖和外中斷信號嚴(yán)格同頻，即負(fù)載電壓信號與負(fù)載電流信號同頻，從而保證加熱電源工作在諧振或準(zhǔn)諧振狀態(tài)。在由單片機(jī)控制實現(xiàn)的頻率跟蹤電路中，死區(qū)時間可根據(jù)負(fù)

8、載諧振周期的百分?jǐn)?shù)來設(shè)定，并通過由單片機(jī)來控軟件進(jìn)行修改，不需要另加輔助電路。制實現(xiàn)負(fù)載電流的頻率跟蹤，大范圍對負(fù)載電流進(jìn)行頻率跟蹤，且具有性能可靠、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。但單片機(jī)的工作頻率和控制精度是一對矛盾，而且處理速度也很難滿足高頻電路的要求。而實現(xiàn)頻率跟蹤。提供了較為完美的全比較單元波形，可直接用來產(chǎn)生兩路輸出波形，經(jīng)隔離驅(qū)動電路后驅(qū)動逆變開關(guān)器件。電路中通過調(diào)節(jié)電阻另外，專用的死區(qū)控9來調(diào)節(jié)相位補(bǔ)償時間。制寄存器能夠較方便的實現(xiàn)上下橋臂的死區(qū)控制。由于具有豐富的片內(nèi)外設(shè)資源，不僅可以進(jìn)行鎖相環(huán)頻率跟蹤，同時也可以實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)、故障檢測和保護(hù)等功能。因此，用可以使整個電源但也裝

9、置結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)。存在一些局限性，如采樣頻率的選擇、信號頻率及其精度、采樣延時、運(yùn)算時間及精度等，這些都或多或少影響電路控制性能。實現(xiàn)的鎖相環(huán)技術(shù)現(xiàn)場可編程門陣列與復(fù)雜的可編程邏輯器件屬于可重構(gòu)器件，其內(nèi)部功能可以根據(jù)需要任意設(shè)定，具有集成度高、處理速度快、效率高等優(yōu)點，近年來在通信系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、圖像處理、工業(yè)控制與數(shù)據(jù)采集、測量等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。許多公司都開發(fā)出了多種可編程邏輯器件，比較典型的就是公司和公司的器件系列和器件系列。在感應(yīng)加熱電源中可以由形成全數(shù)字鎖相環(huán)，即環(huán)路部件全部數(shù)字化，采用數(shù)字鑒相器、數(shù)字環(huán)路濾波器、數(shù)控振蕩器。鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。如圖中，數(shù)

10、字環(huán)路濾波器由變?？赡嬗嫈?shù)器來實現(xiàn)，數(shù)控振蕩器由增減線路和分頻器構(gòu)成。取串連諧振加熱電源的負(fù)載反饋電流作為頻率跟蹤的輸入，分頻器的輸出作為反饋信實現(xiàn)的鎖相環(huán)技術(shù)與單片機(jī)相比，數(shù)字信號處理器（）具有高圖為一種利速的運(yùn)算能力，且片內(nèi)外設(shè)資源豐富。用來實現(xiàn)頻率跟蹤電路框圖。如圖所示，取串聯(lián)諧振加熱電源負(fù)載上的電流作為頻率跟蹤的輸入，采用專用事件管理模塊，該電路利用高速捕獲單元捕獲負(fù)載電流輸入脈沖的時間，從而精確讀入脈沖周期，然后產(chǎn)生中斷，程序自動進(jìn)入數(shù)字鎖相環(huán)（）運(yùn)算，當(dāng)負(fù)載電流信號從負(fù)半波向正半波過零時，輸出一路驅(qū)動脈沖；反之，當(dāng)電流信號由正半波向負(fù)半波過零時，輸出另一路驅(qū)動脈沖，從研究與設(shè)計段海

11、雁等：感應(yīng)加熱電源中的頻率跟蹤技術(shù)第期全數(shù)字鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)框圖圖號，同時作為逆變器的驅(qū)動脈沖信號。鑒相器輸出到圖電流過零點同步頻率跟蹤電路計數(shù)器，如果輸入信號超前反饋信號，計數(shù)器輸出進(jìn)位脈沖至線路的增量輸入，線路輸出增加周期的插入脈沖，經(jīng)次分頻后，使反饋如果信號提前，使相位差不斷減小，直到差值為零。輸入信號滯后反饋信號，計數(shù)器輸出借位脈沖至器輸出低電平，經(jīng)脈沖發(fā)生電路和驅(qū)動電路后，觸發(fā)這樣，、導(dǎo)通。、的驅(qū)動頻率完全由負(fù)載諧振電流的頻率決定，觸發(fā)相位由諧振當(dāng)感應(yīng)加熱電源在加熱過程中，電流過零點決定。負(fù)載諧振回路的參數(shù)發(fā)生變化時，諧振頻率也發(fā)生變化，經(jīng)電流傳感器檢測，頻率跟蹤電路及時調(diào)節(jié)觸發(fā)頻率，最終

12、達(dá)到頻率跟蹤。線路的減量輸入，線路輸出減少周期的脈沖，經(jīng)次分頻后，使反饋信號滯后，使相位差不斷減小，直到差值為零。經(jīng)過上述調(diào)節(jié)，最終使感應(yīng)加熱電源的負(fù)載電壓信號與負(fù)載電流信號同頻。采用設(shè)計的全數(shù)字鎖相環(huán)具有設(shè)計靈活、修改方便、精度高且不受溫度和電壓影響，環(huán)路帶寬和中心頻率編程可調(diào)等優(yōu)點。隨數(shù)字技術(shù)的發(fā)展和集成電路邏輯速度的提高，由形成的全數(shù)字鎖相環(huán)在感應(yīng)加熱電源中將得到更廣泛的應(yīng)用。但是，也存在芯片成本高、嵌入電路困難等缺點。結(jié)論各種頻率跟蹤電路在感應(yīng)加熱電源的應(yīng)用中各有其優(yōu)點，為適應(yīng)不同的加熱需要，可以綜合應(yīng)用。由單片機(jī)、控制的數(shù)字鎖相環(huán)電路將得到更廣泛的應(yīng)用，感應(yīng)加熱電源裝置也進(jìn)一步向智能

13、化方向發(fā)展。同時隨著感應(yīng)加熱電源的日趨高頻化和復(fù)雜化，各種數(shù)字器件的混合使用將成為一個重要發(fā)展趨勢。電流過零點同步技術(shù)雖然目前感應(yīng)加熱電源的頻率跟蹤主要采用參考文獻(xiàn)，沈錦飛，顏文旭，惠毛晶，等串聯(lián)諧振式高頻感應(yīng)焊接逆變電源焊接學(xué)報，（）：鴻，吳兆麟感應(yīng)加熱電源無相差頻率跟蹤控制電路電力電子技術(shù)，（）：鎖相環(huán)技術(shù)，但是技術(shù)存在一些缺點，如超調(diào)量大，過渡時間長，當(dāng)負(fù)載變化范圍大時，系統(tǒng)控制品質(zhì)變差。而電流過零點同步技術(shù)具有過渡時間短、超調(diào)小等特點，所以在一些經(jīng)常需要起動的場合一般選用電流過零點同步技術(shù)。圖為加熱電源應(yīng)用電流過零點同步技術(shù)來進(jìn)行頻率跟蹤的電路圖。如圖所示，電流過零點同步電路包括相位檢測電路（由電流傳感器實現(xiàn)）、相位補(bǔ)償電路、相位比較器、脈沖發(fā)生電路和驅(qū)動電路。電流傳感器檢