感应加热电源数字控制及智能控制方法研究
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摘要
本课题主要以串联谐振型感应加热电源为研究对象，通过分析其负载特性及调功控制方式，选择不控整流加逆变移相调功控制方式，其中重点分析感性移相式PWM感应加热电源调功控制方式，及其在自关断器件MOSFET组成串联谐振逆变器中的应用，并深入分析了感性移相式PWM控制方式调功特性及其软开关实现。同时针对感应加热电源这个具有复杂的参数时变性，结构非线性的工业控制对象，基于对模糊控制方法的探讨，研究设计模糊-PI复合控制的移相调功智能控制器，达到了传统控制无法达到的控制效果。并通过在MATLAB／Simulink环境下建立了感性移相PWM感应加热电源的系统闭环控制模型，进行了移相式感应加热电源系统仿真研究。
在理论分析的基础上，设计了1kW／100kHz感性移相式感应加热电源的主电路及控制电路，同时重点研究感性移相式PWM感应加热电源的数字化实现，提出了一种新颖的移相式感应加热电源的锁相移相功率闭环数字控制方法，并设计基于TMS320F240 DSP的感应加热电源锁相移相闭环调功数字控制系统，同时搭建了1kW／100kHz移相式感应加热电源实验平台，完成了系统闭环控制，实验结果验证了本文理论分析的正确性及控制方案的可行性。
In this thesis, the series resonant induction heating power supply was mainly discussed. By analyzing its load characteristics and power regulation scheme, an induction heating power supply structure with uncontrolled rectifier and phase-shift PWM power regulation strategy was selected, in which the inductive phase-shift PWM power regulation method and it's application in MOSFET power supply was particularly studied. The characteristics of phase-shift PWM control method and its full bridge soft switch realization was lucubrated. In the meantime, aiming at the complicated time-variant parameter and non-linear structure of the induction heating power supply, Fuzzy-PI power controller was designed basing on the discussion of Fuzzy control, and simulation results show that the Fuzzy-PI control method have better effect than tranditional control method. The close loop simulink model of phase-shift PWM induction heating power supply was established under MATALB/Simulink environment, and the system simulation research was implemented with the established model.
On the basis of theoretic analysis, the main circuit and control circuit of 100 kHz/1kW inductive phase shift induction heating power supply was designed. The digital control of the phase-shift PWM induction heating power supply was studied primarily. A new close loop software PLL and phase shift power regulation strategy was proposed to realize the digital control of the power supply, and the whole digital close loop control system was designed based on DSP TMS320F240. Subsequently, 100 kHz/1kW power supply exiperiment platform was constructed, and the system close loop control was completed on the platform. Finally, the experiment results demonstrate the validity of theoritics analysis and the feasibility of digital control strategy.
在理论分析的基础上，设计了1kW／100kHz感性移相式感应加热电源的主电路及控制电路，同时重点研究感性移相式PWM感应加热电源的数字化实现，提出了一种新颖的移相式感应加热电源的锁相移相功率闭环数字控制方法，并设计基于TMS320F240 DSP的感应加热电源锁相移相闭环调功数字控制系统，同时搭建了1kW／100kHz移相式感应加热电源实验平台，完成了系统闭环控制，实验结果验证了本文理论分析的正确性及控制方案的可行性。
In this thesis, the series resonant induction heating power supply was mainly discussed. By analyzing its load characteristics and power regulation scheme, an induction heating power supply structure with uncontrolled rectifier and phase-shift PWM power regulation strategy was selected, in which the inductive phase-shift PWM power regulation method and it's application in MOSFET power supply was particularly studied. The characteristics of phase-shift PWM control method and its full bridge soft switch realization was lucubrated. In the meantime, aiming at the complicated time-variant parameter and non-linear structure of the induction heating power supply, Fuzzy-PI power controller was designed basing on the discussion of Fuzzy control, and simulation results show that the Fuzzy-PI control method have better effect than tranditional control method. The close loop simulink model of phase-shift PWM induction heating power supply was established under MATALB/Simulink environment, and the system simulation research was implemented with the established model.
On the basis of theoretic analysis, the main circuit and control circuit of 100 kHz/1kW inductive phase shift induction heating power supply was designed. The digital control of the phase-shift PWM induction heating power supply was studied primarily. A new close loop software PLL and phase shift power regulation strategy was proposed to realize the digital control of the power supply, and the whole digital close loop control system was designed based on DSP TMS320F240. Subsequently, 100 kHz/1kW power supply exiperiment platform was constructed, and the system close loop control was completed on the platform. Finally, the experiment results demonstrate the validity of theoritics analysis and the feasibility of digital control strategy.
引文
【1】 潘天明．现代感应加热装置[M]．北京：北京冶金工业出版社，1996
【2】 刘志儒．金属感应热处理[M]．机械工业出版社，1985
【3】 俞勇祥，陈辉明．感应加热电源的发展[J]．金属热处理，2000(8)：28-29
【4】 全亚杰．感应加热电源的发展历程及动向[J]．电焊机，2001，Vol31(11)：3-6
【5】 张志远，陈辉明．感应加热电源的最新发展[J]．机械工人(热加工)，1999(3)：6-7
【6】 Youngmin Chae; Joonggi Kwon; Sangyoung Han; Hwanho Sung. A Study on a Hybrid Induction Heating System for Laser Printer[C], Power Electronics Specialists Conference, 2006. PESC'06. 37th IEEE 18-22 June 2006 Page(s): 1-6
【7】 Loveless Rudnev，周大振，领先的感应加热处理设备[J]．国外金属热处理，2000(1)：33-36
【8】 沈庆通．感应加热技术的近期发展[J]．机械工人(热加工)，2005(6)：12-15
【9】 章亦葵，姜土林．200kHz／75kW SIT高频感应加热电源的研制[J]．工业加热，1996(1)：25-27
【10】 沈旭，吴兆麟．20kW／300kHz高频感应加热电源[J]．电力电子技术，1996(2)：10-13
【11】 孙立萌．基于DSP的超音频感应加热电源数字化控制研究[D]．西安：西安理工大学，2005
【12】 蔡爱军．基于DSP的CPDM高频感应加热电源的研究[D]．无锡：江南大学，2005．6
【13】 Jing Hui; Xiaohui Zang; Fengjiu Zhang; Jinfei Shen;, DPLL in Cooperated with PI Controller for HF-Inverter Control System[C], Industrial Electronics and Applications, 2006 1ST IEEE Conference on May 2006 Page(s): 1-5
【14】 张涛．IGBT逆变式直流氩弧焊机的研究[J]．矿业研究与开发，2000，Vol．20(3)：29-31
【15】 Jinfei Shen; Hongbin Ma; Wenxu Yan; Jing Hui; Lei Wu. PDM and PSM Hybrid Power Control of Series-Resonant Inverter for Induction Heating Applications[C], Industrial Electronics and Applications, 2006 1ST IEEE Conference on May 2006 Page(s): 1-6
【16】 贺昆．基于DSP技术的超音频感应加热电源仿真研究[D]．天津：河北工业大学，2006
【17】 陈建洪．基于DSP控制的超音频串联谐振式感应加热电源[D]．西安：西安理工大学，2003
【18】 张素荣．基于DSP的高频感应加热电源控制系统研究[D]．西安：西安理工大学，2004
【19】 时矗．移相调功式IGBT超音频感应加热电源的研究[D]．成都：西南交通大学，2004
【20】 田健．FUZZY_PLL复合控制策略在感应加热电源中的应用[J]．电力电子技术，2000(2)：1-3
【21】 颜文旭．基于模糊逻辑PDM串联谐振逆变器功率控制[J]．电力电子技术，2005，39(2)：56-58
【22】 刘宁庄，张建成．新型智能感应加热电源的研究与应用[J]．自动化与仪器仪表，2005(5)：33-35
【23】 王兴贵，李海波．模糊控制高频感应加热电源的设计[J]．机电工程技术，2004，33(4)：32-33
【24】 王刚．基于DSP的80KHz感应加热电源闭环系统的研究与实现[D]．西安：西安理工大学，2004
【25】 戚宗刚，柳鹏．感应加热电源调功方式的探讨[J]．金属热处理，2003，28(7)：54-57
【26】 袁俊国，于非．移相式高频感应加热装置的研究[J]．电力电子技术，1999，12(6)：13-15
【27】 沈刚．高频感应加热电源频率跟踪控制电路的研究[D]．西安：西安理工大学，2004
【28】 吕宏．PWM&PFM控制感应加热技术研究[D]．杭州：浙江大学，2003
【29】 袁俊国．高频功率变换器及其在感应加热中的应用[D]．杭州：浙江大学，2000
【30】 黄玉水．DBD型臭氧发生器负载特性及高频放电电源研究[D]．杭州：浙江大学，2004
【31】 Correa, J. M.; Hutto, E. D., A fuzzy-controlled pulse density modulation strategy for a series resonant inverter with wide load range[C], Power Electronics Specialist Conference, 2003. PESC'03. 2003 IEEE 34th Annual. Vol 4, 15-19 June 2003, 1650-1655
【32】 柯敏倩．采用模糊控制算法的SVC控制器的研究[D]．西安：西安理工大学，2005
【33】 高迎慧．IGBT串联谐振型逆变器高频化技术的研究[D]．保定：华北电力大学，2005
【34】 许海文．固态超音频电源并联逆变控制技术的研究[D]．保定：华北电力大学，2002
【35】 程晓江，范振兴．基于MATLAB软件锁相环建模及仿真[J]．西安通信学院学报，2004，3(4)：22-25
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【37】 马路东．中频感应加热过程负载参数分析[J]．河北冶金，1999(4)：48-49
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【39】 王华民，李朝阳．锁相技术在感应加热电源中的应用[J]．西安理工大学学报，1999，15(1)：52-55
【40】 熊腊森，全亚杰．CD4046锁相环在感应加热电源中的应用[J]．电焊机，2000(6)：14-16
【41】 宁改娣，杨拴科．DSP控制器原理及应用[M]．北京：科学出版社，2002
【42】 王念旭．DSP基础与应用系统设计[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2001
【43】 TMS320C24x DSP Controllers Evaluation Module. TI, 1997.
【44】 TMS320C24x DSP Controllers Reference Guide CPU and Instruction Set. TI, 1999
【45】 陶海敏．IR2110驱动IGBT模块中的栅极抗干扰技术[J]．电源技术应用，2002，Vol．5(6)：268-270
【46】 陈维．固态高频感应加热电源的研究[D]．西安：西安理工大学，2000
【47】 楚斌．IR2110功率驱动集成芯片应用[J]．电子工程师，2004(10)：33-35
【48】 张瑞伟，张颖超，钱希森．IR2110自举回路的设计[J]．重庆通信学院学报，2005，Vol．24(1)：85-87
【49】 梁志刚．基于DSP的移相全桥DC／DC变换器相关问题研究[D]．杭州：浙江大学，2006
【50】 周炳．恒频移相LCC谐振变换器的研究[D]．西安：西安理工大学，2003
【51】 N. S. Bayindir, O. Kukrer, DSP-based PLL-controlled 50-100KHz 20Kw high frequency induction heating system for surface hardening and welding applications[J], IEE Proc-Electr. Power Application, May 2003, Vol150, No.3: 365-371
【52】 Enrique J. Dede, Jose V. Gonzalez, Juan A. Linares, JoseJordan, Diego Ramirez, 25-kW/50-kHz Generator for Induction Heating[J], IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, JUNE 1991, VOL.38, No.3: 203-209
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