摘 要

感应加热电源是利用感应加热的方式加热工件，感应加热作为一种新兴加热方式，因为具有具有加热效率高、速度快、可控性好及控制精确等优点，已经成为了工业生产中加热方式的主流。目前对于感应加热电源的传统控制方式是采用模拟电子器件设计，其已经发展到了比较成熟水平，但其存在着电路复杂、稳定性差等缺点难以发展。感应加热电源数字化控制是其发展趋势，基于此本设计对基于DSP的感应加热电源展开研究。

本文采用DSP芯片TMS320F2812作为主控制器，提出了基于DSP的数字锁相环和数字移相PWM控制方式，以实现频率跟踪和调功功能。本文在理论分析的基础上设计了一款2KW/20KHz的串联谐振型感应加热电源，包括主电路和控制电路两部分。其中主电路有整流电路、滤波电路、逆变电路、驱动电路、保护电路等模块，控制电路主要包括控制芯片和外围电路等。对设计的感应加热电源系统在MATLAB/SIMULINK中建立仿真模型，验证了理论的正确性。

关键词：感应加热电源；串联谐振；数字锁相环；数字信号处理器

Abstract

The induction heating power supply heats the workpiece by means of induction heating.Induction heating as a new way of heating, because it has the advantages of high heating efficiency, fast speed, good controllability and precise control, has become the industrial production of heating Mainstream. At present, the traditional control method for induction heating power supply is the design of analog electronic device, which has been developed to a relatively mature level, but its existence is complicated and the stability is poor. The digital control of induction heating power is its development trend. Based on this, the induction heating power based on DSP is studied.

The design uses DSP chip TMS320F2812 as the main controller.A digital phase-locked loop and digital phase-shift PWM control method based on DSP are proposed to realize frequency tracking and power transfer function. In this paper, a 2KW / 20KHz series resonant induction heating power supply is designed on the basis of theoretical analysis, including the main circuit and the control circuit. The main circuit includes rectifier circuit, filter circuit, inverter circuit, drive circuit, protection circuit and other modules;the control circuit, includes the control chip and peripheral circuits. The simulation model of the induction heating power system is established in MATLAB / SIMULINK, which verifies the correctness of the theory.

Key words: Induction heating power supply；series resonance；digital phase locked loop；DSP.

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题来源及感应加热作用 1

1.2 感应加热电源的工作原理 1

1.3 感应加热电源控制系统的发展现状及趋势 3

1.3.1 感应加热电源的发展现状 3

1.3.2 感应加热电源控制系统的发展趋势 3

1.4 本文的主要任务 4

第2章 感应加热电源控制系统方案设计 5

2.1感应加热电源整体拓扑结构分析 5

2.2整流及滤波电路分析 6

2.2.1整流部分 6

2.2.2滤波部分 6

2.3逆变电路分析 7

2.3.1 串并联谐振电路的比较 7

2.3.2 串联谐振电源工作原理 8

2.4 谐振负载分析 9

2.5串联谐振逆变器的调功方式分析 11

2.5.1直流侧调功 11

2.5.2逆变侧调功 11

2.6感应加热电源控制系统的分析 13

第3章 感应加热电源主电路参数计算 14

3.1 感应加热电源主电路结构图 14

3.2整流电路参数计算 15

3.2.1整流二极管的选择 15

3.2.2滤波电容的选择 16

3.3逆变电路参数计算 16

3.4 负载谐振电路参数计算 18

第4章 感应加热电源控制系统的设计 19

4.1 DSP TMS320F2812简介 19

4.2 数字锁相环的设计 20

4.3可编程死区单元 21

4.4软件设计 21

4.4.1 DSP主程序流程图 22

4.4.2功率闭环控制系统 23

4.5驱动电路设计 24

4.6电流电压信号采集电路设计 25

4.7保护电路 26

第5章 系统仿真及实验结果分析 27

5.1整流电路仿真 27

5.2 开关驱动电路仿真 29

结 论 31

参考文献 32

致 谢 33

第1章 绪论

1.1 课题来源及感应加热作用

感应加热区别于传统的燃烧法加热，它是利用电磁感应原理在导体内产生涡流，通过涡流这种一般情况下会产生危害的能量来加热工件，是一种新兴的加热方式^[1]。随着微电子技术的不断发展，以及基于单片机DSP等数字控制器的控制系统的改进，电磁感应加热技术作为一种新兴的加热技术得到了迅猛的发展以及越来越广泛的应用。感应加热因为具有加热速度快效率高，加热时容易控制温度，以及加热均匀所得到的产品件质量稳定等传统的燃烧法加热不具有的优点已经慢慢成为现今几种加热方式中的主流,目前感应加热广泛应用于金属工业、制造行业、通讯、电力领域等。

石油钻挺热处理的感应加热是一个复杂的控制系统,为了保证开采石油的质量效率,感应加热系统不仅要输出一定的功率，还要求频率可调使得输出的频率能跟随负载的谐振频率变化而变化。为了保证加热工件的质量,感应加热系统在防止漏磁的同时,还需要注意外界环境因素的干扰。而且感应加热电源并不是一个线性的系统,工件从进入系统到出系统需要时间，工件加热的热传导也需要时间，这样整个系统就会后一段,所以需要对石油钻挺加热系统进行控制系统结构的改进。以上即是本课题研究的原因,本课题对感应加热电源控制系统进行设计,设计主要包括感应加热电源的主电路、控制系统、采样电路、驱动及保护电路进行分析研究。本课题研究选题具有十分重要的实际意义，能满足该公司石油钻挺热处理加热生产实际需求。

1.2 感应加热电源的工作原理

感应加热是基于法拉第发现的电磁感应原理，即一个线圈中电流的变化可以使邻近的另一个闭合线圈中产生感应电流的现象，电和磁可以相互转化。感应加热装置先将电能转化为磁能，然后通过线圈的磁场把能量传导给工件,工件内部磁能又变化为电能,同时通过负载发热把电能又转为热能^[2]，从而加热工件。其具体的原理如图1-1所示。