青岛科技大学研究生学位论文
中频感应加热设备控制系统的研发
摘要
针对40KW中频感应加热电源，针对其负载的特性进行分析，分析了感应加热电源的工作流程和功率的调节方式。并且，在以上的分析结果上使用STM32与FPGA 芯片结合的方式，使用多桥并联交错分时控制的方式、模糊PI算法进行新型感应加热电源的设计。其中重点分析了多桥并联交错分时控制方式、凭借针对电源的调功方式以及控制略，最终达到了IGBT移相控制的目的。对感应加热电源在工作时的负载特性进行了分析，做到了定角控制以及频率跟踪范围的扩大。与此同时，为了应对其不同的调功方式，而设计了不同的控制方式，其结果是一般的感应加热电源没办法达到的。然后，又分析了控制部分中的部分硬件组成的问题，设计了一系列的保护与控制电路。
设计并使用基于FPGA的数字锁相环系统，来解决电源功率因数低的问题。使用了定角控制的方式，将感应加热电源逆变器的逆变角限定于很小的一个范围之中，因此使的感应加热电源的功率得到了提高。对于中频感应加热电源在启动中存在的诸多问题，使用了软启动的方式，实现了启动过程中由激烈到平缓的过渡，使功率器件的使用寿命大大提升。
由于需要对IGBT中频电源的输出温度、器件温度以及加热设备的故障进行实时监控。因此设计了基于CC2530zigbee的物联网系统，对多台设备进行组网。实现了多台设备数据的实时监测与数据的传输。
关键词：中频感应加热电源；多桥并联交错分时；定角控制；数字锁相环；模糊PI算法；zigbee组网
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青岛科技大学研究生学位论文
REASARCH AND DEVELOPMENT OF INTERMEDIATE FREQUENCY
INDUCTION HEATING EQUIPMENT CONTROL SYSTEM
ABSTRACT
For40KW medium frequency induction heating power supply,analyze its load characteristics,power supply working process and power control mode.Then,on the basis of the combination of STM32and FPGA chip,a new type of induction heating power supply is designed by using multi-bridge parallel interleaving time-sharing control method and fuzzy PI algorithm.Among them,the multi-bridge parallel interleaving time-sharing control mode,power supply control strategy and power adjustment mode are mainly analyzed,and a phase sequence adaptive IGBT phase-shift control mode is realized.The load characteristics of power supply during heating process are analyzed, and the inverter angle control and wide frequency tracking are realized.At the same time, according to the different ways of adjusting power,the control strategy was designed to achieve the effect that the traditional power supply could not achieve.Then,the problem of hardware composition such as power-up is analyzed,and a series of protection and control circuits are designed.
Design and use FPGA-based digital phase locked loop system to solve the problem of low power factor.By means of fixed angle control,the inverter angle of the induction heating power supply inverter is limited to a very small range,so the power of the induction heating power supply is increased.For the many problems existing in the start-up of the medium-frequency induction heating power supply,the soft start method is used to achieve the transition from intense to gentle during the start-up process,so that the service life of the power device is greatly improved.
Due to the need for real-time monitoring of the output temperature of the IGBT IF power supply,device temperature,and failure of the heating equipment.Therefore,an IoT system based on CC2530zigbee was designed to network multiple devices.Realizes the real-time monitoring and data transmission of multiple device data.
KEY WORDS:IF induction heating power supply;multi-bridge parallel interleaving time-sharing;fixed-angle control;digital phase-locked loop;fuzzy PI algorithm;zigbee networking
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目录
1.绪论 (1)
1.1感应加热原理 (1)
1.2感应加热电源国内外发展现状以及趋势 (3)
1.2.1国外感应加热电源发展现状 (4)
1.2.2国内感应加热电源发展现状 (5)
1.2.3感应加热电源发展趋势 (7)
1.3本课题研究的优势 (9)
1.4本课题研究内容及结构安排 (10)
1.4.1本课题研究内容 (10)
1.4.2本课题研究结构 (11)
2多管并联交错分时控制电路的设计 (12)
2.1逆变电路的工作原理 (12)
2.2中频感应加热电源的拓扑结构 (13)
2.2.1电压型逆变电路 (13)
2.2.2多桥并联交错分时控制电路 (15)
2.3中频感应加热电源的调功方式 (20)
2.3.1直流侧调功与逆变侧调功 (20)
2.3.2多桥并联交错分时控制电路的FPGA控制器的设计 (21)
2.3.3逆变模块的设计与仿真 (23)
2.3.4数字锁相环的设计 (23)
2.3.5数字锁相环工作原理 (24)
2.3.6数字锁相环的设计 (25)
2.4逆变角控制 (26)
2.4.1逆变角定角控制原理 (27)
2.5本章小结 (28)
3中频感应加热电源设计方案及控制方法 (29)
3.1感应加热电源的控制方案 (29)
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中频感应加热设备控制系统的研发
3.2模糊PID控制 (31)
3.2.1PID控制原理 (31)
3.2.2增量式数字PI控制算法 (32)
3.2.3模糊PI控制算法 (32)
3.2.4模糊PI控制工作流程 (35)
3.2.5感应加热电源模型的建立 (36)
3.2.6模糊PID控制与传统PID控制的对比 (39)
3.3中频加热电源的定角控制 (45)
3.3.1定角控制分析 (45)
3.4本章小结 (46)
4.中频感应加热电源控制系统设计 (47)
4.1STM32F107硬件电路设计 (47)
4.1.1STM32F107的系统电路设计 (47)
4.1.2STM32F107的外围电路设计 (47)
4.2FPGA硬件电路设计 (49)
4.2.1FPGA技术简介 (49)
4.2.2FPGA的开发流程 (50)
4.2.3FPGA的硬件电路 (52)
4.6电源启动方式的设计 (53)
4.7STM32F107程序设计 (54)
4.8保护电路的设计 (54)
4.8.1过压过流保护 (55)
4.9采样电路的设计 (56)
4.10温度采集电路 (56)
4.11本章小结 (57)
5.多个感应加热设备的组网控制 (58)
5.1无线组网技术简介 (58)
5.2ZigBee网络配置 (58)
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5.3ZigBee路由算法的实现 (61)
5.3.1支持网络融合的路由算法策略 (61)
5.3.2路由算法设计 (62)
5.3.3帧结构定义 (65)
5.3.4帧的处理 (65)
5.3.5路由算法实现的配置 (71)
5.4本章小结 (72)
结论 (73)
参考文献 (74)
致谢 (77)
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1.绪论
因为中频感应加热技术属于非接触式加热，且加热温度高；加热效率高；加热速度快；温度容易控制；可以局部加热；容易实现自动控制；工作环境优良，几乎没有噪声、热量以及灰尘等特性，已经取得众多企业的认可，尤其是中频感应加热技术，早已广泛使用于熔炼金属、工业金属零件表面淬火、棒料透热等领域，目前已经是这些行业主流[1]。
1.1感应加热原理
所有感应加热设计的基础，是法拉第在1831年所发现的电磁感应现象。该现象为：当两个临近的线圈之一中的电流发生改变以后,在另一个线圈中能够生成感应电流。在法拉第去世后,例如诺伊曼定律以及楞茨定律等诸多的类似定理不断地被提出。
感应加热技术利用电涡流的热效应理论，来完成金属模具的热处理。通过乏法拉第电磁感应定律可知，交变的电流能生成交变的磁场，被放入感应线圈中的被加热的模具，通过被动的切割磁感线，从而产生了电流。凡是金属模具均是具有阻性的。由焦耳定律进行推算可以得到：切割电流在电阻内流动，从而产生热量，感应加热电源技术的基本原理就是这个方法。因为凡是金属都具有表面效应，这个效应把涡流锁定在模具的表层，这个原因导致产生了“集肤效应”[1]。正因为如此，人们又给感应电源加热技术取了另一个名字，也就是表面加热技术。需要被加热的金属模具，被放置在感应线圈里,将交变的电流输入到线圈中，在其周围就可以得到变化的磁场，因为金属模具被放置于感应线圈之中，也就同样的被包围在脚边磁场里，所以它被动的进行切割磁感线的运动。这样在模具的两端，感应电动势就这样生成了，于是在金属模具中就产生了感应电流，感应电流在金属工件的内部流动,因为克服了工件中的电阻阻抗，将电能转变成为了热能,从而使金属工件得到加热,这就是感应加热的原理。因此可知，感应加热就是集肤效应、电磁感应与热传导三个基本原则组成的。负号的原因是，感应电动势总是试图阻止磁通量的变化[2]。