摘 要：設(shè)計(jì)了基于FPGA的感應(yīng)加熱控制系統(tǒng)，其主要功能是實(shí)現(xiàn)負(fù)載諧振頻率的跟蹤、逆變工作狀態(tài)的控制和逆變器的啟動(dòng)。相對(duì)模擬逆變電路而言，其優(yōu)勢(shì)在于：調(diào)試比較方便、內(nèi)部參數(shù)更改容易、可在線觀察數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)適用負(fù)載范圍寬、可調(diào)節(jié)性強(qiáng)。
關(guān)鍵詞：感應(yīng)加熱；FPGA；諧振頻率；逆變控制
感應(yīng)加熱電源以其環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，逆變控制電路是直接影響感應(yīng)加熱電源能否安全、高效運(yùn)行的關(guān)鍵因素。目前的感應(yīng)加熱裝置多采用模擬電路控制，存在電路觸點(diǎn)多、系統(tǒng)可靠性低、元件工藝性要求高、控制參數(shù)不易改變及靈活性差等缺點(diǎn)。針對(duì)這種情況，本文設(shè)計(jì)了基于FPGA的感應(yīng)加熱控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了逆變電路的數(shù)字化，提高了系統(tǒng)的智能化，并利用液晶顯示與用戶建立良好的交互界面。
1 感應(yīng)加熱逆變控制電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
感應(yīng)加熱主電路及逆變控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1]如圖1所示，在驅(qū)動(dòng)信號(hào) g13和g24作用下，使T1、T3管和T2、T4管分別交替工作；u1，i1表示負(fù)載上的電壓和電流。系統(tǒng)根據(jù)采樣得到的負(fù)載上的電壓u1，調(diào)整IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)g13和g24，使得負(fù)載工作在諧振狀態(tài)，即負(fù)載上的電壓電流同頻同相。
2 逆變控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理
逆變控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)由檢測(cè)電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、液晶顯示電路、FPGA控制模塊、故障指示電路、鍵盤和IGBT驅(qū)動(dòng)電路組成，其中虛線框中為FPGA控制模塊，是本系統(tǒng)的核心。逆變控制系統(tǒng)工作原理為：
（1）檢測(cè)電路通過(guò)電壓傳感器獲取負(fù)載上的相關(guān)信息，并在過(guò)流、過(guò)壓等危害情況發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作，同時(shí)將這一信息傳遞給FPGA模塊，且在液晶屏上示出；
（2）FPGA模塊完成負(fù)載諧振頻率的鎖定，并輸出IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；
（3）IGBT模塊由4個(gè)IGBT管和相應(yīng)的保護(hù)電路組成，負(fù)責(zé)直-交變換；
（4）鍵盤負(fù)責(zé)提供掃頻啟動(dòng)所需的最高和最低頻率。因?yàn)椴捎脪哳l啟動(dòng)方式，可以控制它激頻率在設(shè)定的最高頻率和最低頻率之間掃描，以適應(yīng)不同諧振頻率的負(fù)載。
3 FPGA控制模塊設(shè)計(jì)及控制策略
3.1 FPGA控制器組成
FPGA控制器可分為以下幾個(gè)模塊：
（1） 主控制器：該控制器是控制系統(tǒng)的核心，完成對(duì)逆變狀態(tài)的控制、外圍接口控制、各模塊的協(xié)調(diào)工作以及整個(gè)工作流程操作等。它由硬件狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，采用同步時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)，相當(dāng)于簡(jiǎn)單處理器的功能；
（2）啟動(dòng)模塊：負(fù)責(zé)感應(yīng)加熱電源的正常啟動(dòng)，性能指標(biāo)包括啟動(dòng)時(shí)間（越短越好）、啟動(dòng)過(guò)程的穩(wěn)定性和啟動(dòng)過(guò)程的成功率等。加熱啟動(dòng)之后，控制它激頻率在設(shè)定的最高頻和最低頻之間掃描；當(dāng)它激頻率掃描到接近槽路諧振頻率時(shí)，負(fù)載能量便建立起來(lái)并反饋到自動(dòng)調(diào)頻電路[2] ；
（3）鎖相環(huán)模塊：在啟動(dòng)模塊的協(xié)助下，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、快速的啟動(dòng)過(guò)程，并保證頻率的正常鎖定，主要性能指標(biāo)包括鎖相范圍、鎖相速度、鎖相穩(wěn)定性等。鎖相環(huán)是系統(tǒng)中的主要工作模塊，直接影響逆變系統(tǒng)是否正常運(yùn)行；
（4）重疊角產(chǎn)生模塊：作為鎖相環(huán)和IGBT驅(qū)動(dòng)電路的中間環(huán)節(jié)，將IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，以實(shí)現(xiàn)逆變工作狀態(tài)的實(shí)際要求；
（5）數(shù)據(jù)采集模塊：在系統(tǒng)中，能根據(jù)工作人員的需要采集數(shù)據(jù)，以供試驗(yàn)和調(diào)試等；
（6）讀、寫模塊及SRAM：系統(tǒng)中融合這3個(gè)模塊的目的是能將有用的數(shù)據(jù)及時(shí)地保存起來(lái)或者制作一個(gè)備份，以備外圍調(diào)試、設(shè)定參數(shù)等應(yīng)用。
3.2 主控制策略
主控制器的工作流程如圖3所示。主控制器的控制策略是以逆變控制系統(tǒng)的成功啟動(dòng)、正常工作狀態(tài)控制為主的。當(dāng)系統(tǒng)剛上電時(shí)，主控制器給出時(shí)鐘信號(hào)，發(fā)出1 s的RESET復(fù)位信號(hào)，對(duì)各模塊進(jìn)行初始化。初始化過(guò)程中各模塊并不工作，即沒(méi)有使能信號(hào)。初始化完成后，由輸入模塊寫入各工作寄存器配置值，進(jìn)入啟動(dòng)模塊。掃頻過(guò)程要同時(shí)使能啟動(dòng)模塊和鎖相環(huán)。系統(tǒng)根據(jù)配置寄存器的值，完成掃頻。如果掃頻成功，則進(jìn)入鎖相環(huán)節(jié)，如果鎖相環(huán)并未成功鎖定頻率，處于失鎖狀態(tài)；如果多次、連續(xù)出現(xiàn)失鎖，則表明負(fù)載頻率不在掃頻范圍之內(nèi)，即發(fā)出“啟動(dòng)失敗”信號(hào)，系統(tǒng)進(jìn)入異常處理，用戶需要重新設(shè)定寄存器。在系統(tǒng)成功鎖定頻率后，因某種原因再次導(dǎo)致失鎖，則開(kāi)啟啟動(dòng)模塊，重新開(kāi)始掃頻過(guò)程，等待掃頻成功。
4 系統(tǒng)仿真
由于篇幅有限，省略了VHDL源代碼。在Maxplus2環(huán)境下，運(yùn)用其自身的仿真工具完成仿真，仿真結(jié)果如圖4（a）和圖4（b）所示。
從圖4（a）可以看出，當(dāng)環(huán)路濾波環(huán)節(jié)中的分頻模數(shù)N為50時(shí)，鎖相環(huán)的輸出IDout能夠跟蹤u1(u1為負(fù)載兩端的電壓信號(hào))，達(dá)到鎖定狀態(tài)。從圖4(b)中可以看出，IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)g13和g24具有一定的重疊時(shí)間,從而能夠?qū)崿F(xiàn)IGBT管的軟關(guān)斷，提高了感應(yīng)加熱的效率。
參考文獻(xiàn)
[1] 潘天明.現(xiàn)代感應(yīng)加熱裝置.北京：冶金工業(yè)出版社，1996.
[2] 周躍慶，王鴻雋.并聯(lián)逆變電源的掃頻啟動(dòng)電路[J]，工業(yè)爐，2007，29(1)：34-36.
[3] 潘松，王國(guó)棟.VHDL實(shí)用教程.成都：電子科技大學(xué)出版社,2000.