基于AVR的高精度CPSM感應(yīng)加熱電源研究

摘要：提出一種高精度復(fù)合脈沖均勻密度調(diào)制(CPSM)的感應(yīng)加熱電源。采用AVR單片機(jī)和硬件電路協(xié)同工作方式，在保證控制脈沖均勻分布的同時(shí)，將其控制精度提升到1／1 024，使輸出功率更穩(wěn)定，調(diào)節(jié)更靈活；同時(shí)采用預(yù)估算編程方法，提高了工作頻率。逆變環(huán)節(jié)采用串聯(lián)諧振式逆變電路，控制開關(guān)管的零電壓開通(ZVS)和零電流關(guān)斷(ZCS)，實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)。介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，并給出了程序流程圖和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
關(guān)鍵詞：電源；脈沖均勻密度調(diào)制；感應(yīng)加熱

1 引言
目前，高頻感應(yīng)加熱電源的功率調(diào)節(jié)具有直流側(cè)調(diào)功和逆變側(cè)調(diào)功兩種方式。逆變側(cè)調(diào)功方式有：脈沖頻率調(diào)制、移相調(diào)功、脈沖密度調(diào)制。但在輕載的情況下，以上方法會(huì)導(dǎo)致功率因數(shù)下降或輸出電流波動(dòng)等情況。脈沖均勻密度調(diào)制(PSM)利用串聯(lián)諧振負(fù)載儲(chǔ)能，通過控制單位時(shí)間內(nèi)開通和關(guān)斷的脈沖信號(hào)比例來調(diào)節(jié)輸出功率，并使脈沖信號(hào)均勻分布。即使在輕載時(shí)，逆變器輸出電流波動(dòng)也很小，且輸出頻率不變，功率因數(shù)始終接近1，因此得到了較廣泛的應(yīng)用。但傳統(tǒng)的PSM實(shí)現(xiàn)方式由邏輯門電路構(gòu)建，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且其精度等級(jí)只能達(dá)到1／16，難以適應(yīng)高精度感應(yīng)加熱場(chǎng)合。而單純采用軟件設(shè)計(jì)的方法，由于PSM控制算法復(fù)雜，難以提高逆變器工作頻率，且存在延遲失真現(xiàn)象。
為提高高頻感應(yīng)加熱電源控制精度，提出一種CPSM控制方案。在傳統(tǒng)硬件控制電路基礎(chǔ)上，增加了基于ATmega8單片機(jī)的軟件控制，并利用該款單片機(jī)的10位高精度A／D轉(zhuǎn)換，將控制精度提升到傳統(tǒng)控制方式的64倍；針對(duì)AVR系列單片機(jī)在數(shù)據(jù)處理上存在的延遲，加入了預(yù)估算控制策略，從而保證了輸出控制信號(hào)時(shí)序穩(wěn)定。

2 主電路及其工作原理
圖1為CPSM感應(yīng)加熱電源主電路，它由三相不可控整流電路、濾波電路、單相逆變電路和串聯(lián)諧振電路組成。

圖中，VD1～VD6構(gòu)成三相橋式不可控整流電路；L1，C1構(gòu)成濾波電路，輸出平穩(wěn)的直流電壓；V1～V4為IGBT開關(guān)器件，構(gòu)成單相全橋逆變電路；VD1’～VD4’為快恢復(fù)反并聯(lián)二極管，C2～C5為功率開關(guān)器件的吸收電容(包括開關(guān)器件的結(jié)電容)；C6為隔直電容；T為變壓器；L0為等效電感；C0為串聯(lián)諧振電容；R0為等效負(fù)載電阻；V1，V2為主開關(guān)，根據(jù)輸出功率的大小進(jìn)行均勻脈沖密度控制；V3，V4始終交替開關(guān)，為負(fù)載回路提供續(xù)流。逆變器輸出頻率固定，工作在串聯(lián)諧振狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了ZCS和ZVS軟開關(guān)。

3 CPSM控制原理與實(shí)現(xiàn)
3．1 CPSM控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)
圖2為控制系統(tǒng)的整體框圖，以ATmega8芯片和PSM硬件電路作為系統(tǒng)核心，包括PI調(diào)節(jié)電路、頻率跟蹤電路、驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)電路。

三相整流、濾波、逆變電路和負(fù)載構(gòu)成了系統(tǒng)主電路，逆變器承擔(dān)了逆變和功率調(diào)節(jié)兩項(xiàng)任務(wù)。PSM硬件電路可產(chǎn)生以16個(gè)脈沖為一個(gè)周期的控制信號(hào)(即精度為1／16)，并經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制逆變器，實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。給定功率與反饋值比較后經(jīng)PI調(diào)節(jié)器將模擬控制量輸入到ATmega 8芯片中，ATmega8根據(jù)A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量對(duì)PSM硬件電路的各個(gè)周期單獨(dú)控制，從而實(shí)現(xiàn)了精度提升。頻率跟蹤電路保證了CPSM控制信號(hào)基準(zhǔn)頻率與負(fù)載諧振頻率相同，使電路工作在串聯(lián)諧振狀態(tài)。