一种感应加热电源新型复合控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种感应加热电源新型复合控制系统。技术方案包括交流输入模块、全桥整流模块、IGBT逆变电路、检测保护电路、触屏显示屏、隔离驱动电路、电流采样电路、电压采样电路、锁相环电路、移相调功电路、CPU和谐振回路；所述触摸显示屏与CPU）连接用以通过用户操作来控制系统相关变量，并且可以显示CPU发送过来的电压、电流以及功率值，所述CPU连接检测保护电路、移相调功电路以及电压采样电路、电流采样电路，所述检测保护电路连接有全桥整流模块和IGBT逆变电路。
【专利说明】
一种感应加热电源新型复合控制系统
技术领域
[0001]本发明涉及一种电源控制系统，具体为一种感应加热电源控制系统。【背景技术】
[0002]感应加热电源在现代工业中有着广泛的应用，它的负载由感应线圈和被加热工件共同组成，其等效参数会随着温度等各种因素发生改变，从而引起负载的固有谐振频率的变化。为了使逆变器工作在谐振或准谐振状态，减小无功电流，一般采用锁相环技术实现频率跟踪。同时由于温度工艺的要求，有时必须实现电源输出功率的调节。
[0003]传统的控制系统主要有输入直流电压调功和逆变桥内调功两大类方法。前者需要可控整流电路或直流斩波电路，主电路拓扑结构变得复杂，成本偏高。逆变桥内调功主要采用调频调功(PFM)、移向调功(PSM)和脉冲密度调功(PDM)，这些主电路拓扑仍然较为复杂， 并且不能较好地与频率跟踪的控制进行有效地结合。同时，传统感应电源主电路启动过程中，电流冲击很大，安全性较差。
[0004]在以往感应电源控制系统设计中，采用分立元件进行逻辑组合的控制系统较为复杂且稳定性较差，采用DSP或CPLD等数字化的控制系统成本较高，不适宜中小功率场合，并且传统的感应电源在人机交互中不够人性化。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是提供一种简化主电路拓扑结构、提高人机交互体验的感应加热电源新型复合控制系统。
[0006]为解决上述问题，本发明的技术方案包括交流输入模块、全桥整流模块、IGBT逆变电路、检测保护电路、触屏显示屏、隔离驱动电路、电流采样电路、电压采样电路、锁相环电路、移相调功电路、CPU和谐振回路；所述触摸显示屏与CHJ连接用以通过用户操作来控制系统相关变量，并且可以显示CPU 发送过来的电压、电流以及功率值，所述CPU连接检测保护电路、移相调功电路以及电压采样电路、电流采样电路，所述检测保护电路连接有全桥整流模块和IGBT逆变电路。
[0007]所述的感应加热电源新型复合控制系统，其特征在于:所述IGBT逆变电路包括由一组IGBT构成的可控全桥逆变电路，并且由移相调功模块控制其导通，所述移相调功电路连接隔离驱动电路和锁相环电路，所述全桥整流模块连接交流输入模块和IGBT逆变电路， 所述IGBT逆变电路连接隔离驱动电路和谐振回路，所述谐振回路连接电压采样电路和电流米样电路电路，所述锁相环电路连接电流米样电路，米样其频率。
[0008]所示的感应加热电源新型复合控制系统，其特征在于:所述谐振回路主要由谐振电容、谐振电感和负载三部分构成，并接受逆变桥电压的输入，形成谐振回路。
[0009]所示的感应加热电源新型复合控制系统，其特征在于:所述隔离驱动电路模块包括主要由四个6N137光耦及其外围电路组成的光耦隔离模块和由IR2110及自举电容构成的逆变驱动模块，由6N137组成的光耦隔离模块通过信号线与移相调功电路相连接，由IR2110构成的逆变驱动模块通过信号线与IGBT逆变电路相连接，并通过光耦隔离与驱动电路的结合，实现强弱电的分离。
[0010]所示的感应加热电源新型复合控制系统，其特征在于:所述移相调功电路包括相位调节电路、死区控制电路、工作频率设置电路和软启动设置电路，通过相位调节电路来控制输出的电压、电流或功率的大小，通过由RC电路构成的死区控制电路来避免IGBT逆变电路逆变桥上下桥臂直通的风险，通过工作频率设置电路来保证工作频率在初始设定值。
[0011]本发明的感应加热电源新型复合控制系统优点如下:1、安全性高:通过移相调功模块的死区控制电路，可以有效地避免逆变桥上下桥臂直通的危险，通过软启动设置电路，可以减小主电路启动时电流的冲击，通过光耦的接入，使得控制模块和驱动模块隔离，实现强弱电的分离，使整个系统更加安全。
[0012]2、适用性广:整个系统将移相调功模块与锁相环模块独立起来，仅通过信号线连接，如果频率或功率、电压需要调节或改变，仅需改变相应模块的参数即可，非常符合高内聚，低耦合的系统设计思想。
[0013]3、智能性好:通过触摸显示屏的接入，虚拟按键的设置，包括电压、电流、功率的设定显示提供友好的人机交互界面，使用户获得最佳体验。
[0014]4、维修接线方便:按照强弱电分离的原则，将控制电路与主电路分离，如果哪个模块发生故障，只需要更换相应模块，完成相应模块的接线即可，不需要对整个系统进行维修调整。
[0015]5、可以通过由比较器LM339及外围电路组成的检测保护电路及时检测电流电压状态，反馈给CPU，当过流或过压时，CPU向移相调功电路及隔离驱动电路发送中断信号，保护整个系统。
[0016]6、稳定性好成本低:相对传统的感应电源控制系统而言，本发明采用专用集成控制芯片，稳定性更好，价格相对DSP或CPLD控制方式而言更加低廉，可同时满足控制效果和成本要求。【附图说明】
[0017]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0018]图1是本发明的电路原理框图；图2是本发明的串联谐振电路原理图；图3是本发明的移相调功电路和锁相环电路的原理框图；图4是本发明的移相调功电路原理图；图5是本发明的锁相环电路原理图；图6是本发明的隔离驱动电路原理图。【具体实施方式】
[0019]如图1-6所示，本发明的感应加热电源新型复合控制系统，包括交流输入模块1、全桥整流模块2、IGBT逆变电路3、检测保护电路4、触屏显示屏5、隔离驱动电路6、电流采样电路7、电压采样电路8、锁相环电路9、移相调功电路10、CPU11和谐振回路12。
[0020]所述触摸显示屏5与CPU11连接用以通过用户操作来控制系统相关变量，并且可以显示CPU11发送过来的电压、电流以及功率值。所述CPU11连接有检测保护电路4和移相调功电路10以及电压采样电路8、电流采样电路7,所述检测保护电路4连接有全桥整流模块2和 IGBT逆变电路3,进一步的，所述IGBT逆变电路3包括由一组IGBT构成的可控全桥逆变电路， 并且由移相调功模块10控制其导通。所述移相调功电路10连接有隔离驱动电路6和锁相环电路9，所述全桥整流模块2连接有交流输入模块1和IGBT逆变电路3，所述IGBT逆变电路3连接有隔离驱动电路6和谐振回路12,所述谐振回路12连接有电压采样电路8和电流采样电路 7，所述锁相环电路9连接有电流采样电路7，采样其频率。
[0021]进一步的，所述谐振回路12由谐振电容12a，谐振电感12b和负载12c三部分构成， 并接受逆变桥电压的输入，形成谐振回路。[〇〇22]进一步的，所述隔离驱动电路模块6包括由四个6N137光耦及其外围电路组成的光耦隔离模块6a和由IR2110及自举电容构成的逆变驱动模块6b，由6N137组成的光耦隔离模块6a通过信号线与移相调功电路模块相连接，由IR2110构成的逆变驱动模块6b通过信号线与IGBT逆变电路3相连接，通过光耦隔离与驱动电路的结合，从而在保证驱动逆变桥的基础上，实现了强弱电的分离，提高了整个系统的安全性。
[0023]进一步的，所述移相调功电路10包括相位调节电路10a，死区控制电路10b，工作频率设置电路l〇c和软启动设置电路10d。通过相位调节电路10a来控制输出的电压、电流或功率的大小，通过由RC电路构成的死区控制电路来避免IGBT逆变电路3逆变桥上下桥臂直通的风险，通过频率设置电路来保证工作频率在初始设定值，软启动设置电路可减小主电路启动时电流的冲击。[〇〇24] 工作原理:感应加热电源新型复合控制系统接通电源后，电源开始工作。220V，50Hz的交流输入模块1能经过全桥整流模块2转化为具有波动的直流电流，在此过程中，滤波器可消除直流脉动，以获得IGBT逆变电路3需要的直流电压，IGBT逆变电路3根据特定的加热要求，将直流电转变为较高频率且功率可控的交流电，提供给谐振回路9。[〇〇25]在此过程中，CPU11检测触摸显示屏5的输入信号，电压或功率设定值，并将其设定值转换为控制电压，传送至移相调功电路10,控制量可控制移相角度，进而控制输出功率和电压，UC3875的输入误差放大器接成电压跟随器的形式，通过控制EA+端的电压，即可控制移相角度大小。电压越高，移相角度越小。通过可调电阻R调整UC3875的锯齿波信号的斜面斜率。可选用合适电阻分别设置A、B通道和C、D通道的死区时间。通过RC电路可设置UC3875 内部振荡器的工作频率。[〇〇26]隔离驱动电路模块6包括四个6N137光耦及其外围电路组成的光耦隔离模块6a和由IR2110及自举电容构成的逆变驱动模块6b，由6N137组成的光耦隔离模块6a通过信号线与移相调功电路模块相连接，由IR2110构成的逆变驱动模块6b通过信号线与IGBT逆变电路相连接，通过光耦隔离与驱动电路的结合，从而在保证驱动逆变桥的基础上，分离强弱电， 更加安全。[〇〇27]所述CPU11根据触摸显示屏5的按键信号和检测保护电路4发回的信号，通过由比较器LM339及外围电路组成的检测保护电路及时检测电流电压状态，反馈给CPU，当过流或过压时，CPU向移相调功电路及隔离驱动电路发送中断信号，保护整个系统。
[0028]所述锁相环电路9包括频率起振电路，确保电路起振时能锁定在一定的频率范围，频率跟踪电路和滤波电路，确保系统中产生频率和负载谐振频率相同。整个锁相环电路9形成一个频率控制闭环，主电路IGBT逆变电路3输出电流采样7后，送到CD4046锁相环电路9的鉴相器，经过低通滤波控制压控振荡器VCO的输出信号频率启动扫频电路。[〇〇29]更进一步，启动扫频电路9a在上电时，将主动控制⑶4046锁相环电路9的压控振荡电路9b的输入电压，使其由高到低变化。此时压控振荡电路9b输出方波信号频率也从高到低变化。锁相环电路输出的同步信号将送到UC3875移相调功电路10,相位调节电路10a将根据这个信号输出IGBT逆变电路3的开关脉冲信号。IGBT逆变电路3的输出电压频率跟随压控振荡电路9b的输出频率变化。随着IGBT逆变电路3的工作，负载中电流增大，负载电流谐振形成。电流经检测电路整形后，送入锁相环电路。锁相环电路9将负载12c电流信号与移相控制器输出的IGBT逆变电路3开关信号进行比较。当两个信号频率相同时，压控振荡电路9b 的输入电压将维持在某个电平。此时，启动扫频电路将与锁相环电路9自动分离，系统工作在频率闭环自激状态。
[0030]所述锁相环电路9与UC3875移相控制电路10相结合，共同构成了功率和频率结合的控制闭环。根据UC3875移相控制电路10的同步信号要求，其同步信号为输出开关信号的2 倍。那么CD4046锁相环电路9中压控振荡电路9b的工作频率是IGBT逆变电路3开关信号的2倍。[〇〇31]本发明设计负载12c的工作频率为40kHz左右，由于负载参数在加热过程中，温度变化小，所以电源在恒功率工作时，负载12c电路的谐振频率变化范围较小，仅在感性移相调功时有一定的频率上升。因此选取负载12c的工作频率在35—45kHz的范围。则CD4046锁相环电路9的压控振荡电路9b工作频率范围为70—90kHZ。锁相环电路9将跟踪的频率信号通过信号线发送给移相控制电路10,移相控制电路10根据收到的频率信号产生对应的控制 IGBT逆变电路3的信号，并且通过CPU11发送的控制信号进行移相，进而调节功率。
[0032]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种感应加热电源新型复合控制系统，其特征在于:包括交流输入模块(1)、全桥整 流模块(2)、IGBT逆变电路(3)、检测保护电路(4)、触屏显示屏(5)、隔离驱动电路(6)、电流 采样电路(7)、电压采样电路(8)、锁相环电路(9)、移相调功电路(10)、CPU(11)和谐振回路 (12)，所述触摸显示屏(5)与CPU(ll)连接用以通过用户操作来控制系统相关变量，并且可 以显示CPU(ll)发送过来的电压、电流以及功率值，所述CPU(ll)连接检测保护电路(4)、移 相调功电路(10)以及电压采样电路(8)、电流采样电路(7)，所述检测保护电路(4)连接有全 桥整流模块(2 )和IGBT逆变电路(3 )。2.根据权利要求1所述的感应加热电源新型复合控制系统，其特征在于:所述IGBT逆变 电路(3)包括由一组IGBT构成的可控全桥逆变电路，并且由移相调功模块(10)控制其导通， 所述移相调功电路(10)连接隔离驱动电路(6)和锁相环电路(9)，所述全桥整流模块(2)连 接交流输入模块(1)和IGBT逆变电路(3)，所述IGBT逆变电路(3)连接隔离驱动电路(6)和谐 振回路(12)，所述谐振回路(12)连接电压采样电路(8)和电流采样电路(7)电路，所述锁相 环电路(9)连接电流米样电路(7)，米样其频率。3.根据权利要求1或2所示的感应加热电源新型复合控制系统，其特征在于:所述谐振 回路(12)主要由谐振电容(12a)、谐振电感(12b)和负载(12c)三部分构成，并接受逆变桥电 压的输入，形成谐振回路。4.根据权利要求1或2所示的感应加热电源新型复合控制系统，其特征在于:所述隔离 驱动电路模块(6 )包括主要由四个6N137光耦及其外围电路组成的光耦隔离模块(6a )和由 IR2110及自举电容构成的逆变驱动模块(6b)，由6N137组成的光耦隔离模块(6a)通过信号 线与移相调功电路(10)相连接，由IR2110构成的逆变驱动模块(6b)通过信号线与IGBT逆变 电路(3)相连接，并通过光耦隔离与驱动电路的结合，实现强弱电的分离。5.根据权利要求1或2所示的感应加热电源新型复合控制系统，其特征在于:所述移相 调功电路(10)包括相位调节电路(l〇a)、死区控制电路(10b)、工作频率设置电路(10c)和软 启动设置电路(1 〇d )，通过相位调节电路(10a )来控制输出的电压、电流或功率的大小，通过 由RC电路构成的死区控制电路(10b)来避免IGBT逆变电路(3)逆变桥上下桥臂直通的风险， 通过工作频率设置电路(1 〇c )来保证工作频率在初始设定值。
【文档编号】H05B6/06GK105960042SQ201610501918
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月30日
【发明人】黄华圣, 张榆平, 李兴胜, 刘文富, 邬志明
【申请人】浙江天煌科技实业有限公司