数字化并联感应加热电源双dsp+fpga体系结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及感应加热电源技术领域，公开一种数字化并联感应加热电源双DSP+FPGA体系结构，包括：主电路、控制电路、核心控制电路，所述核心控制电路通过控制电路与主电路相连；所述主电路包含：晶闸管SCR驱动/整流桥，平波电抗器，绝缘栅双极晶体管（IGBT）驱动/逆变桥、LC并联负载/感应器；所述控制电路包含：逆变反馈电路、保护检测电路、直流电压电流功率设定检测电路、能量监控及手持操作器。本实用新型能够应用在音频/超音频感应加热电源中，启动成功率高、工作稳定性好、控制精度高、功能扩展灵活，其智能化程度高，并使用能量监控系统对每次加工的工件质量进行记录，取得了较好的经济效益。
【专利说明】
数字化并联感应加热电源双DSP+FPGA体系结构
技术领域
[0001]本实用新型涉及感应加热电源技术领域，尤其涉及一种数字化并联感应加热电源双DSP+FPGA体系结构。
【背景技术】
[0002]目前，随着感应加热电源的发展，采用模拟控制技术的电源已显得落后。DSP技术的发展给数字化电源的发展带来了契机，数字化感应加热电源由于其智能化程度高、控制精度高、功能扩展灵活的优点已经显现。采用双DSP+FPGA的控制方案应用在音频/超音频感应加热电源中，启动成功率高、工作稳定性好，并使用能量监控系统对每次加工的工件质量进行记录，取得了较好的经济效益。
【发明内容】
[0003]为了克服【背景技术】中的不足，本实用新型提供一种数字化并联感应加热电源双DSP+FPGA体系结构。能够应用于数字化音频/超音频感应并联加热电源。
[0004]为了实现上述发明目的，本发明采用技术方案如下:
[0005]—种数字化并联感应加热电源双DSP+FPGA体系结构，包括:主电路、控制电路、核心控制电路，所述核心控制电路通过控制电路与主电路相连；
[0006]所述主电路包含:晶闸管SCR驱动/整流桥、平波电抗器、绝缘栅双极晶体管(IGBT)驱动/逆变桥、LC并联负载/感应器；
[0007]所述控制电路包含:逆变反馈电路、保护检测电路、直流电压电流功率设定检测电路、能量监控及手持操作器；
[0008]所述核心控制电路为双DSP+FPGA体系结构，由微处理器DSP芯片1、微处理器DSP芯片Π、FPGA芯片组成，电连接微处理器DSP芯片Π的微处理器DSP芯片I输入端与保护检测电路电连接，微处理器DSP芯片I的功率设定端、缺相报警端与FPGA芯片对应端相连，所述微处理器DSP芯片Π的IGBT逆变脉冲产生端与FPGA芯片的IGBT逆变脉冲对应端相连；
[0009 ]其中DSP芯片I的设定检测端通过模数转换电路A/D与直流电压电流功率设定检测电路相连;DSP芯片I的通讯端通过232通讯模块与能量监控及手持操作器相连；
[0010]其中微处理器DSP芯片Π的输入端通过逆变反馈电路与LC并联负载/感应器相连；[0011 ]其中FPGA芯片的SCR触发脉冲端与晶闸管SCR驱动/整流桥相连，所述晶闸管SCR驱动/整流桥输入端连接三相交流电源AC，三相交流电源AC的三相交流同步信号与FPGA芯片的三相交流同步信号端相连；
[0012]其中FPGA芯片的IGBT触发脉冲端与绝缘栅双极晶体管IGBT驱动/逆变桥相连。
[0013]—种数字化并联感应加热电源双DSP+FPGA体系结构，所述保护检测电路由霍尔传感器、分流器、水压传感器、温度传感器构成，霍尔传感器、分流器、水压传感器、温度传感器通过信号线与微处理器DSP芯片I相连。
[0014]由于采用如上所述的技术方案，本实用新型具有如下优越性:
[0015]一种数字化并联感应加热电源双DSP+FPGA体系结构，采用双DSP+FPGA的控制方案应用在音频/超音频感应加热电源中，启动成功率高、工作稳定性好、控制精度高、功能扩展灵活，其智能化程度高，并使用能量监控系统对每次加工的工件质量进行记录，取得了较好的经济效益。
[0016]【【附图说明】】
[0017]图1是并联感应加热电源体系结构的电路方框图；
[0018]【【具体实施方式】】
[0019]如图1所示，一种数字化并联感应加热电源双DSP+FPGA体系结构，包括:主电路、控制电路、核心控制电路，所述核心控制电路通过控制电路与主电路相连；
[0020]所述主电路包含:晶闸管SCR驱动/整流桥，平波电抗器，绝缘栅双极晶体管(IGBT)驱动/逆变桥、LC并联负载/感应器；
[0021]所述控制电路包含:逆变反馈电路、保护检测电路、直流电压电流功率设定检测电路、能量监控及手持操作器。
[0022]所述核心控制电路为双03?+??64体系结构，包括:03?芯片1、03?芯片11、？?6八芯片，所述电连接保护检测电路的DSP芯片I与电连接逆变反馈的DSP芯片Π相连，所述DSP芯片I的功率设定端、缺相报警端与FPGA芯片对应端相连，所述DSP芯片Π的IGBT逆变脉冲产生端与FPGA芯片的IGBT逆变脉冲对应端相连；
[0023]其中DSP芯片I的设定检测端通过模数转换电路A/D与直流电压电流功率设定检测电路相连;DSP芯片I的通讯端通过232通讯模块与能量监控及手持操作器相连；
[0024]其中FPGA芯片的SCR触发脉冲端与晶闸管SCR驱动/整流桥相连，所述晶闸管SCR驱动/整流桥输入端连接三相交流电源AC的三相交流同步信号与FPGA芯片的三相交流同步信号端相连；
[0025]其中FPGA芯片的IGBT触发脉冲端与绝缘栅双极晶体管IGBT驱动/逆变桥相连。
[0026]所述保护检测电路由霍尔传感器、分流器、水压传感器、温度传感器构成。
[0027]本实用新型的并联感应加热电源体系结构应用于数字化音频/超音频感应并联加热电源。
[0028]该电源的体系结构中，主电路包含晶闸管(SCR)驱动/整流桥，平波电抗器，绝缘栅双极晶体管(IGBT )驱动/逆变桥、LC并联负载/感应器;控制电路包含逆变反馈电路、保护检测电路、直流电压电流功率设定检测电路、能量监控及手持操作器。该专利保护的核心电路为双DSP+FPGA电路(虚线框内)组成的核心控制电路。该核心控制电路用于三相全控整流脉冲信号的产生、IGBT逆变脉冲信号的产生、系统状态的监测、与能量监控及手操的通信。两片DSP芯片采用德州仪器(TI)公司生产的TMS320F2812 JPGA芯片采用莱迪思(LATTICE)公司生产的 LFXP3C-3TN144C。
[0029]主电路采用由SCR组成的三相全控整流电路，整流输出可调节的O?500V左右的直流电压。经平波电抗器后送至由IGBT组成的桥式逆变电路。逆变输出电压由整流后的直流电压决定，逆变频率由IGBT触发脉冲的频率决定。负载采用LC并联谐振回路，逆变输出最终经负载变压器送至感应器，对工件进行加热。
[0030]保护检测电路主要由霍尔传感器、分流器、水压传感器、温度传感器等组成。负责检测异常的报警信号，传递给DSP-1。
[0031]DSP-1作用主要有三个方面。
[0032]第一，通过A/D采样检测后的直流电压、直流电流送往工业触摸屏(即能量监控及手操)，实时显示电源直流电压、直流电流等状态。在触摸屏中计算功率并显示，记录历史曲线用以判断所加工工件是否合格。由于感应加热电源的工作环境较恶劣，电磁干扰较大，DSP-1与工业触摸屏的通信应用屏蔽线，同时采用了232电平+ModBus的通信方式，提高抗干扰能力。另外DSP-1通过A/D检测功率电位器的设定值，将检测到的值分100档传给FPGA，用以实现不同的工作电压(即功率)。并且在FPGA检测到三相交流电缺相时，接收缺相报警信号，停止电源工作。
[0033]第二，如果报警检测电路检测到直流过压、过流、冷却水压过高过低、冷却水超温、交流过压等故障，DSP-1接收这些故障信号，停止电源工作，并将这些信息传递给能量监控及手操。
[0034]第三，将检测到功率电位器的值或者通过能量监控及手操设定的功率值，在DSP-1软件中进行平滑数字滤波。并且在电源大功率工作时，使功率逐渐抬升，然后传递给FPGA，用以产生三相全控移相脉冲，以免瞬间的高电压、大电流对电源形成冲击，实现软启动。软启动时间大约在200ms的时间内完成。
[0035]由于电源系统对逆变的频率有着严格的要求，为了保证处理器对逆变控制的实时性和稳定性，本设计中单独设置了DSP-1I，以产生IGBT逆变触发脉冲。
[0036]电源为并联电源，IGBT逆变桥的工作频率表面上由DSP-1I决定，实际上是由LC并联谐振电路决定。由于更换感应器、更改输出变压器匝比、增减匹配电容器的数量、放入不同的工件都会引起LC并联谐振电路的谐振频率的改变，且工件在加热的过程中，尤其是在接近或达到居里点以后，谐振频率会发生变化。这些都会引起电路失谐，可能烧毁IGBT逆变桥。DSP-1I利用数字锁相环解决了这个问题。当谐振频率发生变化时，频率的变化由逆变反馈电路，送入DSP-1I，利用数字锁相环使DSP-1I产生的IGBT逆变脉冲的频率与谐振频率相一致，实现逆变频率的自动跟踪锁频(即频率自适应)IGA主要有两方面的作用。
[0037]第一、在FPGA中设计了用于三相整流的移相触发电路。FPGA根据经降压整形后的三相同步信号和DSP-1给定的功率设置参数，产生6路晶闸管移相触发脉冲，控制晶闸管的导通角，用以调整整流输出电压(即输出功率)。每一路脉冲都采用双触发的PWM信号，以保证晶闸管不会漏触发。
[0038]第二、在FPGA中设计了IGBT逆变脉冲分配电路，将DSP-1I产生的两路IGBT触发脉冲分配成4路、8路或12路。4路为IGBT单逆变桥的触发脉冲，其中2路为对角桥臂的触发脉冲，另2路为另一个对角桥臂的触发脉冲，相互差半个逆变周期。8路为双逆变桥的触发脉冲、12路为三逆变桥的触发脉冲，逆变桥的数量可根据输出功率增减。此外，如果采用IGBT分时导通技术，利用2个逆变桥，还可实现IGBT逆变频率的倍增，最高逆变频率可达80KHz左右。
【主权项】
1.一种数字化并联感应加热电源双DSP+FPGA体系结构，其特征是:包括:主电路、控制电路、核心控制电路，所述核心控制电路通过控制电路与主电路相连； 所述主电路包含:晶闸管SCR驱动/整流桥、平波电抗器、绝缘栅双极晶体管IGBT驱动/逆变桥、LC并联负载/感应器； 所述控制电路包含:逆变反馈电路、保护检测电路、直流电压电流功率设定检测电路、能量监控及手持操作器； 所述核心控制电路为双DSP+FPGA体系结构，由微处理器DSP芯片1、微处理器DSP芯片Π、FPGA芯片组成，电连接微处理器DSP芯片Π的微处理器DSP芯片I输入端与保护检测电路电连接，微处理器DSP芯片I的功率设定端、缺相报警端与FPGA芯片对应端相连，所述微处理器DSP芯片Π的IGBT逆变脉冲产生端与FPGA芯片的IGBT逆变脉冲对应端相连； 其中DSP芯片I的设定检测端通过模数转换电路A/D与直流电压电流功率设定检测电路相连;DSP芯片I的通讯端通过232通讯模块与能量监控及手持操作器相连； 其中微处理器DSP芯片Π的输入端通过逆变反馈电路与LC并联负载/感应器相连； 其中FPGA芯片的SCR触发脉冲端与晶闸管SCR驱动/整流桥相连，所述晶闸管SCR驱动/整流桥输入端连接三相交流电源AC，三相交流电源AC的三相交流同步信号与FPGA芯片的三相交流同步信号端相连； 其中FPGA芯片的IGBT触发脉冲端与绝缘栅双极晶体管IGBT驱动/逆变桥相连。2.根据权利要求1所述的一种数字化并联感应加热电源双DSP+FPGA体系结构，其特征是:所述保护检测电路由霍尔传感器、分流器、水压传感器、温度传感器构成，霍尔传感器、分流器、水压传感器、温度传感器通过信号线与微处理器DSP芯片I相连。
【文档编号】H05B6/06GK205546008SQ201521024569
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2015年12月11日
【发明人】布挺, 焦文潭, 张刚, 武超, 姚惠林, 葛运旺
【申请人】洛阳理工学院