一种自适应数字锁相控制器的制作方法

本发明涉及感应加热电源技术领域，更具体的说，是涉及一种自适应数字锁相控制器。

背景技术

感应加热电源以其频率高、效率高、输出功率高的特点在金属表面热处理等领域得到了广泛使用。由于工程应用要求，此类加热电源在跟踪谐振电路的谐振频率发生变化时，必须实时跟踪谐振电路的工作频率，并且保证跟踪信号超前谐振信号一定的角度保持不变。

传统的感应加热电源通常采用基于集成门级电路的锁相控制电路进行超前角度和死区时间的调节，基于集成门级电路的感应加热锁相控制器虽然具有抗干扰能力强，性能可靠的特点，但是，当主电路频率发生变化时，其难以自适应跟踪外部输入频率和保持设定超前角度不变，并且传统的模拟式感应加热电源没有数字化显示、参数化设置、人机交换界面、非接触实时控制等功能。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种自适应数字锁相控制器，以实现自适应跟踪外部输入频率和保持设定超前角不变。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种自适应数字锁相控制器，包括：过零比较模块、电压值检测模块、过压检测模块、功率放大模块、光耦隔离模块、fpga扫频/锁相功能模块、dsp信号处理模块以及数据存储模块，其中：

所述过零比较模块、所述电压值检测模块和所述过压检测模块的输入端分别与感应加热主电路的输出端相连；所述过零比较模块的输出端与所述fpga扫频/锁相功能模块的第一端相连；所述过压检测模块的输出端分别与所述fpga扫频/锁相功能模块的第二端和所述dsp信号处理模块的第一端相连；所述电压值检测模块的输出端与所述dsp信号处理模块的第二端相连；所述fpga扫频/锁相功能模块的第三端通过总线与所述dsp信号处理模块的第三端相连；所述fpga扫频/锁相功能模块的第四端与所述功率放大模块的输入端相连，所述功率放大模块的输出端与所述感应加热主电路的控制端相连；所述光耦隔离模块的输入端与外部24v高压控制信号相连，所述光耦隔离模块的输出端与所述fpga扫频/锁相功能模块的第五端相连；所述数据存储模块与所述dsp信号处理模块的第四端相连；

所述过零比较模块用于检测所述感应加热主电路的lc并联谐振产生的正弦波形信号，并产生占空比为50％的被激方波信号，为所述fpga扫频/锁相功能模块提供外部激励信号；

所述过压检测模块用于检测幅值相等、相位相差180°的谐振正弦电压信号，经整流分压后，通过电压比较器与设定值进行比较，当其幅值大于所述设定值时，确定为过压状态，其报警信号应显示并输入到所述fpga扫频/锁相功能模块进行相应保护动作；

所述电压值检测模块用于检测由所述感应加热主电路的lc并联谐振产生的正弦波形信号的峰值和有效值；

所述dsp信号处理模块用于采集、计算和处理控制板上的各种状态信息和控制信号；

所述fpga扫频/锁相功能模块用于以所述过零比较模块产生的所述被激方波信号作为输入，在200mhz的工作主频下，按照预设处理流程进行处理输出带有一定死区时间、占空比为50％的电压控制信号pwm1和电压控制信号pwm2；

所述功率放大模块用于将所述fpga扫频/锁相功能模块输出的所述电压控制信号pwm1和所述电压控制信号pwm2进行放大，并将所述放大后的电压控制信号输入至所述感应加热主电路的控制端；

所述光耦隔离模块用于将所述外部24v高压控制信号与低压控制信号进行隔离；

所述数据存储模块用于记录存储所述自适应数字锁相控制器运行时的设定参数和状态信息。

进一步地，还包括：rs422参数及状态显示接口、rs232参数设置及调试接口、工作模式切换模块、报警锁存及显示模块以及数据采集及显示模块，其中：

所述dsp信号处理模块的第五端通过所述rs422参数及状态显示接口与所述数据采集及显示模块相连；所述dsp信号处理模块的第六端通过所述rs232参数设置及调试接口与上位机相连；

所述工作模式切换模块分别与所述dsp信号处理模块的第七端和所述fpga扫频/锁相功能模块的第六端相连；

所述报警锁存及显示模块与所述fpga扫频/锁相功能模块的第七端相连，用于通过led指示灯将设备的故障进行集中的显示，并进行锁存。

进一步地，所述fpga扫频/锁相功能模块包括fpga，所述fpga为ep3c40级fpga。

进一步地，所述dsp信号处理模块包括dsp，所述dsp为tms320f28335芯片。

进一步地，所述功率放大功率模块包括功率放大器件，所述功率放大器件为ixdd614y1芯片。

进一步地，所述光耦隔离模块包括光耦隔离器件，所述光耦隔离器件为ps2501-1芯片。

进一步地，所述数据存储模块为eeprom芯片。

进一步地，所述rs422参数及状态显示接口为max3074芯片。

进一步地，所述rs232参数设置及调试接口为sp3223芯片。

进一步地，所述报警及锁存模块包括至少一个报警led灯，其报警信号由所述dsp信号处理模块、所述fpga扫频/锁相功能模块以及各硬件检测电路产生，由所述fpga扫频/锁相功能模块进行锁存。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种自适应数字锁相控制器，适用于感应加热电源，该自适应数字锁相控制器包括：过零比较模块、电压值检测模块、过压检测模块、功率放大模块、光耦隔离模块、fpga扫频/锁相功能模块、dsp信号处理模块以及数据存储模块，基于fpga和dsp的数字集成电路，其中，fpga扫频/锁相功能模块为该自适应数字锁相控制器的核心部分，用来保证该自适应数字锁相控制器可以自适应跟踪外部输入频率、保证设定超前角不变，其具有跟踪锁相性能好，数字集成度高，通用性强，方便操作使用的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种自适应数字锁相控制器的电路示意图；

图2为本发明实施例提供的感应加热电源的并联谐振电路示意图；

图3为本发明实施例提供的感应加热电源的跟踪锁相控制波形图；

图4为本发明实施例提供的感应加热电源的自适应数字锁相控制器时序发生原理图；

图5为本发明实施例提供的另一种自适应数字锁相控制器的电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种自适应数字锁相控制器，具体该控制器包括：过零比较模块1、电压值检测模块3、过压检测模块2、功率放大模块6、光耦隔离模块8、fpga扫频/锁相功能模块4、dsp信号处理模块5以及数据存储模块7，其中：

上述过零比较模块1、上述电压值检测模块3和上述过压检测模块2的输入端分别与感应加热主电路的输出端(sin+和siin-)相连；上述过零比较模块1的输出端与上述fpga扫频/锁相功能模块4的第一端相连；上述过压检测模块2的输出端分别与上述fpga扫频/锁相功能模块4的第二端和上述dsp信号处理模块5的第一端相连；上述电压值检测模块3的输出端与上述dsp信号处理模块5的第二端相连；上述fpga扫频/锁相功能模块4的第三端通过总线与上述dsp信号处理模块5的第三端相连；上述fpga扫频/锁相功能模块4的第四端与上述功率放大模块6的输入端相连，上述功率放大模块6的输出端与上述感应加热主电路的控制端(pwm1和pwm2)相连；上述光耦隔离模块8的输入端与外部24v高压控制信号相连，上述光耦隔离模块8的输出端与上述fpga扫频/锁相功能模块4的第五端相连；上述数据存储模块7与上述dsp信号处理模块5的第四端相连。

上述过零比较模块1用于检测上述感应加热主电路的lc并联谐振产生的正弦波形信号，并产生占空比为50％的被激方波信号，为上述fpga扫频/锁相功能模块4提供外部激励信号。

上述过压检测模块2用于检测幅值相等、相位相差180°的谐振正弦电压信号，经整流分压后，通过电压比较器与设定值进行比较，当其幅值大于所述设定值时，确定为过压状态，其报警信号应显示并输入到上述fpga扫频/锁相功能模块4进行相应保护动作，具体的，过压比较设定值为连续可调。

上述电压值检测模块3用于检测由上述感应加热主电路的lc并联谐振产生的正弦波形信号的峰值和有效值。具体的，上述电压值检测模块3包括整流电路，电压调理电路，最终通过dsp片上ad进行ad转换，以测量由感应加热主电路的lc并联谐振产生的正弦波形信号的峰值和有效值。

上述电压值检测模块、上述过压检测模块是由整流电路、分压电路和电压比较器电路实现，由lc并联谐振电路产生的正弦信号“sin+”“sin-”均通过整流分压后，由dsp的片上ad进行电压采集，正弦信号经整流后通过比较器与“设定值”进行比较，超过“设定值”即会产生报警信号。

dsp信号处理模块5用于采集、计算和处理控制板上的各种状态信息和控制信号。

需要说明的是，上述dsp信号处理模块包括dsp，该dsp为tms320f28335芯片。具体的，dsp信号处理过程包括：记录当前lc并联谐振电路起振频率值、测量计算当前频率，计算当前超前角度，计算当前死区时间、测量计算输入信号的电压值、测量计算板上各供电电源的电压值、处理设定保护门限值、向外界发送各类故障信息、向eeprom内存储各类设定参数等。

fpga扫频/锁相功能模块4用于以过零比较模块1产生的被激方波信号作为输入，在200mhz的工作主频下，按照预设处理流程进行处理输出带有一定死区时间、占空比为50％的电压控制信号pwm1和电压控制信号pwm2。

上述的fpga扫频/锁相功能模块，优选为ep3c40级fpga，其工作主频为200mhz，在扫频过程中，其以计数的方式输出频率在“扫频上下界”内由低到高的两路反向跟踪控制信号pwm1、pwm2；在锁相过程中，其采用200mhz的主频对被激方波信号进行检测，当检测到方波信号边沿后，进行计时、计算产生具有一定超前角度、一定死区时间的同频、同占空比的两路反向跟踪控制信号pwm1、pwm2。

功率放大模块6用于将fpga扫频/锁相功能模块4输出的电压控制信号pwm1和电压控制信号pwm2进行放大，并将放大后的电压控制信号输入至感应加热主电路的控制端。上述功率放大功率模块6包括功率放大器件，该功率放大器件可以为ixdd614y1芯片。

光耦隔离模块8用于将外部24v高压控制信号与低压控制信号进行隔离，保证控制板的安全性、可靠性。上述光耦隔离模块包括光耦隔离器件，该光耦隔离器件可以为ps2501-1芯片。

数据存储模块7用于记录存储自适应数字锁相控制器运行时的设定参数和状态信息，具体的，此模块由一片eeprom芯片组成，用以记录存储设备运行时的设定参数，每次上电时由dsp读取eeprom已存的设定参数，供控制器使用。eeprom优选at24c04x芯片，dsp中断通过iic协议向eeprom内写入需储存的参数，设备掉电后参数可以固化在eeprom内，每次上电后，由dsp通过iic协议读出eeprom内的设定参数，控制板正常工作。

如图2所示，为感应加热电路的lc并联谐振电路部分，该部分产生两路幅值相等、相位相差180°的谐振正弦电压信号，经过零比较形成占空比为50％的被激方波信号，锁相控制器通过跟踪锁相该方波信号，输出具有一定超前角度、一定死区时间的同频、同占空比的两路反向跟踪控制信号pwm1、pwm2，作用于lc并联谐振电路的逆变器桥路，以实现lc并联谐振电路的稳定持续工作。

如图3所示，此控制器运行过程的关键信号：lc并联谐振电路产生的正弦信号“sin+”，经比较器产生的占空比为50％的被激方波信号，经控制器跟踪锁相后输出的两路控制信号pwm1、pwm2之间的波形时序关系，如图3所示。

所述的死区时间为两路pwm信号同时为低的时间，即pwm1下降沿和pwm2的上升沿之间、pwm2的下降沿和pwm1上升沿之间的信号同低时间；

超前角度是指pwm1下降沿和pwm2的上升沿之间的中线处与“sin+”上升段过零点处之间的超前时间占一个完整周期时间的比例，其计算公式为：

需要说明的是，在本发明实施例中，fpga扫频/锁相功能模块是整个控制器的核心部分，它来保证控制器可以自适应跟踪外部输入频率、保证设定超前角不变的基本功能。由过零比较电路产生的被激方波信号作为它的输入，在200mhz的工作主频下，经过边沿捕捉，周期计时，频率计算，超前角度时间计算，死区时间计算等处理流程，输出两路带有一定死区时间、占空比为50％的电压控制信号pwm1、pwm2，其频率、超前角、死区时间在“扫频功能”和“锁相功能”下有两种不同状态。

由于负载参数随工作状态的变化而变化，其固有频率也在实时变化，因此控制器必须实时自适应跟踪负载的工作频率，并保持超前角度不变；跟踪信号须超前输入信号是为了使谐振电路工作在弱感性移相调功模式，这种跟踪方式使开关原件损耗最小。

锁相功能的具体实施方法为：采用200mhz主频捕捉输入方波信号的双边沿，采用计数的方式测量计算每半个周期的时长，捕捉的上升沿信号启动前半周期计数器开始计数，直到捕捉到下降沿信号到来，将累计的计数值转化为周期时间，同时捕捉的下降沿信号作为后半个周期计数器的启动信号，直到第二个周期的上升沿来到，将累计的计数值转化为周期时间，以此往复，实时得到输入信号的周期与频率，测量周期时间与计数值之间的关系如下式：

如图4所示，信号发生过程中使用的驱动信号和计数值，在信号产生过程中，信号维持的时间全部由对应的计数值代替，其中n1是前半周期计数值，n2是后半周期计数值，nd是死区时间转换成的计数值，nf是超前时间转换成的计数值，各计数值和时间的转换关系为：

nx＝tx×2×10⁸

得到输入信号的周期后，在输入信号边沿的驱动下，即可根据计数值在下半个周期复刻输入信号，以实现信号跟踪。

在设定超前角度后，超前时间可以通过以下公式计算得到：

由于超前时间随输入信号频率(周期)的变化而改变，所以超前时间需要随着输入信号频率的变化快速地实时计算，该计算由fpga内部ip核完成，计算出超前时间后转化为fpga主频下的计数值nf，在复刻输入信号时将此超前时间提前计入，此时输出的跟踪信号即已超前输入信号设定的角度。

所述的dsp信号处理模块，采用周期中断形式实时接收上位机指令，计算处理各状态信息，对各故障信号进行检测，对运行状态进行监控，对状态信息进行处理和发出显示。

本发明实施例提供了一种自适应数字锁相控制器，适用于感应加热电源，该自适应数字锁相控制器包括：过零比较模块、电压值检测模块、过压检测模块、功率放大模块、光耦隔离模块、fpga扫频/锁相功能模块、dsp信号处理模块以及数据存储模块，基于fpga和dsp的数字集成电路，其中，fpga扫频/锁相功能模块为该自适应数字锁相控制器的核心部分，用来保证该自适应数字锁相控制器可以自适应跟踪外部输入频率、保证设定超前角不变，其具有跟踪锁相性能好，数字集成度高，通用性强，方便操作使用的特点。

如图5所示，在图1的基础上，该控制器还包括：rs422参数及状态显示接口10、rs232参数设置及调试接口9、工作模式切换模块12、报警锁存及显示模块13以及数据采集及显示模块11，其中：

dsp信号处理模块5的第五端通过rs422参数及状态显示接口10与数据采集及显示模块11相连；dsp信号处理模块5的第六端通过rs232参数设置及调试接口9与上位机相连；工作模式切换模块12分别与dsp信号处理模块5的第七端和fpga扫频/锁相功能模块4的第六端相连；报警锁存及显示模块13与fpga扫频/锁相功能模块4的第七端相连，用于通过led指示灯将设备的故障进行集中的显示，并进行锁存。

需要说明的是，本发明实施例中，rs422参数及状态显示接口是用来将设备控制器的设定参数和运行状态信息实时发送给外接显示屏上，以便时刻监测设备运行状态。在设备调试和正常工作时，可以通过rs232参数设置及调试接口与上位机进行实时通信，将需要设定和在线修改的参数进行实时设定。

上述rs232参数设置及调试接口9主要用于接收上位机的控制命令和参数数据，以实现设置参数的实时设定和在线调整；上述rs422参数及状态显示接口接口10主要用于将控制板的真实设定参数和运行状态信息实时发送给外接显示屏上，以便时刻监测设备运行状态，这些数据信息都是由dsp中断进行收发、计算和处理。

上述rs422参数及状态显示接口10为max3074芯片；rs232参数设置及调试接口9为sp3223芯片；上述报警及锁存模块13包括至少一个报警led灯，其报警信号由dsp信号处理模块5、fpga扫频/锁相功能模块4以及各硬件检测电路产生，由fpga扫频/锁相功能模块4进行锁存。

工作模式切换模块是带有状态锁存功能的机械开关，工作模式可分为正常工作模式和调试工作模式两种，其设置状态由dsp检测，锁存功能是通过dsp逻辑加以实现，当设备在启动状态时不得进行工作模式的切换，工作模式进行锁存，当设备在停机状态下方可进行工作模式切换。

上述调试工作模式是指控制器可进行，扫频起始值、扫频范围、死区时间、超前角度等参数的设定，控制器不执行跟踪，只输出固定设定频率的pwm信号；正常工作模式是指控制器按照已经设定好的参数进行扫频、跟踪，输出与lc并联谐振电路所产生的正弦信号同频率的pwm信号，同时部分参数可以进行在线设定。

上述报警锁存模块，是由一簇报警led灯组成，其报警信号由dsp、fpga和各硬件检测电路产生，由fpga进行锁存，如果发生故障，led灯将保持常亮，直到故障排除。具体的，报警信息包括，lc并联谐振电路槽路过压报警、频率过高报警、频率过低报警、供电电源异常报警、外部输入信号异常报警等。

上述数据采集及显示模块是外接液晶显示屏，接收来自rs422参数及状态显示接口的数据信号，将设备的设定参数和状态参数进行显示。

本发明实施例提供的一种自适应数字锁相控制器，在实现自适应跟踪外部输入频率和保持设定超前角不变的同时，还可以容易地实现对系统进行参数化设置、数据采集显示、非接触实时控制、工作模块切换以及故障保护功能。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上结合附图对本发明所提出的电路进行了示例性描述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。