感应加热电源DSP智能控制系统的制作方法

本发明涉及感应加热控制领域，具体涉及感应加热电源dsp智能控制系统。

背景技术：

感应加热是在感应线圈内通入交变电流，利用电磁感应原理使被加热的材料（即工件）的内部产生涡流电流，依靠这些涡流电流的能量将工件加热，其实质就是靠感应线圈把电能传递给要加热的工件，然后电能在金属内部转变为热能，感应线圈与被加热工件并不直接接触，能量是通过电磁感应传递的。它在19世纪初被人们发现，随后由于人们认识到电磁感应在发电、电力传输中以及电气设备的应用中带来的种种危害，因此尽力抑制这种效应。直到19世纪末期人们才开始有目的的将这一原理应用在金属的熔炼、热处理、压力加工前的透热等领域，由此就出现了各种各样的感应加热设备。在我国传统加热方式大多是以煤、油、气或电为加热，存在能耗高、劳动条件差、环境污染严重、工艺质量难以控制等缺陷，而感应加热有着许多传统方式所不具备的优点：工作可靠性高、无污染、效率高以及加热容易控制等，广泛应用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等工业生产过程中，成为冶金、国防、机械加工等部门及铸造、锻造和船舶、飞机、汽车制造业等不可缺少的技术手段。

传统的感应加热电源多采用模拟控制或者模拟与数字相结合的控制系统。虽然目前模拟控制技术已经非常成熟，但是存在如零点漂移、灵活性差等缺点。感应加热电源的数字化智能化控制已成为其研究发展的一个趋势。

现代感应加热电源技术是应用电力电子半导体器件，综合自动控制理论、计算机（微处理器）技术和电磁技术等多学科边缘交叉技术。随着工业的发展，感应加热电源的应用也日益广泛，当前，感应加热电源作为一种节能、高效的加热热处理装备，正朝着全固态化、高频大功率、产品性能绿色化、以及控制方式智能化的方向发展。

传统的感应加热电源控制系统采用分立元件组成的模拟电子电路，存在电路复杂、控制参数难以调整、零漂和老化、通用性差等缺点，而随着数字集成芯片、单片机、dsp、fpga的出现，使得感应加热设备智能化控制成为一种趋势。将数字化控制技术应用于感应加热设备系统中，可为用户提供良好的人机交互界面，操作方便；而且有利于实现感应加热电源的更新换代。并且随着感应加热设备智能化控制的发展，不仅能够实现模拟控制中较难实现的一些控制功能，并为先进控制算法在控制系统中的应用提供了可能，因此研究感应加热设备智能化控制有一定意义。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供感应加热电源dsp智能控制系统。

本发明的技术方案具体为：

感应加热电源dsp智能控制算法：具有任务调用核心、ad数据处理模块、起停控制模块、通讯管理模块、按键处理及报警模块、中断模块；任务调用核心对ad数据处理模块、起停控制模块、通讯管理模块、按键处理及报警模块进行任务调度，安排各个模块对主控芯片的占用级别；中断模块触发执行时强制占用主控芯片；启停控制模块完成初始化相关控制参数，开启或停止逆变pwm信号的输出，开启或停止斩波信号输出；ad数据处理模块采集系统需要使用的模拟信号，将模拟信号转换成数字信号，并对数字信号进行滤波处理；并完成逆变pwm信号的输出和斩波信号输出；按键处理及报警模块能够检测到按键是否被按下并完成按键按下时的相应动作，按键处理及报警模块能够完成报警信号处理；通讯管理模块完成串口数据的收发功能。

进一步的：任务调用核心采用循环占用法，控制ad数据处理模块、起停控制模块、通讯管理模块、按键处理模块对主控芯片循环进行占用。

进一步的：ad数据处理模块对数字信号进行滤波处理的具体过程为：在每1毫秒时将多个信号同时采集，每个信号保存在一个数组内；每个数组能保存5个数据；每5毫秒对数据进行一次处理，去掉一个最小值和一个最大值，将剩余的3个数据进行平均处理获得本次接收数据。

进一步的：ad数据处理模块完成恒功率计算控制，恒功率计算控制具体过程为：

步骤1、获取ad数据处理模块获得的设定输出功率和ad数据处理模块检测实际输出功率；

步骤2、计算设定输出功率和实际输出功率差值；

步骤3、差值乘以系数获得比例项；

步骤4、差值乘以系数并进行积分运算获得积分项；

步骤5、差值乘以系数并进行微分运算获得微分项；

步骤6、比例项、积分项、微分项求和得到控制值；

步骤7、判断控制值是否大于预设的积分饱和值，控制值大于预设的积分饱和值时设置控制值等于积分饱和值并执行步骤8，控制值不大于预设的积分饱和值时执行步骤8；

步骤8、输出控制值。

进一步的：通讯管理模块数据收发具体工作过程为：

步骤1、串口数据接收；

步骤2、对串口接收数据进行modbus协议解析；

步骤3、响应modbus协议数据。

步骤4、需要发送的数据根据modbus协议进行数据准备；

步骤5、串口发送modbus协议制作后数据。

进一步的：还能完成恒频率计算控制，恒频率计算控制具体过程为：

步骤1、获取设定相位差和实际相位差；

步骤2、计算设定相位差和实际相位差之间的差值；

步骤3、差值乘以系数获得比例项；

步骤4、差值乘以系数并进行积分运算获得积分项；

步骤5、差值乘以系数并进行微分运算获得微分项；

步骤6、比例项、积分项、微分项求和得到逆变pwm信号控制值；

步骤7、判断逆变pwm信号控制值是否大于预设的积分饱和值，逆变pwm信号控制值大于预设的积分饱和值时设置逆变pwm信号控制值等于积分饱和值并执行步骤8，逆变pwm信号控制值不大于预设的积分饱和值时执行步骤8；

步骤8、输出逆变pwm信号控制值。

进一步的：恒频率计算控制步骤2中计算设定相位差和实际相位差之间存在差值，触发中断模块，在中断模块中执行步骤2-8，步骤8中输出的逆变pwm信号控制值作为返回值返回ad数据处理模块。

一种存储器：存储器中存储指令被执行时完成上述控制算法。

感应加热电源dsp智能控制装置：中控芯片连接存储器，存储器为上述存储器。

进一步的：中控芯片为dsp芯片。

相对于现有技术，本发明的技术效果为，通过控制系统自动化控制斩波pwm信号的占空比来控制电源的输出功率，保证感应加热设备电源功率恒定；自动化控制逆变pwm信号的频率来控制电源的输出频率，保证感应加热设备电源频率恒定。通过恒定的电源功率和电源频率提高生产工艺水平。

附图说明

图1为本发明架构示意图。

图2为任务调用核心控制示意图。

图3为起停控制模块流程示意图。

图4为ad数据处理模块流程示意图。

图5为恒功率计算控制结构示意图。

图6为恒功率计算控制方法流程图。

图7为按键处理及报警模块流程示意图。

图8为通讯管理模块流程示意图。

图9为恒频率计算控制结构示意图。

图10为恒频率计算控制方法流程图。

具体实施方式

本发明应用在现有感应加热设备。

如附图1所示，感应加热电源dsp智能控制算法：具有任务调用核心、ad数据处理模块、起停控制模块、通讯管理模块、按键处理及报警模块、中断模块；任务调用核心对ad数据处理模块、起停控制模块、通讯管理模块、按键处理及报警模块进行任务调度，安排各个模块对主控芯片的占用级别；中断模块触发执行时强制占用主控芯片。

任务调用核心：

任务调用核心采用循环占用法，控制ad数据处理模块、起停控制模块、通讯管理模块、按键处理模块对主控芯片循环进行占用，具体过程如图2：

依次通过主控芯片调用起停控制模块、ad数据处理模块、通讯管理模块、按键处理模块，按键处理模块占用结束后再次调用起停控制模块。

启停控制模块：

启停控制模块在接到启动信号后工作流程如图3，初始化相关控制参数，然后开启逆变pwm信号的输出，开启斩波信号输出，使用斩波信号的pwm信号控制主电路输出功率；启停模块在系统设置启动信号失效时停止所有pwm信号。

ad数据处理模块：

如图4，ad数据处理模块采集感应加热电源dsp智能控制系统需要使用的模拟信号，将模拟信号转换成数字信号；采集到的多个信号经过dsp芯片的模数转换后得到对应的数值，对数值进行滤波处理；完成逆变pwm信号的输出和斩波信号输出。

采集的模拟信号包括感应加热设备主电路的输出电压、输出电流、功率设定电平以及感应加热电源dsp智能控制系统监控的电源输出电压、监控的电源负载电流信号、感应加热设备滤波电容的电压、感应加热设备冷却水水压。

其中滤波处理的具体过程为：在每1毫秒时将多个信号同时采集，每个信号保存在一个数组内。每个数组能保存5个数据，也就是能保存5毫秒内的数据。

每5毫秒对数据进行一次处理，去掉一个最小值和一个最大值，将剩余的3个数据进行平均处理获得本次接收数据。

ad数据处理模块完成功率设定信号处理，功率设定信号处理就是将采集到外部输入的功率设定电平信号线性化成可以使用的信号，也就是乘以合适的系数获得设定的输出功率；系数根据系统规格由工作人员进行设置。

ad数据处理模块完成恒功率计算控制，恒功率计算控制结构如图5所示，通过ad数据处理模块检测出监控的电源输出电压和监控的电源负载电流，二者的乘积就是实际输出功率，实际输出功率和设定的输出功率作为恒功率计算控制方法的输入量，经过恒功率计算控制方法进行计算，恒功率计算控制方法返回值为斩波电路控制值，改变斩波pwm输出占空比，控制监控的电源输出电压。

恒功率计算控制方法具体过程如图6：

步骤1、获取ad数据处理模块获得的设定输出功率和ad数据处理模块检测实际输出功率；

步骤2、计算设定输出功率和实际输出功率差值；

步骤3、差值乘以系数获得比例项；系数根据系统规格由工作人员进行设置；

步骤4、差值乘以系数并进行积分运算获得积分项；

步骤5、差值乘以系数并进行微分运算获得微分项；

步骤6、比例项、积分项、微分项求和得到控制值；

步骤7、判断控制值是否大于预设的积分饱和值，控制值大于预设的积分饱和值时设置控制值等于积分饱和值并执行步骤8，控制值不大于预设的积分饱和值时执行步骤8；

步骤8、输出控制值。

ad数据处理模块完成负载阻抗计算，通过ad数据处理模块采集的监控的电源输出电压除以ad数据处理模块采集的监控的电源负载电流得到电源的负载阻抗。

按键处理及报警模块：

如图7，感应加热电源在使用时由操作者操作面板上的按键来使用设备。按键处理及报警模块能够检测到按键是否被按下。

按键在未被按下时按键处理及报警模块检测到按键对应的信号为高电平（也就是数字1）。当某个按键按下时，按键处理及报警模块检测到按键对应的信号为低电平（也就是数字0）。

按键处理及报警模块完成启动按键、停止按键、急停按键的处理：

当按下启动按键，按键处理及报警模块检测到启动按键按下，按键处理及报警模块设置启动信号有效，启停控制模块就能够根据启动信号开启逆变pwm信号的输出和开启斩波信号输出，启动按键抬起后，不改变启动信号，设备工作状态不变。

当按下停止按键，按键处理及报警模块检测到停止按键按下，按键处理及报警模块设置启动信号失效，启停控制模块停止所有pwm信号，主电路不再有电流。停止按键抬起后，不改变启动信号，设备工作状态不变。

当按下急停按键，按键处理及报警模块设置启动信号失效，启停控制模块立即停止pwm信号，主电路停止输出电流。并且，设备其他按键功能失效，不起控制作用。急停按键抬起后，急停功能失效，设备其他按键功能正常使用。

按键处理及报警模块完成报警信号处理：

通过ad数据处理模块检测到设备工作状态不正常时将产生对应的报警信号，例如输出电流超出额定范围，过流信号将从低电平（数字0）变为高电平（数字1）；感应加热设备滤波电容的电压超出额定范围，过压信号将从低电平（数字0）变为高电平（数字1）；感应加热设备工作时需要冷却水冷却电子器件，若是冷却水压不足，水压表输出信号将从低电平（数字0）变为高电平（数字1），该信号就是缺水信号。

报警信号分为两级。重要报警信号过流、过压为一级，一级报警需要停机并进行报警锁存。缺水信号为二级，二级报警需要停机，不锁存，也就是报警消失后设备能够继续工作。报警信号都可以通过复位操作取消。

按键处理及报警模块完成启动时间计时：

设备启动按键按下后，按键处理及报警模块将开始计时。

系统在每1毫秒时触发一次执行一次中断模块，当启动信号有效，将会在中断模块中开始累积计数，直到启动信号失效，数值不再累积计数。例如当计数数值为1000，表示说明设备工作了1秒。

通讯管理模块：

通讯管理模块数据收发具体工作过程如图8：

步骤1、串口数据接收；

步骤2、对串口接收数据进行modbus协议解析；

步骤3、响应modbus协议数据。

步骤4、需要发送的数据根据modbus协议进行数据准备；

步骤5、串口发送modbus协议制作后数据。

恒频率计算控制：

恒频率计算控制结构如图9所示，逆变pwm信号相位和ad数据处理模块检测的监控的电源负载的电流相位，计算二者的差值为实际相位差，作为恒频率计算控制方法的输入信号，给定相位差作为恒频率计算控制方法的另外一个输入信号，恒频率计算控制方法返回值为逆变pwm信号控制值，改变逆变pwm信号频率，用于控制逆变负载电路的频率。

恒频率计算控制方法具体过程如图10：

步骤1、获取设定相位差和实际相位差；

步骤2、计算设定相位差和实际相位差之间的差值；

步骤3、差值乘以系数获得比例项；系数根据系统规格由工作人员进行设置；

步骤4、差值乘以系数并进行积分运算获得积分项；

步骤5、差值乘以系数并进行微分运算获得微分项；

步骤6、比例项、积分项、微分项求和得到逆变pwm信号控制值；

步骤7、判断逆变pwm信号控制值是否大于预设的积分饱和值，逆变pwm信号控制值大于预设的积分饱和值时设置逆变pwm信号控制值等于积分饱和值并执行步骤8，逆变pwm信号控制值不大于预设的积分饱和值时执行步骤8；

步骤8、输出逆变pwm信号控制值。

其中步骤2中计算设定相位差和实际相位差之间存在差值，触发中断模块，在中断模块中执行步骤2-8，步骤8中输出的逆变pwm信号控制值作为返回值返回ad数据处理模块。

上述任务调用核心、ad数据处理模块、起停控制模块、通讯管理模块、按键处理及报警模块、中断模块的所有功能作为可执行指令存储在存储器中。

存储器接入中控芯片，中控芯片调用存储器中存储的指令能够执行上述任务调用核心、ad数据处理模块、起停控制模块、通讯管理模块、按键处理及报警模块、中断模块的所有功能。

中控芯片还连接有led灯，在控制系统处于待机状态时，控制led以1hz的频率间歇式闪烁指示；当控制系统处于工作状态时，也就是控制主电路输出功率时，led以3hz的频率间歇式闪烁指示。

主控芯片采用美国ti的dsp芯片，ti的dsp芯片有多种型号，包括tms320f2407、tms320f2808、tms320f2812、tms320f28335，目前应用最多的是dsp芯片tms320f2407，但考虑到该芯片推出时间较长，资源相对于更高级的芯片比较匮乏，所以将其排除，tms320f2808和tms320f28335使用的人较少，稳定性未知；因此选用tms320f2812，该芯片从量产后得到了广泛的推广，使用量较大，订货快捷，且资源丰富，可灵活应用。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。