用于控制感应烹饪灶具的烹饪区的方法与流程

用于控制感应烹饪灶具的烹饪区的方法
[0001]
本发明涉及一种用于控制感应烹饪灶具的烹饪区的方法。进一步地，本发明涉及一种感应烹饪灶具。
[0002]
在感应烹饪灶具的烹饪区中，由于频率抖动可能会出现声学噪声。所述频率抖动在振荡器电路中是不期望且不可避免的效果。
[0003]
wo 2013/064331 a1披露了一种感应加热炊具。功率开关由包括导通时间ton和非导通时间toff的栅极驱动信号来控制。导通时间ton取决于由用户执行的功率水平调整。非导通时间toff取决于感应线圈的电阻和电感。比较器将整流器的输出电压与功率开关的集电极节点处的谐振电压进行比较，以便检测烹饪容器的存在和特性特征并确定和更新功率开关的非导通时间toff。
[0004]
ep 2999304 a1披露了一种用于操作感应烹饪灶具的方法。流经感应线圈的交流电由具有可变脉冲持续时间的启用信号来激活。当开始加热过程时，启用信号脉冲的持续时间缩短，以减少声学噪声。
[0005]
ep 2999304 a1披露了一种感应烹饪灶具，其中，功率开关由包括脉冲的信号来控制。通过所述脉冲的持续时间来调整功率。脉冲持续时间的缩短减少了由于高接通电流而产生的声学噪声。
[0006]
本发明的目的是提供一种用于控制感应烹饪灶具的烹饪区的方法，该方法减少由于频率抖动而产生的声学噪声并且以低复杂度确定最佳的去激活脉冲长度。
[0007]
该目的是通过根据权利要求1所述的方法来实现的。
[0008]
根据本发明，提供了一种用于控制感应烹饪灶具的烹饪区的方法，其中，所述烹饪区包括至少一个感应线圈并且由包括功率开关的发生器供应，并且其中，该方法通过以下步骤来执行：
[0009]-通过包括去激活脉冲长度toff和激活脉冲长度ton的栅极驱动信号来控制该功率开关，
[0010]-其中，该栅极驱动信号的开关周期t由该激活脉冲长度ton和该去激活脉冲长度toff的总和给出，
[0011]-其中，该功率开关的驱动频率f是所述开关周期t的倒数值，
[0012]-其中，该去激活脉冲长度toff取决于该感应线圈的电阻和电感，
[0013]-其中，该激活脉冲长度ton根据该烹饪区的请求功率而变化，并且
[0014]-其中，一系列恒定的激活脉冲长度ton被激活，以确定最佳的去激活脉冲长度toff。
[0015]
本发明的核心在于：一方面假设去激活脉冲长度toff是恒定的、而激活脉冲长度ton根据请求功率而变化，并且在另一方面通过激活一系列恒定的激活脉冲长度ton来确定最佳的去激活脉冲长度toff。仅通过改变激活脉冲长度ton即可控制栅极驱动信号。这减少了频率抖动以及所产生的声学噪声。激活一系列恒定的激活脉冲长度ton不需要任何附加硬件。实际上，最佳的去激活脉冲长度toff是通过对功率开关的多次激活来确定的。
[0016]
优选地，该去激活脉冲长度toff对于该感应线圈和烹饪容器的特定组合是恒定
的。
[0017]
进一步地，当该烹饪容器被放置在该烹饪区上时，该去激活脉冲长度toff可能取决于最终的电阻值和电感值。恒定的去激活脉冲长度toff和可变的激活脉冲长度ton的组合是本发明的基本属性。
[0018]
特别地，该去激活脉冲长度取决于由该感应线圈和烹饪容器形成的系统的电阻、电感和电容。
[0019]
在这种情况下，该电容取决于该烹饪容器在该感应线圈上方的位置。
[0020]
优选地，在已经激活该发生器之后检测该去激活脉冲长度toff。
[0021]
如果所检测到的去激活脉冲长度toff在预定义范围内，则驱动该功率开关。否则，停止该发生器。
[0022]
例如，该恒定的激活脉冲长度被激活五到二十次、优选地是十到十五次。
[0023]
此外，该恒定的激活脉冲长度ton可以在六微秒到四十微秒之间、优选地是大约十一微秒。
[0024]
进一步地，检测该烹饪容器的存在和/或位置。
[0025]
通常，该方法以硬件、软件、或硬件和软件的组合来实现。
[0026]
此外，本发明涉及一种感应烹饪灶具，其中，所述感应烹饪灶具被提供用于根据前述权利要求中任一项所述的方法。
[0027]
特别地，该感应烹饪灶具包括至少一个模数转换器。优选地，所述模数转换器集成在该感应烹饪灶具的微控制器内。
[0028]
该模数转换器可以被提供用于检测该感应烹饪灶具的功率开关的电压和/或电流的形状。
[0029]
最后，本发明涉及一种存储在计算机可用介质上的计算机程序产品，该计算机程序产品包括用于使计算机执行上述方法的计算机可读程序装置。
[0030]
在所附权利要求中阐述了本发明的新颖性和创造性特征。
[0031]
将参照附图进一步详细地描述本发明，在附图中：
[0032]
图1展示了根据本发明的优选实施例的感应烹饪灶具的烹饪区的电路的示意图，
[0033]
图2展示了根据现有技术的感应烹饪灶具的烹饪区的自动触发脉冲宽度调制模式的示意性时间图，
[0034]
图3展示了具有烹饪容器的感应烹饪灶具的烹饪区的等效电路示意图，
[0035]
图4展示了具有若干阻尼参数的阻尼振荡的示意性时间图，
[0036]
图5展示了根据本发明的优选实施例的用于评估脉冲宽度和检测烹饪容器的算法的示意性流程图，
[0037]
图6展示了根据本发明的优选实施例的感应烹饪灶具的烹饪区的自动触发脉冲宽度调制模式的示例的示意性时间图，
[0038]
图7展示了根据本发明的去激活脉冲长度的计算和烹饪容器的存在的检测的详细时间图，以及
[0039]
图8展示了根据本发明的感应烹饪灶具的感应线圈的自由运行脉冲宽度调制模式的激活的示意性时间图。
[0040]
图1展示了根据本发明的优选实施例的感应烹饪灶具的烹饪区的电路的示意图。
[0041]
该电路包括用户界面10、微控制器12、发生器14和感应线圈16。替代感应线圈16，烹饪区可以包括两个或更多个感应线圈16，其中，所述感应线圈16由发生器14以相同的频率供应。
[0042]
用户界面10由用户操作。特别地，用户为感应线圈16选择请求功率。微控制器12控制发生器14。发生器14以与请求功率相对应的频率供应感应线圈16。在该示例中，发生器14是准谐振发生器。发生器14包括功率开关，例如，igbt。感应线圈16提供交变磁场，以在感应烹饪灶具上的烹饪用具的铁磁部分中产生涡流，从而加热所述烹饪用具。
[0043]
优选地，该电路包括至少一个模数转换器。例如，该模数转换器集成在微控制器12内。
[0044]
图2展示了感应烹饪灶具的感应线圈16的自动触发脉冲宽度调制(pwm)模式的示意性时间图。
[0045]
该时间图示出了针对功率开关的栅极驱动信号18、输入触发信号20和vce信号22。通常，功率开关是igbt。
[0046]
设置针对功率开关的栅极驱动信号18的激活脉冲长度ton。激活脉冲长度ton施加栅极驱动信号18的去激活脉冲长度toff。维持所述去激活脉冲长度toff，直到功率开关两端的输入触发信号20不会下降到针对该部件定义的正确的开关阈值23以下为止。否则，发生器14可能由于显著的功率损耗而受到损坏或影响，这缩短了所述发生器14的寿命。在现有技术中，经由硬件反馈通过定义的阈值23触发开关，其中，所述方法被称为自动触发脉冲宽度调制(pwm)模式。
[0047]
自动触发脉冲宽度调制模式允许以正确的方式驱动发生器14和功率开关。然而，自动触发脉冲宽度调制模式受到由于频率抖动而产生的声学噪声、高电噪声灵敏度和/或供电周期内的功率变化的影响。当vce信号22在下降阶段越过大约零伏的阈值时会发生触发事件24，该阈值低于阈值23。所述触发事件24将输入触发信号20的状态从低改变为高。
[0048]
图3展示了感应线圈16与感应烹饪灶具上的烹饪容器的等效电路示意图。
[0049]
感应线圈16与烹饪容器的等效电路图包括电阻28、电感30和电容32。电阻28和电感30串联切换。电容32与串联的电阻28和电感30并联切换。电阻28和电感30是感应线圈16的属性。电阻28和电感30由线圈绕组形成，并且然后通过感应线圈16与烹饪容器的耦合来修改。电容32由单独的物理部件形成、具有恒定值并且独立于线圈绕组。
[0050]
图4展示了具有若干阻尼系数d的阻尼振荡的示意性时间图。在该示例中，示出了阻尼系数d＝0.4、d＝0.6、d＝0.8、d＝1.0、d＝1.5、d＝2.0以及d＝3.0的时间图。如果阻尼系数为d＝0，则振荡是无阻尼的；如果阻尼系数为d<1，则振荡是欠阻尼的；如果阻尼系数为d＝1，则振荡是临界的；并且如果阻尼系数为d>1，则振荡是过阻尼的。在这种情况下，阻尼系数d大约为0.005，因此系统是欠阻尼的。
[0051]
阻尼振荡的模型适用于准谐振发生器。当功率开关处于接通状态时，vce信号22大约为零伏；而当功率开关处于关断状态时，所述vce信号22具有欠阻尼响应。vce信号22在从ω*d的脉动推导出的频率下具有衰减振荡并且具有固定水平的电势差vdc，其中，ω是频率。电势差vdc是图3所示的rlc电路的两个极限点之间的水平。在这种情况下，阻尼系数d大约为0.005，其中，曲线类似于图4中的d＝0.4，但是具有更高的幅度。第一次过零发生在第一次振荡之后。
[0052]
所述水平变为稳定状态条件最终值，这是与图4中的模型的主要区别。观察到的信号的衰减率由下式给出的衰减α来确定：
[0053]
α＝r/(2*l)＝ω*d，
[0054]
其中，r是电阻，并且l是感应线圈16的电感，而阻尼系数d描述了振荡的包络。
[0055]
将去激活脉冲长度toff定义为响应在第一振荡周期中达到最小水平所需的时间，而激活脉冲长度ton是将功率开关控制在接通状态下并将vce信号22保持为零的时间。
[0056]
功率开关可以根据下式给出的开关周期t正常地操作：
[0057]
t＝ton+toff，
[0058]
而驱动频率f由下式给出：
[0059]
f＝1/t。
[0060]
驱动频率f是根据功率请求、通过开关周期t＝ton+toff施加的。相反，上文提及的频率ω与系统的自由振荡有关。因此，驱动频率f和频率ω由于去激活脉冲长度toff期间的相位而不同，其中，vdc被迫为零。
[0061]
假设去激活脉冲长度toff是系统的恒定特性，则由发生器14传递至烹饪容器的功率仅取决于通过感应线圈16的电流并且因此取决于激活脉冲长度ton。
[0062]
根据期望的目标功率改变激活脉冲长度ton，显而易见的是改变了开关周期p和驱动频率f，因为去激活脉冲长度toff对于感应线圈16与烹饪容器的耦合是恒定的。
[0063]
因此，仅使用激活脉冲长度ton作为变量通过驱动频率f即可控制功率，而去激活脉冲长度toff是在发生器处于接通状态并且结果如预期的那样处于被提供用于驱动功率开关的预定义范围内的情况下进行设置的。如果在正常操作期间工作条件(例如，感应线圈16与烹饪容器之间的耦合)发生变化，则停止发生器14并重复测量。
[0064]
图5展示了根据本发明的优选实施例的用于评估去激活脉冲长度toff和检测烹饪容器的算法的示意性流程图。
[0065]
开关周期取决于硬件特性。根据所选操作条件，一种用于获得对去激活脉冲长度toff的正确评估的合适方法是自动触发脉冲宽度调制(pwm)模式。特别地，将自动触发pwm模式激活较短间隔，在该间隔内会生成一系列带编号的开关脉冲。将每个反馈之间的时间距离(由为该功能适当地设计的专用硬件设置的时间距离)保存在多个记录中。详尽阐述这些数据以计算去激活脉冲长度toff，其中，被选择用于测量平均周期tave的激活脉冲长度ton是所调用系统允许的最小值。
[0066]
当该方法已经开始时，在步骤34中检查功率。如果功率为零，则步骤34检查条件。如果满足步骤34中的条件，即功率为零，则在步骤36中停止发生器14和功率控制。如果不满足步骤34中的条件，即功率不为零，则在步骤38中开始评估去激活脉冲长度toff。然后，在步骤40中启用自动触发硬件电路并设置固定的激活脉冲长度ton。此后，在步骤42中发射用于驱动功率开关的第一脉冲。然后，在步骤44中测量自动触发信号周期。
[0067]
在步骤46中，检查步骤44中的测量值是否已经达到目标数。如果不满足步骤46的条件，则重复步骤44中自动触发信号周期的测量。如果满足步骤46的条件，则在步骤48中禁用自动触发电路并重置激活脉冲长度ton。
[0068]
然后，在步骤50中检查最小测量数是否在该范围内。如果不满足步骤50中的条件，则在步骤52中激活时间扭曲，并且该方法再次返回到步骤42，其中，用于驱动功率开关的第
一脉冲被发射。如果满足步骤50中的条件，则在步骤54中检查烹饪容器的存在。有必要检测烹饪容器的存在，目的是确保已经将烹饪容器正确地放置在烹饪区的区域上。
[0069]
如果不满足步骤54的条件(即，烹饪容器不存在)，则在步骤52中激活时间扭曲，并且该方法再次返回到步骤42，其中，用于驱动功率开关的第一脉冲被发射。如果满足步骤54的条件(即，烹饪容器存在)，则在步骤56中计算自动触发测量值的平均值。然后，在步骤58中计算去激活脉冲长度toff。此后，在步骤60中施加去激活脉冲长度toff并且定义最小驱动频率和最大驱动频率。最后，在步骤62中启动发生器14并且激活自由运行pwm模式下的功率。
[0070]
自由运行pwm模式开始于以下参数：
[0071]
toff＝tave-min(ton)，
[0072]
f＝1/(ton+toff)，
[0073]
其中，用于自由运行pwm模式的激活脉冲长度ton是受控变量，以便满足作用在驱动频率f上的请求功率。
[0074]
图6展示了根据本发明的感应烹饪灶具的感应线圈16的自动触发脉冲宽度调制(pwm)模式的示例的示意性时间图。
[0075]
该时间图包括栅极驱动信号18、vce信号22和自动触发反馈信号64。图2和图6所示的图涉及相同的驱动方法。然而，图2的图用于功率传递，而图6的图用于去激活脉冲长度toff的管理过程。在两种情况下，vce信号22都越过接近零伏的阈值，这在触发事件24时会触发输入触发信号20的状态从低改变为高。在3μs的延迟26之后，栅极驱动信号18将被激活。图2中的输入触发信号20和图6中的自动触发反馈信号64是类似的。
[0076]
在vce信号22越过定义的阈值66之后，自动触发反馈信号64有规律地上升。阈值66不同于图2中的阈值23。
[0077]
然后，栅极驱动信号18在固定延迟之后上升，并且功率开关被激活。所述延迟保证了在功率开关被激活时已经达到vce信号22的最小水平。在该示例中，阈值66为150v，并且延迟为4μs。
[0078]
图7展示了根据本发明的去激活脉冲长度toff的计算和烹饪容器的存在的检测的详细时间图。
[0079]
该详细时间图示出了栅极驱动信号18、vce信号22和线圈采样电流68。激活脉冲长度ton为11μs。在30khz的驱动频率f下，平均值为34μs。目标测量数为十。
[0080]
优选地，激活脉冲长度ton是恒定的。通常，激活脉冲长度ton在六微秒到四十微秒之间。
[0081]
去激活脉冲长度toff由下式给出：
[0082]
toff＝tave-min(ton)＝34μs-11μs＝23μs，
[0083]
并且驱动频率f由下式给出：
[0084]
f＝1/(ton+toff)＝1/(20μs+23μs)
[0085]
＝1/43μs＝23.3khz
[0086]
图8展示了根据本发明的感应烹饪灶具的感应线圈16的自由运行脉冲宽度调制(pwm)模式的激活的示意性时间图。该时间图与以上计算的参数有关。
[0087]
该时间图示出了栅极驱动信号18、vce信号22和自动触发反馈信号64。进一步地，
该时间图示出了阈值66。在该示例中，触发阈值70是150v。
[0088]
在vce信号22越过定义的触发阈值70之后，线圈采样电流68有规律地上升。然而，功率开关的激活与触发设置不同步。线圈采样电流68的最小水平是通过由于频率抖动而产生的声学噪声的减少、功率开关激活期间的电噪声抗扰性以及供电周期内功率的稳定性来得到保证的。
[0089]
尽管本文参照附图描述了本发明的说明性实施例，但应理解的是，本发明并不限于确切的实施例，并且本领域技术人员可以在其中进行各种其他改变和修改而不背离本发明的范围或精神。所有这些改变和修改都旨在被包括在由所附权利要求限定的本发明的范围之内。
[0090]
附图标记清单
[0091]
10
ꢀꢀ
用户界面
[0092]
12
ꢀꢀ
微控制器
[0093]
14
ꢀꢀ
发生器
[0094]
16
ꢀꢀ
烹饪区，感应线圈
[0095]
18
ꢀꢀ
栅极驱动信号
[0096]
20
ꢀꢀ
输入触发信号
[0097]
22
ꢀꢀ
vce信号
[0098]
23
ꢀꢀ
阈值
[0099]
24
ꢀꢀ
触发事件
[0100]
26
ꢀꢀ
延迟
[0101]
28
ꢀꢀ
感应线圈的电阻
[0102]
30
ꢀꢀ
感应线圈的电感
[0103]
32
ꢀꢀ
感应线圈和烹饪容器的电容
[0104]
34
ꢀꢀ
检查功率的步骤
[0105]
36
ꢀꢀ
停止发生器和功率控制的步骤
[0106]
38
ꢀꢀ
开始评估去激活脉冲长度toff的步骤
[0107]
40
ꢀꢀ
启用自动触发硬件电路并设置固定激活脉冲长度ton的步骤
[0108]
42
ꢀꢀ
发射用于驱动功率开关的第一脉冲的步骤
[0109]
44
ꢀꢀ
测量自动触发信号周期的步骤
[0110]
46
ꢀꢀ
检查步骤44中的测量是否已经达到目标数的步骤
[0111]
48
ꢀꢀ
禁用自动触发电路并重置激活脉冲长度ton的步骤
[0112]
50
ꢀꢀ
检查最小测量数是否在范围内的步骤
[0113]
52
ꢀꢀ
延迟的步骤
[0114]
54
ꢀꢀ
检查烹饪容器是否存在的步骤
[0115]
56
ꢀꢀ
计算自动触发周期测量值的平均值的步骤
[0116]
58
ꢀꢀ
计算去激活脉冲长度toff的步骤
[0117]
60
ꢀꢀ
施加去激活脉冲长度toff并定义最小驱动频率和最大驱动频率的步骤
[0118]
62
ꢀꢀ
启动发生器并激活自由运行pwm模式下的功率的步骤
[0119]
64
ꢀꢀ
自动触发反馈信号
[0120]
66
ꢀꢀ
阈值
[0121]
68
ꢀꢀ
线圈采样电流
[0122]
70
ꢀꢀ
触发阈值
[0123]
ton
ꢀꢀ
激活脉冲长度
[0124]
toff
ꢀꢀ
去激活脉冲长度
[0125]
tave
ꢀꢀ
平均周期
[0126]
t
ꢀꢀ
开关周期
[0127]
f
ꢀꢀ
驱动频率
[0128]
ω
ꢀꢀ
频率
[0129]
α
ꢀꢀ
衰减
[0130]
d
ꢀꢀ
阻尼系数
[0131]
r
ꢀꢀ
感应线圈的电阻
[0132]
l
ꢀꢀ
感应线圈的电感