摘 要：設(shè)計了基于FPGA的感應(yīng)加熱控制系統(tǒng),，其主要功能是實現(xiàn)負(fù)載諧振頻率的跟蹤、逆變工作狀態(tài)的控制和逆變器的啟動,。相對模擬逆變電路而言,，其優(yōu)勢在于：調(diào)試比較方便、內(nèi)部參數(shù)更改容易,、可在線觀察數(shù)據(jù),。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)適用負(fù)載范圍寬,、可調(diào)節(jié)性強,。
關(guān)鍵詞：感應(yīng)加熱；FPGA,；諧振頻率,；逆變控制
感應(yīng)加熱電源以其環(huán)保,、節(jié)能等優(yōu)點在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，逆變控制電路是直接影響感應(yīng)加熱電源能否安全,、高效運行的關(guān)鍵因素。目前的感應(yīng)加熱裝置多采用模擬電路控制,，存在電路觸點多,、系統(tǒng)可靠性低、元件工藝性要求高,、控制參數(shù)不易改變及靈活性差等缺點,。針對這種情況，本文設(shè)計了基于FPGA的感應(yīng)加熱控制系統(tǒng),，實現(xiàn)了逆變電路的數(shù)字化,，提高了系統(tǒng)的智能化，并利用液晶顯示與用戶建立良好的交互界面,。
1 感應(yīng)加熱逆變控制電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
感應(yīng)加熱主電路及逆變控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1]如圖1所示,，在驅(qū)動信號 g13和g24作用下，使T1,、T3管和T2,、T4管分別交替工作；u1,，i1表示負(fù)載上的電壓和電流,。系統(tǒng)根據(jù)采樣得到的負(fù)載上的電壓u1，調(diào)整IGBT的驅(qū)動信號g13和g24,，使得負(fù)載工作在諧振狀態(tài),，即負(fù)載上的電壓電流同頻同相。
2 逆變控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理
逆變控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,。該系統(tǒng)由檢測電路,、A/D轉(zhuǎn)換電路、液晶顯示電路,、FPGA控制模塊,、故障指示電路、鍵盤和IGBT驅(qū)動電路組成,，其中虛線框中為FPGA控制模塊,，是本系統(tǒng)的核心。逆變控制系統(tǒng)工作原理為：
（1）檢測電路通過電壓傳感器獲取負(fù)載上的相關(guān)信息,，并在過流,、過壓等危害情況發(fā)生時，產(chǎn)生相應(yīng)的保護動作,，同時將這一信息傳遞給FPGA模塊,，且在液晶屏上示出,；
（2）FPGA模塊完成負(fù)載諧振頻率的鎖定，并輸出IGBT的驅(qū)動信號,；
（3）IGBT模塊由4個IGBT管和相應(yīng)的保護電路組成,，負(fù)責(zé)直-交變換；
（4）鍵盤負(fù)責(zé)提供掃頻啟動所需的最高和最低頻率,。因為采用掃頻啟動方式,，可以控制它激頻率在設(shè)定的最高頻率和最低頻率之間掃描，以適應(yīng)不同諧振頻率的負(fù)載,。
3 FPGA控制模塊設(shè)計及控制策略
3.1 FPGA控制器組成
FPGA控制器可分為以下幾個模塊：
（1） 主控制器：該控制器是控制系統(tǒng)的核心,，完成對逆變狀態(tài)的控制、外圍接口控制,、各模塊的協(xié)調(diào)工作以及整個工作流程操作等,。它由硬件狀態(tài)機實現(xiàn)，采用同步時序邏輯設(shè)計,，相當(dāng)于簡單處理器的功能,；
（2）啟動模塊：負(fù)責(zé)感應(yīng)加熱電源的正常啟動，性能指標(biāo)包括啟動時間（越短越好）,、啟動過程的穩(wěn)定性和啟動過程的成功率等,。加熱啟動之后，控制它激頻率在設(shè)定的最高頻和最低頻之間掃描,；當(dāng)它激頻率掃描到接近槽路諧振頻率時,，負(fù)載能量便建立起來并反饋到自動調(diào)頻電路[2] ；
（3）鎖相環(huán)模塊：在啟動模塊的協(xié)助下,，實現(xiàn)穩(wěn)定,、快速的啟動過程，并保證頻率的正常鎖定,，主要性能指標(biāo)包括鎖相范圍,、鎖相速度、鎖相穩(wěn)定性等,。鎖相環(huán)是系統(tǒng)中的主要工作模塊,，直接影響逆變系統(tǒng)是否正常運行；
（4）重疊角產(chǎn)生模塊：作為鎖相環(huán)和IGBT驅(qū)動電路的中間環(huán)節(jié),，將IGBT驅(qū)動信號進行預(yù)處理,，以實現(xiàn)逆變工作狀態(tài)的實際要求；
（5）數(shù)據(jù)采集模塊：在系統(tǒng)中,，能根據(jù)工作人員的需要采集數(shù)據(jù),，以供試驗和調(diào)試等；
（6）讀,、寫模塊及SRAM：系統(tǒng)中融合這3個模塊的目的是能將有用的數(shù)據(jù)及時地保存起來或者制作一個備份,，以備外圍調(diào)試,、設(shè)定參數(shù)等應(yīng)用。
3.2 主控制策略
主控制器的工作流程如圖3所示,。主控制器的控制策略是以逆變控制系統(tǒng)的成功啟動,、正常工作狀態(tài)控制為主的。當(dāng)系統(tǒng)剛上電時,，主控制器給出時鐘信號,，發(fā)出1 s的RESET復(fù)位信號，對各模塊進行初始化,。初始化過程中各模塊并不工作，即沒有使能信號,。初始化完成后,，由輸入模塊寫入各工作寄存器配置值，進入啟動模塊,。掃頻過程要同時使能啟動模塊和鎖相環(huán),。系統(tǒng)根據(jù)配置寄存器的值，完成掃頻,。如果掃頻成功,，則進入鎖相環(huán)節(jié)，如果鎖相環(huán)并未成功鎖定頻率,，處于失鎖狀態(tài),；如果多次、連續(xù)出現(xiàn)失鎖,，則表明負(fù)載頻率不在掃頻范圍之內(nèi),，即發(fā)出“啟動失敗”信號，系統(tǒng)進入異常處理,，用戶需要重新設(shè)定寄存器,。在系統(tǒng)成功鎖定頻率后，因某種原因再次導(dǎo)致失鎖,，則開啟啟動模塊,，重新開始掃頻過程，等待掃頻成功,。
4 系統(tǒng)仿真
由于篇幅有限,，省略了VHDL源代碼。在Maxplus2環(huán)境下,，運用其自身的仿真工具完成仿真,，仿真結(jié)果如圖4（a）和圖4（b）所示。
從圖4（a）可以看出,，當(dāng)環(huán)路濾波環(huán)節(jié)中的分頻模數(shù)N為50時,，鎖相環(huán)的輸出IDout能夠跟蹤u1(u1為負(fù)載兩端的電壓信號),，達到鎖定狀態(tài)。從圖4(b)中可以看出,，IGBT驅(qū)動信號g13和g24具有一定的重疊時間,從而能夠?qū)崿F(xiàn)IGBT管的軟關(guān)斷,，提高了感應(yīng)加熱的效率。
參考文獻
[1] 潘天明.現(xiàn)代感應(yīng)加熱裝置.北京：冶金工業(yè)出版社,，1996.
[2] 周躍慶,，王鴻雋.并聯(lián)逆變電源的掃頻啟動電路[J]，工業(yè)爐,，2007,，29(1)：34-36.
[3] 潘松，王國棟.VHDL實用教程.成都：電子科技大學(xué)出版社,2000.