Fuzzy调功DPLL锁相控制的感应加热电源研究

论文摘要

感应加热电源利用电磁感应加热原理具有加热效率高、速度快、可控性好及易于实现机械化、自动化等优点,并作为金属工业加热的高新技术和基础技术,已在熔炼、铸造、弯管、热锻、焊接和表面热处理等行业得到广泛的应用。本文介绍了感应加热电源的起源、原理、特点及应用,对感应加热电源的国内外发展现状及发展趋势做了总结。分析了感应加热电源负载及谐振特性,阐述了串联型逆变器和并联型逆变器的工作原理,并对两者进行了分析对比,确定了串联型逆变器为研究对象。通过对感应加热电源各种调功方式的比较最终选定不控整流加斩波器的拓扑结构。分析了感应加热电源负载参数的变化情况、Buck变换器的状态空间模型和小信号模型,得出感应加热电源是一个复杂、多变量的控制对象,存在着参数时变性、结构非线性等因素,很难建立其精确的数学模型。因此采用模糊(Fuzzy)控制实现基于Buck斩波的功率闭环调功,介绍了模糊控制的原理及实现方法,并对这种调功系统进行了建模与仿真。感应加热电源在加热工件过程中,负载等效电参数会随温度的变化发生变化,导致负载固有谐振频率随之改变,为保证逆变器的开关器件工作在软开关模式,为使电源始终运行在较高的功率因数和输出效率条件下,要求逆变器控制电路必须具有自动频率跟踪和锁相功能。传统的基于CD4046的模拟锁相环,存在着频率跟踪范围较窄、动态响应较慢、可靠性差、死区时间需要用辅助电路实现等一些缺点。本文对数字锁相环(DPLL)原理进行了分析,建立了DPLL的数学模型,针对传统锁相环的缺点提出了一种基于数字信号处理器(DSP)的DPLL的实现方法,并对这种方法进行了仿真,验证了系统实现的可行性。在以上理论分析的基础上,本文设计了一台10kW的感应加热电源实验样机,其中斩波器频率为20kHz,逆变器工作频率为30kHz,控制器采用TI公司的TMS320LF2407A DSP控制芯片,简化系统结构的同时提高了系统的性能和抗干扰能力。最后,本文还给出了实验结果,论证了整个系统设计的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 感应加热电源的背景
• 1.1.1 感应加热起源
• 1.1.2 感应加热原理
• 1.1.3 感应加热特点及应用
• 1.2 感应加热电源的发展现状和发展趋势
• 1.2.1 国内感应加热电源技术发展现状
• 1.2.2 国外感应加热电源技术发展现状
• 1.2.3 感应加热电源技术的发展趋势
• 1.3 本课题研究的内容及意义
• 第二章 感应加热电源结构与拓扑
• 2.1 负载分析及谐振特性
• 2.1.1 负载分析
• 2.1.2 串联谐振负载
• 2.1.3 并联谐振负载
• 2.2 逆变环节
• 2.2.1 串联型逆变器
• 2.2.2 并联型逆变器
• 2.2.3 逆变器的选择
• 2.3 调功方式的选择
• 2.3.1 直流调功
• 2.3.2 逆变调功
• 2.3.3 串联型逆变器调功方式选择
• 2.4 感应加热电源的总体方案
• 2.5 本章小结
• 第三章 Fuzzy 调功控制系统设计
• 3.1 感应加热电源负载参数变化分析
• 3.2 Buck 变换器分析
• 3.2.1 Buck 变换器状态空间模型
• 3.2.2 Buck 变换器小信号模型
• 3.2.3 Buck 斩波调功原理
• 3.3 基于 Buck 斩波的功率闭环系统
• 3.4 模糊控制器的设计
• 3.4.1 模糊控制原理
• 3.4.2 模糊控制器的实现
• 3.5 Matlab/Simulink 功率闭环控制系统仿真及分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 DPLL 锁相频率跟踪控制系统设计
• 4.1 传统的频率跟踪控制实现
• 4.2 DPLL 的原理及性能分析
• 4.2.1 DPLL 的基本原理
• 4.2.2 DPLL 的稳定性分析
• 4.2.3 DPLL 稳定性仿真与分析
• 4.3 DPLL 控制的逆变电源的构成
• 4.4 基于TMS320LF2407A 的DPLL 频率跟踪控制策略
• 4.4.1 DSP－TMS320LF2407A 控制器概述
• 4.4.2 基于TMS320LF2407A 的DPLL 频率跟踪控制原理
• 4.4.3 频率跟踪控制数学模型
• 4.4.4 频率跟踪控制仿真
• 4.5 本章小结
• 第五章 系统的软硬件设计与实现
• 5.1 系统的硬件设计与实现
• 5.1.1 系统主电路的参数计算及元器件选择
• 5.1.2 供电电源的设计
• 5.1.3 IGBT 驱动电路的设计
• 5.1.4 IGBT 缓冲电路的设计
• 5.1.5 电压电流采样电路
• 5.1.6 保护电路的设计
• 5.1.7 硬件抗干扰措施
• 5.2 系统的软件设计与实现
• 5.2.1 CCS 集成开发环境介绍
• 5.2.2 主程序设计
• 5.2.3 系统初始化
• 5.2.4 Fuzzy 调功子程序
• 5.2.5 DPLL 锁相子程序
• 5.2.6 软件抗干扰措施
• 5.3 本章小结
• 第六章 实验与结论
• 6.1 实验结果及分析
• 6.2 全文总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录