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脉冲式感应加热电源频率跟踪技术的研究与实现

中国计量大学工业与商贸计量技术研究所王晓娜、方旭等,在2018年第18期《电工技术学报》上撰文,为解决传统感应加热电源中搜索谐振频率慢和频率跟踪实时性差的问题,提出一种改进型全数字定角频率跟踪技术,以满足脉冲涡流热成像对激励电源的特殊要求。

首先,介绍脉冲式感应加热电源系统及工作原理,在此基础上对改进型定角频率跟踪技术进行详细的理论分析;然后,建立系统控制参数与系统稳态、动态性能的数学表达式,进一步分析品质因数、起动频率和频率步进值对系统动态响应特性的影响;最后,对基于脉冲式感应加热电源系统进行实验,并对改进型全数字定角频率跟踪技术的性能进行验证。

结果表明:该频率控制系统具有搜索谐振频率快、实时跟踪能力强、稳定性好等优点,仿真和实验结果验证了该频率跟踪技术的有效性和可行性。

脉冲涡流热成像技术具有非接触、成像直观、检测效率高和易于实现自动化等优点,已成功应用于航空航天、交通运输、石油化工等领域[1-4]。感应加热电源是脉冲涡流热成像技术的重要组成部分,电源性能直接影响缺陷特征信号的提取、系统检测灵敏度和缺陷检出率。


脉冲式感应加热电源,是一种特殊的感应加热电源,其特征在于非常快速地搜索到谐振频率,然后在弱感性或谐振状态下输出短时持续脉冲。近年来,国内外研究人员围绕电路拓扑结构[5-8]、电磁耦合探头[9-11]及频率跟踪技术[12-19]等感应加热电源关键技术展开了深入研究,其中电流过零点同步检测[12,13]和锁相环技术[14-19]是两种典型的频率跟踪技术。


文献[13]采用电流过零点同步技术进行频率跟踪,该技术具有过渡时间短、超调量小等优点,但是感应加热电源在开关过程中,由于寄生参数的影响会使电流过零时出现高频振荡信号,导致系统跟踪异常。


随着数字化技术的发展,基于FPGA的全数字锁相环频率跟踪技术在感应加热电源中得到了广泛应用,锁相环频率跟踪技术的性能直接影响着电源系统的工作效率、稳定性以及抗干扰能力。


文献[15,16]提出的基于FPGA的自动变模控制感应加热电源全数字锁相环,在FPGA内嵌的数字锁相环模块74297的基础上,设计了中心频率拓展模块Counter32B,采用N值检测计数器Counter32B对输入信号进行计数并将计数结果作为N模分频器分频值,实现锁相环中心频率频带拓展。


文献[17]中提出的锁相环为了增加锁相的范围,根据监测负载电流的频率随时修改设计N分频模块的参数值。


文献[18]提出了一种基于FPGA的数字锁相环,使感应加热电源工作在零电压开通(Zero Voltage Switching, ZVS)状态,提高了电源的效率。


上述文献中数字锁相环的分频参数N都是通过负载电流获取,而电流采样电路在过零点处通常存在高频振荡信号,将会导致分频参数异常,使锁相环电路失锁,影响电源的工作安全。


针对上述两种频率跟踪技术存在稳定性差和抗干扰能力弱及不能人为设置频率跟踪策略等问题,本文提出一种基于FPGA的改进型全数字定角频率跟踪技术。


首先介绍了脉冲式感应加热电源系统及工作原理,在此基础上对改进型定角频率跟踪技术进行详细的理论分析;建立控制系统的目标函数,并仿真分析品质因数、起动频率和频率步进值等不同参数对控制系统性能的影响;最后通过实验验证了改进型定角频率跟踪技术适用于脉冲式感应加热电源中。


 

感应加热电源
结论

本文提出了一种基于FPGA的适用于脉冲式感应加热电源的改进型全数字定角频率跟踪控制技术。该控制系统的N分频参数根据频率发生器的控制策略来获取,有效地解决了全数字锁相环中分频模块受高频振荡信号干扰以及电流过零同步技术受电流在过零时刻振荡的影响,提高了电源的抗干扰能力,增强了电源的稳定性。

通过设置相位控制值S使负载稳定的工作在弱感性状态,并且通过步进值控制器实现不同的控制策略,增加了系统的可控性,提高频率跟踪速度。

本文对控制系统进行了数学建模,利用MatlabApp进行仿真,并在硬件平台进行实验,验证了改进型定角频率跟踪控制系统的性能。该系统实现简单,成本低,可以更好地应用到基于FPGA的脉冲式感应加热电源中。

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