分析基于FPGA的感应加热逆变控制系统

　　引言

　　FPGA的迅速发展使电子系统由原来的集成电路发展到集成系统。使用EDA工具开发基于FPGA的数字控制系统的新技术方法为当代电子界所关注。近来，FPGA在通信领域得到了广泛的应用，在电力电子系统中却并不多，基于这种情况，本课题主要研究FPGA在电源系统中的应用，用FPGA来实现感应加热电源系统的控制器。 本文首先根据系统的性能指标设计了其总体方案：确定了主电路的拓扑结构为串联谐振式，功率调节方式为容性移相调功；计算确定了系统中各个元件的参数和型号；设计实现了系统所需的各个硬件电路。其次采用SAMPLE—DATA方法建立了基于移相调功串联谐振逆变器的动态模型，并用FFT变换的仿真方法验证了模型的正确性，然后根据此模型设计了系统的PI控制器，并在SIMULINK中仿真了整个系统的运行情况。按照FPGA的设计流程，具体实现了感应加热电源控制器，将数字锁相环电路、输出功率调节电路、保护电路、启动╱停止控制电路等全部集成在一片FPGA内。实现的步骤为系统划分、模块实现和时序仿真等。在此基础上，进行了各个模块的实验。实验结果表明，设计的控制器工作良好。

　　感应加热电源以其环保、节能等优点在工业生产中得到了广泛的应用，逆变控制电路是直接影响感应加热电源能否安全、高效运行的关键因素。目前的感应加热装置多采用模拟电路控制，存在电路触点多、系统可靠性低、元件工艺性要求高、控制参数不易改变及灵活性差等缺点。针对这种情况，本文设计了基于FPGA的感应加热控制系统，实现了逆变电路的数字化，提高了系统的智能化，并利用液晶显示与用户建立良好的交互界面。

　　1 感应加热逆变控制电路的拓扑结构

　　感应加热主电路及逆变控制系统的拓扑结构[1]如图1所示，在驱动信号 g13和g24作用下，使T1、T3管和T2、T4管分别交替工作；u1，i1表示负载上的电压和电流。系统根据采样得到的负载上的电压u1，调整IGBT的驱动信号g13和g24，使得负载工作在谐振状态，即负载上的电压电流同频同相。

 

 

　　2 逆变控制系统结构及工作原理

　　逆变控制系统结构如图2所示。该系统由检测电路、A/D转换电路、液晶显示电路、FPGA控制模块、故障指示电路、键盘和IGBT驱动电路组成，其中虚线框中为FPGA控制模块，是本系统的。逆变控制系统工作原理为：

　　（1）检测电路通过电压传感器获取负载上的相关信息，并在过流、过压等危害情况发生时，产生相应的保护动作，同时将这一信息传递给FPGA模块，且在液晶屏上示出；

　　（2）FPGA模块完成负载谐振频率的锁定，并输出IGBT的驱动信号；

　　（3）IGBT模块由4个IGBT管和相应的保护电路组成，负责直-交变换；

　　（4）键盘负责提供扫频启动所需的和频率。因为采用扫频启动方式，可以控制它激频率在设定的频率和频率之间扫描，以适应不同谐振频率的负载。

 

 

　　3 FPGA控制模块设计及控制策略

　　3.1 FPGA控制器组成

　　FPGA控制器可分为以下几个模块：

　　（1） 主控制器：该控制器是控制系统的，完成对逆变状态的控制、外围接口控制、各模块的协调工作以及整个工作流程操作等。它由硬件状态机实现，采用同步时序逻辑设计，相当于简单处理器的功能；

　　（2）启动模块：负责感应加热电源的正常启动，性能指标包括启动时间（越短越好）、启动过程的稳定性和启动过程的成功率等。加热启动之后，控制它激频率在设定的频和频之间扫描；当它激频率扫描到接近槽路谐振频率时，负载能量便建立起来并反馈到自动调频电路[2] ；

　　（3）锁相环模块：在启动模块的协助下，实现稳定、快速的启动过程，并保证频率的正常锁定，主要性能指标包括锁相范围、锁相速度、锁相稳定性等。锁相环是系统中的主要工作模块，直接影响逆变系统是否正常运行；

　　（4）重叠角产生模块：作为锁相环和IGBT驱动电路的中间环节，将IGBT驱动信号进行预处理，以实现逆变工作状态的实际要求；

　　（5）数据采集模块：在系统中，能根据工作人员的需要采集数据，以供试验和调试等；

　　（6）读、写模块及SRAM：系统中融合这3个模块的目的是能将有用的数据及时地保存起来或者制作一个备份，以备外围调试、设定参数等应用。

　　3.2 主控制策略

　　主控制器的工作流程如图3所示。主控制器的控制策略是以逆变控制系统的成功启动、正常工作状态控制为主的。当系统刚上电时，主控制器给出时钟信号，发出1 s的RESET复位信号，对各模块进行初始化。初始化过程中各模块并不工作，即没有使能信号。初始化完成后，由输入模块写入各工作寄存器配置值，进入启动模块。扫频过程要同时使能启动模块和锁相环。系统根据配置寄存器的值，完成扫频。如果扫频成功，则进入锁相环节，如果锁相环并未成功锁定频率，处于失锁状态；如果多次、连续出现失锁，则表明负载频率不在扫频范围之内，即发出“启动失败”信号，系统进入异常处理，用户需要重新设定寄存器。在系统成功锁定频率后，因某种原因再次导致失锁，则开启启动模块，重新开始扫频过程，等待扫频成功。

 

　　4 系统仿真

　　由于篇幅有限，省略了VHDL源代码。在Maxplus2环境下，运用其自身的仿真工具完成仿真，仿真结果如图4（a）和图4（b）所示。

 

　　从图4（a）可以看出，当环路滤波环节中的分频模数N为50时，锁相环的输出IDout能够跟踪u1（u1为负载两端的电压信号），达到锁定状态。从图4（b）中可以看出，IGBT驱动信号g13和g24具有一定的重叠时间，从而能够实现IGBT管的软关断，提高了感应加热的效率。