本科毕业论文---商用电磁炉控制系统的设计.doc

毕业设计（论文）题 目 商用电磁炉控制系统的设计 系 （院）物理与电子科学系专 业电子信息科学与技术班 级2008级3班学生姓名 学 号 指导教师 职 称讲师 二一二年四月二十日II独 创 声 明本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 二一二年 月 日毕业设计（论文）使用授权声明本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。（保密论文在解密后遵守此规定）作者签名: 二一二年 月 日ii商用电磁炉控制系统的设计摘 要本文首先阐述了商用电磁炉的优点、现状和发展，分析了电磁感应加热原理在电磁炉中的应用，对商用电磁炉的工作原理进行了深入研究，确定了控制系统的电路设计方案。设计的控制系统硬件电路主要包括：主控制器和外围电路，频率跟踪电路，功率控制电路，电压、电流、温度信号的检测电路，报警保护电路和逆变器隔离驱动电路等。使用HCPL-316J驱动隔离逆变开关管IGBT，另外增加了软启动功能，提高了控制系统和逆变电路的可靠性和安全性。在软件设计上，使用了积分分离的PID控制方法，当系统检测到功率差大于预定值时使用PD控制器，小于预定值时使用PID控制器，使系统调节具有良好的稳态性能和瞬态性能。设计了快速、准确的长时间开机无人操作自动关机和锅具检测等功能，不仅减少了电磁污染还节约了电能。关键词：商用电磁炉；积分分离PID控制；SG3525；电磁感应加热；独立驱动The Design of the Control System of Commercial Induction CookerAbstractThis paper first describes the advantages, status and development of commercial induction cooker, the application of the principle of electromagnetic induction heating cooker in commercial induction cooker works carried out in-depth study to determine the control system circuit design. The design of control system hardware circuit including: the host controller and peripheral circuits, frequency tracking circuit, the power control circuit, voltage, current, temperature signal detection circuit, alarm protection circuit and the inverter isolated drive circuit and so on. Use the HCPL-316J drive isolation inverter switching IGBT, additional soft-start function, improve the reliability and security of the control system and the inverter circuit. In software design, the use of integral separation PID control method, using the PD controller when the system detects that the power difference is greater than a predetermined value, less than a predetermined value using a PID controller, allowing the system to adjust has a good steady state performance and transient performance. Designed a fast, accurate and long boot unattended operation automatically shut down and cookware detection and other functions, not only to reduce the electromagnetic pollution also saves energy.Key words： Commercial induction cooker；integral separation PID control；SG3525； electromagnetic induction heating；independent drive目 录引 言1第一章 商用电磁炉的原理分析21.1电磁感应加热原理21.2商用电磁炉工作原理分析31.2.1电磁炉等效输出电路41.2.2电压型逆变电路分析61.2.3单相半桥型电压谐振逆变器71.2.4系统功率调节方式7第二章 硬件电路设计102.1系统工作过程和主要功能电路102.1 .1 系统工作过程102.1.2 系统主要功能112.2 功率控制电路112.2 .1 SG3525介绍122.2.2 脉冲信号（PFM）生成电路132.2.3 频率监控电路设计142.3 检测保护电路152.3.1 电流检测保护电路152.3.2 报警电路162.3.3 显示电路172.4 隔离驱动电路设计17第三章 商用电磁炉控制系统软件设计203.1 积分分离PID控制器在系统功率调节中的应用203.1.1积分分离PID203.2 软件程序结构213.2.1 主程序设计223.2.2 系统初始化子程序233.2.3 负载锅具有无检测243.2.4故障显示报警25第四章 设计结果和实验分析264.1性能测试264.2波形测试及分析26结 论28参考文献29谢 辞30附录31引 言 电磁炉也称为电磁灶，是根据电磁感应加热原理，利用线圈通过交变电流产生交替变化的磁场，铁质锅底部在交变磁场的作用下产生感应电流，锅底在感应电流的作用下迅速发热，用来烹饪和加热食物。根据功率的大小区分，电磁炉可分为商用电磁炉和家庭用电磁炉两种。通常家庭用电磁炉功率是在3.5kw以下，商用电磁炉功率是在3.5-25kw之间。随着人们节能、环保意识的加强和生活水平的提高，家庭用电磁炉已走入千家万户。和家庭用电磁炉相比，目前商用电磁炉仍处于起步阶段，和目前餐饮服务行业广泛使用的商用燃气炉、燃油炉相比，商用电磁炉无明烟、无废气、无明火、清洁卫生，很大程度上改善了厨房内的工作环境12。商用电磁炉具有主要以下优点： (1)节能、高效 电磁炉利用电磁感应加热原理，产生的热直接作用于锅底加热，它的热效率高达8090，更好地满足了中国人大火快炒的要求。(2)环保商用电磁炉没有燃烧烟尘、燃烧废气排放，工作时噪音小。传统的灶具工作时，由于燃料与空气中的氧气接合，从而导致大部分热量散发，周围温度上升，同时释放二氧化硫、一氧化碳等有害物质，损害人体健康。 (3)安全商用电磁炉具有工作状态自我检测功能、锅具检测功能、面板过热自动保护功能、无人看管自动关机功能、过压过流保护功能、异常报警功能、内部过温保护等功能，确保了工作时能够安全使用。商用电磁炉作为一个新兴厨房用具市场占有率还不到10，现在主要集中在宾馆、酒店、大型商业中心及大中专院校的食堂等不能使用燃气的场所和客货轮船、电力火车等交通工具上，以及对安全、环保、品质要求高的一些厂矿企业中。因为商用电磁炉在高效、节能、安全和环保方面的优势，并且由于技术的改进和成本的降低，相信其会代替燃气灶、传统的燃油成为市场的流行产品。本文目在于改进商用电磁炉的 控制系统，使其更加高效、节能和智能化，从而进一步降低成本。第一章 商用电磁炉的原理分析1.1电磁感应加热原理电磁感应加热是利用电磁感应的物理现象对金属器件进行加热。当线圈中经过交变的电流时线圈周围就会产生交变的磁场，当有金属导体放入这个交变的磁场中的时，因为法拉第电磁感应定律，就会在导体的表面产生感应电流，电流不规则地碰撞金属物体，进而产生热量。电磁感应、热量传输和集肤效应是电磁感应加热的三个基本要素。变压器与感应加热原理类似，所以简单表示为如图1.1所示3：图1.1 变压器等效电路图当匝数为N1的线圈上通交变电流I1时，内部就会产生相等频率的交变磁通穿过金属器件产生感应电E，所以就会在导体表面产生感应电流i。由麦克斯韦电磁方程式，得感应电动势的大小是：公式（1.1）上式中N2是器件等效匝数，商用电磁炉感应加热的器件就是被加热的负载锅具，所以N2等于1，假设感应电动势是按正弦规律变化的，有：公式（1.2）由此得到感应电动势：公式（1.3）感应电动势的等效值：公式（1.4）其中：为磁通量；f：流过锅具的感应电流频率。感应电势E在器件中产生感应电流i2，使器件加热， I2使器件内部（器件表面的电流穿透深度Lx）开始加热，根据焦耳楞次定律得，焦耳热为：公式（1.5）其中，T为负载通电时间(S)，Q表示焦耳热(J)， I为感应电流(A)，R为负载电阻(锅具的电阻Q)。 公式（1.6） 公式（1.7）由1.6式可以看出，电流穿透深度Lx与负载锅具电阻率P的平方根为正比，与电流频率的平方根和负载锅具的磁导率u成反比。频率越高，电流的穿透深度Lx越小。所以在实际加热过程中可以通过改变频率来控制加热过程。1.2商用电磁炉工作原理分析商用电磁炉的工作原理跟家用电磁炉的原理基本类似，区别是商用电磁炉是大功率电磁炉，因此电路设计与家用电磁炉又有些不同。商用电磁炉使用交流380V作为直接电源，加热励磁线圈需要的功率比家用电磁炉大几倍甚至十多倍，不论从主电路、驱动保护电路还是控制电路，和家用电磁炉有很大的差异。商用电磁炉工作原理如下14：图1.2 商用电磁炉工作原理框图由图1.2可知，商用电磁炉的工作过程，主要是对供电电源的一系列的变化，使变化后的结果满足感应加热的需求。商用电磁炉使用380V交流电作为直接电源，励磁线圈需要很大的功率，380V交流电经过整流电路转化滤波为539V的直流电压，此电压经过逆变电路，转变为高频的交流电，高频交流电作为初级线圈的电源，向励磁线圈供电。谐振电容与励磁线圈在逆变器功率开关控制下，构成高频高压谐振电路，同时产生高频交变的电流，进而产生高频变化的磁场，被加热的锅具就相当于放进磁场中的导体，因为感应电动势的存在，锅底上产生感应电流，因为涡流的焦耳效应和趋肤效应，达到加热锅具的目的4。1.2.1电磁炉等效输出电路在电磁炉加热过程中，加热的锅具相当于变压器中的一个单匝副边，原边为高频电容与发热励磁线圈组成的振荡电路。所以锅具就成为了主电路中的一个器件。没有锅具，系统就没有功率输出。因此，系统主电路中的励磁线圈盘与锅具共同构成了系统的输出电路。电磁炉加热锅具的过程，是锅具接受发热励磁线圈产生的能量的过程。当交变的高频电流流过线圈盘的线圈时，就会有闭合的磁力线沿线圈盘半径方向产生，磁力线经过锅具的底部时，就会有环形电流在锅具底部沿圆周产生。在任一时刻，线圈盘中电流的方向总是与这个电流的方向相反。高频电流在此电阻上产生热量的表达式：Q=I2RT，这就是系统在锅具表面生成的热源。通常励磁线圈距离锅具底表面的距离为15mm左右5。励磁线圈与负载锅具之间的关系，好比变压器的主副边的关系，利用变压器的原理，可以把锅具负载输出电路等效为变压器的原边与副边，等效电路如图1.3所示：图1.3 负载等效电路其中，Rw为锅具等效电阻；Rc为加热线圈导体电阻。为了方便计算和电路分析，还可以把图1.3进一步简化等效为图1.4：图1.4 简化等效电路图其中， Rx为锅具和励磁线圈的等效电阻；Lx为励磁发热线圈的等效电抗，则有： 公式（1.8）可以得锅具负载的功率因数为：公式（1.9）设负载电感的电流为i时，负载的输出无功功率和有功功率分别为：公式（1.10）公式（1.11）因此负载的品质因数：公式（1.12）有如下关系式：公式（1.13）在电磁炉的感应加热过程中，因为等效电阻Rx远远的小于wLx，因此功率因数不高，在电路中加补偿电容Cx补偿无功功率，如图1.5所示：图1.5 负载锅具等效电路图由于电容Cx的存在，使负载锅具的等效输出电路就构成了LC组成的谐振电路。因为电容Cx是串联在电路中，和等效电阻以及发热线圈共同构成了串联谐振电路。经过原理分析，等效输出电路连接于逆变电路，和逆变电路共同构成了谐振式逆变电路。1.2.2电压型逆变电路分析在电磁炉的主要电路中，电流逆变部分是关键内容，逆变器是组成逆变电路的核心，作用是将直流电逆变为高频交流电，输送给振荡电路的感应加热线圈，达到加热的要求。逆变器的主开关元件是功率晶体管，大部分采用的是绝缘栅双极型晶体管。电压型谐振逆变电路具有两个桥臂，每一个桥臂都由一个反并联二极管和组一个可控件成，直流侧接有大电容以便提供稳定的直流电源。(1)直流侧并联有大电容或者为电压源，等效于电压源。直流侧基本无波动，直流回路呈低阻抗特性。(2)由于直流侧电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形，并且与负载阻抗角没有关系，但是交流侧输出的电流波形和相位角因为负载的阻抗情况的不同而不同。(3)当交流侧是阻感负载时需要提供无功功率，本文研究的电磁炉就伴有无功功率，此时直流侧的电容就会对无功功率进行缓冲。通常，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通路，在逆变电路的每个桥臂并联有反馈二极管。(4)电压型谐振逆变器启动比较简单。电压型逆变器可以进行自激工作，也可以采用他激工作。启动后，随着器件温度的升高，负载的参数变化，负载谐振的频率变化，只会使输出功率和功率因数角发生变化，但不会引起逆变颠覆或停止振荡的后果。通过以上叙述可知电压型逆变器的输出电流为正弦波，电压为方波，电路构架简单，容易控制，虑波电感可有可无等特点，因此商用电磁炉采用电压型逆变器作为逆变主电路。前面分析的等效输出电路与逆变主电路构成了电压型谐振逆变电路。1.2.3单相半桥型电压谐振逆变器考虑到商用电磁炉需要频繁启动和应用环境的特殊性，最后确定采用的是单相半桥电压型谐振逆变电路，作为逆变电路的主电路，其原理如图1.6所示：图1.6 单相半桥电压型谐振逆变器原理图单相桥式逆变电路具有两个桥臂，每一个桥臂都由一个反并联二极管和一个可控元器件组成。在直流侧有两个相互串联的电容连接，在实际应用中电容C2与C1都是多个电容并联构成的电容组，假设C2与C1足够大，所以两电容均分直流电源电压Ud，两个桥臂和电容C2与C1中点之间连接负载。设开关器件S2和S1的栅极信号在一个时钟周期内各有反偏、正偏半周，并且构成互补。为了避免上下桥臂直通，因为大功率器件关断和开通时的延时，在IGBT的驱动信号之间有死区时段存在，死区时间设计的长短，是由脉冲调制新片SG3525的第7引脚与第5引脚之间的电阻决定。只要死区时间设计的合适就能保证，在S1开关导通时，S2开关关闭。1.2.4系统功率调节方式本设计采用频率调功来进行功率输出调节，原因如下：采用不可控整流电路支持频率调功，能够对系统的输出功率进行连续调整，容易实现控制，实现软开关也很方便，具有比较宽泛的调节范围，成本较低。脉冲频率调功法使用不可控整流电路整流后的直流电压，通过调节脉冲控制芯片的输出频率使逆变侧输出电压的频率得到改变，负载的功率因数进而得以改变，从而输出功率得到调节。输出控制脉冲、电流与电压的关系如图1.7所示：图1.7 PWM功率调节方式从图1.7中可知，脉冲频率发生变化时，输出电流与电压的相位也会发生变化。输出的功率为：公式（1.14）其中B：电流与电压的相位角；Zn为输出阻抗功率因数角为：公式（1.14）功率和频率可以表示为：公式（1.15）由以上分析，工作频率与功率输出的关系如下图所示：图1.7 功率输出与工作频率的变化关系由图1.7可以得到，脉冲频率的变化会使得负载功率因数角也 变化，改变输出功率可以通过调节功率因数脚实现。当输出频率和谐振频率相等时，即：f=f0时，此时有最大的输出功率；当ffo即为谐振频率小于输出频率时，这时负载呈感性，输出频率越大，|Z| 越大，输出功率就越小；当f时，使用PD控制；(3)当功率误差| =时，使用PID控制。因此积分分离的PID控制算法可以表示为：(公式3.4)式中，为积分项的开关系数，T为采样时间。(公式3.4)通过以上可以看出，值的设定是关键，不能太小，也不能太大，如果太小，容易使系统产生超调，如果太大，发挥不出控制的快速性。根据积分分离PID的控制原理，在本文设计的商用电磁炉系统中，功率给定信号是不同旋钮档位对应的预定功率，控制器根据负荷电流反馈来的信号与预定功率进行比较，根据比较结果将门限值与功率误差e比较，通过比较结果选择控制策略进调节输出脉冲频率，使系统的实际输出功率稳定、快速的跟随档位预定功率，维持整个系统的恒功率输出(如图3.1)。负荷电流采样电路/e/PD控制器PWM模块脉冲频率控制PID控制器整流电路逆变电路谐振回路IGBT隔离驱动电路给定功率图3.1 基于积分分离的PID控制在功率调节控制框图3.2 软件程序结构本论文对系统程序的设计分为两大部分：定时器中断服务程序和主程序。定时器中断服务程序是子程序，主要是实现定时、计时控制功能，定时中断服务程序是定时执行的；主程序主要实现温度、电压、电流的检测，故障报警和功率控制等一些需要实时处理的功能，主程序在系统的工作过程中是循环执行的。3.2.1 主程序设计主程序主要包括：系统初始化、功率给定、功率控制、数据采集和数据处理等子程序。主程序流程如图3.2所示：开始系统初始化扫描档位旋钮显示扫描档位电压检测负荷电流检测IGBT温度检测线圈温度检测锅具有无检测关机保护定时中断功率控制输出故障判断图3.2 主程序流程图系统初始化子程序包括中断服务程序初始化和主程序中各子程序的初始化。数据采集子程序主要是采集负荷电流、线圈电流、发热励磁线圈温度和IGBT温度的模拟量信息，该信息是功率输出控制信息和故障信息的判断依据。功率控制子程序是根据数据采集回来的信息与电磁炉档位给定的的功率输出值进行比较，控制电磁炉实际功率的输出。功率给定子程序是根据档位给定的不同信息，给出相应的功率输出控制信号，并且显示器显示当前档位信息。3.2.2 系统初始化子程序系统初始化子程序主要是对控制器内的数据和外围器件的初始值进行设定。初始化设置是控制器进行报警显示、功率控制、数据采集和数据处理的基础，控制器工作运行过程中采集到数据以初始化设定的数据为参考依据进行处理输送给执行部件进行下一步控制。系统初始化包括：单片机I/O输入输出方式初始化，定时器中断服务初始化，模拟数字转换初始参数设置，运行数据的变量初始化等。初始化流程图为：开始系统初始化中断设置定时器初始化AD初始化数据传输初始化PWM模块初始化I/O引脚初始化初始参数设置结束图3.3 系统初始化框图3.2.3 负载锅具有无检测在电磁炉刚开机或者在运行的过程中，控制器每间隔2s发送50ms的PWM波，通过电流传感器反馈回来的电流的大小进行判断无锅还是有锅，当电流大于设定值时，证明有锅具存在，电磁炉进入工作模式的功率输出；而当电流小于设定值时，并且连续20次检测到反馈回的电流小于设定值，判断为无锅，然后由蜂鸣器发出短叫声提示当前无锅。无锅情况持续1分钟，系统自动进入待机状态。检测到无锅时，SG3525没有脉冲信号输出，从而终止了IGBT驱动信号，不然会造成无负载时无功电流过大，在补偿电容两侧产生较高的电压击穿电容器。锅具有无检测是整个系统程序设计中非常关键的部分。负载锅具有无检测流程图为：加热计算出实际输出功率等待正在检锅返回清除检锅清除50ms到置有锅标志50ms到否本次检测有锅2s到置无锅标志关闭PWM输出设置关机标志停机保护首次无锅连续20次无锅YNYNYNNNY图3.4 锅具检测主程序框架流程图3.2.4故障显示报警系统运行过程中，对各个电路的保护检测是非常重要的，一旦某一部分出现异常，就意味着需要调整工作状态，同时给出了报警显示。当温度、电压、电流超出预定的工作范围时，蜂鸣器发出响声同时显示器显示故障代码。故障检测流程图和状态代码如图3.5所示：开始电流、电压、温度采样IGBT过温返回红灯亮、显示1红灯亮、显示2红灯亮、显示3红灯亮、显示4红灯亮、显示5停机线盘过温过流过压欠压图3.5故障显示程序流程图第四章 设计结果和实验分析4.1性能测试进行了多次连续开机实验，没有发生系统死机和模块电路烧毁的情况。在系统机上电后，发光二极管闪烁，蜂鸣器报警。当软件模拟给定档位功率后，系统自动检测锅具有无的状态。系统工作过程中经过多次的取锅，放锅实验，程序运行正常，工作状态稳定。 (2)在不同温度下进行了测试，在温度1560摄氏温度下，没有出现死机和停机现象。由于实验条件的有限，没有进行15以下的测试。4.2波形测试及分析(1)频率追踪控制电路输入输出波形如图4.1、图4.2所示：图4.1 SG3525的11脚输出信