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  • 頭條脈沖式感應(yīng)加熱電源頻率跟蹤技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)
    2019-07-02 作者：王曉娜、方旭等  |  來源：《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》  |  點(diǎn)擊率：
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    導(dǎo)語中國計(jì)量大學(xué)工業(yè)與商貿(mào)計(jì)量技術(shù)研究所王曉娜、方旭等，在2018年第18期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，為解決傳統(tǒng)感應(yīng)加熱電源中搜索諧振頻率慢和頻率跟蹤實(shí)時(shí)性差的問題，提出一種改進(jìn)型全數(shù)字定角頻率跟蹤技術(shù)，以滿足脈沖渦流熱成像對(duì)激勵(lì)電源的特殊要求。首先，介紹脈沖式感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)及工作原理，在此基礎(chǔ)上對(duì)改進(jìn)型定角頻率跟蹤技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的理論分析；然后，建立系統(tǒng)控制參數(shù)與系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能的數(shù)學(xué)表達(dá)式，進(jìn)一步分析品質(zhì)因數(shù)、起動(dòng)頻率和頻率步進(jìn)值對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響；最后，對(duì)基于脈沖式感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對(duì)改進(jìn)型全數(shù)字定角頻率跟蹤技術(shù)的性能進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：該頻率控制系統(tǒng)具有搜索諧振頻率快、實(shí)時(shí)跟蹤能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該頻率跟蹤技術(shù)的有效性和可行性。

    脈沖渦流熱成像技術(shù)具有非接觸、成像直觀、檢測效率高和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、石油化工等領(lǐng)域[1-4]。感應(yīng)加熱電源是脈沖渦流熱成像技術(shù)的重要組成部分，電源性能直接影響缺陷特征信號(hào)的提取、系統(tǒng)檢測靈敏度和缺陷檢出率。

    脈沖式感應(yīng)加熱電源，是一種特殊的感應(yīng)加熱電源，其特征在于非常快速地搜索到諧振頻率，然后在弱感性或諧振狀態(tài)下輸出短時(shí)持續(xù)脈沖。近年來，國內(nèi)外研究人員圍繞電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5-8]、電磁耦合探頭[9-11]及頻率跟蹤技術(shù)[12-19]等感應(yīng)加熱電源關(guān)鍵技術(shù)展開了深入研究，其中電流過零點(diǎn)同步檢測[12,13]和鎖相環(huán)技術(shù)[14-19]是兩種典型的頻率跟蹤技術(shù)。

    文獻(xiàn)[13]采用電流過零點(diǎn)同步技術(shù)進(jìn)行頻率跟蹤，該技術(shù)具有過渡時(shí)間短、超調(diào)量小等優(yōu)點(diǎn)，但是感應(yīng)加熱電源在開關(guān)過程中，由于寄生參數(shù)的影響會(huì)使電流過零時(shí)出現(xiàn)高頻振蕩信號(hào)，導(dǎo)致系統(tǒng)跟蹤異常。

    隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，基于FPGA的全數(shù)字鎖相環(huán)頻率跟蹤技術(shù)在感應(yīng)加熱電源中得到了廣泛應(yīng)用，鎖相環(huán)頻率跟蹤技術(shù)的性能直接影響著電源系統(tǒng)的工作效率、穩(wěn)定性以及抗干擾能力。

    文獻(xiàn)[15,16]提出的基于FPGA的自動(dòng)變?？刂聘袘?yīng)加熱電源全數(shù)字鎖相環(huán)，在FPGA內(nèi)嵌的數(shù)字鎖相環(huán)模塊74297的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了中心頻率拓展模塊Counter32B，采用N值檢測計(jì)數(shù)器Counter32B對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)并將計(jì)數(shù)結(jié)果作為N模分頻器分頻值，實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)中心頻率頻帶拓展。

    文獻(xiàn)[17]中提出的鎖相環(huán)為了增加鎖相的范圍，根據(jù)監(jiān)測負(fù)載電流的頻率隨時(shí)修改設(shè)計(jì)N分頻模塊的參數(shù)值。

    文獻(xiàn)[18]提出了一種基于FPGA的數(shù)字鎖相環(huán)，使感應(yīng)加熱電源工作在零電壓開通（Zero Voltage Switching, ZVS）狀態(tài)，提高了電源的效率。

    上述文獻(xiàn)中數(shù)字鎖相環(huán)的分頻參數(shù)N都是通過負(fù)載電流獲取，而電流采樣電路在過零點(diǎn)處通常存在高頻振蕩信號(hào)，將會(huì)導(dǎo)致分頻參數(shù)異常，使鎖相環(huán)電路失鎖，影響電源的工作安全。

    針對(duì)上述兩種頻率跟蹤技術(shù)存在穩(wěn)定性差和抗干擾能力弱及不能人為設(shè)置頻率跟蹤策略等問題，本文提出一種基于FPGA的改進(jìn)型全數(shù)字定角頻率跟蹤技術(shù)。

    首先介紹了脈沖式感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)及工作原理，在此基礎(chǔ)上對(duì)改進(jìn)型定角頻率跟蹤技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的理論分析；建立控制系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)，并仿真分析品質(zhì)因數(shù)、起動(dòng)頻率和頻率步進(jìn)值等不同參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響；最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)型定角頻率跟蹤技術(shù)適用于脈沖式感應(yīng)加熱電源中。

    圖10 脈沖式感應(yīng)加熱電源平臺(tái)系統(tǒng)實(shí)物

    脈沖式感應(yīng)加熱電源頻率跟蹤技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)

    結(jié)論

    本文提出了一種基于FPGA的適用于脈沖式感應(yīng)加熱電源的改進(jìn)型全數(shù)字定角頻率跟蹤控制技術(shù)。該控制系統(tǒng)的N分頻參數(shù)根據(jù)頻率發(fā)生器的控制策略來獲取，有效地解決了全數(shù)字鎖相環(huán)中分頻模塊受高頻振蕩信號(hào)干擾以及電流過零同步技術(shù)受電流在過零時(shí)刻振蕩的影響，提高了電源的抗干擾能力，增強(qiáng)了電源的穩(wěn)定性。

    通過設(shè)置相位控制值S使負(fù)載穩(wěn)定的工作在弱感性狀態(tài)，并且通過步進(jìn)值控制器實(shí)現(xiàn)不同的控制策略，增加了系統(tǒng)的可控性，提高頻率跟蹤速度。

    本文對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，利用Matlab軟件進(jìn)行仿真，并在硬件平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了改進(jìn)型定角頻率跟蹤控制系統(tǒng)的性能。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡單，成本低，可以更好地應(yīng)用到基于FPGA的脈沖式感應(yīng)加熱電源中。