本文是一篇电气工程论文，本文主要对感应加热电源数字化控制技术进行了研究，并且由此搭建了数字化控制系统，其中重点研究了感应加热电源数字化控制系统的频率跟踪模块和功率调节模块两个方面的控制策略，并通过仿真验证了其可行性，最后设计了控制系统的软硬件，搭建了基于 DSP+CPLD 的数字化感应加热电源实验样机并进行了实验分析，验证了控制系统理论的正确性和可行性。
第一章 绪论
1.1课题研究背景及意义
随着当今世界环境污染问题日趋严重，传统工业向节能、高效、无污染的方向转型已经刻不容缓。在金属热处理领域，传统的加热方式大部分都是采用煤炭、石油及天然气等能源来对金属或者非金属进行热处理，这些方式不经济，环境污染大，能源利用率低，加热工艺的质量也难以保证。而与传统的加热方式相比，感应加热技术利用电磁感应理论，可以在不接触加热器件情况下均匀加热，具有非接触加热、加热速度快、效率高、能耗低、环保无污染等众多优点[1]。同时，感应加热技术可以精准控制工件的加热温度，也可实现局部加热[2]，这些优点使得感应加热技术在金属加工领域，甚至在我们的生活领域如电热水器、电磁炉等众多产品中都得到了大范围应用[3-4]。
在种类繁多的感应加热应用中，感应加热电源已经成为当今现代工业领域的核心装置。感应加热电源在对工件进行加热时，很大程度上受到电源运行时稳定性能及相应技术参数的影响。而当今大部分感应加热电源仍采用模拟电路控制，特别是在工业领域，感应加热电源采用模拟电路控制方式占很大比重[5]，其存在如下缺点：
（1）电路结构相对复杂。模拟电路设计的感应加热电源控制电路复杂[6]，用到元器件较多且设计繁琐，感应加热电源占用体积大，质量较重。
（2）稳定性差。模拟器件存在一致性差的缺点，同时模拟器件工作点容易漂移[7]，加之模拟电路易老化，容易受到环境因素影响，这些缺点使得感应加热电源稳定性差，抗干扰能力不理想。
（3）数字化及智能化程度低。模拟电路设计的感应加热电源控制方式不易改变，设计灵活性差，电源控制响应速度慢且控制精度低，无法实现实时监测电源运行状态的功能，数字化、智能化程度低。
（4）调试复杂。在电源实际使用中，一旦遇到问题，处理起来比较复杂，一般情况下需要重新设计电路[8]，经济开销大，资源利用率低，而且调试相对复杂，难度较高，导致电源开发周期较长。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 感应加热电源的发展现状
自从 Michael Faraday 发现了电磁感应定律之后，感应加热技术在国外大力发展。在 20 世纪 50 年代初，美国人研发出了可控硅晶闸管，开始进入了新型电力电子技术时代。晶闸管提高了感应加热电源的输出功率、安全性和稳定性，极大地推动了感应加热电源技术的发展。在 20 世纪 80 年代后，更高性能的半导体开关器件如 GTO、IGBT、MOSFET 应运而生，导致了晶闸管器件在感应加热电源开关器件应用中逐渐被新型开关器件所取代，其中 IGBT 由于其输出功率高、开关速度快的优点成为了中高频感应加热电源的首要选择[14-15]。在 90 年代初，日本研发出了采用 IGBT 作开关器件的感应加热电源，其采用微处理器进行控制，可实现开关器件零电压开关，推动了感应加热电源数字化控制技术的发展。
在国内，电力电子技术相较于国外起步晚了许多，导致了感应加热技术的研究落后于国外。在 20 世纪 50 年代，感应加热技术才在我国工业领域内得到较大范围应用。由于感应加热电源市场应用前景广阔，国内对于感应加热电源技术的研究逐渐变多，加快了感应加热电源技术的发展进程[16]，但距国外先进水平还有一定的差距。我国浙江大学在 90 年代初期开始致力于感应加热电源的研究，特别是在采用 MOSFET 以及IGBT 高频开关器件的感应加热电源研究方面成效显著[17]。2012 年，华北电力大学研究出利用 PWM 移相调功和锁相环锁定移相角复合控制来调节感应加热电源的输出功率，该控制策略采用电压型逆变器来实现移相调功。
现如今，国外感应加热电源在数字控制技术方面的发展也很全面。德国研制出了以 DSP 为主控芯片，采用 IGBT 作为逆变电路开关器件的 3200kW 的全空冷感应加热电源，运用“电抗分析法”设计。日本研发出容量为 6400kW 大容量感应加热电源，数字化程度很高，可以进行自动运算和程序自主控制，同时其配有温度补偿装置和保温系统。
第二章 感应加热电源原理分析
2.1 感应加热电源的基本原理
1831 年法拉第发现了电磁感应现象：导体在磁通量不断变化的环境下，两端会产生感应电动势，驱动闭合电路中的电子定向移动，从而产生电流，称为感应电流。电磁感应理论、安培定律和焦耳定律一起奠定了感应加热技术理论基础。
电磁感应加热的基本原理：当被加热工件放置在加热线圈内，线圈通以高频交流电流，根据安培定律，线圈周围会产生高频交变的磁场。再根据法拉第电磁感应定律，被加热工件会被高频交变磁场的磁力线不断切割，工件内部会产生电流涡流。最后，根据焦耳定律，被加热工件在高频率的涡流作用以及内部阻尼作用下，产生焦耳热对工件进行热处理，原理图如图 2-1 所示。
2.2逆变电路拓扑结构分析
逆变电路的拓扑结构主要分为串联谐振逆变电路和并联谐振逆变电路。感应加热电源中的整流电路将工频交流电信号转换为直流电信号，而逆变电路则是将直流电信号转换为与谐振频率相一致的交流电信号。
2.2.1 串联谐振逆变电路
串联谐振逆变电路如图 2-3 所示，电容 C、电感 L、电阻 R 串联构成负载谐振电路，在逆变电路的直流侧输入端并联一个大电容，等效于电压源，所以串联谐振逆变电路又称为电压型逆变电路[38]。
串联谐振逆变器的脉冲触发信号与电压电流的输出波形如图 2-4 所示，电压型逆变器通过控制四个开关管 VT1、VT2、VT3、VT4 的触发脉冲信号，使同桥臂上下开关管轮流导通，并设定一定时间的死区防止直通，调节开关管的工作频率与负载端的谐振频率保持一致，提高电源的输出功率因数 [39]。
第三章 感应加热电源数字化控制策略研究及仿真 ............... 19
3.1 概述 ............................ 19
3.2 频率跟踪方式的研究与改进 .............................. 19
第四章 数字化感应加热电源系统软硬件设计 ................... 41
4.1 概述 ............................ 41
4.2 感应加热电源的整体结构设计 .............................. 41
第五章 实验平台搭建与实验结果分析 ........................ 59
5.1 概述 ....................................... 59
5.2 实验平台搭建 ................................. 59
第五章 实验平台搭建与实验结果分析
5.1 概述
为了验证前面章节的理论分析、控制策略和软硬件设计的正确性，本章搭建实验样机平台进行实验验证。在实验平台上对电源各模块分别进行单独实验，并且采集数据，分析数据。本章主要开展四个实验：1）过零检测实验；2）MOSFET 驱动信号与死区设置实验；3）移相调功实验；4）感应加热频率闭环实验。
根据前面章节的理论分析、建模仿真和软硬件设计，搭建的数字化感应加热电源实验平台如图 5-1 所示，系统主要包括：
（1）主电路板 （2）控制电路板 （3）显示屏电路板 （4）负载电路 （5）辅助电源
其中控制电路板以 TMS320F28020 型号 DSP 和 5M160ZE64C5 型号 CPLD 为控制芯片，控制电路板中包括控制电路、驱动电路等，控制电路主体部分 PCB 如图 5-2 所示。LCD 显示屏电路板采用 STM32F103 型号单片机控制芯片设计。采样电路和保护电路设计在主电路板中，辅助电源的供电电压为+15V。
第六章 总结与展望
6.1 总结
本文主要对感应加热电源数字化控制技术进行了研究，并且由此搭建了数字化控制系统，其中重点研究了感应加热电源数字化控制系统的频率跟踪模块和功率调节模块两个方面的控制策略，并通过仿真验证了其可行性，最后设计了控制系统的软硬件，搭建了基于 DSP+CPLD 的数字化感应加热电源实验样机并进行了实验分析，验证了控制系统理论的正确性和可行性。本论文主要完成的工作如下：
（1）阐述了感应加热电源的基本原理，对串并联谐振电路进行了详细分析对比，结合本文电源的特点，逆变器的结构确定为串联谐振逆变器。对感应加热电源常用的调功方式进行了原理分析和公式推导，选择了 PWM 移相调功方式。介绍了感应加热电源频率跟踪所涉及到的模拟锁相环和数字锁相环技术的原理。
（2）对感应加热电源数字化控制技术以及系统控制策略进行了系统研究及仿真。为了改进模拟锁相环存在的一系列问题，本文设计了基于 CPLD 自动变模数字锁相环，对该全数字锁相环的各个模块分别进行了设计和仿真验证，其中着重设计了自动变模控制器来根据相位误差自动调节数字滤波器的 K 值，以及基于有限状态机设计了脉冲加减电路来提高锁相速度和锁相精度。对本文的功率、电流双闭环控制策略以及传统PI 调节方式、积分分离 PI 调节方式进行了介绍，为了减小系统超调量，加快响应速度设计了变参数分段式积分分离 PI 调节。最后，运用 Matlab/Simulink 软件建立电源系统的模型，通过对仿真验证了其理论的正确性和控制策略的可行性。
（3）对感应加热电源数字化控制系统进行了软硬件设计，硬件部
