摘 要：設計了基于FPGA的感應加熱控制系統，其主要功能是實現負載諧振頻率的跟蹤、逆變工作狀態的控制和逆變器的啟動。相對模擬逆變電路而言，其優勢在于：調試比較方便、內部參數更改容易、可在線觀察數據。實驗結果表明，該系統適用負載范圍寬、可調節性強。
關鍵詞：感應加熱；FPGA；諧振頻率；逆變控制
感應加熱電源以其環保、節能等優點在工業生產中得到了廣泛的應用，逆變控制電路是直接影響感應加熱電源能否安全、高效運行的關鍵因素。目前的感應加熱裝置多采用模擬電路控制，存在電路觸點多、系統可靠性低、元件工藝性要求高、控制參數不易改變及靈活性差等缺點。針對這種情況，本文設計了基于FPGA的感應加熱控制系統，實現了逆變電路的數字化，提高了系統的智能化，并利用液晶顯示與用戶建立良好的交互界面。
1 感應加熱逆變控制電路的拓撲結構
感應加熱主電路及逆變控制系統的拓撲結構[1]如圖1所示，在驅動信號 g13和g24作用下，使T1、T3管和T2、T4管分別交替工作；u1，i1表示負載上的電壓和電流。系統根據采樣得到的負載上的電壓u1，調整IGBT的驅動信號g13和g24，使得負載工作在諧振狀態，即負載上的電壓電流同頻同相。
2 逆變控制系統結構及工作原理
逆變控制系統結構如圖2所示。該系統由檢測電路、A/D轉換電路、液晶顯示電路、FPGA控制模塊、故障指示電路、鍵盤和IGBT驅動電路組成，其中虛線框中為FPGA控制模塊，是本系統的核心。逆變控制系統工作原理為：
（1）檢測電路通過電壓傳感器獲取負載上的相關信息，并在過流、過壓等危害情況發生時，產生相應的保護動作，同時將這一信息傳遞給FPGA模塊，且在液晶屏上示出；
（2）FPGA模塊完成負載諧振頻率的鎖定，并輸出IGBT的驅動信號；
（3）IGBT模塊由4個IGBT管和相應的保護電路組成，負責直-交變換；
（4）鍵盤負責提供掃頻啟動所需的最高和最低頻率。因為采用掃頻啟動方式，可以控制它激頻率在設定的最高頻率和最低頻率之間掃描，以適應不同諧振頻率的負載。
3 FPGA控制模塊設計及控制策略
3.1 FPGA控制器組成
FPGA控制器可分為以下幾個模塊：
（1） 主控制器：該控制器是控制系統的核心，完成對逆變狀態的控制、外圍接口控制、各模塊的協調工作以及整個工作流程操作等。它由硬件狀態機實現，采用同步時序邏輯設計，相當于簡單處理器的功能；
（2）啟動模塊：負責感應加熱電源的正常啟動，性能指標包括啟動時間（越短越好）、啟動過程的穩定性和啟動過程的成功率等。加熱啟動之后，控制它激頻率在設定的最高頻和最低頻之間掃描；當它激頻率掃描到接近槽路諧振頻率時，負載能量便建立起來并反饋到自動調頻電路[2] ；
（3）鎖相環模塊：在啟動模塊的協助下，實現穩定、快速的啟動過程，并保證頻率的正常鎖定，主要性能指標包括鎖相范圍、鎖相速度、鎖相穩定性等。鎖相環是系統中的主要工作模塊，直接影響逆變系統是否正常運行；
（4）重疊角產生模塊：作為鎖相環和IGBT驅動電路的中間環節，將IGBT驅動信號進行預處理，以實現逆變工作狀態的實際要求；
（5）數據采集模塊：在系統中，能根據工作人員的需要采集數據，以供試驗和調試等；
（6）讀、寫模塊及SRAM：系統中融合這3個模塊的目的是能將有用的數據及時地保存起來或者制作一個備份，以備外圍調試、設定參數等應用。
3.2 主控制策略
主控制器的工作流程如圖3所示。主控制器的控制策略是以逆變控制系統的成功啟動、正常工作狀態控制為主的。當系統剛上電時，主控制器給出時鐘信號，發出1 s的RESET復位信號，對各模塊進行初始化。初始化過程中各模塊并不工作，即沒有使能信號。初始化完成后，由輸入模塊寫入各工作寄存器配置值，進入啟動模塊。掃頻過程要同時使能啟動模塊和鎖相環。系統根據配置寄存器的值，完成掃頻。如果掃頻成功，則進入鎖相環節，如果鎖相環并未成功鎖定頻率，處于失鎖狀態；如果多次、連續出現失鎖，則表明負載頻率不在掃頻范圍之內，即發出“啟動失敗”信號，系統進入異常處理，用戶需要重新設定寄存器。在系統成功鎖定頻率后，因某種原因再次導致失鎖，則開啟啟動模塊，重新開始掃頻過程，等待掃頻成功。
4 系統仿真
由于篇幅有限，省略了VHDL源代碼。在Maxplus2環境下，運用其自身的仿真工具完成仿真，仿真結果如圖4（a）和圖4（b）所示。
從圖4（a）可以看出，當環路濾波環節中的分頻模數N為50時，鎖相環的輸出IDout能夠跟蹤u1(u1為負載兩端的電壓信號)，達到鎖定狀態。從圖4(b)中可以看出，IGBT驅動信號g13和g24具有一定的重疊時間,從而能夠實現IGBT管的軟關斷，提高了感應加熱的效率。
參考文獻
[1] 潘天明.現代感應加熱裝置.北京：冶金工業出版社，1996.
[2] 周躍慶，王鴻雋.并聯逆變電源的掃頻啟動電路[J]，工業爐，2007，29(1)：34-36.
[3] 潘松，王國棟.VHDL實用教程.成都：電子科技大學出版社,2000.