基于DSP的淬火中频电源的设计与实现
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中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ......................................................... 1
§1.1 论文选题的意义 ............................................ 1
§1.2 感应加热的基本原理与集肤效应 .............................. 2
§1.3 国内外中频淬火电源技术的发展 .............................. 4
§1.4 本文主要的研究内容 ........................................ 5
第二章 淬火中频电源方案的确定 ........................................ 6
§2.1 主电路逆变器拓扑形式 ...................................... 6
§2.2 谐振槽路分析 .............................................. 7
§2.2.1 电压源串联谐振逆变电路 ................................ 7
§2.2.2 电流源并联谐振逆变电路 ............................... 11
§2.2.3 谐振槽路的选择 ....................................... 12
§2.3 淬火中频电源的功率调节方法 ............................... 14
§2.3.1 逆变侧调功方法 ....................................... 14
§2.3.2 整流侧调功方法 ....................................... 14
§2.4 本章小结 ................................................. 16
第三章 淬火中频电源的主电路和驱动电路的设计 ......................... 17
§3.1 一种新型的 ZV-ZCS PWM 斩波电路 ............................ 17
§3.1.1 软开关技术概述 ....................................... 17
§3.1.2 ZC-ZVS PWM Buck 变换器的工作原理 ..................... 19
§3.1.3 ZC-ZVS PWM Buck 变换器的仿真 ......................... 21
§3.2 ZV-ZCS PWM Buck 斩波调功中频淬火电源的主电路设计 .......... 23
§3.2.1 主电路设计思路 ....................................... 23
§3.2.2 主电路的参数计算及器件选型 ........................... 24
§3.3 基于 2SD315A 的驱动保护电路模块的应用设计 ................. 26
§3.3.1 驱动电路基本参数的计算 ............................... 27
§3.3.2 驱动电路的选择 ....................................... 27
§3.3.3 基于 2SD315A 的驱动保护模块的具体实现 ................. 29
§3.4 本章小结 .................................................. 31
第四章 淬火中频电源的闭环控制系统 ................................... 32
§4.1 基于 DSP 的直流斩波闭环控制系统 ........................... 32
§4.1.1 电流电压双闭环控制系统 ............................... 32
§4.1.2 功率控制系统的分析 ................................... 33
§4.1.3 功率控制系统的设计 ................................... 35
§4.2 基于 DSP 的频率跟踪控制系统 ............................... 37
§4.2.1 锁相环(PLL)的工作原理及组成 .......................... 37
§4.2.2 数字锁相环(DPLL)的原理及传递函数 ..................... 40
§4.2.3 数字锁相环的稳定性分析 ............................... 42
§4.2.4 数字锁相环(DPLL)的仿真 ............................... 43
§4.3 本章小节 ................................................. 46
第五章 淬火中频电源控制系统的软硬件设计 ............................. 47
§5.1 系统的构成 ............................................... 47
§5.2 控制系统的硬件设计 ....................................... 47
§5.2.1 DSP 最小系统的设计 ................................... 48
§5.2.2 DSP 外围检测电路设计 ................................. 48
§5.2.3 保护电路的设计 ....................................... 50
§5.3 串联谐振感应加热电源控制系统的软件设计 ................... 51
§5.3.1 软件总体框架 ......................................... 51
§5.3.2 斩波功率控制模块 ..................................... 52
§5.3.3 数字锁相频率跟踪控制模块 ............................. 54
§5.4 实验结果与分析 ........................................... 56
第六章 总结与展望 ................................................... 58
参考文献 ............................................................ 59
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 61
致 谢 ............................................................... 62
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 论文选题的意义
随着电力电子技术与控制技术的飞速发展，基于集成模拟电路的晶闸管中频
电源各项技术指标渐渐不符合当今市场的需求，显得落后了。研制先进全数字化
控制的、新型电力电子器件淬火用中频电源很有必要，DSP（数字信号处理器）与
IGBT技术的互相结合，使高性能淬火中频电源系统更易实现。
DSP（数字信号处理器）出现于20世纪80年代，DSP初期是为提高运算速度以
弥补单片机的不足，由于DSP自身的I/O接口很少，不适合于单独用作控制器使用。
随着产品的不断改进，片内增设了PWM通道、定时器、AD转换器和I/O口数目，
已具有工控所需的功能和外设配置，已逐渐成为工控型DSP。DSP具有极高的处理
速度，保证了装置各项功能高效有序地运行，具有实时运算能力，器件可靠性极
高。与常规处理器相比，控制、测量的准确性明显提高，限制、保护的速度和可
靠性增强，数据处理及显示操作的功能大幅度增加。在这基础上，可方便高效地
根据被加热对象的生产工艺过程编制精确的开环运行程序，也可方便实现频率跟
踪、恒功率运行等闭环控制，以实现生产过程自动化。
随着电力电子技术水平的不断提高，感应加热设备也得以不断的发展。新型
电力半导体器件、绝缘栅双极型晶体管IGBT、静电感应晶体管SIT等相继研制开发
成功，其应用技术特别是在感应加热设备中的应用技术得到了迅猛的发展。从节
能和节约材料等方面来看，IGBT技术是实现节能设备具有高效率，低功耗和高性
能的重要技术，
IGBT功率电子装置一般节约电能10%-40%。采用IGBT电力电子器
件 ，可以使电气设备的频率大大提高，体积可以缩小到原来的1/10-1/20，大大节
约了材料、能源，符合社会经济可持续发展的宗旨。
综上所述，与传统基于集成模拟电路的晶闸管中频电源相比，新型的基于DSP
全数字的IGBT中频电源有着显而易见的优点[1, 2]：
(1)采用电压驱动型功率器件，驱动电路功率小，功率密度高；
(2)功率器件导通压降低，开关损耗也降低，装置效率大大提高；
(3)对于过压过流，具有硬件软件双重保护，系统可靠性高；
(4)工作频率自动跟踪负载特性的变化；
(5)功耗降低，轴流风机强迫风冷取代水冷，大大节约资源；
(6)先进的控制器，实现输出功率连续无级可调，输出频率可以根据需要整定；
(7)强大的DSP处理器,便于实现先进控制算法。
基于 DSP 的淬火中频电源的设计与实现
2
§1.2 感应加热的基本原理与集肤效应[1]
基于法拉第电磁感应现象，交变磁场中的导体两端会感应出电动势，电路闭
合成回路时产生感应电流。感应加热的基本原理就是此电磁感应定律，其原理图
如图1-1所示：
图1-1 感应加热原理图
如图1-1,导体外围绕一匝数为N的线圈，当感应线圈上通交变电流i时，线圈内
部会产生相同频率的交变磁通，交变磁通沪又会在金属工件上产生感应电势e。根
据马克思威尔电磁方程式，感应电动势大小为：
d
dt
e N
(1-1)
sin
mt
cos
d
m
dt
e N N t
(1-2)
因此感应电动势有效值为：
24.44
2
m
m
fN
E Nf
(1-3)
此感应电动势在工件中产生感应涡流i使工件内部加热，其焦耳热为：
2
0.24Q I Rt
(1-4)
式中：
Q： 感应电流 过电阻产生的热量(J)；
I： 感应电流有效值(A)；
R： 工件的等效电阻 (
)；
t： 工件通电的时间 (S)。
由此可知，感应加热是利用电磁感应将电能传递给被加热工件，然后在工件
内部电能又转变为热能的过程。它与一般的电气设备中由于电磁感应而产生涡流
进而产生发热的原理是一样的，不过在感应加热中是利用了这一效应，而不像一
般情况下都是试图抑制此现象。
第一章 绪 论
3
由式(1-4)可以看出，感应电动势及发热功率与交变磁通的频率和磁场强度有
关，感应线圈中流过的电流越大，其产生的对应磁通量就越大，因而可以通过提
高感应线圈中的电流值而使工件中的感应涡流加大;同时一定条件下提高工作频率
也可以提高工件中的感应电流，从而使工件发热效果得到增强，加热速度增快。
感应涡流的大小同时与金属工件的截面积大小、形状、工件材料的导电率、导磁
率及透入深度等因素有关。
感应加热过程中存在着三种效应：集肤效应、邻近效应和圆环效应。下面分
别介绍：
集肤效应： 当交流电通过导体时，沿导体截面上的电流分布不是均匀的，最
大的电流密度出现在导体的表面层，我们称这种电流集聚的现象为集肤效应。
邻近效应： 两根通有交流电的导体距离很近时，导体中的电流分布会受彼此
的影响而有所变化。若两导体中电流方向相反，则最大的电流密度出现在两导体
的内侧，反之若导体中电流方向相同，则最大电流出现在导体外侧，这种现象就
称作邻近效应。
圆环效应： 将交流电通过圆环形线圈时，最大的电流密度出现在线圈导体的
内侧，这种现象称作圆环效应。
感应加热电源就是综合利用此三种效应的设备。交变磁场在导体中感应出的
交变涡流由于集肤效应的影响，其沿横截面由导体表面至中心按指数规律衰减，
工程上规定，当涡流强度由表面向内层衰减到其最大值的0.368 (1/e)时，此处与表
面的距离a称为电流透入深度。由于祸流产生的热量与祸流的平方成正比，因此热
量由工件表面至芯部的下降速度比涡流的下降速度快的多，我们可以近似认为感
应加热的热量集中在厚度为电流透入深度
的薄层中。工程上，透入深度可由下面
表达式确定：
5030
rf
(1-5)
式中：
：导体材料的电阻率 (
cm
)；
r
：导体材料的相对磁导率；
f
：感应电流的频率 (Hz)。
由式(1-5)可以得知，当被加热工件确定后，材料的电阻率
，相对磁导率
r
确
定以后，透入深度
只与感应涡流的频率的平方根成反比，因此我们可以通过改变
频率来控制它，频率越高，工件的发热层越薄。因为在某些金属热处理中，工艺
要求工件的透入深度要限制在一定的范围之内，根据上述原理就可以很精确地满
基于 DSP 的淬火中频电源的设计与实现
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足工艺要求。
§1.3 国内外中频淬火电源技术的发展
随着大功率电力电子器件绝缘门极晶体管(IGBT),功率场效应晶体管
(MOSFET)和静电感应晶体管(SIT)制造工艺的产品化，商业化的完成，国外工业发
达国家生产的全固态晶体管电源已多达几十种，品种规格齐全，体积小，电能转
换效率高达75%-90%，其应用己覆盖了整个感应加热领域。
德国研制的曲轴淬火机，对法兰件感应淬火柔性加工系统略加调整，就可以
处理不同尺寸的相似工件;对于在一定直径范围内的轴类零件，如需要有相似的淬
火工艺要求，淬火机可以在自动编制的14种程序中，自动识别进机零件，进行相
应的工艺处理；
Robotron.Eiotherm最近推出了双主轴立式淬火机，在一个紧凑的工
艺单元内，进行工件的淬火与回火。并可以处理轮轴、三槽套及其他万向节件，
转换工件只需2-5分钟。
国外双频淬火主要用于齿轮的加工。美国用10kHz中频和400kHz高频电源，先
让齿轮在中频感应器中加热，然后迅速移到高频感应器中加热，最后放入油中淬
火。此工艺可以实现齿轮的齿顶和齿根跟的均匀加热，保证齿轮的淬火质量。
在美国的一些汽车制造厂，为了减小汽车齿轮的热处理变形，降低噪音及提
高汽车在运行中的平稳性，渗碳后采用感应加热进行局部二次淬火及回火处理。
目前，用微机控制的万能淬火设备更加专用化，它正在向柔性化、数字化、自动
化的方向发展。机械手上下装卸零件，加热、淬火、回火、校直、检查完全 自动
进行。先进的计算机控制技术可以实现监控，用屏幕显示淬火过程和工艺参数 ，
跟踪全部操作过程。如发现故障或工艺参数偏离给定值，便自动修正或 自动列出
不合格零件，使系统暂停工作并报警，同时屏幕上显示故障性质和所要修正的动
作。更先进的控制系统还适应材料化学成分的波动，并自动调整功率输出或加热
时间，以保证感应淬火零件的质量。一台中频电源还可以带多台淬火变压器，功
率可以随意分配，各工位频率可独立调整，实现一个组件上多工位同时一次完成
加热淬火过程。从而实现节能、高效、提高工件热处理的质量功效，成为高科技
附加值产品生产必不可少的机电组合成套设备。
进入21世纪以后，我国已经能够生产大功率的集成中频电源。目前国内己成
功研制出20kW/300kHz的MOSFET电压型逆变感应加热电源，缩小了同国际先进水
平的差距。在引进、消化和吸收国外先进技术方面，天津高频设备厂与日本电气
兴业株式会社合作生产的SIT晶体管电源已在国内推广应用。它除了满足国内应用
外，并有部分出口。
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目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论.........................................................1§1.1论文选题的意义............................................1§1.2感应加热的基本原理与集肤效应..............................2§1.3国内外中频淬火电源技术的发展..............................4§1.4本文主要的研究内容........................................5第二章淬火中频电源方案的确定....
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作者：陈辉
分类：高等教育资料
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时间：2024-11-19
