基于FPGA的中高频感应电炉控制电路设计方案

2009-11-22 15:23:09来源: 现代电子技术

  1 引 言

  中高频感应炉是利用电磁感应原理加热和溶化金属的,这种方式是一种较理想的加热工艺,已经广泛应用于金属熔炼、焊接、表面淬火等加工和热处理过程。中高频电炉的负载是由感应圈和被加热的金属工件组成,为了降低无功功率,需要用串联或并联电容的方式来补偿无功功率,使整个电路中形成中高频的LC振荡。维持这样较恒定的频率振荡,金属内部将形成涡流而发热,从而达到加热和熔化金属的目的。传统的控制电路主要采用分离元件的模数混合电路,控制精度低,容易产生噪声问题。

  本文将提出一种基于FPGA片上可编程技术实现数字化控制方案,代替传统的数模混合电路,从而可提高其控制的可靠性,稳定性,同时也可以提高系统集成度并降低噪声干扰。设计主要采用VerilogHDL硬件描述语言实现模块化的设计,构成片上可编程系统,用QuartusⅡ7.0软件模拟仿真,并进行了模块实际验证。

  2 中频感应电炉的控制电路工作原理

  中高频感应电炉控制电路主要由以下几个部分组成:三相电源整流控制电路,逆变控制电路及工作频率的跟踪锁定控制电路,如图1所示。

控制电路流程图

  3设计方案的提出

  传统的中高频电炉采用分散式模块设计,而大量采用分离原件,如556,计数器来实现整流脉冲的控制,CD4046来实现频率跟踪,保护电路则主要使用大量集成运算放大器LM324。这种设计造成整个控制电路繁琐,难于调整,易出现问题。本文提出基于Altera FPGA技术,控制电路实现数字化的片上系统。从原理上来看,控制电路的核心主要是整流脉冲输出和逆变频率的跟踪,如果在FPGA上实现,必须解决这两个模块的设计。首先,整流脉冲输出是个时序问题,通过硬件描述语言可以实现。其次,逆变频率的跟踪可以利用全数字锁相环来实现。最后,这些设计模块可以集成到一片FPGA上。从原理上讲,我们提出的方案是可性的。

  4 三相桥式全控整流原理及模块设计

  4.1 三相桥式全控整流原理

  三相桥式全控整流电路如图2所示,6只整流元件全部采用可控硅(共阳极组的元件在各自的电源电压为正半周期时导通,而共阴极组的元件则在其电源电压负半周期时导通)。所有可控硅元件均靠触发换流,且控制角α相同。6只可控硅的导通条件是相同的,即都必须在其阳极承受正向电压期间在控制极上加触发脉冲。为使全控桥能正常工作,形成电流通路,必须使共阳极组和共阴极组的元件在任一瞬间各有1只处于导通状态(在换流期间则有3只元件导通,其中2只处于换流状态)。触发脉冲必须适应三相桥式全控整流电路的要求,当选择采用双脉冲触发时,即触发脉冲信号源同时发出两个脉冲,如果一个触发脉冲加至共阴极组的一个元件,则另一触发脉冲加至共阳极组中的前一个元件。因此,用双窄脉冲触发,在一个周期中对每一只可控硅触发两次,两次脉冲中间的间隔为60°。共阳极可控硅依次导通,他们的触发脉冲间隔依次有120°的相位差;同理,共阴极可控硅的触发脉冲也依次相差120°。相位移相触发就是通过改变晶闸管每周期导通的起始点即触发延迟角α的大小,达到改变输出电压、功率的目的。通过改变控制角α的大小,可以改变整流桥输出直流平均电压的大小。数字移相触发是把算出的控制角α折算成对应的延时t=aT/360(T为晶闸管交流电源周期),t乘计数时钟频率则得计数脉冲数。

三相桥式全控整流电路

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关键字:FPGA  中高频感应电炉  控制电路

编辑:小甘 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2009/1122/article_814.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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