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1、基于CD4046感应加热电源频率跟踪技术的研究Research on Frequency Tracking for Induction Heating Based on CD4046余可刘升葛芦生(安徽工业大学电气与倌息工程学院，安徽马鞍山243032)摘要：针对感应加热电源负我参数变化引起困有谐振頻率的变化，从而导致逆变器的效率降低，提出并实现以集成锁 相环CD4046为核心，应用于以MOSFE丁为功率豸件的串联谱振感应加热电淥的頻率跟粽控例系统中，对电淥的榆出頻 芈实时控制，实现逆踅器工作在零电压零电流开关糢式，并对电诛的启动问题作了分析。运用MATLAB对颏率跟脒系统进 行仿真分析，最后
2、进行实验猃证。关键词：感应加热，销相环，事联谱振，頻车跟琮Abstract：In consideration of the resonant frequency being changed by load parameter variation,which led the power efficiency reduction in an induction heating power.a frequency track control system devised based on the CD4046 integrated phase-locked loop is designed and
3、proposed lirstly.lt is applied to control the serial resonant inverter with power MOSFET as switching device timely.so as to adapt varieties of the load resonant freqjency to keep the inverter always working on Zero Voltage -Zero Current Switching mode.Meanwhile.ihis paper analyzes and discusses the
4、 question of starting of the control system.After that,the model of frequency tracking is set up and analyzed in MATLAB.Keywords. induction heating,phase-locked loop .serial resonant .frequency tracking感应加热电源在加热的过程中，由于被加热工件在加热过CD4046来实现将主电路中的负载电流倌号采集出来后送llAxly/k押K/AsMN*功程中其物理性质都会随温度不断变化，因而负载电路的固有频 率
5、也会随之变化。对中麵逆变器而言，为了保证感应加热电源逆 变器的可靠换流，逆变器能工作在较商的功率因数要求逆变 器的输出頻率能随负载固有频率变化11。也就是说控制电路必 须具有自动的频率跟踪功能。由可关断器件构成的逆变器，虽不 像晶闸管那样存在换流问题，但为了使逆变器始终工作在功率 因数接近或等于1的准谐振或谐振状态，以实现逆变器件的零 电流开关或苓电压开关，其频率跟踪电路是不可缺少的4。随笤 逆变器输出频率的提商，频率跟踪电路对快速性和准确性的要 求也相应提髙。因此本文采用中頻电淹传感器、电压比较器 LM393和集成锁相环CD4046对负载电流进行頻率跟踪，实现 无相差频率跟踪控制电路。1感应
6、加热电源的主电路镝构随着电力电子学和功率半导体器件的发展，申联型感应加热电源拓朴结构经过不断的完善，巳经形成一种固定的AC/ DC/AC变换形式，基本结构如图1所示。田1番应加热电源的主电路拓扑 串联谘振感应加热电源的主电路由整流器、滤波电容、逆变器、负载构成。楡人的单相交流电经过不控桥式整流电路整流, 再经过滤波电容滤波后变成平滑的直流电，给逆变器提供工作 电压。逆变侧的开关管按一定的规律交替开通与关段，在负栽上 検出固定频率的正弦波电流和方波电压2昭应加热电诹的频車跟踪控制串联谐振感应加热电源的频率跟踪可以利用槊成芯片进锁相环CD4046的PD2鉴相器。可以实现逆变器的摘出电压 和输出电流
7、的相位相同，即逆变器工作在谐振状态。图2示出了 控制电路的原理框图。图2頻車踪控制格图若不考虑采样电路、驱动电路和MOSFET的开关时延，可 以近似将压控振荡器的输出信号笤作输出电压的采样信号。负 栽回路的电流町以利用电流互感器采集，将电流线性变换后送 人电压比较器LM393进行过零比较，将正弦波转化为同頻同相 的方波。方波信号进人锁相环锁定以后，即可实现输出电压和输 出电流相位差为零。3锁相环CD4046的特点锁相环主要由相位比较器PD、低通滤波器LPF、压控振荡 器VCO等部分组成原理框图如图3所示。(LPF)输人被锁相的信号U：（頻率为M加至相位比较器的其中一 个输人端，相位比较器的另一
8、个输入端来自压控振荡器VCO的 瑜出（频率为f2），二者进行相位比较，输出误差信号电压U. 正比于U,与Uc和二信号的相位差该误差信号经低通滤波 器LPF滤除离频分贵后送入压控振荡群VCO的瑜人瑞VCO, LPF输出控制电压Ud使压控整荡器的瑜出频率与输入信号频 率之差或者说二者的相位差朝着减小的方向变 化。这种自动循环跟踪控制，最终达到VCO的输出频率与输人 被锁相的信号频率G相等，BPf,=f2,两信号相位差保持恒定不变/I:现频申和栩位锁定，诳成芯片CD4046的逻辑结构如图4所示.CD4046有两个 相位比较器，相位比较器1足异或门鉴相器输出估号与输入 ttU之叫的H!位扃将随肢锁记頰
9、肀的变化在0180之间变化。 采川该鉴相器尤法次:现尤相差的頻卒跟踪，而且要求辎人信妗的 A空比为50%钔位比较器2坫鉴频鉴相器.它由逻辑门控制的 叫个边沿鼬发器和：:态U输出电路组成，输出为三态结构，系统 -K人锁.输出将处F敁附态，采用相位比较器2和低通滤波器 的配介吋以保待输人倍号与输出信号之间的严格同步。WZFAAX图4 C34046内部逐耩功能框图 /K柠振沭器VCO产生输出位号的頻韦与输人VC0的电压以及连接判输出瑙的电荇CjUHI R,和存关。K输出的频肀 范围满足以卜*公式：f -R(C32pFf = z _ +f R(C+32pf) 一Jt中：/MU; 10KilR MO;
10、1OOPF彡C彡0.01什0rr-I相位比较器2的1引脚用于表示输人信号与输出信号的相 位及.环路人锁时为商电夢，失锁时为低电平。若无倍号输入时, VC O输出敁低頻率.t加在VC O的输人电压为婚商电压时， VCO输出敁麻频串。4感应加热电源的启动入锁由于电路在启动的授间，回路中没有电流反馈信哇.VCO的瑜出为敁低頻率，这样 电路6:启动时不能自动人锁。一般启动电路 采用它激到肖激的转换电路来完成r：动屯路如阳5所示，在启动瞬间，cs 可视为短路.A点加敁商屯压VCC. VCO输出 讪尚频率.随矜电容CS的充电.A点的电压逐 渐降低，VCO的输出从讪岛频率fm滑肉敁低 频率Un。只要负载的间
11、旮频书在与鉍低频 率U之阆.就会引起负钱術振.锁相环进人 5 锁定状态.顾利启动逆变器。启动完成之后，感应加热电騄 的启动电路VD将滤波电路4 V!动也路隔离.锁扣环T.作在频韦跟踪状态。5仿真与实城分析5.1中联讲振感应加热的MATUKB仿真阁6术出中联莳振感应加热系统的频率跟踪仿真模型。仿“模块中竹略f粮流环许.用莨流电压源來代替，同时为了简化 模咽仿真便于分析.负载ft接采用R丄、C申联谐振负载，锁相 环的频率基准信号取自輪出电德。为r校拟加热过稅中的负載莳振频率的变化，在仿典过程围6频率囲踪系统的仿真横型中采用了电感的突变，对麵平跟騌携块进行仿贞，如朗7所示。图7电突变格图仿真中的步长
12、取4ms. mo2ms之间.系统的參数：U,= 220V,R=15.69H丄=375jxH,C = 169nF,系统的闶冇顿率为 W0=20kHz。在2ms吋.电感发上突变，出阶來的L=375|xH改 变为L=500plHo此时系统的阁介频枣改变为Wo= 12kHz,图8给出了逆变侧电压和屯流的波形。囲8电压电濠仿真波形从仿真的结果中可以看出，在2ms之前电压和电流的相位 保待一致.串联莳振系统丁.作在谐振状态在2ms时.电感发生 突变，系统固冇频书发生改变，此时电1(与电流的相位产生-记 的偏差，但在锁相环的调节F,改变系统的幵关频肀.快速将也 压与电流的相位保待一致，使系统稳定在中联谀振状
13、态。5.2实验结米1j分析为广验证文中的理论.制作f 一台实验样机进行实验验证c 样机参数为：辅人电压25V.莳振电容标称似为C=100nF.術振 电感L=330plH.负载电附R=1.8U。阁9所示为次:验巾的屯流CH1 1.00VM 2S.0JUS25-Apc-15 20:331 405-h00 9电压电流实验波形(下榜第150買)150堆F IVodbus的变狨分时供水系统设汁标准3本供水系统选用RS-485/RS-232的转接器，用米将进行人为修改设IV。PLC和变频器连接起来RS-232这锥，用于连接MicroLogix 1400的小口、RS485这垵，用丁连接PowerFlex 4
14、0变频器。3程序分析在本系统的程序没计中，核心的部分就足PLC和变频器通 过Modbus的通信。这包括两个部分的内容：一是PLC读取变 频器的参数，并用来在人机界而上进行显示；另一方而，P LC将 适，的频事芩参数传送给变频器，在不同时段对变频器的频乎 进行控制，实现分时供水。ICI0:0 : (IThis C*ta Atfc2rffii Slew KMress lodka Address:e49|ni*is厂xneoM6IJM動f-use FileM0 沧 iUtw 麵 -CKCwitral BitsIfnere If tlaed CTO):FIAviltim litnnt嫩(ff)x(nK
15、irvrlefiitf*(Hi): |費 XrarksttlwxeXErrwBrrr Cdedcxj： 0囹5读变務器参败如阁5所示，足PLC通过两条通信指令MSG来读取变频 器的参数。变频器的参数包括两种：变频器状态位和速度反馈 frt,也就足3前頻率饱。在当前页面下，点击MSG指令的 “Setup Screen.就呵以对通佔的一些参数进行没枚，如阁6 所水r氓点是选择“Channel和“Modbus Command”项。如果 是与变頻器，就把-Modbus Command”选择成“06 Write Sin- gle Register 4xxxx”04人机界面报据系统的控制嬰求，使用罗兑H尔公d的RSview32软 件.设计出PC机上曲的运行人机界曲，如阉7所冰。该界曲是 根据资负枨供水系统实验室模咽来设计的。该界面主要用来囝6 MSG通倌指令设置图7供水系统人
