CN102573157A - 并联谐振感应加热电源频率自适应电路 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电气技术领域，公开的并联谐振感应加热电源频率自适应电路包括扫频启动电路（1），频率跟踪电路（2），重叠区域处理电路（3）和信号选通电路（4）；扫频启动电路（1）输出频率连续变化的扫频驱动信号通过信号选通电路驱动逆变器，并检测逆变器输出的反馈信号，当反馈信号幅度达到门限值时，***由扫频启动转为频率跟踪，由频率跟踪电路实时跟踪负载谐振频率的变化；重叠区域处理电路调整两路驱动信号的重叠区域。本发明无需人为调整，能在较宽的负载频率范围内实现可靠启动和跟踪，具有结构简单、负载适应性好、启动可靠的特点。
Description
技术领域
本发明属于电气技术领域，公开一种并联谐振感应加热电源频率自适应电路。
背景技术
目前，感应加热以其加热效率高、升温快、可控性好等优点，广泛应用于熔炼、透热、淬火等领域，感应加热电源是其关键设备之一。然而，电源输出频率由加工工件的几何形状和趋肤深度决定，不同的工件和工艺要求需要电源能在较宽的频率范围内工作，并联谐振感应加热电源在较宽的频率范围内可能会出现启动困难的问题。同时在加热过程中,由于温度等因素的变化,负载固有谐振频率随负载等效参数的变化而变化。为了使电源在宽频带下能够正常启动同时加热过程中始终处于谐振或准谐振状态，必须采用频率自适应电路。
传统的CD4046模拟锁相环的感应加热电源，具有启动频率范围窄、启动成功率低，频率锁定之后响应慢的缺点。而目前数字化感应加热电源尚未实现***完全数字化，接口复杂，成本较高。
专利号为200610023406.7的文件中涉及到感应加热电源的起振跟踪技术，但该文件中阐述的技术在启动时***是被动的跟踪启动电压，当负载谐振频率发生较大变化时（譬如改变工艺）需要专业人员调整。
发明内容
针对传统感应加热电源启动和频率跟踪存在的问题，本发明的目的是提出一种并联谐振感应加热电源频率自适应电路，使其无需人为调整，能在较宽的负载频率范围内实现可靠启动和跟踪，具有结构简单、负载适应性好、启动可靠的特点。
本发明为完成上述发明任务采用如下技术方案：
一种并联谐振感应加热电源频率自适应电路，所述的并联谐振感应加热电源频率自适应电路包括扫频启动电路，频率跟踪电路，重叠区域处理电路和信号选通电路；电源启动时，扫频启动电路输出频率连续变化的用以驱动逆变器的扫频驱动信号，该信号通过信号选通电路直接驱动逆变器，由运算放大器构成的比较器检测逆变器输出的反馈信号，当反馈信号幅度达到预设的门限值时，说明当前频率已经接近负载谐振频率，此时由比较电路生成的自激/它激信号电平变化，控制***由扫频启动模式转换为频率跟踪模式，将逆变器输出频率锁定在负载固有谐振频率上；重叠区域处理电路负责调整两路驱动信号的重叠区域。最终频率跟踪电路实时跟踪负载谐振频率的变化，实现输出驱动信号频率对负载谐振频率的自适应。
所述的扫频启动电路主要包括边缘生成电路、电压比较器IC2A、运算放大器IC2C、射极电压跟随器IC2B、锁相环IC6、电容C17、可变电阻RP5及***电路；所述电压比较器IC2A的输出与运算放大器IC2C相连通；所述运算放大器IC2C的输出与***电路中的电阻R16、电容C8和整流管ZD1并联构成的比例积分器其输出与射极电压跟随器IC2B相连通；所述的射极电压跟随器IC2B的输出与锁相环IC6相连通，构成扫频启动电路，将锁相环IC6压控振荡器的输出端输出扫频信号U-OPEN送入信号选通电路；由二极管D2、电阻R18、R19、电容C12构成的边缘生成电路将外部输入信号OSC_1变换之后将其送入电压比较器IC2A的正向输入端，同时电阻R3、R4构成分压电路将分压送入电压比较器IC2A的反向输入端；电压比较器IC2A的输出经过二极管D1、电阻R11、R12构成的边缘生成电路整形后送入运算放大器IC2C的反向输入端，运算放大器IC2C的正向输入端接地；位于运算放大器IC2C的输出端与反向输入端之间的电阻R16、电容C8和整流管ZD1并联构成比例积分器；所述比例积分器的输出接入射极电压跟随器IC2B的同相输入端，射极电压跟随器IC2B的输出端与反相输入端直连并接入锁相环IC6压控振荡器的输入端；压控振荡器的输出端输出扫频信号U-OPEN,并将扫频信号U-OPEN送入信号选通电路；锁相环IC6、电容C17和滑动变阻器RP5构成开环振荡器。
所述的频率跟踪电路主要包括锁相环IC1、阻容网络、运算放大器IC3及放大器反馈网络；所述锁相环IC1鉴相器的输入端输入来自重叠区域处理电路和信号选通电路04的信号I-SF和U-SF，锁相环IC1鉴相器的输出通过电阻R5、R7、R8、R10和电容C3所构成的阻容网络送入运算放大器IC3的反向输入端；运算放大器IC3的输出反馈至回锁相环IC1的压控振荡器的输入端，形成闭环反馈，实现频率跟踪功能，将锁相环IC1压控振荡器的输出信号VCOUT送入重叠区域处理电路；运算放大器IC3的同相输入端接入门限电平，其大小由电阻R9和滑动变阻器RP1分压得到，电阻R13、电容C7作为运算放大器IC3的反馈接在运算放大器IC3的反向输入端和输出端之间；运算放大器IC3的输出信号经过由R15和C9构成的滤波器，反馈回锁相环IC1压控振荡器的输入端；所述锁相环IC1压控振荡器的输出信号VCOUT送入重叠区域处理电路；锁相环IC1与电容C1、电阻R1构成锁相环路，锁定逆变器输出频率在负载固有频率上。
所述的重叠区域处理电路主要包括分频器和振荡器；所述的分频器由分频器IC4A、分频器IC4B级联组成；所述的振荡器由滑动变阻器RP2、电容C10和IC5A构成；分频器IC4A所输出的高电平一方面送入振荡器IC5A的输入端，另一方面送入分频器IC4B，振荡器所输出的信号D111、分频器IC4B的输出信号Q111、Q222分别经过R21、R22、D3构成的边缘生成电路和R20、R23、D4构成的边缘生成电路将信号输入施密特触发器IC7A、IC7B、IC7C 、IC7D进行波形整定；施密特触发器IC7A-D将所接收的信号处理之后将脉冲信号Signal1、Signal2送到信号选通电路；同时分频器IC4B的输出信号Q111、Q222经过R20、R23、D4构成的边缘生成电路和IC7B后输出用以选通频率跟踪电路的选通信号I-SF。
所述的信号选通电路主要包括边数据选择器、比较器IC2D和驱动电路IC12B、IC13；反馈信号MFV_FB经过由电阻R17、电容C11构成的滤波器，接入比较器IC2D的正相输入端，同时电阻R24、滑动变阻器RP3构成分压电路将分压送入比较器IC2D的反向输入端；比较器IC2D的输出经过处理生成自激/它激信号ZJ-TJ作为数据选择器的选择端，用于选择锁相环IC1鉴相器的输入信号是来自反馈信号MFV_FB还是扫频信号U-OPEN；输入信号OSC_1经过二极管D5、电阻R25、R26整形之后送入数据选择器的选择端，用于选择+15V电平或者来自重叠区域处理电路的脉冲信号Signal1、Signal2；只有OSC_1稳定在高电平时，之前生成的逆变器驱动信号才会被选通，两路信号分别经过驱动芯片IC12B和IC13A，输出适合驱动逆变器的信号；否则，数据选择器输出+15V电平，该电平无法驱动逆变器，逆变器不工作。同时数据选择器的Z项输出用以选通频率跟踪电路的选通信号U-SF。
本发明提出的一种并联谐振感应加热电源频率自适应电路，针对并联谐振型感应加热电源启动瞬间由于输出电压尚未建立导致的启动问题，采用扫频启动的方式，并利用反馈电压的强弱来判断是否能进行后续的频率跟踪；由于扫频过程很短但频带很宽，对于不同频率要求的负载，无论是轻载还是重载，本发明无需人工调整就能可靠启动，成功率达到100%。同时，启动之后切换到频率跟踪模式，通过移相调节、死区处理、相位锁定，使逆变器驱动信号能实时跟踪负载的变化，保证感应加热电源始终处于谐振或准谐振状态，提高有功功率，具有结构简单、负载适应性好、启动可靠的特点。
附图说明
图1为本发明的电路框图。
图2为本发明中扫频启动电路的电路原理图。
图3为本发明中频率跟踪电路的电路原理图。
图4为本发明中重叠区域处理电路的电路原理图。
图5为本发明中信号选通电路的电路原理图。
图6为本发明的逆变器输出波形。
图7为本发明的驱动重叠时间波形。
图中：1、扫频启动电路，2、频率跟踪电路，3、重叠区域处理电路，4、信号选通电路。
具体实施方式
结合附图和具体实施例对本发明加以说明；
如图1所示，一种并联谐振感应加热电源频率自适应电路，所述的并联谐振感应加热电源频率自适应电路包括扫频启动电路1，频率跟踪电路2，重叠区域处理电路3和信号选通电路4；电源启动时，扫频启动电路1输出频率连续变化的用以驱动逆变器的扫频驱动信号，该信号通过信号选通电路4直接驱动逆变器，由运算放大器构成的比较器检测逆变器输出的反馈信号，当反馈信号幅度达到预设的门限值时，说明当前频率已经接近负载谐振频率，此时由比较电路生成的自激/它激信号电平变化，控制***由扫频启动模式转换为频率跟踪模式，将逆变器输出频率锁定在负载固有谐振频率上；重叠区域处理电路3负责调整两路驱动信号的重叠区域。最终频率跟踪电路2实时跟踪负载谐振频率的变化，实现输出驱动信号频率对负载谐振频率的自适应。
如图2所示，所述的扫频启动电路1主要包括边缘生成电路、电压比较器IC2A、运算放大器IC2C、射极电压跟随器IC2B、锁相环IC6及电容C17、可变电阻RP5；由二极管D2、电阻R18、R19、电容C12构成的边缘生成电路将外部输入信号OSC_1变换之后将其送入电压比较器IC2A的正向输入端，同时电阻R3、R4构成分压电路将分压送入电压比较器IC2A的反向输入端；电压比较器IC2A的输出经过二极管D1、电阻R11、R12构成的边缘生成电路整形后送入运算放大器IC2C的反向输入端，运算放大器IC2C的正向输入端接地；位于运算放大器IC2C的输出端与反向输入端之间的电阻R16、电容C8和整流管ZD1并联构成比例积分器；所述的比例积分器将直流信号转换为连续变化的斜坡信号接入射极跟随器IC2B的同相输入端，射极跟随器IC2B的输出端与反相输入端直连并接入锁相环IC6压控振荡器的输入端；压控振荡器的输出端输出扫频信号U-OPEN,并将扫频信号U-OPEN送入信号选通电路；锁相环IC6、电容C17和滑动变阻器RP5构成开环振荡器，锁相环IC6处于开环工作状态，输出频率直接受压控振荡器输入端电压控制，因此此时输出连续变化的扫频信号；所述的锁相环IC6采用现有技术中的模拟锁相环路CD4046。
如图3所示，所述的频率跟踪电路2主要包括锁相环IC1、阻容网络、运算放大器IC3及放大器反馈电路；所述锁相环IC1鉴相器的输入端输入来自重叠区域处理电路和信号选通电路04的信号I-SF和U-SF，锁相环IC1鉴相器的输出端经过电阻R5、R7、R8、R10和电容C3所构成的阻容网络接到运算放大器IC3的反向输入端，运算放大器IC3的同相输入端接入电阻R9和滑动变阻器RP1的所构成的分压电路，电阻R13、电容C7作为运算放大器IC3的反馈接在运算放大器IC3的反向输入端和输出端之间；运算放大器IC3的输出信号经过由R15和C9构成的滤波器，反馈回锁相环IC1压控振荡器的输入端，调节RP1可以微调输出频率，从而改变逆变器工作状态；所述锁相环IC1压控振荡器的输出频率跟踪信号VCOUT送入重叠区域处理电路；锁相环IC1与电容C1、电阻R1构成锁相环路，所述的锁相环采用现有技术中的模拟锁相环路CD4046，锁定逆变器输出频率在负载固有频率上；感应加热电源工作期间始终处于谐振或准谐振状态，逆变器输出波形如图6所示。
如图4所示，所述的重叠区域处理电路3接收来自频率跟踪电路02的频率跟踪信号，增加重叠时间后将两路逆变驱动信号送到信号选通电路；重叠区域处理电路主要包括分频器、振荡器和逻辑电路；所述的分频器采用现有技术中的分频器CD4013，所述的分频器由分频器IC4A、分频器IC4B级联组成；所述的振荡器采用现有技术中的振荡器CD4098，由滑动变阻器RP2、电容C10和IC5A构成；分频器IC4A所输出的高电平一方面送入振荡器中IC5A的输入端，另一方面送入分频器IC4B，振荡器所输出的信号D111、分频器IC4B的输出信号Q111、Q222分别经过R21、R22、D3构成的边缘生成电路和R20、R23、D4构成的边缘生成电路将信号输入施密特触发器IC7A、IC7B、IC7C 、IC7D进行波形整定；施密特触发器IC7A-D将所接收的信号处理之后生成脉冲信号Signal1、Signal2送到信号选通电路；同时分频器IC4B的输出信号Q111、Q222经过R20、R23、D4构成的边缘生成电路和IC7B后输出用以选通频率跟踪电路的选通信号I-SF振荡器所输出的信号D111为驱动重叠区域信号的宽度，可以通过微调RP2改变重叠区域宽度，驱动重叠信号的波形如图7所示。
如图5所示，所述的信号选通电路4使用接收的逆变器驱动信号直接驱动逆变器，同时决定自激/它激的切换时机，主要包括边缘生成电路、数据选择器、比较器IC2D和驱动电路IC12B、IC13；反馈信号MFV_FB经过由电阻R17、电容C11构成的滤波器，接入比较器IC2D的正相输入端，同时电阻R24、滑动变阻器RP3构成分压电路将分压送入比较器IC2D的反向输入端；比较器IC2D的输出经过处理生成自激/它激信号ZJ-TJ作为数据选择器的选择端，控制***由扫频启动自行转换为频率跟踪状态；用于选择锁相环IC1鉴相器的输入信号是来自反馈信号MFV_FB还是扫频信号U-OPEN；输入信号OSC_1经过二极管D5、电阻R25、R26整形之后送入数据选择器的选择端，用于选择高平+15V或者来自重叠区域处理电路的脉冲信号Signal1、Signal2；只有OSC_1稳定在高电平时，之前生成的逆变器驱动信号才会被选通，输出用于驱动逆变器的信号；否则，数据选择器输出+15V电平，该信号无法驱动逆变器，逆变器不工作；同时数据选择器的输出用以选通频率跟踪电路的选通信号U-SF；所述的数据选择器为现有技术中的数据选择器CD4053。
Claims (5)
1.一种并联谐振感应加热电源频率自适应电路，其特征在于：所述的并联谐振感应加热电源频率自适应电路包括扫频启动电路（1），频率跟踪电路（2），重叠区域处理电路（3）和信号选通电路（4）；电源启动时，扫频启动电路（1）输出频率连续变化的用以驱动逆变器的扫频驱动信号，该信号通过信号选通电路（4）直接驱动逆变器，由运算放大器构成的比较器检测逆变器输出的反馈信号，当反馈信号幅度达到预设的门限值时，说明当前频率已经接近负载谐振频率，此时由比较电路生成的自激/它激信号电平变化，控制***由扫频启动模式转换为频率跟踪模式，将逆变器输出频率锁定在负载固有谐振频率上；重叠区域处理电路（3）负责调整两路驱动信号的重叠区域；最终频率跟踪电路（2）实时跟踪负载谐振频率的变化，实现输出驱动信号频率对负载谐振频率的自适应。
2.根据权利要求1所述的并联谐振感应加热电源频率自适应电路，其特征在于：所述的扫频启动电路主要包括边缘生成电路、电压比较器IC2A、运算放大器IC2C、射极电压跟随器IC2B、锁相环IC6、电容C17、可变电阻RP5及***电路；所述电压比较器IC2A的输出与运算放大器IC2C相连通；所述运算放大器IC2C的输出与***电路中的电阻R16、电容C8和整流管ZD1并联构成的比例积分器其输出与射极电压跟随器IC2B相连通；所述的射极电压跟随器IC2B的输出与锁相环IC6相连通，构成扫频启动电路，将锁相环IC6压控振荡器的输出端输出扫频信号U-OPEN送入信号选通电路；由二极管D2、电阻R18、R19、电容C12构成的边缘生成电路将外部输入信号OSC_1变换之后将其送入电压比较器IC2A的正向输入端，同时电阻R3、R4构成分压电路将分压送入电压比较器IC2A的反向输入端；电压比较器IC2A的输出经过二极管D1、电阻R11、R12构成的边缘生成电路整形后送入运算放大器IC2C的反向输入端，运算放大器IC2C的正向输入端接地；位于运算放大器IC2C的输出端与反向输入端之间的电阻R16、电容C8和整流管ZD1并联构成比例积分器；所述比例积分器的输出接入射极电压跟随器IC2B的同相输入端，射极电压跟随器IC2B的输出端与反相输入端直连并接入锁相环IC6压控振荡器的输入端；压控振荡器的输出端输出扫频信号U-OPEN,并将扫频信号U-OPEN送入信号选通电路；锁相环IC6、电容C17和滑动变阻器RP5构成开环振荡器。
3.根据权利要求1所述的并联谐振感应加热电源频率自适应电路，其特征在于：所述的频率跟踪电路主要包括锁相环IC1、阻容网络、运算放大器IC3及放大器反馈网络；所述锁相环IC1鉴相器的输入端输入来自重叠区域处理电路和信号选通电路04的信号I-SF和U-SF，锁相环IC1鉴相器的输出通过电阻R5、R7、R8、R10和电容C3所构成的阻容网络送入运算放大器IC3的反向输入端；运算放大器IC3的输出反馈至回锁相环IC1的压控振荡器的输入端，形成闭环反馈，实现频率跟踪功能，将锁相环IC1压控振荡器的输出信号VCOUT送入重叠区域处理电路；运算放大器IC3的同相输入端接入门限电平，其大小由电阻R9和滑动变阻器RP1分压得到，电阻R13、电容C7作为运算放大器IC3的反馈接在运算放大器IC3的反向输入端和输出端之间；运算放大器IC3的输出信号经过由R15和C9构成的滤波器，反馈回锁相环IC1压控振荡器的输入端；所述锁相环IC1压控振荡器的输出信号VCOUT送入重叠区域处理电路；锁相环IC1与电容C1、电阻R1构成锁相环路，锁定逆变器输出频率在负载固有频率上。
4.根据权利要求1所述的并联谐振感应加热电源频率自适应电路，其特征在于：所述的重叠区域处理电路主要包括分频器和振荡器；所述的分频器由分频器IC4A、分频器IC4B级联组成；所述的振荡器由滑动变阻器RP2、电容C10和IC5A构成；分频器IC4A所输出的高电平一方面送入振荡器IC5A的输入端，另一方面送入分频器IC4B，振荡器所输出的信号D111、分频器IC4B的输出信号Q111、Q222分别经过R21、R22、D3构成的边缘生成电路和R20、R23、D4构成的边缘生成电路将信号输入施密特触发器IC7A、IC7B、IC7C 、IC7D进行波形整定；施密特触发器IC7A-D将所接收的信号处理之后将脉冲信号Signal1、Signal2送到信号选通电路；同时分频器IC4B的输出信号Q111、Q222经过R20、R23、D4构成的边缘生成电路和IC7B后输出用以选通频率跟踪电路的选通信号I-SF。
5.根据权利要求1所述的并联谐振感应加热电源频率自适应电路，其特征在于：所述的信号选通电路主要包括边数据选择器、比较器IC2D和驱动电路IC12B、IC13A；反馈信号MFV_FB经过由电阻R17、电容C11构成的滤波器，接入比较器IC2D的正相输入端，同时电阻R24、滑动变阻器RP3构成分压电路将分压送入比较器IC2D的反向输入端；比较器IC2D的输出经过处理生成自激/它激信号ZJ-TJ作为数据选择器的选择端，用于选择锁相环IC1鉴相器的输入信号是来自反馈信号MFV_FB还是扫频信号U-OPEN；输入信号OSC_1经过二极管D5、电阻R25、R26整形之后送入数据选择器的选择端，用于选择+15V电平或者来自重叠区域处理电路的脉冲信号Signal1、Signal2；只有OSC_1稳定在高电平时，之前生成的逆变器驱动信号才会被选通，两路信号分别经过驱动芯片IC12B和IC13A，输出适合驱动逆变器的信号；否则，数据选择器输出+15V电平，该信号无法驱动逆变器，逆变器不工作；同时数据选择器的输出用以选通频率跟踪电路的选通信号U-SF。
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