- 頭條脈沖式感應加熱電源頻率跟蹤技術的研究與實現2019-07-02 作者：王曉娜、方旭等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語中國計量大學工業與商貿計量技術研究所王曉娜、方旭等，在2018年第18期《電工技術學報》上撰文，為解決傳統感應加熱電源中搜索諧振頻率慢和頻率跟蹤實時性差的問題，提出一種改進型全數字定角頻率跟蹤技術，以滿足脈沖渦流熱成像對激勵電源的特殊要求。首先，介紹脈沖式感應加熱電源系統及工作原理，在此基礎上對改進型定角頻率跟蹤技術進行詳細的理論分析；然后，建立系統控制參數與系統穩態、動態性能的數學表達式，進一步分析品質因數、起動頻率和頻率步進值對系統動態響應特性的影響；最后，對基于脈沖式感應加熱電源系統進行實驗，并對改進型全數字定角頻率跟蹤技術的性能進行驗證。結果表明：該頻率控制系統具有搜索諧振頻率快、實時跟蹤能力強、穩定性好等優點，仿真和實驗結果驗證了該頻率跟蹤技術的有效性和可行性。
脈沖渦流熱成像技術具有非接觸、成像直觀、檢測效率高和易于實現自動化等優點，已成功應用于航空航天、交通運輸、石油化工等領域[1-4]。感應加熱電源是脈沖渦流熱成像技術的重要組成部分，電源性能直接影響缺陷特征信號的提取、系統檢測靈敏度和缺陷檢出率。
脈沖式感應加熱電源，是一種特殊的感應加熱電源，其特征在于非常快速地搜索到諧振頻率，然后在弱感性或諧振狀態下輸出短時持續脈沖。近年來，國內外研究人員圍繞電路拓撲結構[5-8]、電磁耦合探頭[9-11]及頻率跟蹤技術[12-19]等感應加熱電源關鍵技術展開了深入研究，其中電流過零點同步檢測[12,13]和鎖相環技術[14-19]是兩種典型的頻率跟蹤技術。
文獻[13]采用電流過零點同步技術進行頻率跟蹤，該技術具有過渡時間短、超調量小等優點，但是感應加熱電源在開關過程中，由于寄生參數的影響會使電流過零時出現高頻振蕩信號，導致系統跟蹤異常。
隨著數字化技術的發展，基于FPGA的全數字鎖相環頻率跟蹤技術在感應加熱電源中得到了廣泛應用，鎖相環頻率跟蹤技術的性能直接影響著電源系統的工作效率、穩定性以及抗干擾能力。
文獻[15,16]提出的基于FPGA的自動變模控制感應加熱電源全數字鎖相環，在FPGA內嵌的數字鎖相環模塊74297的基礎上，設計了中心頻率拓展模塊Counter32B，采用N值檢測計數器Counter32B對輸入信號進行計數并將計數結果作為N模分頻器分頻值，實現鎖相環中心頻率頻帶拓展。
文獻[17]中提出的鎖相環為了增加鎖相的范圍，根據監測負載電流的頻率隨時修改設計N分頻模塊的參數值。
文獻[18]提出了一種基于FPGA的數字鎖相環，使感應加熱電源工作在零電壓開通（Zero Voltage Switching, ZVS）狀態，提高了電源的效率。
上述文獻中數字鎖相環的分頻參數N都是通過負載電流獲取，而電流采樣電路在過零點處通常存在高頻振蕩信號，將會導致分頻參數異常，使鎖相環電路失鎖，影響電源的工作安全。
針對上述兩種頻率跟蹤技術存在穩定性差和抗干擾能力弱及不能人為設置頻率跟蹤策略等問題，本文提出一種基于FPGA的改進型全數字定角頻率跟蹤技術。
首先介紹了脈沖式感應加熱電源系統及工作原理，在此基礎上對改進型定角頻率跟蹤技術進行詳細的理論分析；建立控制系統的目標函數，并仿真分析品質因數、起動頻率和頻率步進值等不同參數對控制系統性能的影響；最后通過實驗驗證了改進型定角頻率跟蹤技術適用于脈沖式感應加熱電源中。
圖10 脈沖式感應加熱電源平臺系統實物
結論
本文提出了一種基于FPGA的適用于脈沖式感應加熱電源的改進型全數字定角頻率跟蹤控制技術。該控制系統的N分頻參數根據頻率發生器的控制策略來獲取，有效地解決了全數字鎖相環中分頻模塊受高頻振蕩信號干擾以及電流過零同步技術受電流在過零時刻振蕩的影響，提高了電源的抗干擾能力，增強了電源的穩定性。
通過設置相位控制值S使負載穩定的工作在弱感性狀態，并且通過步進值控制器實現不同的控制策略，增加了系統的可控性，提高頻率跟蹤速度。
本文對控制系統進行了數學建模，利用Matlab軟件進行仿真，并在硬件平臺進行實驗，驗證了改進型定角頻率跟蹤控制系統的性能。該系統實現簡單，成本低，可以更好地應用到基于FPGA的脈沖式感應加熱電源中。
