本科毕业论文---商用电磁炉控制系统的设计.doc

毕业设计（论文）

题 目
商用电磁炉控制系统的设计
系 （院）
物理与电子科学系
专 业
电子信息科学与技术
班 级
2008级3班
学生姓名

学 号

指导教师

职 称
讲师

二〇一二年四月二十日

II

独 创 声 明
本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本声明的法律后果由本人承担。

作者签名:
二〇一二年 月 日

毕业设计（论文）使用授权声明
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（保密论文在解密后遵守此规定）

作者签名:
二〇一二年 月 日
ii

商用电磁炉控制系统的设计
摘 要
本文首先阐述了商用电磁炉的优点、现状和发展，分析了电磁感应加热原理在电磁炉中的应用，对商用电磁炉的工作原理进行了深入研究，确定了控制系统的电路设计方案。设计的控制系统硬件电路主要包括：主控制器和外围电路，频率跟踪电路，功率控制电路，电压、电流、温度信号的检测电路，报警保护电路和逆变器隔离驱动电路等。使用HCPL-316J驱动隔离逆变开关管IGBT，另外增加了软启动功能，提高了控制系统和逆变电路的可靠性和安全性。在软件设计上，使用了积分分离的PID控制方法，当系统检测到功率差大于预定值时使用PD控制器，小于预定值时使用PID控制器，使系统调节具有良好的稳态性能和瞬态性能。设计了快速、准确的长时间开机无人操作自动关机和锅具检测等功能，不仅减少了电磁污染还节约了电能。

关键词：商用电磁炉；积分分离PID控制；SG3525；电磁感应加热；独立驱动

The Design of the Control System of Commercial Induction Cooker
Abstract
This paper first describes the advantages, status and development of commercial induction cooker, the application of the principle of electromagnetic induction heating cooker in commercial induction cooker works carried out in-depth study to determine the control system circuit design. The design of control system hardware circuit including: the host controller and peripheral circuits, frequency tracking circuit, the power control circuit, voltage, current, temperature signal detection circuit, alarm protection circuit and the inverter isolated drive circuit and so on. Use the HCPL-316J drive isolation inverter switching IGBT, additional soft-start function, improve the reliability and security of the control system and the inverter circuit. In software design, the use of integral separation PID control method, using the PD controller when the system detects that the power difference is greater than a predetermined value, less than a predetermined value using a PID controller, allowing the system to adjust has a good steady state performance and transient performance. Designed a fast, accurate and long boot unattended operation automatically shut down and cookware detection and other functions, not only to reduce the electromagnetic pollution also saves energy.

Key words： Commercial induction cooker；integral separation PID control；SG3525； electromagnetic induction heating；independent drive

目 录
引 言 1
第一章 商用电磁炉的原理分析 2
1.1电磁感应加热原理 2
1.2商用电磁炉工作原理分析 3
1.2.1电磁炉等效输出电路 4
1.2.2电压型逆变电路分析 6
1.2.3单相半桥型电压谐振逆变器 7
1.2.4系统功率调节方式 7
第二章 硬件电路设计 10
2.1系统工作过程和主要功能电路 10
2.1 .1 系统工作过程 10
2.1.2 系统主要功能 11
2.2 功率控制电路 11
2.2 .1 SG3525介绍 12
2.2.2 脉冲信号（PFM）生成电路 13
2.2.3 频率监控电路设计 14
2.3 检测保护电路 15
2.3.1 电流检测保护电路 15
2.3.2 报警电路 16
2.3.3 显示电路 17
2.4 隔离驱动电路设计 17
第三章 商用电磁炉控制系统软件设计 20
3.1 积分分离PID控制器在系统功率调节中的应用 20
3.1.1积分分离PID 20
3.2 软件程序结构 21
3.2.1 主程序设计 22
3.2.2 系统初始化子程序 23
3.2.3 负载锅具有无检测 24
3.2.4故障显示报警 25
第四章 设计结果和实验分析 26
4.1性能测试 26
4.2波形测试及分析 26
结 论 28
参考文献 29
谢 辞 30
附录 31

引 言
电磁炉也称为电磁灶，是根据电磁感应加热原理，利用线圈通过交变电流产生交替变化的磁场，铁质锅底部在交变磁场的作用下产生感应电流，锅底在感应电流的作用下迅速发热，用来烹饪和加热食物。根据功率的大小区分，电磁炉可分为商用电磁炉和家庭用电磁炉两种。通常家庭用电磁炉功率是在3.5kw以下，商用电磁炉功率是在3.5-25kw之间。随着人们节能、环保意识的加强和生活水平的提高，家庭用电磁炉已走入千家万户。和家庭用电磁炉相比，目前商用电磁炉仍处于起步阶段，和目前餐饮服务行业广泛使用的商用燃气炉、燃油炉相比，商用电磁炉无明烟、无废气、无明火、清洁卫生，很大程度上改善了厨房内的工作环境[1][2]。商用电磁炉具有主要以下优点：
(1)节能、高效
电磁炉利用电磁感应加热原理，产生的热直接作用于锅底加热，它的热效率高达80％—90％，更好地满足了中国人大火快炒的要求。
(2)环保
商用电磁炉没有燃烧烟尘、燃烧废气排放，工作时噪音小。传统的灶具工作时，由于燃料与空气中的氧气接合，从而导致大部分热量散发，周围温度上升，同时释放二氧化硫、一氧化碳等有害物质，损害人体健康。
(3)安全
商用电磁炉具有工作状态自我检测功能、锅具检测功能、面板过热自动保护功能、无人看管自动关机功能、过压过流保护功能、异常报警功能、内部过温保护等功能，确保了工作时能够安全使用。
商用电磁炉作为一个新兴厨房用具市场占有率还不到10％，现在主要集中在宾馆、酒店、大型商业中心及大中专院校的食堂等不能使用燃气的场所和客货轮船、电力火车等交通工具上，以及对安全、环保、品质要求高的一些厂矿企业中。因为商用电磁炉在高效、节能、安全和环保方面的优势，并且由于技术的改进和成本的降低，相信其会代替燃气灶、传统的燃油成为市场的流行产品。本文目在于改进商用电磁炉的 控制系统，使其更加高效、节能和智能化，从而进一步降低成本。

第一章 商用电磁炉的原理分析
1.1电磁感应加热原理
电磁感应加热是利用电磁感应的物理现象对金属器件进行加热。当线圈中经过交变的电流时线圈周围就会产生交变的磁场，当有金属导体放入这个交变的磁场中的时，因为法拉第电磁感应定律，就会在导体的表面产生感应电流，电流不规则地碰撞金属物体，进而产生热量。电磁感应、热量传输和集肤效应是电磁感应加热的三个基本要素。变压器与感应加热原理类似，所以简单表示为如图1.1所示[3]：
图1.1 变压器等效电路图

当匝数为N1的线圈上通交变电流I1时，内部就会产生相等频率的交变磁通穿过金属器件产生感应电E，所以就会在导体表面产生感应电流i。
由麦克斯韦电磁方程式，得感应电动势的大小是：
公式（1.1）
上式中N2是器件等效匝数，商用电磁炉感应加热的器件就是被加热的负载锅具，所以N2等于1，假设感应电动势是按正弦规律变化的，有：
公式（1.2）
由此得到感应电动势：
公式（1.3）
感应电动势的等效值：
公式（1.4）
其中φ：为磁通量；f：流过锅具的感应电流频率。
感应电势E在器件中产生感应电流i2，使器件加热， I2使器件内部（器件表面的电流穿透深度Lx）开始加热，根据焦耳—楞次定律得，焦耳热为：
公式（1.5）
其中，T为负载通电时间(S)，Q表示焦耳热(J)， I为感应电流(A)，R为负载电阻(锅具的电阻Q)。
公式（1.6）
公式（1.7）
由1.6式可以看出，电流穿透深度Lx与负载锅具电阻率P的平方根为正比，与电流频率的平方根和负载锅具的磁导率u成反比。频率越高，电流的穿透深度Lx越小。所以在实际加热过程中可以通过改变频率来控制加热过程。
1.2商用电磁炉工作原理分析
商用电磁炉的工作原理跟家用电磁炉的原理基本类似，区别是商用电磁炉是大功率电磁炉，因此电路设计与家用电磁炉又有些不同。商用电磁炉使用交流380V作为直接电源，加热励磁线圈需要的功率比家用电磁炉大几倍甚至十多倍，不论从主电路、驱动保护电路还是控制电路，和家用电磁炉有很大的差异。商用电磁炉工作原理如下[14]：
图1.2 商用电磁炉工作原理框图

由图1.2可知，商用电磁炉的工作过程，主要是对供电电源的一系列的变化，使变化后的结果满足感应加热的需求。商用电磁炉使用380V交流电作为直接电源，励磁线圈需要很大的功率，380V交流电经过整流电路转化滤波为539V的直流电压，此电压经过逆变电路，转变为高频的交流电，高频交流电作为初级线圈的电源，向励磁线圈供电。谐振电容与励磁线圈在逆变器功率开关控制下，构成高频高压谐振电路，同时产生高频交变的电流，进而产生高频变化的磁场，被加热的锅具就相当于放进磁场中的导体，因为感应电动势的存在，锅底上产生感应电流，因为涡流的焦耳效应和趋肤效应，达到加热锅具的目的[4]。
1.2.1电磁炉等效输出电路
在电磁炉加热过程中，加热的锅具相当于变压器中的一个单匝副边，原边为高频电容与发热励磁线圈组成的振荡电路。所以锅具就成为了主电路中的一个器件。没有锅具，系统就没有功率输出。因此，系统主电路中的励磁线圈盘与锅具共同构成了系统的输出电路。
电磁炉加热锅具的过程，是锅具接受发热励磁线圈产生的能量的过程。当交变的高频电流流过线圈盘的线圈时，就会有闭合的磁力线沿线圈盘半径方向产生，磁力线经过锅具的底部时，就会有环形电流在锅具底部沿圆周产生。在任一时刻，线圈盘中电流的方向总是与这个电流的方向相反。高频电流在此电阻上产生热量的表达式：Q=I2RT，这就是系统在锅具表面生成的热源。通常励磁线圈距离锅具底表面的距离为15mm左右[5]。励磁线圈与负载锅具之间的关系，好比变压器的主副边的关系，利用变压器的原理，可以把锅具负载输出电路等效为变压器的原边与副边，等效电路如图1.3所示：
图1.3 负载等效电路

其中，Rw为锅具等效电阻；Rc为加热线圈导体电阻。
为了方便计算和电路分析，还可以把图1.3进一步简化等效为图1.4：

图1.4 简化等效电路图
其中， Rx为锅具和励磁线圈的等效电阻；Lx为励磁发热线圈的等效电抗，则有：
公式（1.8）
可以得锅具负载的功率因数为：
公式（1.9）
设负载电感的电流为i时，负载的输出无功功率和有功功率分别为：
公式（1.10）
公式（1.11）
因此负载的品质因数：
公式（1.12）
有如下关系式：
公式（1.13）
在电磁炉的感应加热过程中，因为等效电阻Rx远远的小于wLx，因此功率因数不高，在电路中加补偿电容Cx补偿无功功率，如图1.5所示：
图1.5 负载锅具等效电路图

由于电容Cx的存在，使负载锅具的等效输出电路就构成了LC组成的谐振电路。因为电容Cx是串联在电路中，和等效电阻以及发热线圈共同构成了串联谐振电路。经过原理分析，等效输出电路连接于逆变电路，和逆变电路共同构成了谐振式逆变电路。
1.2.2电压型逆变电路分析
在电磁炉的主要电路中，电流逆变部分是关键内容，逆变器是组成逆变电路的核心，作用是将直流电逆变为高频交流电，输送给振荡电路的感应加热线圈，达到加热的要求。逆变器的主开关元件是功率晶体管，大部分采用的是绝缘栅双极型晶体管。
电压型谐振逆变电路具有两个桥臂，每一个桥臂都由一个反并联二极管和组一个可控件成，直流侧接有大电容以便提供稳定的直流电源。
(1)直流侧并联有大电容或者为电压源，等效于电压源。直流侧基本无波动，直流回路呈低阻抗特性。
(2)由于直流侧电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形，并且与负载阻抗角没有关系，但是交流侧输出的电流波形和相位角因为负载的阻抗情况的不同而不同。
(3)当交流侧是阻感负载时需要提供无功功率，本文研究的电磁炉就伴有无功功率，此时直流侧的电容就会对无功功率进行缓冲。通常，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通路，在逆变电路的每个桥臂并联有反馈二极管。
(4)电压型谐振逆变器启动比较简单。电压型逆变器可以进行自激工作，也可以采用他激工作。启动后，随着器件温度的升高，负载的参数变化，负载谐振的频率变化，只会使输出功率和功率因数角发生变化，但不会引起逆变颠覆或停止振荡的后果。
通过以上叙述可知电压型逆变器的输出电流为正弦波，电压为方波，电路构架简单，容易控制，虑波电感可有可无等特点，因此商用电磁炉采用电压型逆变器作为逆变主电路。前面分析的等效输出电路与逆变主电路构成了电压型谐振逆变电路。
1.2.3单相半桥型电压谐振逆变器
考虑到商用电磁炉需要频繁启动和应用环境的特殊性，最后确定采用的是单相半桥电压型谐振逆变电路，作为逆变电路的主电路，其原理如图1.6所示：
图1.6 单相半桥电压型谐振逆变器原理图

单相桥式逆变电路具有两个桥臂，每一个桥臂都由一个反并联二极管和一个可控元器件组成。在直流侧有两个相互串联的电容连接，在实际应用中电容C2与C1都是多个电容并联构成的电容组，假设C2与C1足够大，所以两电容均分直流电源电压Ud，两个桥臂和电容C2与C1中点之间连接负载。
设开关器件S2和S1的栅极信号在一个时钟周期内各有反偏、正偏半周，并且构成互补。为了避免上下桥臂直通，因为大功率器件关断和开通时的延时，在IGBT的驱动信号之间有死区时段存在，死区时间设计的长短，是由脉冲调制新片SG3525的第7引脚与第5引脚之间的电阻决定。只要死区时间设计的合适就能保证，在S1开关导通时，S2开关关闭。
1.2.4系统功率调节方式
本设计采用频率调功来进行功率输出调节，原因如下：采用不可控整流电路支持频率调功，能够对系统的输出功率进行连续调整，容易实现控制，实现软开关也很方便，具有比较宽泛的调节范围，成本较低。
脉冲频率调功法使用不可控整流电路整流后的直流电压，通过调节脉冲控制芯片的输出频率使逆变侧输出电压的频率得到改变，负载的功率因数进而得以改变，从而输出功率得到调节。输出控制脉冲、电流与电压的关系如图1.7所示：
图1.7 PWM功率调节方式

从图1.7中可知，脉冲频率发生变化时，输出电流与电压的相位也会发生变化。输出的功率为：
公式（1.14）
其中B：电流与电压的相位角；Zn为输出阻抗
功率因数角为：
公式（1.14）
功率和频率可以表示为：
公式（1.15）
由以上分析，工作频率与功率输出的关系如下图所示：
图1.7 功率输出与工作频率的变化关系

由图1.7可以得到，脉冲频率的变化会使得负载功率因数角也 变化，改变输出功率可以通过调节功率因数脚实现。当输出频率和谐振频率相等时，即：f=f0时，此时有最大的输出功率；当f>fo即为谐振频率小于输出频率时，这时负载呈感性，输出频率越大，|Z| 越大，输出功率就越小；当f<fo时，即为谐振频率大于输出频率，负载在容性区工作，频率越小容抗越大，功率减小，所以输出功率就越小。

第二章 硬件电路设计
2.1系统工作过程和主要功能电路
2.1 .1 系统工作过程
本系统由整流滤波及低压电源电路、抗干扰电路、串联谐振回路、控制器电路、IGBT开关管驱动电路、过流过压过温保护电路、频率监控电路、PFM控制电路、操作显示电路等电路构成，如图2.1所示：

图2.1 系统组成框图

其工作过程：三相380V交流电经过整流滤波成为539V直流电作为主回路供电电压，采用脉冲频率调功法(PFM)对电磁炉IGBT开关管控制。可根据实际需求选择运行方式，控制器接到指令后，会根据反馈回的负荷电流计算当前运行的实际功率，将其与预定功率相比较得到偏差，按照积分分离PID控制策略，调节脉冲信号频率从而控制输出功率。为使电磁炉系统工作在感性区，设计了频率监控电路。
整个系统具有良好的保护功能，当系统出现过流、线盘或功率开关管IGBT过热情况时，系统会立即升高输出PFM脉冲的频率，降低电磁炉输出功率，在预定的时间内，上述故障如果没有排除，蜂鸣器发出报警，并显示相应的故障代码，控制器输出中断信号对功率管强行关断，进而保护功率管等关键部件。当主电源异常时，也会关闭系统，同时发出故障信息。
2.1.2 系统主要功能
(1)工作加热功率控制
加热火力被分为5个档，不同档位对应相应的输出功率。五个档功率分别为：15KW、12KW、9KW、6KW和3KW，功率波动在±5％。不同档位的选择是通过将调整电位器得到的电压送到控制器，由控制器根据检测到的电压值域来确定输出功率。
(2)工作状态显示
显示采用七段数码管加发光二极管(红、绿)的方式，在正常工作模式下，二极管亮绿灯，数码管显示l～5的加热档位；有故障的出现时，亮红灯并数码管显示1~5对应的故障代码。
(3)报警功能
通过硬件和软件设计实现对欠压，过压、过流报警，锅具温度超温报警，IGBT模块超温报警。
(4)锅具有无检测功能
锅具有无是由电流传感器反馈回的负荷电流大小确定，控制器输出50ms的PWM驱动信号，在此时间内检测电流的大小。当电流超过某一设定值时，说明有锅具存在，系统进入正常的功率输出；当电流低于此设定值时，判定为无锅。当无锅具状态保持2分钟后，系统自动进入待机状态。
2.2 功率控制电路
功率控制电路是控制系统电路设计的重要部分，功率控制 电路采用负 荷电流反馈的 闭环控制。在电路设计中，为了保证在过流时整流桥不受损坏，系统对负荷电流进行反馈采样。系统工作正常时，将档位设定值作为输入的控制信号，将反馈回的负荷电流值作为反映系统功率实际输出值，两者经过PID调节器处理产生电压信号，此信号通过控制器控制输出PWM驱动信号，此PWM经RT电阻变换电路后控制芯片SG3525转变输出驱动频率，进而改变负载电流的频率，相当于改变了系统的输出功率，使得输出功率始终跟随档位旋钮开关的设定值，达到系统恒功率输出的 目的。在此控制电路中，利用跟踪线盘电流相位来控制系统工作频率，使谐振网络始终工作于感性工作区内。 功率控制电路框图如下：
380V
整流电路
逆变电路
负荷谐振网络
负荷电流采样电路
HCPL-316J驱动
SG3525
控制器
过流比较
频率监控电路
图2.2 功率控制电路原理框图

从图2.2可知，功率控制电路的反馈电路是由频率监控电路与负荷电流采样电路共同构成。以脉冲控制芯片SG3525作为功率调节电路的控制为核心，控制器引脚的输出PWM控制信号和反馈回电流的信号，经过放大模块比较放大后，控制脉冲 调制控制器 SG3525的输 出频率。IGBT的 驱动频率 跟随SG3525的输出频率变化而 变化，从而使得系统输出工作频率发生对应的变化，所以调节了系统的输出功率。所以功率控制的关键是对SG3525外围电路设计和控制使用该芯片。
2.2 .1 SG3525介绍
SG3525是一种通用性强、功能齐全、性能优良的脉冲调制控制器。它能输出两路相反相位的脉冲信号，提供给IGBT开关管的发射极与栅极作为触发驱动信号。该芯片具有频率可调，过流保护功能等功能、死区时间可调功能、PWM脉冲信号封锁功能，并且多个SG3525可以联合使用等功能[7]。
SG3525输出的控制脉冲信号频率由公式2.1决定[8][9]：
(公式2.1)
式中RT表示6脚上的连接电阻R；CT表示5脚上的连接电容；RD表示7脚和5脚之间的连接电阻R。
2.2.2 脉冲信号（PFM）生成电路
由公式(2.1)可知， SG3535的输出频率可以通过调节6脚电阻RT。改变第6引脚的电流大小，就等于改变了RT的大小，这样SG3525输出控制信号的频率也就得到调节。为了方便控制，可采用电阻和三极管串联来替代第6引脚上的电阻RT，如图3.3所示：
图2.3 RT等效电阻调节电路

通过调节三极管Q1的基极电压Vi大小，改变三极管Q1集电极上的电流值，等于改变了RT的大小，这样就改变了SG3525输出的控制信号的频率。
当三极管Q1导通时，电容C1接地，这时第6引脚电流最大，输出控制信号的频率最高，功率达到最小；当三极管Q1由导通变为截止时，电容C1开始充电，流经6引脚的电流开始变小，频率逐渐降低，输出功率逐渐增大。
图2.4 等效电阻调节改进电路

为了实现系统闭环控制，采用控制器输出的PWM波电平代替Vi控制三极管Q2基极的电流控制SG3525第6引脚充放电的电流。为了克服三极管非线性的影响，系统采用电压控制电流源电路。如图2.4所示，PWM波电平加到放大器的同相端，有很高的输入电阻，并且因为负反馈能减少反馈回路非线性的影响，所以将Q2基极和射极都置于放大器的反馈回路中。
2.2.3 频率监控电路设计
本系统的功率调节采用频率控制调节(PFM)的方式。在系统运行过程中，因为锅具的材质、阻值的变化以及体积的大小，使得等效RLC构成的谐振回路参数有所变化。所以，只是通过设置调频电路电阻，是不能保证谐振回路完全工作在感性区的。所以将频率监控电路加入到控制电路中，当谐振回路的电流值超出预定值时，这时频率监控电路就会起作用。通过调节芯片SG3525输出的频率，谐振回路的振荡频率就可以得到调节。电路原理图如图2.5：
图2.5 频率监控电路

2.3 检测保护电路
保护电路将保证在电磁炉工作出现异常时能够报警，并通过控制器发出中断信号，迅速关断功率开关器件IGBT，停止加热，从而保护电磁炉元件不受损坏。
2.3.1 电流检测保护电路
图2.6 负荷电流检测电路

将电流传感器CT360的原边l、2端串接在电源线上，在副边3、4端产生的感应电流经过取样电阻RT360后产生交流50Hz的交流电压，经过桥堆BR1整流后和电容滤波得到平整的直流电压。此电压分为两路：一路输入LM339的反向输入端第5引脚，经与同相输入端的电压比较后，由第2引脚输出信号。此信号与控制器和频率追踪信号相加共同控制SG3525输出的频率大小，从而控制输出功率的大小。另一路信号经电阻R12，R13分压后，进入控制器引脚，控制器将其转化为数字量，该信号在工作正常时作为设定功率的比较信号，控制系统的输出功率。如果出现市电过压、负载电路短路等异常情况，电压超过4.9V，控制器将马上向驱动电路及SG3525发出相应的指令，终止发出脉冲信号，断开IGBT开关管，从而保护整流桥、IGBT开关管等关键部件。
图2.7 过流保护电路

负荷电流检测电路(图2.6)的另一个作用是功率校正，调节可调电阻RT360时，可以调整各档位相应输出功率。
2.3.2 报警电路
报警模块电路接到控制器引脚，当系统发生故障时控制器引脚输出高电平，三极管Q1导通，蜂鸣器接通报警。采用程序设计不同的声响频率，供使用者分别系统当前的故障类别。电路如图2.8所示：
图2.8 报警电路

2.3.3 显示电路
图2.9 显示电路设计

本设计使用两个共阴七段数码管来显示出错和档位信息。由于控制器I/O口数量有限，此模块使用“串入并出”芯片74LSl64控制共阴数码管。要更新数据显示时，先对74LSl64进行复位，然后送出时钟和数据。
2.4 隔离驱动电路设计
因为商用电磁炉的使用的IGBT容量大，正常情况下线电压为380V经过主电路整流后的电压高达539V，并且主电路与驱动电路在同一块电路板上。所以高压干扰信号剧烈，驱动电路必须隔离才可以有效避免对主电路的干扰，设计可靠的隔离驱动电路对保护功率主开关器件IGBT很重要。
为了提高系统主电路IGBT驱动电路整体性能，选用HCPL-316J门极驱动光耦合器作为IGBT的驱动芯片。HCPL-316J具有通过控制复位或自动复位功能，具有高速光耦隔离，故障自动关断，电压和退饱和检测，隔离的故障反馈信号及软关断IGBT等功能[10]。
HCPL-316J应用电路如图2.10：
图2.10 HCPL-316J外围接线图

图2.10为隔离驱动芯片HCPL-316J的外围接线图， IGBT栅极接入图中G点，集电极接入图中C点，发射极接入图中E点。在系统中用到两片HCPL-316J，电路示意图如图2.11所示
软关断
控制器
图2.11 双HCPL-316J接线示意图
故障检测
IGBT
IGBT
SG3525
Vout
Vout
HCPL-316J
HCPL-316J
驱动复位
Vin-
!FAULT
!RESET
!FAULT
!RESET
Vin-

关闭端
PWM-A
PWM-B

当HCPL-316J有故障时，输出引脚立刻被拉低，同事从!FAULT引脚输出一个低电平的报错信号。将两个HCPL-316J故障信号经与运算后，然后传输到控制器进行监测。因此，当任何一个HCPL-316J有故障时，控制器都能及时的检测到故障信号，从而实时做出相应处理。

第三章 商用电磁炉控制系统软件设计
软件程序设计是否优良，不仅关系着控制器的运行状态，还关系着硬件部分甚至是整个系统的工作情况。良好的软件程序设计可以使硬件的资源性能得到充分发挥。因此设计合理的软件程序，是保证系统安全、可靠运行的关键。本论文的软件程序设计包括程序设计和控制算法两部分。
3.1 积分分离PID控制器在系统功率调节中的应用
比例积分微分控制是现在最基本、最通用的控制方法。尽管控制技术和控制理论取得了飞速发展，不断推出了一些先进的控制策略，但PID控制器易操作、结构简单、以及对误差具有鲁棒性等特点，在许多控制过程中都能够获得预期的控制性能。在商用电磁炉控制系统的设计中，考虑到控制器内存容量和速度，在保证控制精度的前提下，我们采用PID控制策略来实现对功率调节的控制[11][12] [13]。
3.1.1积分分离PID
商用电磁炉在开机、锅具的材质和体积发生变化以及快速切换档位时，可能使发热励磁线圈的电流值与设定值的误差过大，通过PID控制方法进行脉冲频率的调节输出功率时，会因为有积分环节，使控制量超过执行结构允许的极限控制量，从而使系统超调或者振荡。因此在实际的使用中引入了积分分离PID的控制策略。基本思路是：在系统实际输出功率与档位设定功率比较得到的偏差较大时取消积分，只使用PD控制，避免因为积分作用而使系统超调量增大，系统稳定性降低；当功率偏差量相对较小时，使用PID控制，从而提高精度。在该系统中使用积分分离PID控制策略的优点是：具有较高的精度，较快的响应速度和鲁棒性。该控制策略实际实现步骤如下：
(1)根据实际情况，设定功率误差门限值ε；
(2)当功率误差|| >ε时，使用PD控制；
(3)当功率误差|| =<ε时，使用PID控制。
因此积分分离的PID控制算法可以表示为：
(公式3.4)
式中，为积分项的开关系数，T为采样时间。
(公式3.4)
通过以上可以看出，ε值的设定是关键，不能太小，也不能太大，如果ε太小，容易使系统产生超调，如果ε太大，发挥不出控制的快速性。
根据积分分离PID的控制原理，在本文设计的商用电磁炉系统中，功率给定信号是不同旋钮档位对应的预定功率，控制器根据负荷电流反馈来的信号与预定功率进行比较，根据比较结果将门限值ε与功率误差e比较，通过比较结果选择控制策略进调节输出脉冲频率，使系统的实际输出功率稳定、快速的跟随档位预定功率，维持整个系统的恒功率输出(如图3.1)。
负荷电流采样电路
/e/＜ε
PD控制器
PWM模块脉冲频率控制
PID控制器
整流电路
逆变电路
谐振回路
IGBT隔离驱动电路

给定功率
图3.1 基于积分分离的PID控制在功率调节控制框图

3.2 软件程序结构
本论文对系统程序的设计分为两大部分：定时器中断服务程序和主程序。定时器中断服务程序是子程序，主要是实现定时、计时控制功能，定时中断服务程序是定时执行的；主程序主要实现温度、电压、电流的检测，故障报警和功率控制等一些需要实时处理的功能，主程序在系统的工作过程中是循环执行的。
3.2.1 主程序设计
主程序主要包括：系统初始化、功率给定、功率控制、数据采集和数据处理等子程序。主程序流程如图3.2所示：
开始
系统初始化
扫描档位旋钮
显示扫描档位
电压检测
负荷电流检测
IGBT温度检测
线圈温度检测
锅具有无检测
关机保护
定时中断
功率控制输出
故障判断
图3.2 主程序流程图

系统初始化子程序包括中断服务程序初始化和主程序中各子程序的初始化。数据采集子程序主要是采集负荷电流、线圈电流、发热励磁线圈温度和IGBT温度的模拟量信息，该信息是功率输出控制信息和故障信息的判断依据。功率控制子程序是根据数据采集回来的信息与电磁炉档位给定的的功率输出值进行比较，控制电磁炉实际功率的输出。功率给定子程序是根据档位给定的不同信息，给出相应的功率输出控制信号，并且显示器显示当前档位信息。
3.2.2 系统初始化子程序
系统初始化子程序主要是对控制器内的数据和外围器件的初始值进行设定。初始化设置是控制器进行报警显示、功率控制、数据采集和数据处理的基础，控制器工作运行过程中采集到数据以初始化设定的数据为参考依据进行处理输送给执行部件进行下一步控制。系统初始化包括：单片机I/O输入输出方式初始化，定时器中断服务初始化，模拟数字转换初始参数设置，运行数据的变量初始化等。初始化流程图为：
开始
系统初始化
中断设置
定时器初始化
AD初始化
数据传输初始化
PWM模块初始化
I/O引脚初始化
初始参数设置
结束
图3.3 系统初始化框图

3.2.3 负载锅具有无检测
在电磁炉刚开机或者在运行的过程中，控制器每间隔2s发送50ms的PWM波，通过电流传感器反馈回来的电流的大小进行判断无锅还是有锅，当电流大于设定值时，证明有锅具存在，电磁炉进入工作模式的功率输出；而当电流小于设定值时，并且连续20次检测到反馈回的电流小于设定值，判断为无锅，然后由蜂鸣器发出短叫声提示当前无锅。无锅情况持续1分钟，系统自动进入待机状态。检测到无锅时，SG3525没有脉冲信号输出，从而终止了IGBT驱动信号，不然会造成无负载时无功电流过大，在补偿电容两侧产生较高的电压击穿电容器。锅具有无检测是整个系统程序设计中非常关键的部分。负载锅具有无检测流程图为：
加热
计算出实际输出功率
等待
正在检锅
返回
清除检锅
清除50ms到
置有锅标志
50ms到否
本次检测有锅
2s到
置无锅标志

关闭PWM输出
设置关机标志
停机保护
首次无锅
连续20次无锅
Y
N
Y
N
Y
N
N
N
Y
图3.4 锅具检测主程序框架流程图

3.2.4故障显示报警
系统运行过程中，对各个电路的保护检测是非常重要的，一旦某一部分出现异常，就意味着需要调整工作状态，同时给出了报警显示。当温度、电压、电流超出预定的工作范围时，蜂鸣器发出响声同时显示器显示故障代码。故障检测流程图和状态代码如图3.5所示：

开始
电流、电压、温度采样
IGBT过温
返回
红灯亮、显示1
红灯亮、显示2
红灯亮、显示3

红灯亮、显示4

红灯亮、显示5

停机
线盘过温
过流
过压
欠压
图3.5故障显示程序流程图

第四章 设计结果和实验分析
4.1性能测试
进行了多次连续开机实验，没有发生系统死机和模块电路烧毁的情况。在系统机上电后，发光二极管闪烁，蜂鸣器报警。当软件模拟给定档位功率后，系统自动检测锅具有无的状态。系统工作过程中经过多次的取锅，放锅实验，程序运行正常，工作状态稳定。
(2)在不同温度下进行了测试，在温度15℃～60℃摄氏温度下，没有出现死机和停机现象。由于实验条件的有限，没有进行15℃以下的测试。
4.2波形测试及分析
(1)频率追踪控制电路输入输出波形如图4.1、图4.2所示：
图4.1 SG3525的11脚输出信