一种基于逐脉冲取样的功率调节系统及其控制方法
阅读说明：本技术 一种基于逐脉冲取样的功率调节系统及其控制方法 (Power regulation system based on pulse-by-pulse sampling and control method thereof ) 是由 倪振宇 丁增敏 廖自升 姚建 于 2021-07-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于逐脉冲取样的功率调节系统,包括用于采集电流信号的第一电流采集电路和第二电流采集电路,所述第一电流采集电路和第二电流采集电路的输出端连接数字锁相环的输入端,数字锁相环的输入端连接相位参考信号发生器,数字锁相环的输出端连接连接PWM波发生模块,第一电流采集电路与数字锁相环之间连接有过零检测电路。定时器计算出两个脉冲波形之间的时间差,通过限制两者之间的时间差来确保感应加热设备逆变输出的电压和电流保持在弱感性状态下从而保证设备的正常运行,如果出现容性就会增加PWM输出频率来降低加热功率,实现闭环调节中的相位限制,如果容性出现超过设定的安全阈值则会直接报警,停止设备加热。(The invention discloses a power regulating system based on pulse-by-pulse sampling, which comprises a first current collecting circuit and a second current collecting circuit for collecting current signals, wherein the output ends of the first current collecting circuit and the second current collecting circuit are connected with the input end of a digital phase-locked loop, the input end of the digital phase-locked loop is connected with a phase reference signal generator, the output end of the digital phase-locked loop is connected with a PWM wave generating module, and a zero-crossing detection circuit is connected between the first current collecting circuit and the digital phase-locked loop. The timer calculates the time difference between two pulse waveforms, the time difference between the two pulse waveforms is limited to ensure that the voltage and the current output by the inversion of the induction heating equipment are kept in a weak induction state so as to ensure the normal operation of the equipment, the PWM output frequency is increased to reduce the heating power if the capacitance occurs, the phase limitation in closed-loop regulation is realized, and the alarm is directly given out if the capacitance exceeds a set safety threshold value, so that the equipment is stopped from heating.)
技术领域
本专利申请涉及功率调节系统技术领域，特别是涉及一种基于逐脉冲取样的功率调节系统及其控制方法。
背景技术
目前我国在在大功率加热方面主要采用燃气灶或者燃煤灶，不管燃气灶或者燃煤灶都是明火加热，有热辐射以及造成污染，相对于燃气、和煤等传统加热方式，感应加热具有以下优点：1、加热速度快；2、热损少和加热效率高；3、绿色环保无污染；4、易于实现自动控制；5、实现了加热部分和变换器部分的隔离，避免了因保护层的损坏而导致的漏电，在安全性上大大提高。
电磁炉又名电磁灶，是现代厨房的标准配置，它无需明火或传导式加热而让热直接在锅底产生，因此热效率得到了极大的提高。是一种高效节能橱具，完全区别于传统所有的有火或无火传导加热厨具。电磁炉是利用电磁感应加热原理制成的电气烹饪器具。由高频感应加热电路、高频电力转换装置、控制单元、晶化陶瓷板及铁磁材料锅底炊具等部分组成；使用时，加热线圈中通入交变电流，线圈周围便产生一交变磁场，交变磁场的磁力线大部分通过金属锅体，在锅底中产生大量涡流，从而产生烹饪所需的热。而现有对电磁炉功率的控制大多通过控制面板输入设定功率，其无法通过接入的电压和电流之间的相位差实现电磁炉的通断以及功率的调节，为此，我们提出一种基于逐脉冲取样的功率调节系统及其控制方法。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利申请的目的在于提供一种基于逐脉冲取样的功率调节系统及其控制方法，解决上述现有技术的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于逐脉冲取样的功率调节系统，包括用于采集电流信号的第一电流采集电路和第二电流采集电路，所述第一电流采集电路和第二电流采集电路的输出端连接数字锁相环的输入端，数字锁相环的输入端连接相位参考信号发生器，数字锁相环的输出端连接连接PWM波发生模块，第一电流采集电路与数字锁相环之间连接有过零检测电路。
进一步的，所述数字锁相环包括相位检测模块，相位检测模块的输入端分别与第二电流采集电路、过零检测电路和相位参考信号发生器的输出端连接，相位检测模块的输出端连接定时器的输入端，定时器的输出端连接滤波器的输入端，滤波器的输出端连接PID控制模块的输入端，PID控制模块的输出端连接分频器的输入端，分频器的输出端连接PWM波发生模块的输入端。
进一步的，所述分频器的输出端分别连接相位检测模块和PID控制模块的输入端。
进一步的，所述第一电流采集电路包括采集高频直流信号的第一电流采集模块，第一电流采集模块的输出端连接第一ADC模块的输入端，第一ADC模块的输出端连接过零检测电路的输入端。
进一步的，所述第二电流采集电路包括采集高频交流信号的第二电流采集模块，第二电流采集模块的输出端连接第二ADC模块的输入端，第二ADC模块的输出端连接相位检测模块的输入端。
进一步的，所述PID控制模块为基于M451的ARM Cortex-M4内核的全数字处理系统。
一种如上述所述的基于逐脉冲取样的功率调节系统的控制方法，包括如下步骤：
S1、通过定时器记录从过零检测电路发送来的高频电流过零信号到达定时器时的输入时刻值T0，同时，通过系统此时输出PWM波的时刻值Tx，得到相位差值δ0，
δ0＝T0-Tx；
S2、通过定时器记录从第二电流采集电路发送高频交流信号到达定时器时的延迟时刻值Tc，当Tc＝δ0时，此时，实际的工作电流和电压处于同步状态，系统输出最大功率；若Tc>δ0,进入步骤S3；若Tc<δ0，进入步骤S4；
S3、当Tc>δ0时，系统处于容性状态，电流超前驱动电压，通过PID控制模块控制降低设定功率；
S4、当Tc<δ0时，系统处于阻性状态，电流滞后驱动电压，根据采集的实际功率与设定功率比较，当采集的实际功率高于设定功率，PID控制模块控制减小PWM波的输出频率，当采集的实际功率低于设定功率，PID控制模块控制增大PWM波的输出频率。
进一步的，所述步骤S1中T0是通过连续记录N次结果后计算平均数值得到电流信号的输入时刻值，公式为：
T0＝(T1+T2+T3+...+Tn)/n；
其中，T0为平均值，T1、T2、T3、...、Tn为第1、2、3、...、n次高频电流过零信号从过零检测电路发送到达定时器时的时刻值，n为次数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本基于逐脉冲取样的功率调节系统，通过共用PWM0的定时器来同步计数，PWM0_CH0用作比较输出功能，负责输出PWM的输出，PWM_CH2用作捕获输入功能，专门用来捕获经过信号处理后的反馈电流信号，定时器计算出两个脉冲波形之间的时间差，通过限制两者之间的时间差来确保感应加热设备逆变输出的电压和电流保持在弱感性状态下从而保证设备的正常运行，如果出现容性就会增加PWM输出频率来降低加热功率，实现闭环调节中的相位限制，如果容性出现超过设定的安全阈值则会直接报警，停止设备加热。通过处理后的电流信号得到的脉冲波再和PWM输出的脉冲波做比较计算得出的相位差，比传统的单独通过硬件实现的相位差更灵活和稳定。
附图说明
图1为本发明功率调节控制原理示意图；
图2为本发明数字锁相环的时序波形示意图；
图3为本发明数字锁相环输出比较模式下的移相原理图；
图4为本发明交流系统电流相位超前于电压的示意图；
图5为本发明交流系统电流相位滞后于电压的示意图；
图6为本发明系统工作流程图。
附图标号说明：第一电流采集电路1、第一电流采集模块11、第一ADC模块12、第二电流采集电路2、第二电流采集模块21、第二ADC模块22、过零检测电路3、相位检测模块4、定时器5、滤波器6、PID控制模块7、分频器8、相位参考信号发生器9、PWM波发生模块10。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本专利申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利申请的其他优点与功效。本专利申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：
一种基于逐脉冲取样的功率调节系统，如图1所示，包括用于采集电流信号的第一电流采集电路1和第二电流采集电路2，第一电流采集电路1和第二电流采集电路2的输出端连接数字锁相环的输入端，数字锁相环的输入端连接相位参考信号发生器9，数字锁相环的输出端连接连接PWM波发生模块10，第一电流采集电路1与数字锁相环之间连接有过零检测电路3。
数字锁相环包括相位检测模块4，相位检测模块4的输入端分别与第二电流采集电路2、过零检测电路3和相位参考信号发生器9的输出端连接，相位检测模块4的输出端连接定时器5的输入端，定时器5的输出端连接滤波器6的输入端，滤波器6的输出端连接PID控制模块7的输入端，所述PID控制模块7为基于M451的ARM Cortex-M4内核的全数字处理系统，PID控制模块7的输出端连接分频器8的输入端，分频器8的输出端连接PWM波发生模块10的输入端，分频器8的输出端分别连接相位检测模块4和PID控制模块7的输入端。
如图2所示，数字锁相环检测相位参考信号发生器9输出的相位参考信号和相位检测模块4输出的相位误差信号之间的相位差，快速调整数字锁相环输出的驱动脉冲参考信号的频率和相位，进而改变PWM波发生模块10输出脉冲的频率和相位，在实际工作中，在频率不变的情况下，逆变电路的驱动脉冲与谐振电流相位差为常数，因此，输出脉冲的频率和相位的改变会引起谐振电流相位变化，经过动态跟踪过程调整后，数字锁相环进入锁定状态，第一电流采集电路1、第二电流采集电路2输出的相位差信号被锁定到相位参考信号发生器9输出的相位参考信号相位上，两者频率相等，相位差为零或常数。
如图3所示，同一桥臂上下开关管的驱动脉冲互补，使原来同相的两个桥臂的开关管的驱动信号之间错开一个相位角，这样就能在负载输出的正负交替的方波之间插入一段零电压区，如此就改变了输出电压的有效值，也就改变了输出功率。
第一电流采集电路1包括采集高频直流信号的第一电流采集模块11，第一电流采集模块11的输出端连接第一ADC模块12的输入端，第一ADC模块12的输出端连接过零检测电路3的输入端，第二电流采集电路2包括采集高频交流信号的第二电流采集模块21，第二电流采集模块21的输出端连接第二ADC模块22的输入端，第二ADC模块22的输出端连接相位检测模块4的输入端，如图6所示为系统的工作流程图。
一种如上述的基于逐脉冲取样的功率调节系统的控制方法，包括如下步骤：
S1、通过定时器5记录从过零检测电路3发送来的高频电流过零信号到达定时器5时的输入时刻值T0，同时，通过系统此时输出PWM波的时刻值Tx，得到相位差值δ0，
δ0＝T0-Tx；
S2、通过定时器5记录从第二电流采集电路2发送高频交流信号到达定时器5时的延迟时刻值Tc，当Tc＝δ0时，此时，实际的工作电流和电压处于同步状态，系统输出最大功率；若Tc>δ0,进入步骤S3；若Tc<δ0，进入步骤S4；
S3、当Tc>δ0时，系统处于容性状态，电流超前驱动电压，如图4所示，通过PID控制模块7控制降低设定功率；
S4、当Tc<δ0时，系统处于阻性状态，电流滞后驱动电压，如图5所示，根据采集的实际功率与设定功率比较，当采集的实际功率高于设定功率，PID控制模块7控制减小PWM波的输出频率，当采集的实际功率低于设定功率，PID控制模块7控制增大PWM波的输出频率。
作为优选的，步骤S1中T0是通过连续记录N次结果后计算平均数值得到电流信号的输入时刻值，公式为：
T0＝(T1+T2+T3+...+Tn)/n；
其中，T0为平均值，T1、T2、T3、...、Tn为第1、2、3、...、n次高频电流过零信号从过零检测电路3发送到达定时器5时的时刻值，n为次数。
本基于逐脉冲取样的功率调节系统，通过共用PWM0的定时器5来同步计数，PWM0_CH0用作比较输出功能，负责输出PWM的输出，PWM_CH2用作捕获输入功能，专门用来捕获经过信号处理后的反馈电流信号，定时器5计算出两个脉冲波形之间的时间差，通过限制两者之间的时间差来确保感应加热设备逆变输出的电压和电流保持在弱感性状态下从而保证设备的正常运行，如果出现容性就会增加PWM输出频率来降低加热功率，实现闭环调节中的相位限制，如果容性出现超过设定的安全阈值则会直接报警，停止设备加热。通过处理后的电流信号得到的脉冲波再和PWM输出的脉冲波做比较计算得出的相位差，比传统的单独通过硬件实现的相位差更灵活和稳定。
另外，本申请文件中的第一电流采集电路1、第二电流采集电路2等均为现有技术中已实际生产使用的产品，为现有技术已经公开的部件，其中，第一电流采集模块11和第二电流采集模块21可以为DAM-7021型号的电流采集模块，第一ADC模块12和第二ADC模块22可以为ADS7812型号的ADC模块，过零检测电路3可以为PC817型号的光电耦合器接入电路，相位检测模块4可以为YH-X9256型号的相位差测量模块，PID控制模块7可以为KSD123型号的控制器，PWM波发生模块10可以为UC3842型号的PWM发生器，在此，不再一一赘述。
上述实施例仅例示性说明本专利申请的原理及其功效，而非用于限制本专利申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本专利申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本专利申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本专利申请的权利要求所涵盖。
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