基于FPGA的感应加热控制系统

　　感应加热电源以其环保、节能等优点在工业生产中得到了广泛的应用，逆变控制电路是直接影响感应加热电源能否安全、高效运行的关键因素。目前的感应加热装置多采用模拟电路控制，存在电路触点多、系统可靠性低、元件工艺性要求高、控制参数不易改变及灵活性差等缺点。针对这种情况，本文设计了基于 FPGA的感应加热控制系统，实现了逆变电路的数字化，提高了系统的智能化，并利用液晶显示与用户建立良好的交互界面。

　　1 感应加热逆变控制电路的拓扑结构

　　感应加热主电路及逆变控制系统的拓扑结构[1]如图 1所示，在驱动信号 g13和 g24作用下，使 T1、T3管和 T2、T4管分别交替工作;u1，i1表示负载上的电压和电流。系统根据采样得到的负载上的电压 u1，调整 IGBT 的驱动信号 g13和 g24，使得负载工作在谐振状态，即负载上的电压电流同频同相。

　　2 逆变控制系统结构及工作原理

　　逆变控制系统结构如图 2 所示。该系统由检测电路、A/D转换电路、液晶显示电路、FPGA控制模块、故障指示电路、键盘和 IGBT驱动电路组成，其中虚线框中为 FPGA控制模块，是本系统的核心。逆变控制系统工作原理为：

　　(1)检测电路通过电压传感器获取负载上的相关信息，并在过流、过压等危害情况发生时，产生相应的保护动作，同时将这一信息传递给 FPGA 模块，且在液晶屏上示出;

　　(2)FPGA 模块完成负载谐振频率的锁定，并输出IGBT 的驱动信号;

　　(3)IGBT 模块由 4 个 IGBT 管和相应的保护电路组成，负责直 - 交变换;

　　(4)键盘负责提供扫频启动所需的最高和最低频率。因为采用扫频启动方式，可以控制它激频率在设定的最高频率和最低频率之间扫描，以适应不同谐振频率的负载。

　　3 FPGA控制模块设计及控制策略

　　3.1 FPGA 控制器组成

　　FPGA 控制器可分为以下几个模块：

　　(1) 主控制器：该控制器是控制系统的核心，完成对逆变状态的控制、外围接口控制、各模块的协调工作以及整个工作流程操作等。它由硬件状态机实现，采用同步时序逻辑设计，相当于简单处理器的功能;

　　(2)启动模块：负责感应加热电源的正常启动，性能指标包括启动时间(越短越好)、启动过程的稳定性和启动过程的成功率等。加热启动之后，控制它激频率在设定的最高频和最低频之间扫描;当它激频率扫描到接近槽路谐振频率时，负载能量便建立起来并反馈到自动调频电路[2];

　　(3)锁相环模块：在启动模块的协助下，实现稳定、快速的启动过程，并保证频率的正常锁定，主要性能指标包括锁相范围、锁相速度、锁相稳定性等。锁相环是系统中的主要工作模块，直接影响逆变系统是否正常运行;