PDF《控制电磁炉输出功率稳定的模糊控制方法》

控制电磁炉输出功率稳定的模糊控制方法 张超,郑永军 ,孙志锋 (浙江大学 电气工程学院 , 杭州 310027) 摘要:电磁炉的负载是用它来加热的锅具.

当锅具的大小、 材质发生变化时 ,负载的等效电 感会发生变化 ,造成电磁炉主回路谐振频率变化 ,这样电磁炉的输出功率会不稳定 ,常会致使功率 管IG BT 过压损坏.针对这种情况 ,提出了一种双闭环控制结构和模糊控制方法 ,使得负载变化时 保持电磁炉的输出功率稳定.在实际系统中 ,应用这种方法取得了满意的效果. 关键词 :电磁炉 ;

谐振 ;

模糊控制器 中图分类号 :TP273 + .

4 ;

TS914.

236 文献标识码 :A 文章编号 :1001 - 4551(2004)

10 -

0030 -

05 A Fuzzy Control Mothed to Obtain the Steady Output Power in Induction Cooker Power Control ZHANG Chao ,ZHENG Y ong2jun ,SUN Zhi2feng ( College of Electrical Engineering , Zhejiang University , Hangzhou

310027 , China) Abstract : The load of the induction cooker is the vessels heated by it. The equivalent inductance will change when the size or material of the vessels changes. The resonance frequency of the main power circuit will also change , which will make the output power unstable. T o solve this problem , in this paper we put forward a double closed 2loop control configuration and a fuzzy control method to ensure the steady output power when the load changes. We use this method in the induction cooker control system and gain a satisfactory result. Key words : induction cooker ;

resonance ;

fuzzy controller 收稿日期 :2003 -

11 -

20 修订日期 :2004 -

03 -

19 作者简介 : 张超(1979 - ) 男 ,山东枣庄人.浙江大学电气工程学院硕士研究生 ,主要研究方向为 :智能控制理论 ,嵌入式系统. 航信息数据能及时更新 ,图形液晶显示较为理想 ,误 差范围很小 ,但触摸屏的输入效果不太理想 ,有可能 是坐标对准不好. 在液晶显示时存在的小范围误差的原因是坐标 计算时有一定的误差 ,但这误差在可接受的范围之 内 ,不会影响正常使用.在试验中测得的当地位置 和速度信息如下 : 日期 :2004 年2月2日(2004 年2月3日) , 时间:15 点01 分12 秒(08 点32 分35 秒) ,位置 :北纬

30 度15.

7192 分、 东经

120 度38.

4159 分 ,速度为

0 , 航向 0.

6 结束语 采用

51 实现的 GPS 便携式车载导航应用系统 , 其实现方便 ,运行稳定可靠 ,并且采用 C51 编写软件 部分 ,能比较容易地完成各种功能的设计 ,而且 C51 采用模块化设计 ,可读性和可移植性强 ,便于开发人 员维护和升级软件. 参考文献 : [1] GPS

25 LP SERIES TECHNICAL SPECIFICATION , Garmin Corporation ,2003. [2] 何立民. MCS251 系列单片机应用系统设计 ― ― ― 系统配 置与接口技术[M]. 北京 :北京航空航天出版社 ,1999. [3] 马忠梅 ,等. 单片机的 C 语言应用程序设计[M]. 北京 : 北京航空航天出版社 ,1999 [4] 李洪涛. GPS 应用程序设计 [M]. 北京 :科学出版社 , 2000. [5] 胡伍生 ,高成发主编. GPS 测量原理及其应用[M]. 北京:人民交通出版社 ,2002. ・

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Electrical Engineering Magazine Vol.

21 No.

10 2004 机电工程

2004 年第21 卷第10 期 由电力电子电路组成的电磁炉 ( Induction cook2 er) 是一种利用磁场感应加热原理 ,对锅体进行涡流 加热的新型灶具.由于具有热效率高、 使用方便、 无 烟熏、 无煤气污染、 安全卫生等优点 ,非常适合现代 家庭烹饪.但是当锅具的大小、 材质发生变化时 ,负 载的等效电感会发生变化 ,造成电磁炉主回路谐振 频率变化 ,这样电磁炉的输出功率会不稳定 ,常会致 使功率管 IG BT 过压损坏.针对这种情况 ,本文提出 了一种双闭环控制结构和模糊控制方法 ,使得负载 变化时保持电磁炉的输出功率稳定.实际运行结果 证明了设计的有效性和可靠性.

1 电磁炉主电路及控制结构分析 电磁炉的主电路是一个 AC2DC2AC(交流2直流2 交流) 变换器 ,由桥式整流器和电压谐振变换器构 成 ,如图

1 所示.市电的交流电源经桥式整流器变 换为直流电 ,再经电压谐振变换器变换成频率为

20 ~30kHz 的交流电.这个高频交流电通过在圆形平 面上绕制的线圈盘耦合到锅具的底部 ,在锅具底部 产生旋涡状电流 ,使锅具快速生热.电压谐振变换 器是主电路的核心 ,其作用是使直流电逆变为高频 交流电 ,以满足感应加热的要求.电压谐振变换器 是低开关损耗的零电压型 (ZVS) 变换器 ,主开关元 件采用绝缘栅双极晶体管(IG BT) .功率开关管的开 关动作是由控制电路控制 ,并通过为满足功率开关 管驱动条件的驱动电路而完成的. 图1电磁炉主电路拓扑结构图 电磁炉的主谐振电路是一种准谐振变换器 (Quasi2resonant Converter) 如图

1 所示.锅具与电磁 炉主电路中的线圈盘共同构成了电压谐振变换器的 输出电路 ,如图

2 (a) 所示.可以进一步地把负载 (锅具) 看作是一个闭合的单匝线圈 ,用L表示这个 线圈的电感量 ,锅具在高频电流下的电阻记做 R . 可 以用闭合回路的 L 和R来等效表示这个闭合的单匝 线圈. 线圈盘和它的电感量用 Lr 代表. 这样 ,就构成 了一个变压器. R 则是该变压器的负载电阻. 由于 L 和Lr 之间有很大空气间隙 ,因此这是一个空心变压 器 ,如图 2(b) 所示. 这就是电磁炉输出功率的等效 电路模型. 做进一步的等效变换 , 将空心变压器次级的负 载电阻 R 和电感L 折合到初级 ,如图 2(c) 所示. 电磁炉的控制系统结构可以用图

3 表示. 在某 一功率档单片机输出固定占空比的 PWM波形 ,经阻 容滤波后在运算放大器的正端得到一个基准电压. 很明显这是一个负反馈电路. 当功率受到扰动增大 时 ,由于负反馈的作用 ,使得 IG BT的触发脉冲变窄 , 输出功率下降. 功率受到扰动突然减小的调节过程 与此类似. R

3 ―次级电阻 R 反射到初级的等效负载电阻;

L

3 ―次级电感 L 反射到初级并与初级电感 Lr 相叠加后 的等效电感. 图2主电路等效电路图 这样一个闭环结构可以保证在单片机输出 PWM 固定而且负载恒定 (锅具不发生变化) 的情况 下,电磁炉的输出功率稳定在某一工作点 (功率) 上. 但是如果锅具发生变化 (如锅的大小、 材质等) , 等效的谐振电感就会发生变化 , 此时输出功率会稳 定在一个新的工作点上 , 试验中测到不锈钢锅和铁 锅功率可以相差 300W. 如果新的工作点过高 , 将会 导致输出功率超过电磁炉的设定要求 ,烧坏功率管 , 过低则输出功率达不到要求. 针对这一问题 ,在此电 路的基础上 , 增加一个闭环控制 , 如图

4 所示. 这样 原电路变成了一个双闭环结构. 当负载变化时 ,由外 环检测出来 ,在单片机内部采用模糊控制策略 ,调节 输出 PWM 的占空比 ,以保证负载变化时 , 输出功率 的恒定. ・

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2004 年第21 卷第10 期Mechanical &

Electrical Engineering Magazine Vol.

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