毕业设计商用电磁炉控制系统的设计.docx
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毕业设计商用电磁炉控制系统的设计
毕业设计--商用电磁炉控制系统的设计
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
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
本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。
本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）;同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。
（保密论文在解密后遵守此规定）
作者签名:
二〇一二年月日
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
I
TheDesignoftheControlSystemofCommercial
InductionCooker
Abstract
Thispaperfirstdescribestheadvantages,statusanddevelopmentofcommercialinductioncooker,theapplicationoftheprincipleofelectromagneticinductionheatingcookerincommercialinductioncookerworkscarriedoutin-depthstudytodeterminethecontrolsystemcircuitdesign.Thedesignofcontrolsystemhardwarecircuitincluding:
thehostcontrollerandperipheralcircuits,frequencytrackingcircuit,thepowercontrolcircuit,voltage,current,temperaturesignaldetectioncircuit,alarmprotectioncircuitandtheinverterisolateddrivecircuitandsoon.UsetheHCPL-316JdriveisolationinverterswitchingIGBT,additionalsoft-startfunction,improvethereliabilityandsecurityofthecontrolsystemandtheinvertercircuit.Insoftwaredesign,theuseofintegralseparationPIDcontrolmethod,usingthePDcontrollerwhenthesystemdetectsthatthepowerdifferenceisgreaterthanapredeterminedvalue,lessthanapredeterminedvalueusingaPIDcontroller,allowingthesystemtoadjusthasagoodsteadystateperformanceandtransientperformance.Designedafast,accurateandlongbootunattendedoperationautomaticallyshutdownandcookwaredetectionandotherfunctions,notonlytoreducetheelectromagneticpollutionalsosavesenergy.
:
Commercialinductioncooker;integralseparationPIDcontrol;Keywords
SG3525;electromagneticinductionheating;independentdrive
II
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....................................................................................................21.2商用电磁炉工作原理分析........................................................................................31.2.1电磁炉等效输出电路.............................................................................................4
1.2.2电压型逆变电路分析.............................................................................................61.2.3单相半桥型电压谐振逆变器.................................................................................71.2.4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..............................................................................102.1.1系统工作过程.....................................................................................................102.1.2系统主要功能......................................................................................................112.2功率控制电路..........................................................................................................112.2.1SG3525介绍......................................................................................................122.2.2脉冲信号（PFM）生成电路..............................................................................132.2.3频率监控电路设计.............................................................................................142.3检测保护电路.........................................................................................................152.3.1电流检测保护电路..............................................................................................152.3.2报警电路..............................................................................................................162.3.3显示电路..............................................................................................................172.4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.......................................................................................................203.2软件程序结构.........................................................................................................213.2.1主程序设计..........................................................................................................223.2.2系统初始化子程序..............................................................................................233.2.3负载锅具有无检测..............................................................................................243.2.4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..................................................................................................................264.2波形测试及分析......................................................................................................26结论............................................................................................................................................................................28
参考文献......................................................................................................................................................................29
谢辞............................................................................................................................................................................30
附录.................................................................................................................................................................................31
i
ii
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、
[1][2]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。
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。
1
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
[3]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:
图1.1变压器等效电路图
当匝数为N的线圈上通交变电流I时，内部就会产生相等频率的交变磁通穿过11
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:
d,EN,,公式（1.1）2dt
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:
,,sin,t公式（1.2）m
由此得到感应电动势:
dE,,N,,N,,cos,t22mdt公式（1.3）
感应电动势的等效值:
,2fN2mE,,4.44fN,2m2公式（1.4）
2
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i，使器件加热，I使器件内部（器件表面22
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:
22公式（1.5）Q,CIRt,0.24IRt
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）。
xe,ii公式（1.6）,x0Lx
,2L,,xu,,uuf0r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
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电流频率,
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
[14]作原理如下:
图1.2商用电磁炉工作原理框图
3
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
[4]焦耳效应和趋肤效应，达到加热锅具的目的。
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
2达式:
Q=IRT，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
[5]的距离为15mm左右。
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
4
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）Z,R，j,Lxx
可以得锅具负载的功率因数为:
Rx,cos,公式（1.9）22R，（,L）xx
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:
2公式（1.10）Q,i,Lx
2P,iR公式（1.11）
因此负载的品质因数:
L,Qxq,,公式（1.12）PRx
有如下关系式:
2cos,,1/1，q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:
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