本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種應(yīng)用于脈沖渦流熱成像的感應(yīng)加熱電源，特別是一種基于改進(jìn)型全數(shù)字頻率跟蹤的脈沖式感應(yīng)加熱電源。

背景技術(shù)：

脈沖渦流熱成像是一種結(jié)合渦流和紅外熱成像兩種技術(shù)的新型無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，具有非接觸、成像直觀、檢測(cè)效率高和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、石油化工等領(lǐng)域。為了實(shí)現(xiàn)大型、復(fù)雜裝備的安全運(yùn)行，需要對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行定期或不定期的無(wú)損檢測(cè)，對(duì)表面或近表面存在的微小裂紋、腐蝕和疲勞損傷等缺陷及時(shí)、準(zhǔn)確的檢出，因此對(duì)該技術(shù)提出了更高的要求。

脈沖渦流熱成像系統(tǒng)主要由紅外熱像儀、圖像處理算法、渦流激勵(lì)源和其他輔助設(shè)備構(gòu)成，其中脈沖式感應(yīng)加熱電源是一種典型的渦流激勵(lì)源，其性能直接影響缺陷特征信號(hào)的提取、系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度和缺陷檢出率。脈沖式感應(yīng)加熱電源作為激勵(lì)源，其負(fù)載由電磁激勵(lì)探頭、試樣和諧振電容構(gòu)成，可等效為二階的rlc串聯(lián)諧振電路。根據(jù)串聯(lián)諧振負(fù)載電路特點(diǎn)，電路處于最佳、高效工作狀態(tài)，即功率因素接近于1，要求驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率略微高于負(fù)載諧振頻率，此時(shí)電路處于弱感性狀態(tài)。為了提高感應(yīng)加熱電源的工作效率，要求電源系統(tǒng)具有負(fù)載諧振頻率自動(dòng)跟蹤的能力；為了獲取被加熱對(duì)象熱擴(kuò)散之前的信號(hào)，通常電源的激勵(lì)脈沖持續(xù)時(shí)間為0.1s左右，要求電源系統(tǒng)搜索到負(fù)載諧振頻率的時(shí)間要短。結(jié)合上述兩點(diǎn)要求，電源系統(tǒng)既要快速的搜索到負(fù)載諧振頻率，同時(shí)又能實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)載諧振頻率的變化。

感應(yīng)加熱電源中通常采用鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)負(fù)載諧振頻率跟蹤，傳統(tǒng)采用cd4046或者sg3525芯片構(gòu)成的電路實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的負(fù)載諧振頻率跟蹤，但是存在頻率跟蹤范圍較窄、線路復(fù)雜和零點(diǎn)漂移等缺點(diǎn)。隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字電路具有可靠性高、體積小且克服零點(diǎn)漂移等優(yōu)勢(shì)，基于fpga的全數(shù)字鎖相環(huán)在通訊領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，由于感應(yīng)加熱電源中電流采樣電路過(guò)零點(diǎn)處存在高頻振蕩信號(hào)，引起全數(shù)字鎖相環(huán)中n分頻器的分頻參數(shù)跳變，從而導(dǎo)致鎖相環(huán)失鎖，限制了全數(shù)字鎖相環(huán)在感應(yīng)加熱電源中的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)和不足，本發(fā)明提供了一種改進(jìn)型全數(shù)字頻率跟蹤的脈沖式感應(yīng)加熱電源，具有抗干擾能力強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)負(fù)載諧振頻率準(zhǔn)確快速搜索和實(shí)時(shí)跟蹤的功能。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種改進(jìn)型全數(shù)字頻率跟蹤的脈沖式感應(yīng)加熱電源，其組成包括：三相整流濾波電路、全橋逆變電路、阻抗匹配變壓器、串聯(lián)諧振負(fù)載電路、電流采樣電路、頻率跟蹤控制器和全橋驅(qū)動(dòng)電路；三相整流電路由3組二極管和1個(gè)濾波電容cd組成，輸入端連接三相交流電，輸出端的一端連接全橋逆變電路igbt開(kāi)關(guān)管的集電極a端，另一端連接全橋逆變電路igbt開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極b端；全橋逆變器由igbt開(kāi)關(guān)管q1、q2、q3和q4構(gòu)成，q1和q3相連構(gòu)成左側(cè)橋臂，q2和q4相連構(gòu)成右側(cè)橋臂，q1和q2的集電極接在a端，q3和q4的發(fā)射極接在b端，q1的發(fā)射極和q3的集電極相連構(gòu)成左側(cè)橋臂中點(diǎn)o1，q2的發(fā)射極和q4的集電極相連構(gòu)成右側(cè)橋臂中點(diǎn)o2；阻抗匹配變壓器t1的輸入端分別連左側(cè)橋臂中點(diǎn)o1和右側(cè)橋臂中點(diǎn)o2，其輸出端接串聯(lián)諧振負(fù)載電路；串聯(lián)諧振負(fù)載電路由負(fù)載等效電阻r、電感l(wèi)和諧振電容c組成；電流采樣電路由電流互感器ta、采樣電阻rs和比較器u1組成，電流互感器ta串接在負(fù)載電路中作為電流取樣，通過(guò)采樣電阻rs將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再經(jīng)比較器u1輸入給頻率跟蹤控制器作為負(fù)載諧振頻率跟蹤的電流反饋信號(hào)，利用頻率跟蹤控制器內(nèi)部的pwm模塊的輸出信號(hào)作為電壓反饋信號(hào)，經(jīng)頻率跟蹤控制器輸出兩路pwm控制信號(hào)，經(jīng)全橋驅(qū)動(dòng)電路后輸出vt1、vt2、vt3和vt4四路信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)igbt開(kāi)關(guān)管q1、q2、q3和q4。

進(jìn)一步，所述的基于fpga的改進(jìn)型全數(shù)字頻率跟蹤控制器由鑒相器、數(shù)字濾波器、頻率發(fā)生器、步進(jìn)值控制器和pwm波模塊構(gòu)成。

所述的鑒相器由5個(gè)或非門組成，可在fpga中通過(guò)組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)，fin和fout為鑒相器的兩路輸入信號(hào)，分別代表負(fù)載電流相位信號(hào)和負(fù)載電壓相位信號(hào)。

當(dāng)fout信號(hào)相位超前于fin信號(hào)時(shí)，輸出的邏輯關(guān)系式為：

當(dāng)fout信號(hào)相位滯后于fin信號(hào)時(shí)，輸出的邏輯關(guān)系式為：

根據(jù)式(1)和(2)的邏輯關(guān)系可知，輸出信號(hào)up/dn能反映輸入信號(hào)fin和fout的相位差，其中一路up或dn為代表負(fù)載電壓電流相位差大小的信號(hào)，另一路dn或up為50％占空比的比較信號(hào)。

所述的數(shù)字濾波器由信號(hào)控制器、16位計(jì)數(shù)器和16位鎖存器組成；信號(hào)控制器的作用在于根據(jù)輸入信號(hào)up/dn產(chǎn)生三種信號(hào)：計(jì)數(shù)器使能信號(hào)cen、計(jì)數(shù)器清零信號(hào)clr以及鎖存器的控制信號(hào)ld，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：(1)等待up/dn的上升沿，然后判斷復(fù)位信號(hào)reset的高低電平；(2)當(dāng)復(fù)位信號(hào)reset為低電平時(shí)，引入中間變量信號(hào)cen_1，并初始化參數(shù)cen_1＝0、ld＝1、clr＝1和cen＝0；(3)當(dāng)復(fù)位信號(hào)reset為高電平時(shí)，16位計(jì)數(shù)器使能信號(hào)cen和16位計(jì)數(shù)器清零信號(hào)clr輸出的邏輯關(guān)系分別為cen＝(up/dn)&(cen_1)和同時(shí)將cen_1和ld進(jìn)行取反運(yùn)算。16位計(jì)數(shù)器工作時(shí)，利用系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)fclk將信號(hào)up/dn的高電平調(diào)制成一系列脈沖，當(dāng)16位計(jì)數(shù)器使能信號(hào)cen為高電平時(shí)，16位計(jì)數(shù)器對(duì)信號(hào)up/dn的高電平脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)算；當(dāng)16位計(jì)數(shù)器使能信號(hào)cen為低電平時(shí)，16位計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，并等待16位鎖存器控制信號(hào)ld上升沿的到來(lái)，將16位計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值c1/c2鎖存在16位鎖存器中并輸出給頻率發(fā)生器，當(dāng)clr為高電平時(shí)將16位計(jì)數(shù)器清零，為對(duì)下一個(gè)輸入信號(hào)up/dn的高電平計(jì)數(shù)做準(zhǔn)備。

所述的頻率發(fā)生器由初始參數(shù)設(shè)置模塊、n參數(shù)模塊和n分頻器組成，初始參數(shù)設(shè)置模塊包括相角控制值s和啟動(dòng)設(shè)置值n0，其中n0代表初始頻率值。頻率發(fā)生器的工作過(guò)程如下：

(1)判斷復(fù)位信號(hào)reset是否為高電平，當(dāng)復(fù)位信號(hào)為低電平時(shí)，獲取初始設(shè)置參數(shù)值，當(dāng)復(fù)位信號(hào)為高電平時(shí)等待c1和c2的到來(lái)。

(2)如果c1大于c2，說(shuō)明fout信號(hào)滯后于fin信號(hào)，需要減小分頻因子ni(i＝0,1,2,…,k)的值，更新后的分頻因子表達(dá)式為：

ni+1＝ni-n(i)(3)

式中，n(i)為頻率步進(jìn)值，該值由步進(jìn)值控制器根據(jù)信號(hào)的相位差大小產(chǎn)生，當(dāng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤時(shí)則n(i)＝0。

(3)如果c1小于c2，說(shuō)明fout信號(hào)超前于fin信號(hào)，繼續(xù)判斷c1是否小于等于s，當(dāng)c1小于等于s時(shí)，不再調(diào)節(jié)分頻因子的值；當(dāng)c1大于s時(shí)，增加分頻因子ni的值，更新后的分頻因子表達(dá)式為：

ni+1＝ni+n(i)(4)

(4)將更新后的分頻因子發(fā)送給n分頻器，根據(jù)分頻因子的大小將系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻并輸出給pwm波模塊，輸出信號(hào)頻率fout的表達(dá)式為：

所述的pwm波模塊根據(jù)n分頻器提供的輸出信號(hào)頻率fout，輸出3路信號(hào)：兩路含有死區(qū)時(shí)間的pwm1和pwm2信號(hào)，另一路為代表負(fù)載電壓相位的反饋信號(hào)fout。

本發(fā)明的有益效果：采用獨(dú)立的頻率發(fā)生器使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力；采用的步進(jìn)值控制器提高系統(tǒng)的負(fù)載諧振頻率搜索速度；采用的負(fù)反饋環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了負(fù)載諧振頻率的實(shí)時(shí)跟蹤。本發(fā)明滿足了脈沖式感應(yīng)加熱電源在脈沖渦流熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用需求。

附圖說(shuō)明

圖1是脈沖式感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是改進(jìn)型全數(shù)字頻率跟蹤技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖3是異或門鑒相器結(jié)構(gòu)框圖；

圖4是數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)框圖；

圖5是數(shù)字濾波器工作流程圖；

圖6是頻率發(fā)生器中n參數(shù)模塊工作流程圖；

圖7是負(fù)載諧振頻率搜索過(guò)程波形圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)清楚明白，以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明：

如圖1所示，本實(shí)施例包括：三相整流濾波電路、全橋逆變電路、阻抗匹配變壓器、串聯(lián)諧振負(fù)載電路、電流采樣電路、頻率跟蹤控制器和全橋驅(qū)動(dòng)電路；三相整流電路由3組二極管和1個(gè)濾波電容cd組成，輸入端連接三相交流電，輸出端的一端連接全橋逆變電路igbt開(kāi)關(guān)管的集電極a端，另一端連接全橋逆變電路igbt開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極b端；全橋逆變器由igbt開(kāi)關(guān)管q1、q2、q3和q4構(gòu)成，q1和q3相連構(gòu)成左側(cè)橋臂，q2和q4相連構(gòu)成右側(cè)橋臂，q1和q2的集電極接在a端，q3和q4的發(fā)射極接在b端，q1的發(fā)射極和q3的集電極相連構(gòu)成左側(cè)橋臂中點(diǎn)o1，q2的發(fā)射極和q4的集電極相連構(gòu)成右側(cè)橋臂中點(diǎn)o2；阻抗匹配變壓器t1的輸入端分別連左側(cè)橋臂中點(diǎn)o1和右側(cè)橋臂中點(diǎn)o2，其輸出端接串聯(lián)諧振負(fù)載電路；串聯(lián)諧振負(fù)載電路由負(fù)載等效電阻r、電感l(wèi)和諧振電容c組成；電流采樣電路由電流互感器ta、采樣電阻rs和比較器u1組成，電流互感器ta串接在負(fù)載電路中作為電流取樣，通過(guò)采樣電阻rs將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再經(jīng)比較器u1輸入給頻率跟蹤控制器作為負(fù)載諧振頻率跟蹤的電流反饋信號(hào)，利用基于igbt的改進(jìn)型全數(shù)字頻率跟蹤控制器的pwm模塊輸出信號(hào)作為電壓反饋信號(hào)，經(jīng)基于fpga的改進(jìn)型全數(shù)字頻率跟蹤控制器輸出兩路pwm控制信號(hào)，經(jīng)全橋驅(qū)動(dòng)電路后輸出vt1、vt2、vt3和vt4四路信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)igbt開(kāi)關(guān)管q1、q2、q3和q4。

如圖2所示，基于fpga的改進(jìn)型全數(shù)字頻率跟蹤控制器由鑒相器、數(shù)字濾波器、頻率發(fā)生器、步進(jìn)值控制器和pwm波模塊構(gòu)成。

如圖3所示，鑒相器由5個(gè)或非門組成，可在fpga中通過(guò)組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)，fin和fout為鑒相器的兩路輸入信號(hào)，分別代表負(fù)載電流相位信號(hào)和負(fù)載電壓相位信號(hào)。

當(dāng)fout信號(hào)相位超前于fin信號(hào)時(shí)，輸出的邏輯關(guān)系式為：

當(dāng)fout信號(hào)相位滯后于fin信號(hào)時(shí)，輸出的邏輯關(guān)系式為：

根據(jù)式(1)和(2)的邏輯關(guān)系可知，輸出信號(hào)up/dn能反映輸入信號(hào)fin和fout的相位差，其中一路up或dn為代表負(fù)載電壓電流相位差大小的信號(hào)，另一路dn或up為50％占空比的比較信號(hào)。

如圖4所示，數(shù)字濾波器由信號(hào)控制器、16位計(jì)數(shù)器和16位鎖存器組成；信號(hào)控制器的作用在于根據(jù)輸入信號(hào)up/dn產(chǎn)生三種信號(hào)：計(jì)數(shù)器使能信號(hào)cen、計(jì)數(shù)器清零信號(hào)clr以及鎖存器的控制信號(hào)ld。如圖5所示，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：(1)等待up/dn的上升沿，然后判斷復(fù)位信號(hào)reset的高低電平；(2)當(dāng)復(fù)位信號(hào)reset為低電平時(shí)，引入中間變量信號(hào)cen_1，并初始化參數(shù)cen_1＝0、ld＝1、clr＝1和cen＝0；(3)當(dāng)復(fù)位信號(hào)reset為高電平時(shí)，16位計(jì)數(shù)器使能信號(hào)cen和16位計(jì)數(shù)器清零信號(hào)clr輸出的邏輯關(guān)系分別為cen＝(up/dn)&(cen_1)和同時(shí)將cen_1和ld進(jìn)行取反運(yùn)算。16位計(jì)數(shù)器工作時(shí)，利用系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)fclk將信號(hào)up/dn的高電平調(diào)制成一系列脈沖，當(dāng)16位計(jì)數(shù)器使能信號(hào)cen為高電平時(shí)，16位計(jì)數(shù)器對(duì)信號(hào)up/dn的高電平脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)算；當(dāng)16位計(jì)數(shù)器使能信號(hào)cen為低電平時(shí)，16位計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，并等待16位鎖存器控制信號(hào)ld上升沿的到來(lái)，將16位計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值c1/c2鎖存在16位鎖存器中并輸出給頻率發(fā)生器，當(dāng)clr為高電平時(shí)將16位計(jì)數(shù)器清零，為對(duì)下一個(gè)輸入信號(hào)up/dn的高電平計(jì)數(shù)做準(zhǔn)備。

如圖6所示，頻率發(fā)生器由初始參數(shù)設(shè)置模塊、n參數(shù)模塊和n分頻器組成，初始參數(shù)設(shè)置模塊包括相角控制值s和啟動(dòng)設(shè)置值n0，其中n0代表初始頻率值。頻率發(fā)生器的工作過(guò)程如下：

(1)判斷復(fù)位信號(hào)reset是否為高電平，當(dāng)復(fù)位信號(hào)為低電平時(shí)，獲取初始設(shè)置參數(shù)值，當(dāng)復(fù)位信號(hào)為高電平時(shí)等待c1和c2的到來(lái)；

(2)如果c1大于c2，說(shuō)明fout信號(hào)滯后于fin信號(hào)，需要減小分頻因子ni(i＝0,1,2,…,k)的值，更新后的分頻因子表達(dá)式為：

ni+1＝ni-n(i)(3)

式中，n(i)為頻率步進(jìn)值，該值由步進(jìn)值控制器根據(jù)信號(hào)的相位差大小產(chǎn)生，當(dāng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤時(shí)則n(i)＝0。

(3)如果c1小于c2，說(shuō)明fout信號(hào)超前于fin信號(hào)，繼續(xù)判斷c1是否小于等于s，當(dāng)c1小于等于s時(shí)，不再調(diào)節(jié)分頻因子的值；當(dāng)c1大于s時(shí)，增加分頻因子ni的值，更新后的分頻因子表達(dá)式為：

ni+1＝ni+n(i)(4)

(4)將更新后的分頻因子發(fā)送給n分頻器，根據(jù)分頻因子的大小將系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻并輸出給pwm波模塊，輸出信號(hào)頻率fout的表達(dá)式為：

如圖2所示，pwm波模塊根據(jù)n分頻器提供的輸出信號(hào)頻率fout，輸出3路信號(hào)：兩路含有死區(qū)時(shí)間的pwm1和pwm2信號(hào)，另一路為代表負(fù)載電壓相位的反饋信號(hào)fout。

如圖7所示，鑒相器對(duì)兩路輸入信號(hào)fout和fin進(jìn)行鑒相，輸出兩路信號(hào)up/dn，其中一路up代表負(fù)載電壓電流相位差信號(hào)，另一路dn為50％占；濾波器通過(guò)計(jì)數(shù)器的方式實(shí)現(xiàn)，利用系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)fclk將up/dn信號(hào)的高電平調(diào)制成一系列脈沖，由兩個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)輸入周期內(nèi)的系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并獲得計(jì)數(shù)值c1和c2。c1和c2的值分別反映up和dn信號(hào)的占空比大小，通過(guò)比較c1和c2的值，可以判斷負(fù)載電壓電流的相位關(guān)系；初始時(shí)刻，n參數(shù)模塊的分頻因子為n0，當(dāng)c1小于c2且大于s時(shí)，需要增加分頻因子的值，增加的值為n(i)，然后將更新后的分頻因子發(fā)送給n分頻器。n分頻器根據(jù)n參數(shù)模塊的分頻因子的值將系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)分頻輸出。

本說(shuō)明書實(shí)施例所述的內(nèi)容僅僅是對(duì)發(fā)明構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實(shí)施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護(hù)范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。