中國計量大學工業(yè)與商貿(mào)計量技術研究所王曉娜、方旭等，在2018年第18期《電工技術學報》上撰文，為解決傳統(tǒng)感應加熱電源中搜索諧振頻率慢和頻率跟蹤實時性差的問題，提出一種改進型全數(shù)字定角頻率跟蹤技術，以滿足脈沖渦流熱成像對激勵電源的特殊要求。

首先，介紹脈沖式感應加熱電源系統(tǒng)及工作原理，在此基礎上對改進型定角頻率跟蹤技術進行詳細的理論分析；然后，建立系統(tǒng)控制參數(shù)與系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能的數(shù)學表達式，進一步分析品質(zhì)因數(shù)、起動頻率和頻率步進值對系統(tǒng)動態(tài)響應特性的影響；最后，對基于脈沖式感應加熱電源系統(tǒng)進行實驗，并對改進型全數(shù)字定角頻率跟蹤技術的性能進行驗證。

結(jié)果表明：該頻率控制系統(tǒng)具有搜索諧振頻率快、實時跟蹤能力強、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，仿真和實驗結(jié)果驗證了該頻率跟蹤技術的有效性和可行性。

脈沖渦流熱成像技術具有非接觸、成像直觀、檢測效率高和易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，已成功應用于航空航天、交通運輸、石油化工等領域[1-4]。感應加熱電源是脈沖渦流熱成像技術的重要組成部分，電源性能直接影響缺陷特征信號的提取、系統(tǒng)檢測靈敏度和缺陷檢出率。

脈沖式感應加熱電源，是一種特殊的感應加熱電源，其特征在于非�？焖俚厮阉鞯街C振頻率，然后在弱感性或諧振狀態(tài)下輸出短時持續(xù)脈沖。近年來，國內(nèi)外研究人員圍繞電路拓撲結(jié)構(gòu)[5-8]、電磁耦合探頭[9-11]及頻率跟蹤技術[12-19]等感應加熱電源關鍵技術展開了深入研究，其中電流過零點同步檢測[12,13]和鎖相環(huán)技術[14-19]是兩種典型的頻率跟蹤技術。

文獻[13]采用電流過零點同步技術進行頻率跟蹤，該技術具有過渡時間短、超調(diào)量小等優(yōu)點，但是感應加熱電源在開關過程中，由于寄生參數(shù)的影響會使電流過零時出現(xiàn)高頻振蕩信號，導致系統(tǒng)跟蹤異常。

隨著數(shù)字化技術的發(fā)展，基于FPGA的全數(shù)字鎖相環(huán)頻率跟蹤技術在感應加熱電源中得到了廣泛應用，鎖相環(huán)頻率跟蹤技術的性能直接影響著電源系統(tǒng)的工作效率、穩(wěn)定性以及抗干擾能力。

文獻[15,16]提出的基于FPGA的自動變模控制感應加熱電源全數(shù)字鎖相環(huán)，在FPGA內(nèi)嵌的數(shù)字鎖相環(huán)模塊74297的基礎上，設計了中心頻率拓展模塊Counter32B，采用N值檢測計數(shù)器Counter32B對輸入信號進行計數(shù)并將計數(shù)結(jié)果作為N模分頻器分頻值，實現(xiàn)鎖相環(huán)中心頻率頻帶拓展。

文獻[17]中提出的鎖相環(huán)為了增加鎖相的范圍，根據(jù)監(jiān)測負載電流的頻率隨時修改設計N分頻模塊的參數(shù)值。

文獻[18]提出了一種基于FPGA的數(shù)字鎖相環(huán)，使感應加熱電源工作在零電壓開通（Zero Voltage Switching, ZVS）狀態(tài)，提高了電源的效率。

上述文獻中數(shù)字鎖相環(huán)的分頻參數(shù)N都是通過負載電流獲取，而電流采樣電路在過零點處通常存在高頻振蕩信號，將會導致分頻參數(shù)異常，使鎖相環(huán)電路失鎖，影響電源的工作安全。

針對上述兩種頻率跟蹤技術存在穩(wěn)定性差和抗干擾能力弱及不能人為設置頻率跟蹤策略等問題，本文提出一種基于FPGA的改進型全數(shù)字定角頻率跟蹤技術。

首先介紹了脈沖式感應加熱電源系統(tǒng)及工作原理，在此基礎上對改進型定角頻率跟蹤技術進行詳細的理論分析；建立控制系統(tǒng)的目標函數(shù)，并仿真分析品質(zhì)因數(shù)、起動頻率和頻率步進值等不同參數(shù)對控制系統(tǒng)性能的影響；最后通過實驗驗證了改進型定角頻率跟蹤技術適用于脈沖式感應加熱電源中。

 

結(jié)論

本文提出了一種基于FPGA的適用于脈沖式感應加熱電源的改進型全數(shù)字定角頻率跟蹤控制技術。該控制系統(tǒng)的N分頻參數(shù)根據(jù)頻率發(fā)生器的控制策略來獲取，有效地解決了全數(shù)字鎖相環(huán)中分頻模塊受高頻振蕩信號干擾以及電流過零同步技術受電流在過零時刻振蕩的影響，提高了電源的抗干擾能力，增強了電源的穩(wěn)定性。

通過設置相位控制值S使負載穩(wěn)定的工作在弱感性狀態(tài)，并且通過步進值控制器實現(xiàn)不同的控制策略，增加了系統(tǒng)的可控性，提高頻率跟蹤速度。

本文對控制系統(tǒng)進行了數(shù)學建模，利用Matlab軟件進行仿真，并在硬件平臺進行實驗，驗證了改進型定角頻率跟蹤控制系統(tǒng)的性能。該系統(tǒng)實現(xiàn)簡單，成本低，可以更好地應用到基于FPGA的脈沖式感應加熱電源中。

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