專利名稱：一種基于cpld的超音頻調(diào)頻電磁感應(yīng)加熱控制模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電磁加熱功率控制技術(shù)或電子信息領(lǐng)域，主要是應(yīng)用于電磁感應(yīng)加熱行業(yè)的一種基于CPLD的超音頻調(diào)頻電磁感應(yīng)加熱控制模塊。
背景技術(shù)：
時(shí)至今日，電磁加熱技術(shù)以其低輻射，無污染，清潔，環(huán)保等眾多優(yōu)點(diǎn)而迅速在能源行業(yè)得到大力推廣，并逐漸替代傳統(tǒng)加熱方式而涌入市場(chǎng)。但是電磁加熱技術(shù)的控制核心幾十年來一直大量采用單片機(jī)或是通用的DSP芯片，這對(duì)于強(qiáng)電磁干擾而且又要求快速響應(yīng)的電磁加熱行業(yè)來說，的確成了一個(gè)不可逾越的鴻溝。隨著單片機(jī)以及DSP芯片的制 造成本的降低，人們更加傾向于選擇它們，而忽視了性能更加穩(wěn)定而且高速的可編程邏輯器件，例如CLPD，F(xiàn)PGA等。盡管CPLD和FPGA在當(dāng)前通信領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但用于電磁加熱行業(yè)的成功案例卻很少，這種局面不但造成了電磁加熱行業(yè)的主控板平均故障率居高不下，更使得企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本翻倍的上升，結(jié)果，就連稍微好些技術(shù)改進(jìn)都很難，導(dǎo)致了行業(yè)內(nèi)部的惡性循環(huán)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題，提供一種基于CPLD的超音頻調(diào)頻電磁感應(yīng)加熱控制模塊，它在本模塊電磁加熱行業(yè)內(nèi)率先采用了基于乘積項(xiàng)的高密度CPLD器件，通過電路優(yōu)化設(shè)計(jì)以及在線仿真與調(diào)試，本模塊將所有電磁加熱所需的控制程序和保護(hù)輸入輸出邏輯以及狀態(tài)指示等，集合與一片CPLD芯片內(nèi)部，通過本模塊對(duì)感應(yīng)加熱外部電路的調(diào)節(jié)，可以確保在最短時(shí)間內(nèi)保護(hù)IGBT免受損傷以及使得電磁感應(yīng)加熱負(fù)載始終運(yùn)行于最佳諧振狀態(tài)，為用戶節(jié)約了大量能源。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。本發(fā)明的基于CPLD的超音頻調(diào)頻電磁感應(yīng)加熱控制模塊，模塊內(nèi)部分為三個(gè)子功能模塊，各子功能模塊為
子模塊I :用于對(duì)IGBT，爐盤，功率調(diào)節(jié)電位器的信號(hào)檢測(cè)，并將信號(hào)處理完成后送到其他子模塊或LED顯示；本模塊同時(shí)以電網(wǎng)的50Hz交流信號(hào)調(diào)理后生成的IOOHz方波信號(hào)作為子模塊I的時(shí)鐘源，并通過一個(gè)三分頻電路將產(chǎn)生的33Hz信號(hào)送給子模塊2作為子模塊2的時(shí)鐘源；本模塊同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)IGBT集射電壓的實(shí)時(shí)檢測(cè)和對(duì)各種故障狀態(tài)的LED指示輸出，以便對(duì)IGBT和控制主板進(jìn)行保護(hù)，并通過四個(gè)LED指示燈來指示用戶操作或排查故障。子模塊2 :用于對(duì)CT電流互感器線圈感應(yīng)，并分別通過頻率或電流檢測(cè)電路產(chǎn)生的負(fù)載超頻或過流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，通過頻率調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)負(fù)載的諧振頻率調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)負(fù)載功率，通過檢測(cè)負(fù)載電流，可對(duì)負(fù)載的故障進(jìn)行及時(shí)的處理，避免對(duì)IGBT等功率器件的損壞；本模塊同時(shí)實(shí)現(xiàn)了由可控分頻器組成的多進(jìn)制計(jì)數(shù)器，用于協(xié)調(diào)三個(gè)子模塊間的數(shù)據(jù)交互時(shí)序和進(jìn)行邏輯控制。
子模塊3:用于PWM波形生成，輸出功率控制以及對(duì)輸入故障信號(hào)的處理，并迅速關(guān)閉PWM輸出信號(hào)及其相關(guān)部件；其中，PWM波形的信號(hào)源由壓頻轉(zhuǎn)換芯片送出，經(jīng)過內(nèi)部數(shù)字處理后生成兩個(gè)波形互補(bǔ)的PWM波，并且經(jīng)過死區(qū)插入電路，分別插入了 2微秒的死區(qū)時(shí)間；然后，通過兩個(gè)CPLD的I/O 口，將PWM信號(hào)送入后級(jí)處理電路波形放大后，驅(qū)動(dòng)IGBT運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的硬件包括CPLD芯片，功率調(diào)節(jié)電位器，85攝氏度溫度開關(guān)，爐底線圈溫度傳感器，CT線圈及其電路，25MHz晶振和LED指示燈；其中
CPLD芯片用于控制模塊外部各部件的工作；CPLD芯片的型號(hào)是EPM7128SLC84-15 ；功率調(diào)節(jié)電位器采用WXllO (010) IOK精度為5%的電位器，占用一根CPLD的I/O線，用于功率調(diào)節(jié)；
85攝氏度常閉性溫度開關(guān)，占用一根CPLD的I/O線，實(shí)現(xiàn)IGBT的溫度檢測(cè)；
正溫度系數(shù)熱敏電阻溫度傳感器，占用一根CPLD的I/O線，實(shí)現(xiàn)爐盤溫度檢測(cè)；
CT線圈及其附屬電路，占用兩根CPLD的I/O線，其中一根用于頻率檢測(cè)，另一根實(shí)現(xiàn)過流檢測(cè)；
25MHz晶振，占用一根CPLD的I/O線，作為芯片的總時(shí)鐘輸入；
LED指示燈，占用四根CPLD的I/O線，用于模塊運(yùn)行指示和故障報(bào)警；
本發(fā)明的有益效果時(shí)，首先是以CPLD為控制核心，并且率先在電磁加熱行業(yè)采用了高密度可編程邏輯陣列CPLD，在CPLD芯片的內(nèi)部?jī)?nèi)建了三個(gè)相對(duì)獨(dú)立又有機(jī)連接的功能子模塊，通過三個(gè)功能子模塊的協(xié)調(diào)工作，共同完成了對(duì)信號(hào)的采樣，輸出以及整體邏輯的控制；由于CPLD內(nèi)部數(shù)字邏輯時(shí)序的可預(yù)測(cè)性，可對(duì)CPLD芯片內(nèi)部構(gòu)建的數(shù)字電路的時(shí)序特性進(jìn)行綜合評(píng)估，從而使得電路運(yùn)行的時(shí)序穩(wěn)定性得以保障，進(jìn)而使得CPLD芯片可以快速的響應(yīng)輸入故障信號(hào)，并及時(shí)處理后，在極短時(shí)間內(nèi)關(guān)閉PWM波形的輸出，從而保護(hù)設(shè)備免受損傷。其次，本發(fā)明作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊，可以作為全橋或半橋串聯(lián)諧振電源的控制核心。


圖I是基于CPLD的超音頻電磁感應(yīng)加熱外部控制模塊組成圖。圖2是CPLD芯片內(nèi)部各功能模塊組成圖。圖3為CT線圈及其附屬電路圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。本發(fā)明的模塊主要包括以下幾部分
CPLD芯片是整個(gè)模塊的核心器件，由它控制其他外圍電路的運(yùn)行，本發(fā)明采用的CPLD芯片是美國(guó)Altera公司MAX7000S系列的84腳芯片，其型號(hào)是EPM7128SLC84-15。該芯片是基于乘積項(xiàng)結(jié)構(gòu)的CPLD，特別適用于完成復(fù)雜的組合，時(shí)序邏輯。EPM7128SLC84-15的器件門數(shù)為5000門，宏單元128個(gè)，用戶可用I/O引腳64個(gè)。以上資源完全可以滿足本模塊設(shè)計(jì)的要求。功率調(diào)節(jié)電位器采用WXllO (OlO)IOK精度為5%的電位器，占用一根CPLD的I/O線，用于功率調(diào)節(jié)。功率調(diào)節(jié)電位器分別通過LM339芯片兩個(gè)比較器輸出電平比較信號(hào)和欠壓保護(hù)信號(hào)，然后一起送到CPLD芯片內(nèi)的三個(gè)功能子模塊；
85攝氏度常閉性溫度開關(guān)，占用一根CPLD的I/O線，實(shí)現(xiàn)IGBT的溫度檢測(cè)^IGBT散熱片溫度達(dá)到85攝氏度時(shí)，通過TLC272和LM339組成的信號(hào)調(diào)理電路輸出報(bào)警脈沖，送到CPLD芯片內(nèi)部的功能子模塊I。正溫度系數(shù)熱敏電阻溫度傳感器，占用一根CPLD的I/O線，實(shí)現(xiàn)爐盤溫度檢測(cè)； CT線圈及其附屬電路，占用兩根CPLD的I/O線，其中一根用于頻率檢測(cè)，另一根實(shí)現(xiàn)過
流檢測(cè)，生成的報(bào)警信號(hào)分別送到CPLD內(nèi)部的功能子模塊3和功能子模塊I ;
25MHz晶振，占用一根CPLD的I/O線，作為芯片的總時(shí)鐘輸入； LED指示燈，占用四根CPLD的I/O線，用于模塊運(yùn)行指示和故障報(bào)警；
如圖I所示，本發(fā)明是基于CPLD的超音頻調(diào)頻電磁感應(yīng)加熱控制模塊，包括CPLD芯片，功率調(diào)節(jié)電位器，85攝氏度溫度開關(guān)，爐底線圈溫度傳感器，CT線圈及其電路，25MHz晶振和LED指TjV燈。該|吳塊各部件連接關(guān)系為
功率調(diào)節(jié)電位器采用WXllO (010) IOK精度為5%的電位器，占用一根CPLD的I/O線，用于功率調(diào)節(jié)；
85攝氏度常閉性溫度開關(guān)，占用一根CPLD的I/O線，實(shí)現(xiàn)IGBT的溫度檢測(cè)；
正溫度系數(shù)熱敏電阻溫度傳感器，占用一根CPLD的I/O線，實(shí)現(xiàn)爐盤溫度檢測(cè)；
CT線圈及其附屬電路，占用兩根CPLD的I/O線，其中一根用于頻率檢測(cè)，另一根實(shí)現(xiàn)過流檢測(cè)；
25MHz晶振，占用一根CPLD的I/O線，作為芯片的總時(shí)鐘輸入；
LED指示燈，占用四根CPLD的I/O線，用于模塊運(yùn)行指示和故障報(bào)警；
本發(fā)明CPLD芯片內(nèi)部三個(gè)功能子模塊關(guān)系圖如圖2所示。其中，三個(gè)功能子模塊與外部電路接口定義如下
Ul-CP為CPLD功能子模塊I的IOOHz時(shí)鐘輸入信號(hào)；
Ul-CR-DET為集射電壓檢測(cè)信號(hào)；
Ul-C為IGBT高溫保護(hù)輸入信號(hào)；
Ul-D為爐盤線圈高溫保護(hù)輸入信號(hào)；
U1-14為異常指示LED2 U1-15為保護(hù)封鎖輸入信號(hào)；
U1-16為爐盤線圈高溫保護(hù)指示LED3 ；
U1-17為IGBT高溫保護(hù)指示LED4 ；
U2-D為檢鍋信號(hào)延時(shí)輸出信號(hào)；
U2-E為通過CT電流互感器過流檢測(cè)電路檢測(cè)到的過流保護(hù)輸入信號(hào)；
U2-H和Ul-H為功率微調(diào)輸入信號(hào)，來自功率微調(diào)電位器；
U2-I為異常狀態(tài)消除后,故障標(biāo)志清除脈沖信號(hào)；
U3-CP為功率輸出信號(hào)源；
U3-C為死去插入用2us脈沖輸入信號(hào)；
U3-D為功率檢測(cè)信號(hào)，即為檢鍋信號(hào)；
U3-13為NE555觸發(fā)脈沖信號(hào)；
U3-14為功率輸出指示LEDl，當(dāng)LEDl亮?xí)r，表示有功率輸出，否則進(jìn)入故障處理程序；U3-16為檢鍋信號(hào)輸出；
U3-18和U3-19為兩路互補(bǔ)的中心對(duì)齊的PWM輸出信號(hào)；
以下是對(duì)三個(gè)功能子模塊的功能進(jìn)行基本的描述
子模塊I :用于對(duì)IGBT，爐盤，功率調(diào)節(jié)電位器的信號(hào)檢測(cè)，并將信號(hào)處理完成后送到其他子模塊或LED顯示。本模塊同時(shí)以電網(wǎng)的50Hz交流信號(hào)調(diào)理后生成的IOOHz方波信號(hào)作為子模塊I的時(shí)鐘源，并通過一個(gè)三分頻電路將產(chǎn)生的33Hz信號(hào)送給子模塊2作為子模塊2的時(shí)鐘源。本模塊同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)IGBT集射電壓的超快速檢測(cè)和對(duì)各種故障狀態(tài)的LED指示輸出，以便在最短的時(shí)間內(nèi)對(duì)IGBT和控制主板進(jìn)行保護(hù)，并通過四個(gè)LED指示燈來指示用戶操作或排查故障。 子模塊2 :用于對(duì)CT電流互感器線圈感應(yīng)，并分別通過頻率或電流檢測(cè)電路產(chǎn)生的負(fù)載超頻或過流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，通過頻率調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)負(fù)載的諧振頻率調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)負(fù)載功率，通過檢測(cè)負(fù)載電流，可對(duì)負(fù)載的故障進(jìn)行及時(shí)的處理，避免對(duì)IGBT等功率器件的損壞。本模塊同時(shí)實(shí)現(xiàn)了由可控分頻器組成的多進(jìn)制計(jì)數(shù)器，用于協(xié)調(diào)三個(gè)子模塊間的數(shù)據(jù)交互時(shí)序和進(jìn)行邏輯控制。子模塊3:用于PWM波形生成，輸出功率控制以及對(duì)輸入故障信號(hào)的處理，并迅速關(guān)閉PWM輸出信號(hào)及其相關(guān)部件。其中，PWM波形的信號(hào)源由壓頻轉(zhuǎn)換芯片LM331的3腳送出，經(jīng)過內(nèi)部數(shù)字處理后生成兩個(gè)波形互補(bǔ)的PWM波，并且經(jīng)過死區(qū)插入電路，分別插入了 2微秒的死區(qū)時(shí)間。然后，通過兩個(gè)CPLD的I/O 口，將PWM信號(hào)送入后級(jí)處理電路波形放大后，驅(qū)動(dòng)IGBT運(yùn)打。上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于CPLD的超音頻調(diào)頻電磁感應(yīng)加熱控制模塊，其特征在于，模塊內(nèi)部分為三個(gè)子功能模塊，各子功能模塊為 子模塊I :用于對(duì)IGBT，爐盤，功率調(diào)節(jié)電位器的信號(hào)檢測(cè)，并將信號(hào)處理完成后送到其他子模塊或LED顯示；本模塊同時(shí)以電網(wǎng)的50Hz交流信號(hào)調(diào)理后生成的IOOHz方波信號(hào)作為子模塊I的時(shí)鐘源，并通過一個(gè)三分頻電路將產(chǎn)生的33Hz信號(hào)送給子模塊2作為子模塊2的時(shí)鐘源；本模塊同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)IGBT集射電壓的超快速檢測(cè)和對(duì)各種故障狀態(tài)的LED指示輸出，以便在最短的時(shí)間內(nèi)對(duì)IGBT和控制主板進(jìn)行保護(hù)，并通過四個(gè)LED指示燈來指示用戶操作或排查故障； 子模塊2 :用于對(duì)CT電流互感器線圈感應(yīng)，并分別通過頻率或電流檢測(cè)電路產(chǎn)生的負(fù)載超頻或過流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，通過頻率調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)負(fù)載的諧振頻率調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)負(fù)載功率，本模塊同時(shí)實(shí)現(xiàn)了由可控分頻器組成的多進(jìn)制計(jì)數(shù)器，用于協(xié)調(diào)三個(gè)子模塊間的數(shù)據(jù)交互時(shí)序和進(jìn)行邏輯控制； 子模塊3 :用于PWM波形生成，輸出功率控制以及對(duì)輸入故障信號(hào)的處理，并迅速關(guān)閉PWM輸出信號(hào)及其相關(guān)部件；其中，PWM波形的信號(hào)源由壓頻轉(zhuǎn)換芯片送出，經(jīng)過內(nèi)部數(shù)字處理后生成兩個(gè)波形互補(bǔ)的PWM波，并且經(jīng)過死區(qū)插入電路，分別插入了 2微秒的死區(qū)時(shí)間；然后，通過兩個(gè)CPLD的I/O 口，將PWM信號(hào)送入后級(jí)處理電路波形放大后，驅(qū)動(dòng)IGBT運(yùn)行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于CPLD的超音頻調(diào)頻電磁感應(yīng)加熱控制模塊，硬件包括CPLD芯片，功率調(diào)節(jié)電位器，85攝氏度溫度開關(guān)，爐底線圈溫度傳感器，CT線圈及其電路，25MHz晶振和LED指示燈；CPLD芯片是整個(gè)模塊的核心，由它控制其他部件的運(yùn)行，通過對(duì)芯片內(nèi)部邏輯的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)過流，欠壓，過壓，IGBT集射電壓檢測(cè)，IGBT和爐底線圈超溫保護(hù)，PWM生成和輸出的控制，并可通過可調(diào)電位器實(shí)現(xiàn)手動(dòng)的功率細(xì)微調(diào)節(jié)。所有以上邏輯功能模塊集中于一片CPLD芯片之中，通過CPLD的IO端口和外部電路物理連接，而在CPLD芯片內(nèi)部又可分為三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子模塊，在芯片內(nèi)部有序的進(jìn)行物理連接和邏輯組合，用以復(fù)雜的電磁加熱時(shí)序邏輯和組合邏輯控制。
文檔編號(hào)H05B6/06GK102802290SQ201210326760
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月6日
發(fā)明者趙利, 高寶愛 申請(qǐng)人:山東聊城魯發(fā)節(jié)能設(shè)備有限公司