摘要：提出一種高精度復合脈沖均勻密度調制(CPSM)的感應加熱電源。采用AVR單片機和硬件電路協(xié)同工作方式，在保證控制脈沖均勻分布的同時，將其控制精度提升到1／1 024，使輸出功率更穩(wěn)定，調節(jié)更靈活；同時采用預估算編程方法，提高了工作頻率。逆變環(huán)節(jié)采用串聯諧振式逆變電路，控制開關管的零電壓開通(ZVS)和零電流關斷(ZCS)，實現了軟開關。介紹了系統(tǒng)設計方法，并給出了程序流程圖和實驗結果。
關鍵詞：電源；脈沖均勻密度調制；感應加熱

1 引言
目前，高頻感應加熱電源的功率調節(jié)具有直流側調功和逆變側調功兩種方式。逆變側調功方式有：脈沖頻率調制、移相調功、脈沖密度調制。但在輕載的情況下，以上方法會導致功率因數下降或輸出電流波動等情況。脈沖均勻密度調制(PSM)利用串聯諧振負載儲能，通過控制單位時間內開通和關斷的脈沖信號比例來調節(jié)輸出功率，并使脈沖信號均勻分布。即使在輕載時，逆變器輸出電流波動也很小，且輸出頻率不變，功率因數始終接近1，因此得到了較廣泛的應用。但傳統(tǒng)的PSM實現方式由邏輯門電路構建，結構復雜，且其精度等級只能達到1／16，難以適應高精度感應加熱場合。而單純采用軟件設計的方法，由于PSM控制算法復雜，難以提高逆變器工作頻率，且存在延遲失真現象。
為提高高頻感應加熱電源控制精度，提出一種CPSM控制方案。在傳統(tǒng)硬件控制電路基礎上，增加了基于ATmega8單片機的軟件控制，并利用該款單片機的10位高精度A／D轉換，將控制精度提升到傳統(tǒng)控制方式的64倍；針對AVR系列單片機在數據處理上存在的延遲，加入了預估算控制策略，從而保證了輸出控制信號時序穩(wěn)定。

2 主電路及其工作原理
圖1為CPSM感應加熱電源主電路，它由三相不可控整流電路、濾波電路、單相逆變電路和串聯諧振電路組成。

圖中，VD1～VD6構成三相橋式不可控整流電路；L1，C1構成濾波電路，輸出平穩(wěn)的直流電壓；V1～V4為IGBT開關器件，構成單相全橋逆變電路；VD1’～VD4’為快恢復反并聯二極管，C2～C5為功率開關器件的吸收電容(包括開關器件的結電容)；C6為隔直電容；T為變壓器；L0為等效電感；C0為串聯諧振電容；R0為等效負載電阻；V1，V2為主開關，根據輸出功率的大小進行均勻脈沖密度控制；V3，V4始終交替開關，為負載回路提供續(xù)流。逆變器輸出頻率固定，工作在串聯諧振狀態(tài)，實現了ZCS和ZVS軟開關。

3 CPSM控制原理與實現
3．1 CPSM控制系統(tǒng)的整體結構
圖2為控制系統(tǒng)的整體框圖，以ATmega8芯片和PSM硬件電路作為系統(tǒng)核心，包括PI調節(jié)電路、頻率跟蹤電路、驅動和檢測電路。

三相整流、濾波、逆變電路和負載構成了系統(tǒng)主電路，逆變器承擔了逆變和功率調節(jié)兩項任務。PSM硬件電路可產生以16個脈沖為一個周期的控制信號(即精度為1／16)，并經驅動電路控制逆變器，實現功率調節(jié)。給定功率與反饋值比較后經PI調節(jié)器將模擬控制量輸入到ATmega 8芯片中，ATmega8根據A／D轉換后的數字量對PSM硬件電路的各個周期單獨控制，從而實現了精度提升。頻率跟蹤電路保證了CPSM控制信號基準頻率與負載諧振頻率相同，使電路工作在串聯諧振狀態(tài)。