SH69P42单片机在电磁炉控制中的应用

SH69P42单片机在电磁炉控制中的应用

电磁炉工作时,虽然输入信号是市电的220 V交流电,但是为了保持功率恒定和内部稳定工作,需要对各参数进行实时的检测和控制,以有效地实现锅具超温保护、锅具干烧保护、锅具传感器开／短路保护、忘记关机保护、IGBT温度限制、IGBT温度过高保护、低温环境工作模式、IGBT测温传感器开／短路保护、高低电压保护、浪涌电压保护、VCE抑制、VCE过高保护、过零检测、小物检测、锅具材质检测、定时等功能。

    这些参数中有很多是互相关联、互相影响的,因此,使用单片机实现检测和控制,无论从成本上,还是从可靠性、实现方案上,均是较好的选择。

    1 控制参数及其相互关系

    1.1 电磁炉的工作原理

    电磁炉是一种利用电磁感应原理将电能转换为热能的厨房电器。它有两种类型：一种是利用工频电流进行感应加热;另一种是利用15 kHz以上的高频电流进行感应加热。前者称为"工频电磁炉",后者称为"高频电磁炉"。工频电磁炉无需进行工频到高频的变换电路,电路复杂性较小;但是,需要特殊的复合材料(一般为不锈钢、铁、不锈钢、铝四层复合)制成的烹饪锅具才能正常工作。高频电磁炉需要设置高频变换和控制电路,但无需复合材料制成锅体。家用电磁炉一般采用高频模式。

    高频电磁炉热效率高达83％。在电磁炉内部的主谐振部分,由整流电路将50 Hz／60 Hz的交流电压变成直流电压,再经过控制电路将直流电压转换成频率为20～50 kHz的高频电压。高速变化的电流流过线圈时,产生高速交变的磁场;当磁场内的磁力线通过金属器皿时,底部会产生巨大的涡流,使器皿本身自行高速发热,然后再加热器皿内的物质。

    1.2 电磁炉的检测和控制参数

    电磁炉工作时需要检测、控制的信号或参数有以下14种：工作电压(输入、模拟量),工作电流(输入、模拟量),IGBT工作温度(输入、模拟量),输出到器皿的温度(输入、模拟量),交流电过零(输入、数字量)．同步(输入、数字量),风扇(输出、数字量),蜂鸣器(输出、PWM)．IG-BT导通和截止(输出、PWM),电源浪涌(输入／输出、数字量),IGBT之C端的过压(输入／输出、数字量),试探信号(输出、数字量),按键监测(输入／输出、数字量),显示控制(输出、数字量)。

    1.3 控制参数的相互关系

    以上参数除后两项属于人机交互界面外,其他12项参数均互相关联,关联关系如图1所示。

      

    在图1中,参数I、V、Vp-p、VCE、T1、T2分别为：工作电流设定值、工作电压设定值、浪涌电压设定值、IGBT最大击穿电压设定值、IGBT温度值和加热线圈温度值。所有参数的加入均以使IGBT可靠、正常地工作为中心。IGBT可靠、正常地工作是指：输出功率恒定,发热和锅底温度在允许的范围内。

    2 综合控制的实现

    2.1 单片机SH69P42

    SH69P42是中颖公司基于SH6610D内核的4位RISC指令集的单片机。它带有4通道8位SAR A／D转换器,2通道10位PWM输出,2级3种中断(A／D中断、端口中断和定时器中断),2个8位定时器,16个I／O引脚;内有OTP型ROM(3 072×16位)和RAM(192×4位);还有低电压监视复位和内置看门狗电路,振荡器工作频率为32 768 Hz～8 MHz。SH69P42共有43条指令,每条指令的执行时间均等,为振荡器周期的4倍。

    SH69P42适合工业级,应用于对系统抗干扰能力要求极高的场合,家电应用是它的一个重要方面。从SH69P42的单片机资源分析,结合1.2节给出的参数可以看到,该单片机非常适合于电磁炉的控制。

    2.2 综合控制的策略

    2.2.1 输出功率的控制

    控制IGBT的信号是一个周期固定的PWM脉冲。由文献[2]可知,电磁炉的输出瞬时功率决定于一个PWM周期中高电平的占空比,此期间导通的IGBT所流过电流的大小决定功率的大小。因此,电磁炉的输出功率可以间接地使用PWM周期的占空比来实现。计算方法可以简单地使用线性对应。

    SH69P42有2个10位PWM,可以通过简单的编程来实现规定的占空比输出。

    PWM0：对应的周期寄存器为$22、$23、$24三个单元,分别对应低4位、中4位和高2位;

    PWM1：对应的周期寄存器为$28、$29、$2A三个单元,分别对应低4位、中4位和高2位。

    对应的PWM周期=3个单元连起来的10位二进制数×PWM时钟

    PWM0：对应的占空比寄存器为$25、$26、$27三个单元,分别对应低4位、中4位和高2位;

    PWM1：对应的周期寄存器为$2B、$2C、$2D三个单元,分别对应低4位、中4位和高2位。

    对应的PWM占空比=3个单元连起来的10位二进制数×PWM时钟

    PWM时钟可以编程(PWM0为$20,PWM1为$21单元)设定为振荡周期的1、2、4、8倍。

    功率输出还应与锅底温度的检测相结合,并且以锅底温度为上限条件,即使达不到设定功率值,只要锅底温度达到了规定值也视为功率达标。
 
    2.2.2 IGBT的安全

    电磁炉中的IGBT工作时,根据不同设定功率,导通电流为8～40 A不等．承受电压为800 V左右。对封装在小空间里的电子器件来说,这个工作参数是比较危险的。一旦出现IGBT的击穿,将会危及周围的元器件。因此,在电磁炉的控制策略里,保护IGBT正常工作是重中之重。从以下几个方面来进行IGBT的保护：

    ①如图1所示,关断IGBT后,在加热线圈和振荡电容自由振荡时,从正电压到零点以前不可使IGBT导通,要在滤波电容经过IGBT的回复二极管导通时打开IGBT控制脉冲,因为此时IGBT处于反偏状态,正向的电压尚未加入。此处的控制由同步电路承担。

    ②出现电源浪涌时,应立即关断IGBT。TGBT的耐压极限一般为1 200 V,对转换为直流后的浪涌的检测要限制在1 150 V以内,所以该段一定要使用金属膜精密电阻。

    ③电源出现过压、过流时要关断IGBT,理由同上。

    ④电磁炉在工作一段时间后,可能会出现元器件的老化,从而造成参数的偏移。尤其是加热线圈和振荡电容的参数偏移会造成自由振荡时电压过高,这时加在IGBT的C、E两端的电压就会超过设计值,从而造成IGBT过压击穿。这里的保护类似①中电源的浪涌保护原理。

    ⑤IGBT长时间大功率工作或散热不良,会造成IG-BT温度过高。根据IGBT的电流一温度工作曲线．温度在100℃时,其电流通过能力为25℃时的50％,因此要随时监视IGBT的温度,一旦超过设定值,应马上关断IGBT并实时检测该温度。

    2.3 软硬件设计

    以SH69P42为核心的电磁炉控制系统,利用PWM0来控制IGBT的导通与截止,利用PWM1来控制无源的蜂鸣器;A／D转换器用来接收工作电压、工作电流、IGBT温度和锅底温度4个信号。其余I／O除用于键盘扫描、显示外,用来输出试探信号、交流过零检测、风扇驱动。

    软件方面,设计定时中断来循环判断IGBT温度、锅底温度,随时进行IGBT的保护。使用SH69P42的时钟中断来进行有锅无锅检测,因为在实际的应用中,电磁炉上的锅具会随时移开,电磁炉的加热线圈和振荡电容的工作状态随时会发生变化。无锅时,该LC是一种无阻尼振荡,峰值电压会超过1 200 V进而损坏IGBT。实践证明,检测周期超过8 ms,就会引起IGBT的过压损坏。

    结 语

    电磁炉的控制是目前家用电器中比较复杂的,尤其是厨房家电,工作环境比较复杂,内部又处于高压、高温、高频状态。SH69P42单片机凭借其优良的抗干扰性能、简洁的指令系统和强大的逻辑运算指令,可以像控制一个PLD一样控制一个系统。可以预见,该单片机将会有更广阔的应用空间。