SH69P42單片機(jī)在電磁爐控制中的應(yīng)用

電磁爐工作時(shí),雖然輸入信號是市電的220 V交流電,但是為了保持功率恒定和內(nèi)部穩(wěn)定工作,需要對各參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測和控制,以有效地實(shí)現(xiàn)鍋具超溫保護(hù)、鍋具干燒保護(hù)、鍋具傳感器開／短路保護(hù)、忘記關(guān)機(jī)保護(hù)、IGBT溫度限制、IGBT溫度過高保護(hù)、低溫環(huán)境工作模式、IGBT測溫傳感器開／短路保護(hù)、高低電壓保護(hù)、浪涌電壓保護(hù)、VCE抑制、VCE過高保護(hù)、過零檢測、小物檢測、鍋具材質(zhì)檢測、定時(shí)等功能。

??? 這些參數(shù)中有很多是互相關(guān)聯(lián)、互相影響的,因此,使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)檢測和控制,無論從成本上,還是從可靠性、實(shí)現(xiàn)方案上,均是較好的選擇。

??? 1 控制參數(shù)及其相互關(guān)系

??? 1.1 電磁爐的工作原理

??? 電磁爐是一種利用電磁感應(yīng)原理將電能轉(zhuǎn)換為熱能的廚房電器。它有兩種類型：一種是利用工頻電流進(jìn)行感應(yīng)加熱;另一種是利用15 kHz以上的高頻電流進(jìn)行感應(yīng)加熱。前者稱為"工頻電磁爐",后者稱為"高頻電磁爐"。工頻電磁爐無需進(jìn)行工頻到高頻的變換電路,電路復(fù)雜性較小;但是,需要特殊的復(fù)合材料(一般為不銹鋼、鐵、不銹鋼、鋁四層復(fù)合)制成的烹飪鍋具才能正常工作。高頻電磁爐需要設(shè)置高頻變換和控制電路,但無需復(fù)合材料制成鍋體。家用電磁爐一般采用高頻模式。

??? 高頻電磁爐熱效率高達(dá)83％。在電磁爐內(nèi)部的主諧振部分,由整流電路將50 Hz／60 Hz的交流電壓變成直流電壓,再經(jīng)過控制電路將直流電壓轉(zhuǎn)換成頻率為20～50 kHz的高頻電壓。高速變化的電流流過線圈時(shí),產(chǎn)生高速交變的磁場;當(dāng)磁場內(nèi)的磁力線通過金屬器皿時(shí),底部會產(chǎn)生巨大的渦流,使器皿本身自行高速發(fā)熱,然后再加熱器皿內(nèi)的物質(zhì)。

??? 1.2 電磁爐的檢測和控制參數(shù)

??? 電磁爐工作時(shí)需要檢測、控制的信號或參數(shù)有以下14種：工作電壓(輸入、模擬量),工作電流(輸入、模擬量),IGBT工作溫度(輸入、模擬量),輸出到器皿的溫度(輸入、模擬量),交流電過零(輸入、數(shù)字量)．同步(輸入、數(shù)字量),風(fēng)扇(輸出、數(shù)字量),蜂鳴器(輸出、PWM)．IG-BT導(dǎo)通和截止(輸出、PWM),電源浪涌(輸入／輸出、數(shù)字量),IGBT之C端的過壓(輸入／輸出、數(shù)字量),試探信號(輸出、數(shù)字量),按鍵監(jiān)測(輸入／輸出、數(shù)字量),顯示控制(輸出、數(shù)字量)。

??? 1.3 控制參數(shù)的相互關(guān)系

??? 以上參數(shù)除后兩項(xiàng)屬于人機(jī)交互界面外,其他12項(xiàng)參數(shù)均互相關(guān)聯(lián),關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖1所示。

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??? 在圖1中,參數(shù)I、V、Vp-p、VCE、T1、T2分別為：工作電流設(shè)定值、工作電壓設(shè)定值、浪涌電壓設(shè)定值、IGBT最大擊穿電壓設(shè)定值、IGBT溫度值和加熱線圈溫度值。所有參數(shù)的加入均以使IGBT可靠、正常地工作為中心。IGBT可靠、正常地工作是指：輸出功率恒定,發(fā)熱和鍋底溫度在允許的范圍內(nèi)。

??? 2 綜合控制的實(shí)現(xiàn)

??? 2.1 單片機(jī)SH69P42

??? SH69P42是中穎公司基于SH6610D內(nèi)核的4位RISC指令集的單片機(jī)。它帶有4通道8位SAR A／D轉(zhuǎn)換器,2通道10位PWM輸出,2級3種中斷(A／D中斷、端口中斷和定時(shí)器中斷),2個(gè)8位定時(shí)器,16個(gè)I／O引腳;內(nèi)有OTP型ROM(3 072×16位)和RAM(192×4位);還有低電壓監(jiān)視復(fù)位和內(nèi)置看門狗電路,振蕩器工作頻率為32 768 Hz～8 MHz。SH69P42共有43條指令,每條指令的執(zhí)行時(shí)間均等,為振蕩器周期的4倍。

??? SH69P42適合工業(yè)級,應(yīng)用于對系統(tǒng)抗干擾能力要求極高的場合,家電應(yīng)用是它的一個(gè)重要方面。從SH69P42的單片機(jī)資源分析,結(jié)合1.2節(jié)給出的參數(shù)可以看到,該單片機(jī)非常適合于電磁爐的控制。

??? 2.2 綜合控制的策略

??? 2.2.1 輸出功率的控制

??? 控制IGBT的信號是一個(gè)周期固定的PWM脈沖。由文獻(xiàn)[2]可知,電磁爐的輸出瞬時(shí)功率決定于一個(gè)PWM周期中高電平的占空比,此期間導(dǎo)通的IGBT所流過電流的大小決定功率的大小。因此,電磁爐的輸出功率可以間接地使用PWM周期的占空比來實(shí)現(xiàn)。計(jì)算方法可以簡單地使用線性對應(yīng)。

??? SH69P42有2個(gè)10位PWM,可以通過簡單的編程來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的占空比輸出。

??? PWM0：對應(yīng)的周期寄存器為$22、$23、$24三個(gè)單元,分別對應(yīng)低4位、中4位和高2位;

??? PWM1：對應(yīng)的周期寄存器為$28、$29、$2A三個(gè)單元,分別對應(yīng)低4位、中4位和高2位。

??? 對應(yīng)的PWM周期=3個(gè)單元連起來的10位二進(jìn)制數(shù)×PWM時(shí)鐘

??? PWM0：對應(yīng)的占空比寄存器為$25、$26、$27三個(gè)單元,分別對應(yīng)低4位、中4位和高2位;

??? PWM1：對應(yīng)的周期寄存器為$2B、$2C、$2D三個(gè)單元,分別對應(yīng)低4位、中4位和高2位。

??? 對應(yīng)的PWM占空比=3個(gè)單元連起來的10位二進(jìn)制數(shù)×PWM時(shí)鐘

??? PWM時(shí)鐘可以編程(PWM0為$20,PWM1為$21單元)設(shè)定為振蕩周期的1、2、4、8倍。

??? 功率輸出還應(yīng)與鍋底溫度的檢測相結(jié)合,并且以鍋底溫度為上限條件,即使達(dá)不到設(shè)定功率值,只要鍋底溫度達(dá)到了規(guī)定值也視為功率達(dá)標(biāo)。
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??? 2.2.2 IGBT的安全

??? 電磁爐中的IGBT工作時(shí),根據(jù)不同設(shè)定功率,導(dǎo)通電流為8～40 A不等．承受電壓為800 V左右。對封裝在小空間里的電子器件來說,這個(gè)工作參數(shù)是比較危險(xiǎn)的。一旦出現(xiàn)IGBT的擊穿,將會危及周圍的元器件。因此,在電磁爐的控制策略里,保護(hù)IGBT正常工作是重中之重。從以下幾個(gè)方面來進(jìn)行IGBT的保護(hù)：

??? ①如圖1所示,關(guān)斷IGBT后,在加熱線圈和振蕩電容自由振蕩時(shí),從正電壓到零點(diǎn)以前不可使IGBT導(dǎo)通,要在濾波電容經(jīng)過IGBT的回復(fù)二極管導(dǎo)通時(shí)打開IGBT控制脈沖,因?yàn)榇藭r(shí)IGBT處于反偏狀態(tài),正向的電壓尚未加入。此處的控制由同步電路承擔(dān)。

??? ②出現(xiàn)電源浪涌時(shí),應(yīng)立即關(guān)斷IGBT。TGBT的耐壓極限一般為1 200 V,對轉(zhuǎn)換為直流后的浪涌的檢測要限制在1 150 V以內(nèi),所以該段一定要使用金屬膜精密電阻。

??? ③電源出現(xiàn)過壓、過流時(shí)要關(guān)斷IGBT,理由同上。

??? ④電磁爐在工作一段時(shí)間后,可能會出現(xiàn)元器件的老化,從而造成參數(shù)的偏移。尤其是加熱線圈和振蕩電容的參數(shù)偏移會造成自由振蕩時(shí)電壓過高,這時(shí)加在IGBT的C、E兩端的電壓就會超過設(shè)計(jì)值,從而造成IGBT過壓擊穿。這里的保護(hù)類似①中電源的浪涌保護(hù)原理。

??? ⑤IGBT長時(shí)間大功率工作或散熱不良,會造成IG-BT溫度過高。根據(jù)IGBT的電流一溫度工作曲線．溫度在100℃時(shí),其電流通過能力為25℃時(shí)的50％,因此要隨時(shí)監(jiān)視IGBT的溫度,一旦超過設(shè)定值,應(yīng)馬上關(guān)斷IGBT并實(shí)時(shí)檢測該溫度。

??? 2.3 軟硬件設(shè)計(jì)

??? 以SH69P42為核心的電磁爐控制系統(tǒng),利用PWM0來控制IGBT的導(dǎo)通與截止,利用PWM1來控制無源的蜂鳴器;A／D轉(zhuǎn)換器用來接收工作電壓、工作電流、IGBT溫度和鍋底溫度4個(gè)信號。其余I／O除用于鍵盤掃描、顯示外,用來輸出試探信號、交流過零檢測、風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)。

??? 軟件方面,設(shè)計(jì)定時(shí)中斷來循環(huán)判斷IGBT溫度、鍋底溫度,隨時(shí)進(jìn)行IGBT的保護(hù)。使用SH69P42的時(shí)鐘中斷來進(jìn)行有鍋無鍋檢測,因?yàn)樵趯?shí)際的應(yīng)用中,電磁爐上的鍋具會隨時(shí)移開,電磁爐的加熱線圈和振蕩電容的工作狀態(tài)隨時(shí)會發(fā)生變化。無鍋時(shí),該LC是一種無阻尼振蕩,峰值電壓會超過1 200 V進(jìn)而損壞IGBT。實(shí)踐證明,檢測周期超過8 ms,就會引起IGBT的過壓損壞。

??? 結(jié) 語

??? 電磁爐的控制是目前家用電器中比較復(fù)雜的,尤其是廚房家電,工作環(huán)境比較復(fù)雜,內(nèi)部又處于高壓、高溫、高頻狀態(tài)。SH69P42單片機(jī)憑借其優(yōu)良的抗干擾性能、簡潔的指令系統(tǒng)和強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算指令,可以像控制一個(gè)PLD一樣控制一個(gè)系統(tǒng)。可以預(yù)見,該單片機(jī)將會有更廣闊的應(yīng)用空間。