SH69P42單片機在電磁爐控制中的應用

　　摘要 電磁爐內部電路工作時(shí)，處于大電流、高頻、高壓狀態(tài)。本文以sH69P42為核心，實(shí)時(shí)地對功率輸出、大功率管的觸發(fā)時(shí)機、各點(diǎn)溫度、工作電流、工作電壓、大功率管高壓保護和浪涌保護等參數進(jìn)行監測，并形成綜合閉環(huán)控制。

　　關(guān)鍵詞 單片機 SH69P42 綜合控制 電磁妒

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

　　這些參數中有很多是互相關(guān)聯(lián)、瓦相影響的，因此，使用單片機實(shí)現檢測和控制，無(wú)論從成本上，還是從可靠性、實(shí)現方案上，均是較好的選擇。

　　1 控制參數及其相互關(guān)系

　　1.1 電磁爐的工作原理

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

　　高頻電磁爐燕效率高達83%。在電磁爐內部的主諧振部分，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(guò)控制電路將直流電壓轉換成頻率為20～50 kHz的高頻電壓。高速變化的電流流過(guò)線(xiàn)圈時(shí)，產(chǎn)生高速交變的磁場(chǎng);當磁場(chǎng)內的磁力線(xiàn)通過(guò)金屬器皿時(shí)，底部會(huì )產(chǎn)生巨大的渦流，使器皿本身自行高速發(fā)熱，然后再加熱器皿內的物質(zhì)。

　　1.2 電磁爐的檢測和控制參數

　　電磁爐工作時(shí)需要檢測、控制的信號或參數有以下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(guò)零(輸入、數字量)，同步(輸入、數字量)，風(fēng)扇(輸出、數字量)，蜂鳴器(輸出、PWM)，IG-BT導通和截止(輸出、PWM)，電源浪涌(輸入/輸出、數字量)，IGBT之C端的過(guò)壓(輸入/輸出、數字量)，試探信號(輸出、數字量)，按鍵監測(輸入/輸出、數字量)，顯示控制(輸出、數字量)。

　　1.3 控制參數的相互關(guān)系

　　以上參數除后兩項屬于人機交互界面外，其他12項參數均互相關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖1所示。

　　在圖l中，參數I、V、Vp-p、VCE、T1、T2分別為：工作電流設定值、工作電壓設定值、浪涌電壓設定值、IGBT最大擊穿電壓設定值、IGBT溫度值和加熱線(xiàn)圈溫度值。所有參數的加入均以使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。

　　2 綜合控制的實(shí)現

　　2.1 單片機SH69P42

　　SH69P42是中穎公司基于SH6610D內核的4位RISC指令集的單片機。它帶有4通道8位SAR A/D轉換器，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;內有OTP型ROM(3072×16位)和RAM(192×4位);還有低電壓監視復位和內置看門(mén)狗電路，振蕩器工作頻率為32768 Hz～8MHz。SH69P42共有43條指令，每條指令的執行時(shí)間均等，為振蕩器周期的4倍：SH69P42適合工業(yè)級，應用于對系統抗干擾能力要求極高的場(chǎng)合，家電應用是它的一個(gè)重要方面。從SH69P42的單片機資源分析，結合1.2節給出的參數可以看到，該單片機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，此期間導通的IGBT所流過(guò)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(lái)實(shí)現。計算方法可以簡(jiǎn)單地使用線(xiàn)性對應。

　　SH69P42有2個(gè)10位PWM，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的編程來(lái)實(shí)現規定的占空比輸出。

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

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

　　對應的PWM周期一3個(gè)單元連起來(lái)的10位二進(jìn)制數×PWM時(shí)鐘

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

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

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

　　PWM時(shí)鐘可以編程(PWM0為$20，PWMl為$2l單元)設定為振蕩周期的l、2、4、8倍。

　　功率輸出還應與鍋底溫度的檢測相結合，并且以鍋底溫度為上限條件，即使達不到設定功率值，只要鍋底溫度達到了規定值也視為功率達標。

　　2.2.2 IGBT的安全

　　電磁爐中的IGBT工作時(shí)，根據不同設定功率，導通電流為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(lái)說(shuō)，這個(gè)工作參數是比較危險的。一旦出現IGBT的擊穿，將會(huì )危及周?chē)脑骷?。因此，在電磁爐的控制策略里，保護IGBT正常工作是重中之重。從以下幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行IGBT的保護：

　?、偃鐖DI所示，關(guān)斷IGBT后，在加熱線(xiàn)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導通，要在濾波電容經(jīng)過(guò)IGBT的回復二極管導通時(shí)打開(kāi)IGBT控制脈沖，因為此時(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。

　?、诔霈F電源浪涌時(shí)，應立即關(guān)斷IGBT。IGBT的耐壓極限一般為l200V，對轉換為直流后的浪涌的檢測要限制在l150V以?xún)?，所以該段一定要使用金屬膜精密電阻?/p>

　?、垭娫闯霈F過(guò)壓、過(guò)流時(shí)要關(guān)斷IGBT，理由同上。

　?、茈姶艩t在工作一段時(shí)間后，可能會(huì )出現元器件的老化，從而造成參數的偏移。尤其是加熱線(xiàn)圈和振蕩電容的參數偏移會(huì )造成自由振蕩時(shí)電壓過(guò)高，這時(shí)加在IGBT的C、E兩端的電壓就會(huì )超過(guò)設計值，從而造成IGBT過(guò)壓擊穿。這里的保護類(lèi)似①中電源的浪涌保護原理。

　?、軮GBT長(cháng)時(shí)間大功率工作或散熱不良，會(huì )造成IGRT溫度過(guò)高。根據IGBT的電流一溫度工作曲線(xiàn)，溫度在100℃時(shí)，其電流通過(guò)能力為25℃時(shí)的50%，因此要隨時(shí)監視IGBT的溫度，一旦超過(guò)設定值，應馬上關(guān)斷IGBT并實(shí)時(shí)檢測該溫度。

　　2.3 軟硬件設計

　　以SH69P42為核心的電磁爐控制系統，利用PWM0來(lái)控制IGBT的導通與截止，利用PWMl來(lái)控制無(wú)源的蜂鳴器;A/D轉換器用來(lái)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(pán)掃描、顯示外，用來(lái)輸出試探信號、交流過(guò)零檢測、風(fēng)扇驅動(dòng)。

　　軟件方而，設計定時(shí)中斷來(lái)循環(huán)判斷IGBT溫度、鍋底溫度，隨時(shí)進(jìn)行IGBT的保護。使用SH69P42的時(shí)鐘中斷來(lái)進(jìn)行有鍋無(wú)鍋檢測，因為在實(shí)際的應用中，電磁爐上的鍋具會(huì )隨時(shí)移開(kāi)，電磁爐的加熱線(xiàn)圈和振蕩電容的工作狀態(tài)隨時(shí)會(huì )發(fā)生變化。無(wú)鍋時(shí)，該LC是一種無(wú)阻尼振蕩，峰值電壓會(huì )超過(guò)l200V進(jìn)而損壞IGBT。實(shí)踐證明，檢測周期超過(guò)8ms，就會(huì )引起IGBT的過(guò)壓損壞。

　　結語(yǔ)

　　電磁爐的控制是目前家用電器中比較復雜的，尤其是廚房家電，工作環(huán)境比較復雜，內部又處于高壓、高溫、高頻狀態(tài)。SH69P42單片機憑借其優(yōu)良的抗干擾性能、簡(jiǎn)潔的指令系統和強大的邏輯運算指令，可以像控制一個(gè)PLD一樣控制一個(gè)系統?？梢灶A見(jiàn)，該單片機將會(huì )有更廣闊的應用空間。