SH69P42單片機在電磁爐控制中的應用

　　電磁爐工作時，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)進行實時的檢測和控制，以有效地實現(xiàn)鍋具超溫保護、鍋具干燒保護、鍋具傳感器開／短路保護、忘記關機保護、IGBT溫度限制、IGBT溫度過高保護、低溫環(huán)境工作模式、IGBT測溫傳感器開／短路保護、高低電壓保護、浪涌電壓保護、VCE抑制、VCE過高保護、過零檢測、小物檢測、鍋具材質(zhì)檢測、定時等功能。

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

　　1 控制參數(shù)及其相互關系

　　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(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行感應加熱；另一種是利用15 kHz以上的高頻電流進行感應加熱。前者稱為工頻電磁爐，后者稱為高頻電磁爐。工頻電磁爐無需進行工頻到高頻的變換電路，電路復雜性較?。坏?，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。

　　高頻電磁爐熱效率高達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，產(chǎn)生高速交變的磁場；當磁場內(nèi)的磁力線通過金屬器皿時，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)，風扇(輸出、數(shù)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(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)的相互關系

　　以上參數(shù)除后兩項屬于人機交互界面外，其他12項參數(shù)均互相關聯(lián)，關聯(lián)關系
　　如圖1所示。
　

　　在圖1中，參數(shù)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 綜合控制的實現(xiàn)

　　2.1 單片機SH69P42

　　SH69P42是中穎公司基于SH6610D內(nèi)核的4位RISC指令集的單片機。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、端口中斷和定時器中斷)，2個8位定時器，16個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(tǒng)抗干擾能力要求極高的場合，家電應用是它的一個重要方面。從SH69P42的單片機資源分析，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的信號是一個周期固定的PWM脈沖。由文獻[2]可知，電磁爐的輸出瞬時功率決定于一個PWM周期中高電平的占空比，此期間導通的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周期的占空比來實現(xiàn)。計算方法可以簡單地使用線性對應。

　　SH69P42有2個10位PWM，可以通過簡單的編程來實現(xiàn)規(guī)定的占空比輸出。
　　PWM0：對應的周期寄存器為$22、$23、$24三個單元，分別對應低4位、中4位和高2位；

　　PWM1：對應的周期寄存器為$28、$29、$2A三個單元，分別對應低4位、中4位和高2位。

　　對應的PWM周期=3個單元連起來的10位二進制數(shù)×PWM時鐘

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

　　PWM1：對應的周期寄存器為$2B、$2C、$2D三個單元，分別對應低4位、中4位和高2位。

　　對應的PWM占空比=3個單元連起來的10位二進制數(shù)×PWM時鐘
　　PWM時鐘可以編程(PWM0為$20，PWM1為$21單元)設定為振蕩周期的1、2、4、8倍。

　　功率輸出還應與鍋底溫度的檢測相結(jié)合，并且以鍋底溫度為上限條件，即使達不到設定功率值，只要鍋底溫度達到了規(guī)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，根據(jù)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說，這個工作參數(shù)是比較危險的。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IGBT正常工作是重中之重。從以下幾個方面來進行IGBT的保護：

　?、偃鐖D1所示，關斷IGBT后，在加熱線圈和振蕩電容自由振蕩時，從正電壓到零點以前不可使IGBT導通，要在濾波電容經(jīng)過IGBT的回復二極管導通時打開IGBT控制脈沖，因為此時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(xiàn)電源浪涌時，應立即關斷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。

　?、垭娫闯霈F(xiàn)過壓、過流時要關斷IGBT，理由同上。 ④電磁爐在工作一段時間后，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電壓過高，這時加在IGBT的C、E兩端的電壓就會超過設計值，從而造成IGBT過壓擊穿。這里的保護類似①中電源的浪涌保護原理。

　?、軮GBT長時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，其電流通過能力為25℃時的50％，因此要隨時監(jiān)視IGBT的溫度，一旦超過設定值，應馬上關斷IGBT并實時檢測該溫度。

　　2.3 軟硬件設計

　　以SH69P42為核心的電磁爐控制系統(tǒng)，利用PWM0來控制IGBT的導通與截止，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、風扇驅(qū)動。

　　軟件方面，設計定時中斷來循環(huán)判斷IGBT溫度、鍋底溫度，隨時進行IGBT的保護。使用SH69P42的時鐘中斷來進行有鍋無鍋檢測，因為在實際的應用中，電磁爐上的鍋具會隨時移開，電磁爐的加熱線圈和振蕩電容的工作狀態(tài)隨時會發(fā)生變化。無鍋時，該LC是一種無阻尼振蕩，峰值電壓會超過1 200 V進而損壞IGBT。實踐證明，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雜的，尤其是廚房家電，工作環(huán)境比較復雜，內(nèi)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、簡潔的指令系統(tǒng)和強大的邏輯運算指令，可以像控制一個PLD一樣控制一個系統(tǒng)。可以預見，該單片機將會有更廣闊的應用空間。