Индукционный нагреватель адаптивного типа «Охотник»

Миссия проекта

Схема минимальной конфигурации

Схема лайт-версии индукционного нагрева в CAD Altium Designer доступна для скачивания по ссылке. В архиве — схема и трассировка печатной платы.

Назад Вперёд

Карусель 1. Схемы модулей лайт-версии в Altium Designer. (Нажмите на изображение для увеличения)

Функционал полной версии

Полная версия схемы на микроконтроллере STM32F405RGT6 реализует следующий функционал:

• Поиск резонансной частоты параллельного колебательного контура в широком диапазоне частот, 5–50 кГц.
• Формирование сигналов управления силовыми ключами каждую четверть периода резонансной частоты.
• Автоподстройка частоты при уходе с резонанса в процессе нагрева.
• Задание длительности открытия каждого из ключей.
• Настройка режимов работы через ESP32/BLE.
• Трансляция состояния системы через ESP32/WiFi в MQTT броккер Mosquitto.
• Взаимодействие с серверным ПО и другими устройствами по CAN шине.
• Работа с энергонезависимыми часами реального времени DS3231SN.
• Режим отладки и работа командного интерпретатора по UART/USB.
• Измерение температуры двумя термопарами MAX31855KASA+.
• Flash память FM25Q16 для хранения текущего состояния и логов работы.
• Защита транзисторов от больших токов на этапе поиска резонансной частоты.
• IDC разъём для подключения силовых блоков к портам МК и внешних устройств по I2C/SPI.

Канал Дзен: https://dzen.ru/energy4all.ru содержит принципиальные схемы.

Анализ типовых схем

Анализ типовых схем индукционного нагрева в открытых источниках показал, что работа систем основана на определении моментов перехода гармонического сигнала тока или напряжения параллельного колебательного контура в резонансе через «ноль». На осциллограмме показаны: синий цвет — напряжение на конденсаторе, зелёный цвет — датчик тока, жёлтый луч — моменты включения силовых ключей.

Рис. 2. Осциллограмма: напряжение на конденсаторе (синий), датчик тока (зелёный), управление ключами (жёлтый). (Нажмите для увеличения до 4K)

Принципиальный недостаток данного подхода — в моменты закрытия транзисторных ключей образуется энергетический всплеск, который преобразуется датчиками тока или напряжения в последовательность высоковольтных ВЧ импульсов. Наличие помех наглядно демонстрирует зелёный луч осциллографа с датчика тока в момент закрытия электронных ключей. Данные импульсы приводят к ложным срабатываниям систем контроля резонанса. Использование фильтров усложняет схемотехнику, ограничивает частотный диапазон и с учётом физики высоковольтных импульсов малоэффективно.

Изготовленные прототипы подтвердили проблему ложных срабатываний в алгоритмах, основанных на определении моментов перехода сигналов через ноль. Использование микроконтроллеров для анализа и обработки сигналов в реальном времени не дало должного результата — недостаток производительности при обработке сигналов.

Генератор сигналов

Альфой схемы является непрерывно работающий внешний генератор прямоугольных сигналов, управляющий транзисторными ключами. Это принципиальный момент. Генератор сигналов — это отдельный, независимый процесс, на который датчики тока и напряжения непосредственного влияния не оказывают. На какой частоте будет работать генератор сигналов — решает микроконтроллер.

Рис. 3. Генератор сигналов LTC6903. (Нажмите для увеличения до 4K)

В прототипе проекта «Охотник» можно использовать как независимый генератор сигналов LTC6903IMS8PBF, так и PWM-выход микроконтроллера. Источник сигнала выбирается установкой перемычки JP7.

Омега схемы в том, что будет или нет сдвинута фаза исходного сигнала, будет или нет инвертирован исходный сигнал, как быстро будет определён реальный максимум тока для поддержания резонанса — роли не играет. «Охотнику» важно попасть в цель — максимально точно определить резонансную частоту, поэтому задержка в прицеливании оправдана.

Датчик тока

Источником входного сигнала в проекте служит датчик тока, установленный на индуктор резонансного контура. Падение напряжения на резисторе датчика тока, вызванное изменением магнитного потока, усиливается операционным усилителем.

Рис. 4. Датчик тока. (Нажмите для увеличения до 4K)

После выхода в резонанс амплитуда тока увеличится многократно. Осциллограмма демонстрирует, как в резонансе ток (синий луч) после усиления приводит к ошибкам определения резонансной частоты, если ориентироваться на максимум тока.

Рис. 5. Ошибки усиления сигнала. (Нажмите для увеличения до 4K)

Поэтому микроконтроллер должен уметь изменять коэффициент усиления операционного усилителя. Для этого в цепь обратной связи усилителя установлен цифровой потенциометр MCP41050-I/SN.

Рис. 6. Цифровой потенциометр MCP41050. (Нажмите для увеличения до 4K)

В ролике демонстрируется работа операционных усилителей OPA830 и OPA353 с датчиком тока. В цикле микроконтроллер увеличивает и уменьшает коэффициент усиления, изменяя сопротивление цифрового потенциометра MCP41050-I/SN. Для сравнения приведён оригинальный сигнал непосредственно с датчика тока — красный луч осциллографа.

Рис. 7. Датчик тока и напряжения. (Нажмите для увеличения до 4K)

Определение резонансной частоты

Следующий этап — определить резонансную частоту. В ручном исполнении это выглядит так: устанавливаем усиление сигнала на осциллографе достаточным, чтобы видеть изменение амплитуды на датчике тока. Смотрим на экран и начинаем уменьшать частоту генератора от максимума к минимуму. Как только сигнал с датчика тока кратно увеличился, понимаем, что зашли в область резонансной частоты. Переходим к точной настройке.

Видеоролик демонстрирует, как всё сказанное выше выполняет микроконтроллер. Для наглядности в циклах добавлены задержки.

В роли генератора сигнала выступает ШИМ микроконтроллера — жёлтый луч осциллографа. При переборе частот изменяется амплитуда тока в колебательном контуре — синий луч. На выходе цепочки интегратора (D5/С20, С21/R16) — зелёный луч, формируется постоянное напряжение, отражающее изменение амплитуды сигнала на датчике тока. Следить следует за красным лучом — это смещение напряжения на втором входе компаратора. При установке частоты микроконтроллер изменяет значение переменного резистора J3/MCP41010, формируя напряжение смещения. Как только на седьмом выходе компаратора будет ноль, максимум сигнала найден. Микроконтроллер запоминает значение MCP41010 и переходит к следующей частоте.

Рис. 8. Алгоритм определения резонансной частоты. (Нажмите для увеличения до 4K)

В ролике показано, как при программном изменении коэффициента усиления (жёлтый луч) формируется сигнал на выходе компаратора (синий луч). Очевидно, что уровень шумов недопустим и потребует дополнительных алгоритмических решений на стороне микроконтроллера.

Рис. 9. Программный код для поиска резонансной частоты. (Нажмите для увеличения до 4K)

Если посмотреть на осциллограмму, можно видеть, что момент включения и выключения транзисторов (жёлтый луч) соответствует максимуму отрицательного значения тока. Но если переместить красный щуп осциллографа на конденсатор, на синусоиде напряжения в моменты открытия и закрытия транзистора образуется ступенька.

Рис. 10. Ступенька на синусоиде напряжения. (Нажмите для увеличения до 4K)

Это произошло потому, что коэффициент заполнения (duty cycle) не меняется. На чуть меньшей частоте в контур поступило больше энергии, в результате токовая составляющая увеличилась. Поэтому была выбрана частота, соответствующая отрицательному значению тока.

Если скорректировать алгоритм поиска резонансной частоты, данный недостаток можно исправить.

Рис. 11. Скорректированный алгоритм. (Нажмите для увеличения до 4K)

Генерация сигналов управления

Пару слов следует сказать о схемотехнике генератора сигналов и возможности выделения четвертей периода синусоиды. Традиционно выделяют четверть периода, ориентируясь на пик синусоиды, но данный метод сложен в реализации и неточен. Проект «Охотник» предлагает принципиально иной подход.

Допустим, резонансная частота параллельного колебательного контура — 10 кГц. Но на генераторе сигналов LTC6903 микроконтроллер установит частоту 20 кГц. Частота 20 кГц поступает на вход силовых ключей после деления на два D-триггером SN74LVC1G74.

Рис. 12. Генератор сигналов с делителем на 2. (Нажмите для увеличения до 4K)

Работа с удвоенной частотой резонанса позволяет выполнять логическое сложение исходного сигнала генератора (красный луч) и сигнала после делителя (жёлтый и синий лучи). При условии, что момент включения транзистора приходится на переход синусоиды через ноль, данная техника позволяет гарантированно и максимально точно выделять и оперировать с четвертями периода синусоиды (красный и зелёный лучи).

Рис. 13. Осциллограмма генератора с делителем. (Нажмите для увеличения до 4K)

Возникает вопрос: кто подберёт и установит удвоенную частоту резонанса? С этой задачей легко справится адаптивный алгоритм «Охотника». «Охотник» определяет максимум тока/напряжения и под них подбирает частоту. Значит, при наличии делителя частота генератора будет установлена 20 кГц, а при его отсутствии — 10 кГц.

Техника определения пика сигнала с использованием деления на два частоты генератора востребована в проекте частично и в финальной схеме будет изменена. Но для случая определения максимума заряда конденсатора в резонансном контуре и выполнения его частичного разряда с использованием техники генерации токовых импульсов — вполне приемлема.

Микроконтроллерный модуль

На этапе разработки индукционный нагреватель адаптивного типа «Охотник» построен по модульному принципу. Схему с микроконтроллером Вы можете изготовить самостоятельно, используя схему и трассировку платы проекта Altium emcu_31.08.23_altium.zip или купить готовое изделие у автора. Принципиальная схема в формате PDF доступна для ознакомления в файле emcu_31.08.23.pdf. Если используете схему в разработках — указывайте ссылки на первоисточник.

Микроконтроллер:

• Поиск резонансной частоты в диапазоне 5–50 кГц
• Автоподстройка частоты при уходе с резонанса
• Формирование сигналов управления силовыми ключами
• Задание длительности открытия каждого ключа
• Настройка режимов через ESP32/BLE
• Трансляция состояния через ESP32/WiFi в MQTT
• Взаимодействие по CAN шине
• Работа с таймером реального времени
• Подключение USB памяти
• Flash память для хранения состояния и логов

Рис. 14. 3D-модель модуля микроконтроллера. (Нажмите для увеличения до 4K)

Для управления работой системы разработан микроконтроллерный модуль с поддержкой WiFi/BLE на основе ESP32.

Рис. 15. Модуль ESP32. (Нажмите для увеличения до 4K)

Микроконтроллерный модуль можно изготовить самостоятельно либо купить.

Модуль обработки сигналов

Схема модуля обработки сигналов в CAD Altium Designer доступна для скачивания по ссылке. Принципиальная схема в формате PDF — cres_20.07.23.pdf.

Рис. 16. 3D-модель модуля обработки сигналов. (Нажмите для увеличения до 4K)

Генератор сигналов

Схема генератора сигналов в CAD Altium Designer доступна для скачивания по ссылке. Принципиальная схема в формате PDF — cgen_20.05.23.pdf.

Рис. 17. 3D-модель генератора сигналов. (Нажмите для увеличения до 4K)

Копилка материалов

• Индукционный нагрев ТВЧ. Статьи.
• Детальный обзор ESP32-CAM.
• Подключение LTC6903 к STM32.
• Аналогия для делителя в цепи обратной связи.
• Особенности применения ОУ при однополярном питании.
• Преобразователь длительности импульсов в цифровой код.
• Формирователи пачки заданного числа импульсов.
• Расширители импульсов.
• Формирователь импульсов.
• OpAmps Tutorial — What is an Operational Amplifier?
• Home made ESP32 Induction Heater.