Индукционный нагреватель адаптивного типа.

Индукционный нагреватель адаптивного типа класса "Охотник".

Миссия проекта - на базе не имеющих аналогов схемотехнических решений и уникальных алгоритмов продемонстрировать возможность создания бюджетных, высоконадёжных систем индукционного нагрева. Схемы модулей проекта в altium designer с библиотекой элементов и разведённой печатной платой представлены в соответствующих разделах статьи.

Схема индукционного нагрева минимальной конфигурации.

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

Полная версия схемы на микроконтроллере STM32F405RGT6 будет рассмотрена далее и реализует следующий функционал.

Поиск резонансной частоты параллельного колебательного контура в широком диапазоне частот, 5-50kHz.
Формирует сигналы управления силовыми ключами каждую четверть периода резонансной частоты.
Определяет уход с резонансной частоты в процессе нагрева и выполняет автоподстройку частоты.
Задаёт длительность открытия каждого из ключей.
Настройка режимов работы нагревателя посредством ESP32/BLE.
Транслирует состояние системы через ESP32/WiFi в MQTT броккер Mosquitto.
Взаимодействует с серверным ПО и другими устройствами по CAN шине.
Работает с энергонезависимыми часами реального времени DS3231SN.
Режим отладки и работа командного интерпретатора по UART/USB.
Измерение температуры двумя термопарами MAX31855KASA+.
Содержит flash память FM25Q16 для хранения текущего состояния и логов работы.
Защита транзисторов от больших токов на этапе поиска резонансной частоты.
IDC разъём для подключения cиловых блоков к портам микроконтроллера и внешних устройств по I2C/SPI интерфейсам.

Видеоролик далее демонстрирует поиск резонансной частоты в параллельном колебательном контуре с помощью компаратора и микроконтроллера. Зелёный луч изменение тока в индуктивности колебательного контура. Источник питания демонстрирует минимальное потребление на частоте резонанса.

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

Анализ типовых схем индукционного нагрева в открытых источниках показал что работа систем индукционного нагрева основана на определении моментов перехода гармонического сигнала тока или напряжения параллельного колебательного контура в резонансе через "ноль". В момент перехода на силовые пары ключей поступает команда открытия или закрытия. На осциллограмме показаны синим цветом - напряжение на конденсаторе, зеленый цвет - датчик тока и желтый луч даёт представления о моментах включения силовых ключей.

Принципиальный недостаток данного подхода в том, что в моменты закрытия транзисторных ключей образуется энергетический всплеск который преобразуется датчиками тока или напряжения в последовательность высоковольтных ВЧ импульсов. Наличие помех наглядно демонстрирует зеленый 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 мало эффективны. Особенно активно снабжают электронную вальхаллу транзисторами пуш-пулл системы и простейшие системы на основе ФАПЧ (CD4046).

Изготовленные прототипы систем индукционного нагрева подтвердили проблему ложных срабатываний в алгоритмах основанных на определении моментов перехода сигналов тока или напряжения через ноль. Использование микроконтроллеров для анализа и обработки сигналов резонансного контура в реальном времени не дали должного результата. Причина - недостаток производительности при обработке сигналов в реальном времени.

Устраняют все вышеперечисленные недостатки, не имеющие аналогов схемотехнические решения и уникальные алгоритмы применяемые в индукционном нагревателе адаптивного типа класса "Охотник", позволяя создавать высоконадёжные системы индукционного нагрева.

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.

В прототипе проекта Хантер 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 определен реальный максимум тока для поддержания резонанса в системах индукционного нагрева адаптивного типа класса "Охотник" роли не играет. Охотнику важно попасть в цель - максимально точно определить резонансную частоту, поэтому задержка в прицеливании оправдана.

Нагрев, а следовательно и уход с резонансной частоты не происходят мгновенно, поэтому Вы наверняка согласитесь, что для индукционного нагрева совершенно нормально, если установку резонансной частоты внешнего генератора микроконтроллер выполнит не за пять микросекунд, а за одну миллисекунду. Но за счёт последовательных уточнений адаптивный алгоритм определит и установит резонансную частоту точнее, чем это сделает ПЛИС по цене самолёта, анализируя и фильтруя входной сигнал в реальном времени.

Источник сигнала для определения резонансной частоты.

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.

После выхода в резонанс амплитуда тока увеличится многократно. Осциллограмма далее демонстрирует как в резонансе, ток - синий луч, после усиления приведёт к ошибкам определении резонансной частоты, если ориентироваться на максимум тока.

Поэтому микроконтроллер должен уметь изменять коэффициент усиления операционного усилителя. С этой целью в цепь обратной связи усилителя устанолен цифровой потенциометр MCP41050-I/SN

В резонансе сигнал с датчика тока имеет гармонический характер. Но для поиска максимума амплитуды достаточно полупериода синусоиды. Это упрощает схемотехнику и значительно расширит спектр используемых операционных усилителей. Пока не вижу веских причин вводить полярный источник питания. Получить на выходе качественный сигнал, смещаяя среднюю точку, мне не удалось.

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.

Определение резонансной частоты.

Следующий этап определить резонансную частоту. В ручном исполнении это выглядит следующим образом. Устанавливаем усиление сигнала на осциллграфе достаточным чтобы видеть изменение амплитуды на датчике тока. Смотрим на экран осциллографа 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. Ролик далее 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 микроконтроллером изменяется амплитуда тока в колебательном контуре - синий луч. На выходе цепочки интегратора - D5/С20,C21/R16 - зелёный луч, формируется постоянное напряжение, изменение которого отражает изменение амплитуды сигнала на датчике тока. Следить следует за красным лучом - это смещение напряжения на втором входе компаратора. При установке частоты, микроконтроллер начинает изменять значение переменного резистора J3/MCP41010, тем самым формируя напряжение смещения. И как только на седьмом выходе компаратора будет ноль, максимум сигнала найден. Микроконтроллер запоминает значение MCP41010 и переходит к следующей частоте.

Ошибкой будет считать цепочку D5/C21,С22/R16 детектором пика сигнала. Это интегратор усиленного сигнала с датчика тока. Изменение постоянного напряжения на выходе интегратора отражает изменение амплитуды тока в колебательном контуре. Если не использовать данную интегрирующую цепочку, то на входе микроконтроллера будет зашумлённый сигнал, продемонстрирован далее в видеоролике. Это приведет к ошибкам определения резонансной частоты.

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

Программный код для микроконтроллера осуществляющий поиск резонансной частоты в примере.

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

Произошло это потому что коэффициент заполнения (duty cicle) не меняется, значит 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, то данный недостаток можно исправить.

Генерация сигналов управления силовыми ключами.

Пару слов следует сказать о схемотехнике генератора сигналов и возможности выделения четвертей периода синусоиды в проекте индукционного нагрева класса "Охотник". Традиционно выделяют четверть периода, ориентируясь на пик синусоиды, но данный метод сложен в реализации и неточен. Проект Хантер предлагает принципиально иной подход. Допустим резонансная частота параллельного колебательного контура 10кГц. Но на генераторе сигналов LTC6903 микроконтроллер установит частоту 20кГц. Частота 20кГц поступает на вход силовых ключей после деления на два д-триггером SN74LVC1G74.

Работа с удвоенной частотой резонанса позволяет выполнять логическое сложение исходного сигнала генератора - красный луч и сигнала после делителя - жёлтый и синий лучи осциллографа. 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 луч осциллографа.

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

Техника определения пика сигнала используя деление на два частоты генератора востребована в проекте Хантер частично и в финальной схеме будет изменена. Но для случая определить максимум заряда конденсатора в резонансном контуре и выполнить его частичный разряд, используя технику генерации токовых импульсов, вполне приемлема.

На этом пока всё. Работа над схемой и созданием PCB продолжается.

Микроконтроллер.

На этапе разработке ндукционного нагрева адаптивного типа класса Охотник построен по модольнуму принципу. Схему c микроконтроллером Вы можете изготовить самостоятельно, используя схему и трассировку платы проекта altium emcu_31.08.23_altium.zip или купите готовое изделие у автора схемы. Принципиальная схема в формате PDF доступна для ознокомления в файле emcu_31.08.23.pdf Если используете схему в разработках указывайте ссылки на первоисточник.

Микроконтроллер:

Определяет и устанавливает резонансную частоту параллельного колебательного контура в широком диапазоне частот, 5-50kHz.
Определяет уход с резонансной частоты в процессе нагрева и выполняет автоподстройку частоты.
Формирует сигналы управления силовыми ключами каждую четверть периода резонансной частоты.
Задаёт длительность открытия каждого из ключей.
Вполняет настройку режимов работы через ESP32/BLE.
Транслирует состояние системы через ESP32/WiFi в MQTT броккер Mosquitto.
Взаимодействует с серверным ПО по CAN шине.
Работает с энергонезависимым таймером реального времени.
Имеет возможность подключения внешней USB памяти.
Содержит flash память для хранения текущего состояния и логов работы.