【文章內容簡介】 匝數為1且短路時，次級線圈電路會顯著增加，因此會在負載ZL上產生明顯的熱損耗如圖22所示。圖23是一個基本的電磁感應加熱系統(tǒng)的示意圖，包括電磁感應初級線圈，次級負載和交變的電源。當初級線圈中通以交變的電流時，初級線圈會產生交變的磁場，次級負載位于交變的磁場中會產生渦流從而發(fā)熱。圖3中，初級線圈為一長直螺線管，在長直螺線管的內部放置有一根圓柱形的導體。如圖所示，在長直螺線管中通以交變的電流，螺線管的周圍會產生交變的磁場。圓柱形導體位于螺線管的中心部位，在其內部感應出渦流，并且渦流在導體的表面聚集，電流密度隨離表面的深度增加而變小。圖3右側的為綜切面，外部環(huán)流代表螺線管中的電流，內部電流代表在圓柱形導體內部感應出的渦流。 圖21 變壓器等效電路 圖22 次級短路圖23 電磁感應加熱示意圖在電磁電飯煲中，采用銅線特制的圓形線盤作為感應線圈。根據安培定則，當感應線圈中通以交變電流I時，在感應線圈的周圍，會產生與交變電流同頻率的交變磁通φ，交變磁通φ又會在金屬工件中產生感應電動勢e。根據MAXWELL電磁方程式，交變磁通量φ和感應電動勢e的大小為：?=BS(21)dedt?=?(22)式中φ——總磁通量；B——磁感應強度；S——線圈截面面積；e——感應電動勢(V)；d——通過感應線圈磁通量的變化率(Wb/s)由于整個圓形線圈產生的磁感應強度可以看成是若干個不同半徑的通電感應線圈產生的磁感應強度之和，以上分析得到的半徑為R的感應線圈在鍋底底部產生的加熱功率的規(guī)律同樣適用于整個圓形線圈。由此可知，電磁感應加熱所產生熱量的功率分別與鍋底材料磁導率μ的平方、感應線圈中的交變電流的平方以及交變電流的頻率的平方成正比。因此，增大電磁電飯煲功率方法除了使用高導磁率的鍋具外，可以提高感應線圈中交變電流的電流值及其頻率。 (1)集膚效應 當交流電流流過導體的時候，會在導體中產生感應電流如圖24所示，從而導致電流向導體表面擴散，電流沿導體截面上的分布是不均勻的。導體表面的電流密度會大于中心的電流密度，最大的電流密度出現在導體的表面層，這種電流聚集于表面的現象叫做集膚效應。從這個規(guī)律可知，由電能轉換成熱能主要集中在負載的表面。 圖24 集膚效應示意圖 當交流電流通過導體時，在導體的外部和內部都建立了磁場，磁力線的形狀是導體的中心為圓的同心圓，因為電流是交變的，磁場也是交變的，顯然與導體表面部分相交的磁力線，比與導體內部所交連的磁力線要少，于是導體中心部分的自感電動勢，或者說，中心部分的電感和阻抗大于表面部分的電感和阻抗。電流總是沿著阻抗最小的路徑流動，所以電流會聚集到導體的表面。電流頻率越高，自感電動勢的作用越強，集膚效應也越顯著。另一種情形是導體放在交變電磁場中，也就是感應加熱工件的情形，工件中的渦流也是交變電流，它沿著截面的分布也是聚集在表面一層。 (2)鄰近效應 相鄰兩導體通以交流電流時，在相互影響下導體中的電流要重新分配，當兩電流方向相反時，電流聚于導體內側；當兩電流方向相同時，電流聚于導體外側。假如在任何瞬間兩平行導體中的電流方向相反時，在導體之間由兩電流所建立的磁場方向相同，總磁場增大，而兩導體外側的磁場卻減弱。兩導體之間的磁通不僅通過空氣，而且也通過導體內部，顯然到體外側比內側流密度較內側為小。當平行導體中的電流方向相同時，用同樣的方法可得出到體外側電流密度較內側為大。(3)圓環(huán)效應 若將交流電流通過圓環(huán)形螺管時，則最大電流密度出現在線圈導體的內側，這種現象叫做圓環(huán)效應。導體的徑向厚度與圓環(huán)直徑之比越大，這種效應就越顯著。 電磁電飯煲電磁感應加熱電路的組成電磁電飯煲電磁感應加熱電路是主要由交流電源、橋式整流電路、高頻電壓轉換器和感應線圈等構成的交流直流交流轉換電路。如圖25所示為電磁感應加熱電路的組成圖，圖中方框上方表示的是與方框功能相對應的的關鍵器件。市電的交流電源經過橋式整流器整流和濾波電路濾波后，變換為直流電，再經高頻電壓逆變電路轉換為頻率為25KHz左右的高頻交流電送入感應線圈中。根據安培定則，在感應線圈周圍會產生高頻交變的磁場。電磁電飯煲鍋具置于高頻交變的磁場中，根據法拉第電磁感應定律及其三個效應，在電飯煲鍋具底部表面產生大量渦流。根據焦耳定律和電流的熱效應，鍋底溫度迅速上升從而加熱鍋內食物。圖25 電磁感應加熱電路的組成 電磁電飯煲主加熱電路及電壓逆變電路工作過程分析根據選定的并聯諧振電路結構方案，設計電磁電飯煲的主加熱電路結構如圖26所示。220V/50H交流電經過保險管FUSE1，再通過安穩(wěn)電容C1和壓敏電阻CNR1加在整流橋BRIDGE1的兩個輸入端，整流橋輸出的脈動直流電壓經濾波電容C3后變?yōu)楸容^平滑的直流電壓Ud，直流電壓Ud直接加在由Rs和Ls串聯代表的感應線圈和補償電容C2組成的并聯諧振電路的輸入端。通過脈寬調制方波控制功率開關管IGBT1按一定的頻率進行開合而使并聯諧振電路工作，通過感應線圈的高頻、高壓的交變電流在感應線圈的周圍感應出高頻交變的磁場，使位于磁場內的電磁電飯煲鍋具底部感應出渦流而發(fā)熱。圖26 電磁電飯煲主加熱電路結構圖電磁電飯煲電壓逆變電路的工作過程可以分為四個階段，各階段等效電路的動態(tài)分析如圖27所示。圖中，Rs和Ls分別是感應線圈的串聯等效模型的電阻值和電感值，C2是補償電容，Ud是交流電壓經整流、濾波后的直流電壓，功率開關管IGBT1內部含有1個快速恢復二極管。功率開關管具有輸入阻抗高,柵驅動功率極小,開關速度快，關斷時間短，驅動電路簡單等優(yōu)點，是極佳的高速高壓半導體功率器件。IGBT1采用Infineon公司的IHW30N120R2型號，其集電極和發(fā)射極耐壓值UCE達1200V，集電極可通過電流30A，可以滿足控制系統(tǒng)的需要。圖27 電壓逆變電路工作過程圖如圖28所示為電壓逆變電路工作過程電壓、電流波形圖。電壓逆變電路將經整流、濾波后的直流電壓變換為流經感應線圈的高頻振蕩的交流電，從而在感應線圈的周圍感應出與振蕩電流同頻率的磁場。圖213中，Ug為IGBT1驅動電壓即脈寬調制方波(PWM，Pulse Width Modulation），Uc為IGBT1集電極C的電壓，IL為流經感應線圈的電流。當時間t1~t2時，當脈寬調制方波PWM的高電平加至IGBT1的G極時，IGBT1飽和導通，電流i1從電源流過Ls。由于感應線圈具有感抗作用不允許電流發(fā)生突變，所以在t1~t2時間i1隨線性上升，在t2時脈沖結束,IGBT1截止。同樣，由于感應線圈的感抗作用，i1不能立即變0，于是向補償電容C2充電，產生充電電流i2。在t3時間，C2電荷充滿，電流減小到0，這時感應線圈的電感量Ls的磁場能量全部轉為C2的電場能量，在電容兩端的電壓出現左負右正，幅度達到峰值電壓。此時，在IGBT1的C、E極間出現的電壓實際為逆程脈沖電壓加上電源電壓，其值可達1100V。在t3~t4時間，C2通過Ls放電完畢，i3達到最大值，電容兩端電壓消失，這時電容中的電能又全部轉為Ls中的磁場能量。因感應線圈具有感抗作用，i3不能立即變?yōu)?，于是Ls兩端電動勢反向，即Ls兩端電位左正右負。由于IGBT1內部阻尼管的存在，C2不能繼續(xù)反向充電，而是經過IGBT1內部阻尼管回流，形成電流i4。在t4到t5時間內，第二個脈沖開始到來，但這時IGBT1的Ue為正，Uc為負，處于反偏激狀態(tài)，所以IGBT1不能導通。待i4減小到0，Ls中的磁能放完即到t5時IGBT1才開始第二次導通，產生i5以后又不斷重復i1~i4的過程。因此在感應線圈上就產生了和開關脈沖頻率f(20KHz~30KHz)相同的交流電流。在t4~t5階段，i4是IGBT1內部阻尼管的導通電流。圖28 電壓逆變電路波形示意圖第三章 模糊控制理論及其在電磁電飯煲中的應用經過長期研究和實踐形成的經典控制理論，對于解決線性定常系統(tǒng)的控制問題是很有效的，而對于非線性時變系統(tǒng)難以奏效。隨著計算機的發(fā)展及應用，基于狀態(tài)變量描述的現代控制理論對解決線性或非線性、定常或時變的多輸入多輸出系統(tǒng)問題，獲得了廣泛的應用。但是，無論采用經典控制理論還是現代控制理論設計一個控制系統(tǒng)，都需要事先知道被控對象精確的數學模型，然后根據數學模型以及給定的性能指標，選擇適當的控制規(guī)律進行控制系統(tǒng)的設計。然而，在許多情況下被控對象由于影響因素很多、具有時變性和非線性的特點而且相互之間又有交叉耦合，其模型十分復雜且難以求解，因此建立精確的數學模型困難很大甚至難以建立。與此相反，對于許多難以建立精確模型實現自動控制的被控對象，富有經驗的操作人員根據經驗和知識進行模糊推理、判斷和調節(jié)來控制，可以得到滿意的效果。這樣的事實讓學者們思考對于無法構造數學模型的對象，能否讓計算機模擬人的思維方式進行智能化控制決策，這就導致了模糊控制理論的誕生。1965年，著名的控制論專家美國加州大學扎德教授創(chuàng)立了模糊集合論，提出用“隸屬函數”的概念來描述現象差異中的中間過渡，并指出一個模糊變量不能唯一賦值，而是應包含多個取值成分，且可用一個模糊集合來完整地表征。這一開創(chuàng)性的工作標志著模糊數學的誕生，為解決復雜系統(tǒng)的控制問題提供了強有力的數學工具。模糊自動控制是以模糊集合論、模糊語言變量以及模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數字控制。模糊控制從最初到現在，經歷了兩個階段，即簡單模糊控制階段和自我完善模糊控制階段。簡單模糊控制階段指在計算機系統(tǒng)上把控制器上的推理過程處理成模糊控制表，這種模糊控制器結構簡單并且容易實現，與傳統(tǒng)的PID控制相比不僅反應速度更快、對被控對象參數變化適應能力強，而且在對象模型結構發(fā)生較大變化時也能獲得較好的控制效果。但由于結構的簡單性，對受影響因素多的復雜的被控對象控制精度不高，魯棒性有限。模糊控制屬于計算機數字控制的一種形式，其系統(tǒng)組成類同于一般的數字控制系統(tǒng)，只是以模糊控制器取代了傳統(tǒng)的數字控制器，其結構框圖如圖31所示。圖31 模糊控制系統(tǒng)結構框圖模糊控制系統(tǒng)一般包括四個組成部分：(1)模糊控制器實際上是一臺微計算機，根據控制系統(tǒng)的需要可以選用系統(tǒng)機，也可選用單板機或單片機。(2)輸入/輸出接口裝置輸入/輸出接口將從主控單片、被控對象處獲得的模擬信號量轉換成數字信號量，并輸出到模糊控制器。模糊控制器獲得數字信號量后，將推理決策后得到的數字信號量輸出到輸入/輸出接口。輸入/輸出接口將獲得的數字控制信號量轉換為模擬信號后送到執(zhí)行機構去控制被控對象。(3)廣義對象包擴執(zhí)行機構和被控對象。被控對象可以是缺乏精確的數學模型的，也可以是有比較精確的數學模型的對象。(4)傳感裝置用來將被控對象的被控制量轉換為電信號。被控制量往往是非電量，如位移、速度、加速度、溫度、壓力、流量、濃度、濕度等。傳感裝置在模糊控制系統(tǒng)中十分重要，它的精度直接影響整個控制系統(tǒng)的精度。因此，在選擇傳感器時應選擇精度高且穩(wěn)定性好的傳感器。模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心部分，其控制規(guī)律來自于人們在生產實踐中掌握的對被控對象的控制經驗并由計算機或單板機的程序實現。這種程序一般包括兩個部分，一個是計算機或單板機離線計算查詢表的程序，屬于模糊矩陣運算。另一個是計算機或單板機在模糊控制過程中在線計算輸入量，并將它們模糊量化處理，查找查詢表后再作輸出處理的程序。模糊控制器的基本結構如圖32所示。圖32 模糊控制器的基本組成結構通常將模糊控制器輸入變量的個數稱為模糊控制的維數。以單輸入、單輸出為例。一維模糊控制器常用于一階被控對象，由于其輸入變量只選誤差一個，它的動態(tài)控制性能不佳。二維模糊控制器在目前被廣泛采用，這種控制器以誤差和誤差的變化為輸入變量，以控制量的變化為輸出變量。從理論上講，模糊控制器的維數越高，控制越精細。但維數過高，模糊控制規(guī)則變得過于復雜,控制算法的實現相當困難。家用電器是模糊控制理論應用最多的領域之一，它們的控制過程一般很難用精確的數學模型來描述，而傳統(tǒng)的PID控制是基于對象的精確的模型的來整定控制參數，所以對家用電器的控制往往要基于模糊控制，如電飯煲、冰箱、洗衣機等。模糊控制較之傳統(tǒng)的PID控制不僅有較強的魯棒性，而且在對象的結構發(fā)生較大改變下仍能取得較好的控制效果。在本文著重分析在電磁電飯煲的控制系統(tǒng)的設計中，如何利用模糊控制原理來推斷鍋中的米量及進行加熱溫度控制。在推斷出鍋中的米量的基礎上，根據煮飯專家提出的煮飯工藝曲線，通過模糊推理制定最佳的加熱溫度、時間控制策略。電磁電飯煲在鍋底和頂蓋排氣口分別放置了熱敏電阻溫度傳感器，用于檢測鍋具底部溫度和鍋內的水蒸氣溫度。電磁電飯煲加熱輸出功率模糊推理過程結構圖如圖33所示，包括兩個模糊推理過程，第一個是以測得的鍋底與頂蓋溫度差和鍋底溫度的變化率為輸入，根據米量測定模糊控制規(guī)則表推理出米量；第二個是以米量為基礎，結合鍋底溫度變化率，根據溫度控制模糊控制規(guī)則表推理出輸出的脈寬調制PWM占空比來控制加熱功率。頂蓋溫度鍋底溫度輸出功率控制溫度控制模糊規(guī)則表米量測定模糊控制規(guī)則表米量QPWM占空比圖33 電磁電飯煲模糊推理框圖煮飯的過程就是將大米中含有的β淀粉將開始轉化為人體所能吸收的α淀粉的過程。根據煮飯專家建議的煮飯最佳加熱溫度工藝曲線，如圖34所示，煮飯的過程可分為吸水、加熱、沸騰、燜飯、膨脹和保溫六個階段。每一個階段的具體內容和意義如下：(1)吸水階段 由于大米在正常狀態(tài)下含水量很低，使大米充分吸水的主要目的就是保證大米的內外所含水分一致，以便在加熱階段使大米的加熱趨于均勻，提高煮飯的均勻和質量。這個過程水溫應低于55℃，否則大米中的淀粉α化，會使米飯變糊，影響煮飯的質量。(2)加熱階段 加熱階段需要用較大功率對大米進行加熱，使水溫不斷均勻上升，大米此時繼續(xù)吸收水分并開始了淀粉α化。由于熱水溫度升高和對流，鍋內的大米能夠充分均勻受熱。如果加熱階段升溫速度控制不當，則會出現一部分淀粉不能轉化為α淀粉而造成夾生飯。因此，加熱