基于电磁感应技术的电饭锅控制器研究

基于电磁感应技术的电饭锅控制器研究

梁苏 戴文师 梁清娥 黄纯师 黄景柳

广东威王集团有限公司 524400

摘要：文章以电饭锅为研究对象，研究了基于电磁感应技术的电饭锅控制器结构，并对电饭锅控制器的产业化应用难点突破对策进行了进一步探究，希望为电饭锅控制器的产业化应用提供一些参考。

关键词：电磁感应技术；电饭锅；控制器

前言：二十一世纪，节能成为科技发展的主导，电饭锅也朝着节能化、智能化方向发展。基于电磁感应技术的电饭锅控制器较之普通电热盘式控制器耗能更少，且可以实现加热功率无极调节，规避电饭锅局部加热问题。因此，以电磁感应技术为基础，研究电饭锅控制器具有非常重要的意义。

1 基于电磁感应技术的电饭锅控制器结构

1.1总体结构

基于电磁感应技术的电饭锅控制器包括电磁控制部分、保护部分、显示部分几个部分。其中电磁控制部分主要是通过功率控制的方式，根据烹饪功能的差异，设置不同加热功率，并通过程序实现；保护部分除锅具检测、IGBT保护外，还具有普通电饭锅具备的传感器保护部分。锅具检测特指在电饭锅未放置内胆时控制器自动待机并关闭功率输出；IGBT保护（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）特指通过双极型三极管、绝缘栅型场效应管的组合应用，保护大功率器件安全；传感器薄厚则是传感器短路保护、传感器超温保护或传感器短路保护；显示部分主要是通过显示模板显示多种烹饪功能按钮，并在无市电接入的情况下自动通过后备纽扣电池低功耗运行（显示时钟）。

1.2硬件结构

基于电磁感应技术的电饭锅控制器硬件结构如下所示：

图1 基于电磁感应技术的电饭锅控制器硬件结构

如图1所示，基于电磁感应技术的电饭锅控制器硬件结构包含多个电路模块。以IGBT保护电路为例，其可以通过短路瞬态载流、栅极电压、过流保护等模式保障电磁电饭锅安全运行。其中短路瞬态载流保护主要是采用Tsc（安全时间），确保10倍额定电流值环境下短路持续10μs；栅极电压主要是根据IGBT参数曲线，综合考虑开关速度与开通损耗控制、故障电流冲击与快速保护等因素，恰当设置，确保短路状态下控制器运行时间符合标准要求；过流保护则是减缓短路电流下降率或者降低栅极电压，规避过电压关断现象。

2 基于电磁感应技术的电饭锅控制器产业化应用难点突破

2.1自适应控制米饭口感

自适应控制米饭口感是基于电磁感应技术的电饭锅控制器产业化应用的难点，要求智能控制米与水的量，确保米饭饱满度、口感、黏性符合市场需求^[1]。针对这一难点问题，可以借助电脑仿真方法，组合大量在线实时测控数据，进行电磁感应加热电饭锅控制模型的构建。在模型中，整合不同米量－米品种曲线以及米量－温度曲线（升温/降温）。比如，大量实践经验表明，电饭锅煮饭时水、米的体积比为1/1时，米饭口感较好，此时，在电磁电饭锅控制器中，就可以将1杯米作为标准，实时检测水量以及温度曲线，根据温度曲线进行米与水比例的动弹研判，并给出针对性控制策略。同时根据冬季、夏季等不同季节电饭锅与外界进行热量交换速度、水平差异，选择环境变量因子，进行数学模型构建。在数学模型中给予补偿，实现稍硬、稍软、标准不同煮饭口感的智能化控制。

2.2控制器EMC

相较于普通电阻性负载的电饭锅来说，电磁感应技术加热的电饭锅存在更大的电磁干扰。研究表明，在功率不变的情况下，电磁感应技术加热的电饭锅电磁干扰超出普通电饭锅2倍，此时，电饭锅控制器EMC（Electro Magnetic Compatibility，电磁兼容性）控制难度就大大增加，给电磁电饭锅控制器的产业化应用造成了较大阻碍。为确保电磁电饭锅在电磁环境中不对环境内其他设备产生电磁干扰，可以利用骚扰电压超标实验测试方法，在发现超出标准规定限值的频段后，深层次分析电磁加热、开关电源的电磁兼容性。比如，15M频率段超出标准规定限值的原因是开关电源干扰，150K频率段超出标准规定限值的原因是电磁感应加热等。

在明确频率段超出标准限值的原因后，可以从硬件过滤器、PCB（printed circuit board，印制电路板）线路布局布板、软件降噪几个方面进行处理。对于因开关电源导致的电磁干扰现象，可以将小型π滤波器加入电源部分。对于电磁感应较热导致的电磁干扰，可以增设一个对地的电容（0.22μF），或者增设共模滤波器（140K频段～400K频段）、差模滤波器（100K频段），抑制电磁感应加热对电源线的污染。同时根据电磁兼容性解决经验，利用大面积覆铜的形式进行PCB布局布板，并分隔供电模块、控制模块与驱动模块，降低模块之间的干扰。在这个基础上，引入电源动态管理模式，并优化背光照明程序与辅助加热程序，降低骚扰电压。有条件的情况下，可以基于拟合煮饭曲线放宽前期预热功率要求并优化匹配沸腾阶段高－中－低功率，达到有效降低骚扰电压幅值的效果。

2.3功率散热

因特定电磁加热环境影响，基于电磁感应技术的电饭锅控制器散热速度较慢，对其产业化应用造成了负面影响^[2]。特别是在大热量工作模式下，电磁电饭锅控制器散热受阻，元器件稳定性也会受到干扰，最终威胁整个控制器的可靠运行，甚至出现误动作等事故。从基于电磁感应的电饭锅控制器热量来源来看，其他元器件散发热量、内胆辐射热量、整流桥散发热量、大功率管IGBT散发热量是主要热源，其中作为加热承载体的内胆散发热量最大。为阻挡内胆直接向控制器散发热量，可以设置隔热措施。同时规划元器件布局，在大功率管IGBT、散热口之间构建通道，加快热量排出。同时在考虑IGBT关断损耗、开通损耗的基础上，结合IGBT理论参数以及实际参数，进行IGBT参数的优化设置。配合烹饪过程中IGBT开通次数的控制，同步降低单位时间内IGBT功率损耗量以及单位时间温度上升率，间接提升基于电磁感应加热的电饭锅控制器功率散热效果，推进电磁电饭锅控制器的产业化应用。

总结：

综上所述，基于电磁感应技术的电饭锅控制器是一种高端新产品，不仅解决了电饭锅大功率输出与无极调节加热功率问题，而且可以节约能量。因此，应综合考虑占用体积、长期运行、散热空气等因素，合理设计基于电磁感应技术的电饭锅控制器结构。并根据市场对电饭锅性能的需求，推动电磁电饭锅的产业化闭环运作，为电饭锅产业转型升级提供示范。

参考文献：

1. 蒋纯冰.智能互联节能式电饭锅设计[J].科学技术创新,2018(27):185-186.

2. 王玉忠,胡雪,魏敏,蒋明鸿,周聪.电磁感应加热温度控制方法研究综述[J].机械研究与应用,2019(05):194-198.