基于DSP TMS320F2808的中頻電源逆變器研究

著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，中頻加熱電源被越來越多的應用于多領域。并逐步取代傳統(tǒng)的加熱方式。這就對中頻加熱電源的性能要求也越來越高。這也對逆變控制系統(tǒng)提出了越來越高的要求，以前模擬控制器已不能滿足時代的發(fā)展。而數(shù)字控制器相比模擬控制器，它有著抗干擾性能強、控制精度高、易于調控等優(yōu)點。

本文采用TI公司生產的DSP芯片TMS320F2808，采用全數(shù)字控制的方式。應用閉環(huán)控制和重復控制原理，分別對電壓和電流進行數(shù)據(jù)采樣，實時對功率跟蹤動態(tài)進行功率反饋，消除穩(wěn)態(tài)誤差。

圖1 單相全橋逆變等效電路如圖

中頻加熱電源的結構及工作原理

原理圖如圖1。共有4個橋臂，可以看成由兩個半橋臂電路組合而成。V1和V4一對，V2和V3另一對，成對的橋臂同時導通，兩對交替導通。直流側電壓為Ud，直流電容為C1，通過IGBT逆變橋逆變出交流電壓，通過LC串聯(lián)諧振電路給負載R提供能量加熱。系統(tǒng)控制IGBT的開通和關斷時間，使輸出的電壓U0和電流i0達到目標值。

圖2 串聯(lián)諧振等效電路圖

由圖1可得，當T1和T4開通、T2和T3關斷時，向負載提供能量。純電阻時，流過負載的電流為i0，由電源電壓Ud和電源反電動勢E0決定，穩(wěn)定值i0=（Ud- E0）/R，當T1、T4、T2、T3全部關斷時，負載向電壓反饋能量。

輸出電壓為U0(t)，輸出電流為i0(t)，電路等效電阻為r，逆變橋輸出電壓Ui(t)。為關系式為式（1）所示。

進行拉普拉斯變換得

感應加熱系統(tǒng)的負載采用的是LC串聯(lián)諧振回路。當電路呈現(xiàn)純電阻特性時，電路上將出現(xiàn)最大電流，電路上的有用功率將會達到最大。串聯(lián)諧振等效電路圖如圖2所示。

根據(jù)諧振的條件，補償電容可以由公式（4）所示。

（4）

當達到諧振頻率時，此時電感和電容上的電壓為大小相等，而方向相反的兩個值。電路阻抗最小且為純電阻。即

（5）

上式虛部為零，電流最大，功率因數(shù)為1。

（6）

在中頻電源加熱過程中，加熱物體電阻隨著溫度的變化而變化。而L、C的值保持不變。串聯(lián)諧振回路中電流和頻率的關系圖如圖3所示

圖3 電流和頻率的關系曲線

串聯(lián)諧振電路中，處于容性狀態(tài)時，開關管是在大電流下開通，二極管在非零電流下關斷，急劇上升的二極管反向恢復電流會嚴重損壞開關管等，電源可靠性將大大降低。所以串聯(lián)諧振電路中運行頻率在諧振點€%r0附近，且處于感性區(qū)域。

PWM功率控制的策略和設計

圖4 數(shù)字鎖相環(huán)PWM流程圖

諧振點的跟蹤

采用掃頻的方式進行，采用數(shù)字鎖相環(huán)，通過DPLL算法，檢測輸出電壓及電流數(shù)據(jù)變化，將反饋信號輸入到DSP的ADC采樣端口，進行模數(shù)轉換，得到電壓與電流的反饋值，然后通過乘法器將兩者相乘，再與給定比較，功率調節(jié)器的輸出控制逆變器的移相角度，使輸出功率保持恒定。因為感應加熱電源系統(tǒng)負載的慣性比較大，即參數(shù)變化比較慢。因此，可以不考慮PID微分環(huán)節(jié)，采用PI調節(jié)，就可以滿足系統(tǒng)的控制要求。算法流程圖4所示。

相位補償

由于系統(tǒng)在實際運行中硬件滯后的影響或是程序執(zhí)行效率的影響，在沒有進行相位補償?shù)臅r候，控制信號必滯后于反饋信號某一角度。在實際應用中常采用外部相位 補償電路實現(xiàn)輸出與反饋的相位同步，同樣也可以在程序中進行補償。如圖5所示。

圖5 相位補償圖

啟動問題

感應加熱電源在啟動時，負載還沒有電流，因此無法進行頻率跟蹤，所以必須先通過他激信號使電源啟動，當反饋電流達到一定幅值后再轉換為自激狀態(tài)，然后ADC采樣單元不斷檢測負載電流有效值反饋，設定閥值，當反饋電流有效值高于閥值時，跳出掃頻程序進入到數(shù)字鎖相環(huán)程序，使系統(tǒng)工作在自激狀態(tài)，算法流程圖如圖6所示。

圖6 啟動流程圖

實驗結果及結論

通過實驗編程運行，連接感應加熱中頻電源樣機實驗，進行實驗調節(jié)，實驗結果如下。

從圖中可以看出，輸出電壓與輸出電流一直保持固定不變的相位關系，這說明數(shù)字鎖相環(huán)正常工作。實驗表明，該設計的算法是穩(wěn)定有效的，實驗結果符合理論分析。基于DSP構成的感應加熱電源移相式閉環(huán)控制中中頻電源系統(tǒng)，可以完成對串聯(lián)諧振式感應加熱電源的頻率跟蹤與輸出功率的連續(xù)可調，具有較好的閉環(huán)控制特性。

（粟堅定單位：湘潭大學信息工程學院； 蔡羅強單位：湘電集團技術中心； 陳軍華單位：大唐耒陽發(fā)電廠）