DSP平臺(tái)的數(shù)控逆變中頻電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：應(yīng)用數(shù)字處理技術(shù)，研究了基于DSP的數(shù)字化控制的中頻逆變電源。給出了基于IGBT的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析了其控制原理，采用基于TMS320F2407型DSP為核心的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)諧振中頻逆變電源的數(shù)字化控制，以滿足系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性和靈活性要求。研制了一臺(tái)10kW/10kHz的逆變電源樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性和可行性。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/170160.htm

關(guān)鍵詞：逆變電源；串聯(lián)諧振；數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.10.008

引言

隨著電力電子技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，對(duì)逆變電源的性能及效率等要求也越來越高。串聯(lián)諧振中頻逆變電源是感應(yīng)加熱的關(guān)鍵設(shè)備，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，熔煉金屬及對(duì)工件進(jìn)行透熱、淬火和彎管等，常常采用中頻（150Hz～20kHz）諧振逆變電源裝置作為感應(yīng)加熱電源。

傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振中頻逆變電源控制仍然多為模擬控制或模擬與數(shù)字相結(jié)合的控制系統(tǒng)[1-2]，存在如控制電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、采用較多的元器件，體積龐大、電源一致性差；系統(tǒng)工作不穩(wěn)定、控制精度不高、開發(fā)調(diào)試復(fù)雜等缺點(diǎn)。克服以上缺點(diǎn)的方法是應(yīng)用數(shù)字處理技術(shù)，將傳統(tǒng)的模擬電源升級(jí)改造為數(shù)字化電源（DPS：Digital Power Supply）。數(shù)字電源控制電路的核心器件是數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），通過微處理器的精確運(yùn)算來控逆變電源的各項(xiàng)性能和工作全過程，使控制電路高度集成、簡(jiǎn)化，且實(shí)現(xiàn)了數(shù)控化。本文設(shè)計(jì)了基于DSP芯片TMS320LF2407的10kW/10kHz 的串聯(lián)諧振中頻逆變電源，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的有效性和可行性。

中頻逆變電源設(shè)計(jì)

電源主電路設(shè)計(jì)

串聯(lián)諧振中頻逆變電源系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。三相380V/50Hz交流電經(jīng)空氣開關(guān)、熔斷器后加到由二極管模塊組成的三相不控整流橋，三相整流橋輸出的直流電壓Ud經(jīng)電解電容Cd濾波成平直的電壓，再加到由四個(gè)IGBT和四個(gè)反并聯(lián)二極管組成的單相全橋逆變器，逆變器輸出的電壓Uo經(jīng)中頻變壓器T隔離并降壓后送到由補(bǔ)償電容C和負(fù)載感應(yīng)器Lo組成的串聯(lián)諧振電路的兩端。中頻變壓器T用于負(fù)載匹配，感應(yīng)線圈等效電感Lo和電阻R以及諧振電容C組成變壓器次級(jí)串聯(lián)諧振槽路。

串聯(lián)諧振逆變電源工作原理

串聯(lián)諧振逆變電源等效電路如圖2所示，其移相控制原理及工作過程分析如下[3]：

圖2所示的主電路的控制采用了如圖3所示的移相控制策略。其基本原理是：檢測(cè)逆變器輸出電流 利用其過零點(diǎn)來產(chǎn)生滯后橋臂管VT4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)4gVTu（VT2管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)2gVTu與之互補(bǔ)）；由VT1和VT3組成的超前橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)1gVTu和3gVTu 分別超前于4gVTu和2gVTu，超前的角度為移相角α或者調(diào)節(jié)逆變橋輸出電壓的寬度o u，從而調(diào)節(jié)基波電壓的幅值，就能對(duì)電路輸出功率調(diào)節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

數(shù)字鎖相環(huán)（DPLL）控制

串聯(lián)諧振逆變電路工作在諧振狀態(tài)時(shí)，諧振回路呈電阻性，工作頻率等于負(fù)載的諧振頻率。由于逆變輸出所接負(fù)載的規(guī)格不同，感應(yīng)線圈的等效電感和等效電阻也將改變，諧振頻率會(huì)發(fā)生變化，如果不改變逆變電路IGBT的驅(qū)動(dòng)頻率，將使逆變器偏離諧振點(diǎn)，不僅使逆變橋上IGBT偏離零電流開關(guān)點(diǎn)，而且引起開關(guān)損耗增大，當(dāng)逆變器工作頻率高于負(fù)載諧振頻率較大時(shí)，在一定的P值下，還會(huì)使負(fù)載阻抗增大，逆變器的無功功率增加，輸出功率因數(shù)下降，功率容量不能充分利用。因此逆變控制系統(tǒng)必須具備頻率跟蹤功能，使逆變器的工作點(diǎn)保持在諧振點(diǎn)附近，從而實(shí)現(xiàn)IGBT的ZCS開關(guān)，并且有效利用逆變器的輸出功率容量。一般的頻率跟蹤采用鎖相環(huán)控制（PLL），通過檢測(cè)輸出電壓和電流的相位差，控制鎖相環(huán)電路的觸發(fā)信號(hào)輸出頻率，達(dá)到頻率跟蹤的目的。本設(shè)計(jì)采用基于DSP技術(shù)的數(shù)字鎖相環(huán)（DPLL）來實(shí)現(xiàn)頻率

的自動(dòng)跟蹤[4]。

串聯(lián)諧振中頻逆變電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。電源控制系統(tǒng)采用以TMS320LF2407為控制核心的硬件控制平臺(tái)，傳感器采集的各種檢測(cè)信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換后作為DSP的輸入信號(hào)，DSP根據(jù)檢測(cè)輸入的信息對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，逆變器中功率主開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由DSP的事件管理模塊EV產(chǎn)生，并對(duì)最終產(chǎn)生的PWM波形輸出進(jìn)行死區(qū)控制；通過對(duì)負(fù)載電流和電壓的檢測(cè)、采樣、濾波、電平轉(zhuǎn)換和A/ D 變換處理后，與給定頻率作比較，進(jìn)行頻率鎖相跟蹤及移相功率控制；當(dāng)過流或過壓等故障信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，硬件電路會(huì)封鎖逆變器的觸發(fā)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，同時(shí)，保護(hù)信號(hào)會(huì)使中斷口XINT發(fā)生中斷，立即進(jìn)行系統(tǒng)的其他保護(hù)處理。系統(tǒng)具有電壓、電流、工作頻率及諧振頻率等各項(xiàng)參數(shù)的顯示；電路設(shè)有過流、過壓、過熱、缺相等全面的保護(hù)系統(tǒng)，并指示出各種故障便于維修；同時(shí)，還具有上下位機(jī)通訊功能，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化控制或用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制[5]。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

依據(jù)前面的設(shè)計(jì)思想，我們?cè)O(shè)計(jì)了一臺(tái)10kW/10kHz的串聯(lián)諧振中頻逆變電源樣機(jī)應(yīng)用于中頻感應(yīng)加熱。輸入為三相380V±15%，圖6（a）和（b）分別示出驅(qū)動(dòng)信號(hào)和輸出電流電壓的實(shí)驗(yàn)波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，結(jié)果與理論分析基本一致，所設(shè)計(jì)的串聯(lián)諧振中頻逆變電源工作穩(wěn)定可靠。

基于DSP的串聯(lián)諧振中頻逆變電源，具有抗干擾能力強(qiáng)、處理靈活、開關(guān)損耗小等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性好，在工業(yè)實(shí)際應(yīng)用具有很好的應(yīng)用前景和價(jià)值。