大功率電磁感應(yīng)發(fā)生系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

劉 密，冬 雷，趙 闖

(1.北京衛(wèi)星制造廠，北京 100190；2.北京理工大學(xué)，北京 100081)

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大功率電磁感應(yīng)發(fā)生系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

劉 密1，冬 雷2，趙 闖1

(1.北京衛(wèi)星制造廠，北京 100190；2.北京理工大學(xué)，北京 100081)

以電磁感應(yīng)發(fā)生系統(tǒng)為應(yīng)用背景，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種可輸出直流、交流電壓的程控大功率數(shù)字電源。電源采用單相全橋主功率拓?fù)洌訢SP作為控制核心，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的交互和電源輸出地靈活控制。直流輸出采用電流閉環(huán)，交流輸出采用電壓前饋，以簡(jiǎn)單可靠的控制方式實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)電流的高精度控制。實(shí)際應(yīng)用表明，該電源系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，精度高，可操控性好。

電源；直流；交流；DSP；電磁感應(yīng)

0 引言

圖2 電源系統(tǒng)組成示意圖

大功率電磁感應(yīng)發(fā)生系統(tǒng)主要用來在測(cè)試空間構(gòu)建一個(gè)頻率和磁場(chǎng)強(qiáng)度均連續(xù)可調(diào)的均勻交變磁場(chǎng)或產(chǎn)生一個(gè)均勻且場(chǎng)強(qiáng)可調(diào)的直流穩(wěn)恒磁場(chǎng)，輔助對(duì)光纖陀螺及其所用光學(xué)器件在磁場(chǎng)環(huán)境中的工作情況進(jìn)行測(cè)試研究。大功率電磁感應(yīng)發(fā)生系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 大功率電磁感應(yīng)發(fā)生系統(tǒng)組成示意圖

圖1中電源與上位機(jī)之間通過RS232串行接口相連接，上位機(jī)可以向電源發(fā)送控制命令，包括啟動(dòng)、停止、磁場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)定、頻率設(shè)定等，同時(shí)可以監(jiān)控電源部分的電流和直流母線電壓狀況。電源根據(jù)上位機(jī)的指令，計(jì)算得出所需要的磁場(chǎng)控制量，控制功率器件產(chǎn)生所需要的交、直流電壓或電流來驅(qū)動(dòng)磁體產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)。本文使用DSP作為控制核心完成電源功能設(shè)計(jì)，電源輸出能力為30 kVA。

1 電源系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文所述電源系統(tǒng)的負(fù)載為大功率線圈，通過電流激磁產(chǎn)生預(yù)期磁場(chǎng)。由于線圈需要產(chǎn)生直流磁場(chǎng)及0.5～50 Hz交流磁場(chǎng)，且線圈具有直流阻抗小、交流感抗大的特點(diǎn)，因此，為了提高系統(tǒng)控制精度，電源輸出直流和交流設(shè)置了不同的直流母線，電源系統(tǒng)組成見圖2。

當(dāng)電源系統(tǒng)需要輸出交流時(shí)，接通接觸器J2，直接使用380 VAC輸入整流產(chǎn)生直流功率變換母線；當(dāng)電源系統(tǒng)需要輸出直流時(shí)，接通接觸器J1，使用50 VAC輸入整流產(chǎn)生直流功率變換母線。電源系統(tǒng)主功率回路還配置有快速熔斷器、浪涌抑制電路、輸入儲(chǔ)能電容和功率變換單元；控制回路由DSP控制器、輔助電源、驅(qū)動(dòng)電路、采樣電路等構(gòu)成。控制器采用MC56F8013，該芯片結(jié)合上位機(jī)指令和采樣結(jié)果，通過控制策略給出主功率器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)電流輸出。

2 電源主電路設(shè)計(jì)及其工作原理

為了能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)電源直流正、反向和交流輸出，采用單項(xiàng)全橋拓?fù)渥鳛橹鞴β孰娐罚鐖D3所示。主功率開關(guān)器件使用IGBT功率模塊FF400R12KE3。由于負(fù)載線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與其內(nèi)通過電流正相關(guān)，因此，通過斬波占空比調(diào)制可以調(diào)節(jié)施加于線圈的平均電壓，調(diào)節(jié)輸出電流，進(jìn)而得到目標(biāo)磁場(chǎng)[1]。

圖3 電源系統(tǒng)主功率全橋拓?fù)?/p>

2.1 直流輸出工作原理

圖3所示電路中Q1～Q4組成逆變橋臂，采用中心對(duì)稱方式產(chǎn)生控制脈寬VG1～VG1實(shí)現(xiàn)電源輸出，電源正向直流輸出主要工作波形如圖4所示，其中Q1、Q2驅(qū)動(dòng)互補(bǔ)，Q3、Q4驅(qū)動(dòng)互補(bǔ)。

t0→t1、t2→t3時(shí)刻，功率管Q1、Q4導(dǎo)通，UAB為輸入電壓，電感電流IL線性增加。

t1→t2時(shí)刻，功率管Q1、Q3導(dǎo)通，電感電流通過Q1、Q3通路續(xù)流。

t3→t4時(shí)刻，功率管Q2、Q4導(dǎo)通，電感電流通過Q2、Q4通路續(xù)流。

實(shí)施具體控制時(shí)，若閉環(huán)計(jì)算所得控制量為占空比D，則施加于Q1、Q3上的控制量為：

DQ1=0.5+D/2

DQ2=0.5-D/2

電路實(shí)際的有效占空比仍然為D，且輸出電感脈動(dòng)頻率為功率器件開關(guān)頻率的兩倍。另一方面，由于電感電流續(xù)流通路壓降很小，故可以得到低紋波脈動(dòng)的直流輸出電流。反向直流輸出時(shí)，只需將Q1、Q3控制信號(hào)對(duì)調(diào)重載即可。

圖4 電源系統(tǒng)正向直流輸出主要工作波形

2.2 交流輸出工作原理

電磁感應(yīng)發(fā)生系統(tǒng)要求電源輸出交變電流的頻率和幅度變化范圍很大，且負(fù)載為純感性，為了提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，在滿足使用要求的前提下，電源系統(tǒng)未配置功率變換與負(fù)載之間的濾波環(huán)節(jié)，功率變換輸出直接連接負(fù)載線圈，交流輸出本文采用SPWM逆變技術(shù)[2]。

隨著通信技術(shù)和電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，SPWM技術(shù)成為高速開關(guān)器件逆變器的主導(dǎo)控制方式[3]。穩(wěn)定的直流電壓經(jīng)全橋逆變器，逆變成交流方波，通過SPWM調(diào)制，在負(fù)載線圈上得到預(yù)置頻率和幅度的交變電流。由于線圈電流滯后于電壓信號(hào)且存在續(xù)流過程，因此，雖然進(jìn)行SPWM調(diào)制，但線圈電流并非正弦電流[4]。電源交流輸出主要工作波形如圖5所示，其中Q1、Q2驅(qū)動(dòng)互補(bǔ)，Q3、Q4驅(qū)動(dòng)互補(bǔ)。

圖5 電源系統(tǒng)交流輸出主要工作波形

3 電源控制電路設(shè)計(jì)及其工作原理

電源系統(tǒng)以DSP作為控制核心，接收的輸入信號(hào)主要有上位機(jī)設(shè)置信息、電源當(dāng)前電壓、電流信息、故障反饋信息；發(fā)出的信號(hào)主要包括交、直流狀態(tài)切換控制信號(hào)、PWM控制信號(hào)、電源狀態(tài)上傳上位機(jī)信號(hào)。因此，電源系統(tǒng)除了用到DSP自身資源外，還需配置信號(hào)采集以及驅(qū)動(dòng)等電路。

3.1 采樣調(diào)理電路

電源系統(tǒng)中電流、電壓信號(hào)均使用霍爾傳感器進(jìn)行采集，輸出電流信號(hào)采集使用電流傳感器LT308-S7，輸入直流母線電壓信號(hào)采集使用電壓傳感器LV28-P。傳感器采集轉(zhuǎn)換后的小電流信號(hào)輸入到圖6所示的采樣調(diào)理電路中，通過采樣電阻將小電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過信號(hào)調(diào)理，將其轉(zhuǎn)換為DSP端口接受范圍電壓，輸入到AD采樣端口。

圖6 采樣調(diào)理電路

3.2 IGBT驅(qū)動(dòng)電路

電源系統(tǒng)功率IGBT的驅(qū)動(dòng)電路采用三菱公司的M57962L，M57926L內(nèi)部集成有2 500 V高隔離電壓的光耦合器、過電流保護(hù)電路、過電流輸出信號(hào)端口、兼容TTL電平的輸入接口等。它是雙電源驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部共模抑制比高。該電源應(yīng)用中，為了可靠驅(qū)動(dòng)1 200 V/400 A的功率器件，M57962L輸出增加了一級(jí)功放驅(qū)動(dòng)電路，如圖7所示。驅(qū)動(dòng)電路接收DSP控制信號(hào)執(zhí)行功率驅(qū)動(dòng)，并在功率管發(fā)生過流時(shí)輸出故障信號(hào)。

控制部分除了采樣調(diào)理和驅(qū)動(dòng)電路，還包括接觸器驅(qū)動(dòng)電路、RS232通信接口電路等，所有電路的兼容匹配確保了電源系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)需要根據(jù)用戶輸入，匹配各類硬件資源，確保功能實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，提高執(zhí)行效率與可靠性，它是電源系統(tǒng)的核心部分。本文電源系統(tǒng)的軟件開發(fā)基于56800E系

列DSP專用IDE開發(fā)平臺(tái)CodeWarrior，主要使用了芯片內(nèi)部的PWM模塊、ADC模塊、定時(shí)器模塊和串行通信模塊[5]。

程序執(zhí)行過程中，為了確保交流輸出頻率的準(zhǔn)確性，將PWM模塊中斷設(shè)置為較高優(yōu)先級(jí)。PWM服務(wù)程序?yàn)橹鞒绦颍摮绦蛑虚_啟ADC采樣獲得最新數(shù)據(jù)，并根據(jù)要求值和數(shù)據(jù)狀態(tài)得出當(dāng)前控制量，重載占空比輸出。ADC中斷為最高優(yōu)先級(jí)服務(wù)子程序，以便采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，ADC中斷子程序中要進(jìn)行過流保護(hù)判斷，并對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行初始數(shù)字濾波。PWM和ADC模塊服務(wù)程序如圖8所示。定時(shí)5 ms服務(wù)子程序?qū)﹄娫聪到y(tǒng)交直流狀態(tài)進(jìn)行判斷和切換，在開、關(guān)機(jī)和交、直流狀態(tài)切換過程中，控制接觸器進(jìn)行主功率電路切換，并進(jìn)行參數(shù)初始化，狀態(tài)設(shè)定后，關(guān)閉或啟動(dòng)PWM輸出。通信服務(wù)子程序?qū)崿F(xiàn)電源數(shù)據(jù)與上位機(jī)的交互，確保用戶指令的及時(shí)接收與電源狀態(tài)的實(shí)時(shí)上傳。

為了保證磁場(chǎng)強(qiáng)度的連續(xù)可調(diào)和精度要求，通過高斯計(jì)標(biāo)定了磁場(chǎng)強(qiáng)度與直流電流、交流電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系。給定直流磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，通過查表插值的方式確定直流輸出電流給定，通過電流閉環(huán)控制，使線圈電流達(dá)到設(shè)定值。給定交流磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，通過查表插值的方式確定對(duì)應(yīng)頻率的交流電壓給定，通過輸入直流母線和電壓給定確定SPWM調(diào)制峰值對(duì)應(yīng)的最大脈寬，然后根據(jù)預(yù)設(shè)頻率進(jìn)行SPWM調(diào)制，在線圈中得到設(shè)定的交流電流，電源系統(tǒng)實(shí)物及直流電流磁場(chǎng)測(cè)試曲線見圖9。

圖9(b)給出了正向直流電流與磁場(chǎng)的對(duì)應(yīng)曲線，可以看出，實(shí)測(cè)電流與磁場(chǎng)強(qiáng)度具有較好的近似線性關(guān)系，磁場(chǎng)強(qiáng)度100 Gs對(duì)應(yīng)100 A左右的直流電流，交流電流也具有類似的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于磁場(chǎng)測(cè)試設(shè)備的局限性，低頻小磁場(chǎng)(小于10 Gs)交流電流與磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)得的線性度較差，其余測(cè)試點(diǎn)均有較好的線性度。

圖7 IGBT驅(qū)動(dòng)電路

圖8 程序流程圖

5 結(jié)論

本文介紹了一種大功率電磁場(chǎng)系統(tǒng)專用電源設(shè)計(jì)，在分析產(chǎn)品需求的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了電源的系統(tǒng)組成、電路設(shè)計(jì)及工作原理、軟件設(shè)計(jì)及工作流程。通過直流輸出電流閉環(huán)控制和交流輸出電壓前饋控制，實(shí)現(xiàn)了較高精度的輸出電流幅值和頻率的連續(xù)可調(diào)。電源系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證了電源設(shè)計(jì)的合理性和有效性，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的同時(shí)獲得了較好的用戶體驗(yàn)。

圖9 電源系統(tǒng)實(shí)物及測(cè)試曲線

[2] 陳堅(jiān)，康勇．電力電子學(xué)-電力電子變換和控制技術(shù)[M]．北京：高等教育出版社，2011．

[3] 李永，張承瑞，翟鵬，等．半橋斬波逆變器輸出濾波器

設(shè)計(jì)[J]．電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2012，16(10)：13-20．

[4] 沈蘭蘭，李海標(biāo)，秦澤熙．基于SPWM的逆變技術(shù)的研究[J]．電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40(8)：58-61．

[5] 冬雷．DSP原理及電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007．

Design of power supply for electromagnetic induction generating system

Liu Mi1， Dong Lei2， Zhao Chuang1

(1.Beijing Spacecrafts, Beijing 100190, China；2.Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Based on the application background of the electromagnetic induction generating system, a programmable high power digital power supply with DC and AC voltage output is designed and implemented. The power supply adopts full bridge power topology, uses DSP as the control chip. It can achieve the communication with the host computer and the adjustment of the power output. The DC output uses current closed loop control, the AC output uses voltage feedforward control, and can realize high precision control of the magnetic field current. The practical application shows that the power system works stably, and has high precision and good controllability.

power supply；DC；AC；DSP；electromagnetic induction

TM46

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.20.010

劉密，冬雷，趙闖. 大功率電磁感應(yīng)發(fā)生系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(20)：37-40,44.

2016-05-16)

劉密(1986-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：空間功率變換與控制技術(shù)。

冬雷(1967-)，男，博士，副教授，主要研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)及新能源發(fā)電等。

趙闖(1986-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：空間功率變換與控制技術(shù)。