數(shù)字化中頻交流電源開發(fā)

張 強(qiáng), 張敬南， 王 珅, 張 煒

(哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

“自動(dòng)控制元件”是一些工科專業(yè)的基礎(chǔ)課程[1-2],該課程既包括理論授課，也開設(shè)有相關(guān)的課程實(shí)驗(yàn),在其中的旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)驗(yàn)中,需要使用到400 Hz的中頻交流電源。目前實(shí)驗(yàn)室使用的中頻交流電源基本都是模擬電源,其輸出電壓精度有限,且功能單一。而工業(yè)級(jí)的中頻交流電源,雖然性能突出,功能強(qiáng)大,但是其所附帶的諸多功能,往往不是實(shí)驗(yàn)所需求的,致使其在實(shí)驗(yàn)室使用環(huán)境下性價(jià)比很低。此外,近年來隨著對(duì)大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的注重,各個(gè)高校都為大學(xué)生創(chuàng)新提供了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所,但在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常需要一些非標(biāo)準(zhǔn)電源,這些非標(biāo)電源既無法買到,又很難利用現(xiàn)有電源設(shè)備改造而成。因此實(shí)驗(yàn)室急迫需要一種開放式的、能夠進(jìn)行二次開發(fā)或功能拓展的電源,以便為學(xué)生在創(chuàng)新和實(shí)驗(yàn)過程中提供設(shè)備支撐。

國(guó)內(nèi)對(duì)實(shí)驗(yàn)用電源的研究較多[3-7],但針對(duì)中頻電源的研究卻很少,并且主要針對(duì)實(shí)際工程需求[8-12]。本文為滿足自動(dòng)控制元件課程實(shí)驗(yàn)使用,結(jié)合二次開發(fā)、功能拓展的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)需求,設(shè)計(jì)、開發(fā)了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)用中頻交流電源。其基本性能指標(biāo)如下:

(1) 輸出電壓頻率400 Hz；

(2) 輸出電壓幅值0～70 V,連續(xù)可調(diào)；

(3) 具有后續(xù)功能開發(fā)、拓展的余地。

1 電源總體方案設(shè)計(jì)

數(shù)字化中頻交流電源的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案見圖1,主要包括整流電路、逆變電路、中央處理器、采集電路、驅(qū)動(dòng)電路、人機(jī)接口電路等部分。其中整流電路將輸入的50 Hz工頻交流電轉(zhuǎn)化為直流電,再由逆變電路逆變?yōu)?00 Hz的中頻交流電。中央處理器通過采集電路對(duì)逆變電路的輸出電壓進(jìn)行采集、分析、運(yùn)算,進(jìn)而生成驅(qū)動(dòng)控制信號(hào),驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路后,實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變電路中電力電子器件的開關(guān)控制。人機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)是為了在實(shí)驗(yàn)過程中便于實(shí)驗(yàn)人員對(duì)電源的操控。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 整流電路設(shè)計(jì)

考慮到實(shí)驗(yàn)室的用電環(huán)境,從用電安全和使用便利性的角度出發(fā),整流電路采用單相全橋整流電路結(jié)構(gòu),具體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 整流電路結(jié)構(gòu)框圖

圖中變壓器為降壓變壓器,變比近似為11∶4,整流橋型號(hào)為D25SBA80,濾波電容耐壓值250 V,容量2 200 μF。

2.2 逆變電路設(shè)計(jì)

由于實(shí)驗(yàn)中需要的是單相中頻交流電,因此逆變電路采用全橋逆變結(jié)構(gòu),見圖3。具體器件型號(hào)為三菱公司的智能功率模塊PS21765,該智能功率模塊內(nèi)部不僅包含有IGBT器件,而且還集成了驅(qū)動(dòng)和過流保護(hù)等電路,可有效簡(jiǎn)化外圍電路的設(shè)計(jì)。為了進(jìn)一步提高模塊內(nèi)IGBT的安全性,在模塊外增設(shè)了RC尖峰吸收電路,其中電阻取80 Ω,電容取33 pF。逆變電路輸出電壓采用LC濾波,電感值為6 mH,電容值為25 μF。

圖3 逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.3 采集電路設(shè)計(jì)

電源采用電壓有效值測(cè)量電路，對(duì)輸出電壓進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地檢測(cè),具體電路結(jié)構(gòu)見圖4。電壓傳感器為L(zhǎng)EM公司的LV25-P,R_in為輸入限流電阻,R_out為輸出取樣電阻,通過電阻值的合理選取,使得輸入電壓為70 V時(shí),輸入電流控制在25 mA,并將此時(shí)傳感器輸出的10 mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為2 V的電壓信號(hào)。電壓傳感器輸出的小電壓交流信號(hào),最終經(jīng)過AD637芯片轉(zhuǎn)換成幅值為其有效值的直流信號(hào)。

圖4 電壓采集電路

2.4 中央處理器

中央處理器通過對(duì)采集到的輸出電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、運(yùn)算,生成逆變電路中IGBT所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào),同時(shí)完成實(shí)驗(yàn)過程中的人機(jī)對(duì)話功能,因此要求中央處理器具備數(shù)據(jù)采集、分析、運(yùn)算等功能,并擁有豐富的硬件資源。綜合考慮以上實(shí)際需求,所設(shè)計(jì)的電源中央處理器采用TI公司的DSP芯片,型號(hào)為TMS320F28335。F28335是高性能的32位CPU,主頻時(shí)鐘頻率最高可以達(dá)到150 MHz,集成了IEEE-754單精度浮點(diǎn)單元(FPU)和12位高精度ADC模塊,數(shù)據(jù)處理能力突出,且片內(nèi)的資源豐富,例如,多達(dá)18個(gè)的PWM輸出、3個(gè)32位CPU定時(shí)器等。雖然DSP芯片的使用,增加了電源的成本,但是卻提升了電源的輸出性能和指標(biāo)，并且為后續(xù)電源的功能開發(fā)和拓展提供了強(qiáng)大的硬件平臺(tái)。

2.5 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

為了提高電源工作的安全性和可靠性,中央處理器輸出的逆變器正向?qū)ㄐ盘?hào)EPWM1A和反向?qū)ㄐ盘?hào)EPWM1B經(jīng)過電氣隔離和邏輯互鎖處理后,生成對(duì)應(yīng)的PWM1A和PWM1B信號(hào),才最終送至智能功率模塊的對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)輸入引腳。IGBT驅(qū)動(dòng)脈沖互鎖電路如圖5所示。當(dāng)EPWM1A和EPWM1B信號(hào)同時(shí)為“1時(shí)”,對(duì)應(yīng)的PWM1A和PWM1B信號(hào)會(huì)同時(shí)為“0”,因此可以有效防止逆變橋臂的上下直通故障發(fā)生。

圖5 IGBT驅(qū)動(dòng)脈沖互鎖電路

2.6 人機(jī)接口電路

人機(jī)接口電路由旋轉(zhuǎn)可調(diào)電位器和液晶顯示屏兩部分構(gòu)成,實(shí)驗(yàn)操作人員利用旋轉(zhuǎn)可調(diào)電位器改變電位器分壓的幅值,中央處理器通過對(duì)該電壓幅值的采集(幅值范圍為1～3 V),判斷輸出電壓給定值的大小(對(duì)應(yīng)輸出電壓有效值為0～70 V),并將結(jié)果利用液晶顯示屏反饋給實(shí)驗(yàn)操作人員。液晶顯示屏為128×64點(diǎn)陣式結(jié)構(gòu),可以提供更加豐富的人機(jī)交互信息。

3 軟件編程

電源的控制程序分為主程序和PWM中斷子程序。為了便于電源的二次開發(fā)、功能拓展,主程序和子程序都采用了模塊化編程結(jié)構(gòu)。

主程序由初始化程序模塊、系統(tǒng)配置程序模塊、給定值檢測(cè)程序模塊、顯示程序模塊等構(gòu)成。初始化程序模塊主要完成系統(tǒng)時(shí)鐘、中斷寄存器等基本設(shè)置；系統(tǒng)配置程序模塊主要是根據(jù)控制需求,完成I/O、A/D等硬件資源的配置；給定值檢測(cè)程序模塊是采集旋轉(zhuǎn)可調(diào)電位器的分壓幅值,并將其轉(zhuǎn)化為輸出電壓給定值；顯示程序模塊是將檢測(cè)和計(jì)算出的結(jié)果以及其他數(shù)據(jù),送至液晶顯示屏顯示。主程序流程見圖6。

圖6 主程序流程

PWM中斷子程序由數(shù)據(jù)處理程序模塊、過壓保護(hù)程序模塊、PI控制程序模塊等組成。數(shù)據(jù)處理程序模塊主要完成對(duì)電源輸出電壓采樣,并將采集到的數(shù)據(jù)利用濾波算法進(jìn)行數(shù)字化濾波；過壓保護(hù)程序模塊對(duì)輸出電壓幅值進(jìn)行判斷,如果超過允許的輸出上限,則封鎖IGBT觸發(fā)信號(hào),防止設(shè)備過壓損壞；PI控制程序模塊根據(jù)輸出電壓給定值和檢測(cè)值的差值,利用PI控制器生成IGBT所需的PWM觸發(fā)信號(hào)。PWM中斷子程序流程如圖7所示

圖7 PWM中斷子程序流程

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

電源實(shí)物見圖8。進(jìn)行了大量的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和波形見圖9。

圖8 電源實(shí)物照片

從圖9中可以看出，輸出電壓的頻率始終保持在400 Hz,幅值穩(wěn)定、精度高,電壓波形諧波含量小、正弦度好，即所設(shè)計(jì)出的電源完全滿足實(shí)驗(yàn)需求。

圖9 輸出電壓實(shí)驗(yàn)波形

5 結(jié)論

以DSP為核心開發(fā)出的中頻交流電源,其輸出電壓頻率恒定、波形正弦度好、幅值精度高,具備良好的人機(jī)交互界面,完全可以滿足自動(dòng)控制元件課程實(shí)驗(yàn)需求。并且所設(shè)計(jì)的電源從中央處理器功能、軟件模塊化結(jié)構(gòu)等方面都能夠滿足后續(xù)二次開發(fā)、功能拓展的需求,例如改變程序中的輸出頻率設(shè)定值,即可變成單相變頻電源,甚至可調(diào)直流電源。

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