關于DSP導向橋電路的設計研究

劉義平

（蘇州長風航空電子有限公司 江蘇省蘇州市 215151）

為實現對四個開關管通斷的控制，并將直流電壓轉變為交流電壓，落實電路輸出換向功能，可以使用DSP芯片對其進行控制，并采用PI控制策略使用該芯片進行導向橋電路單元的設計，進而實現電路導向功能，滿足相關工作的需要。

1 探討以DSP技術為基礎設計導向橋電路的必要性

隨著科學技術水平的發展，艦船是國家開展相關工作的重要設備，但其磁場的存在會對其生存造成威脅，所以，一般情況下需要對其進行消磁，對其進行磁化處理。DC/AC逆變技術是實現直流電能轉換為交流電能的保障，通過將其作為一種靜止變流裝置，實現交流負載用電，例如MOSEFY、GTR、IGBT等。而對于電流轉變和消磁要求，導向橋單元是消磁電源的輸出級，對輸出電流方向具有控制作用，通過使用DSP芯片，能夠滿足負載需求，同時通過通訊部分功能，提升輸出電流方向控制的精準程度，進而滿足電路輸出導向要求、實現輸出導向目的。

2 研究以DSP技術為基礎設計導向橋電路的流程與方法

2.1 計算主電路關鍵參數

（1）計算導向橋母線緩沖電容。在以DSP技術為核心設計導向橋電路時，應根據導向單元的輸入電壓、輸出功能、額定輸出電流、額定輸出電壓、輸出負載、負載范圍以及電感等參數計算導向橋最大輸出電流、最大輸出電壓以及最大輸出功率，保證導向橋主電路的科學合理性。由于導向橋存在掉電情況，所以，需要按照最為嚴重的情況下對負載電阻最大值和電感最大值進行分析與考慮，依據電感轉移到導向橋的母線電容開展計算工作。

將最大母線尖峰電壓設定在700V，即Uh_peak=700V，并將該導向單元輸入電壓、輸出功率和額定輸出電流（Ie）分別設定在400V、8000W、20A，且額定輸出電壓為400V，即U0=400V，110%Ie過載能長時間運行。另外，輸出負載為阻感性負載，范圍為電阻，參數在50%Re-110%Re，Re為20Ω，電感L為0mH-100mH。在該參數條件下，最大輸出電流Ih_out_max為22A、最大輸出電壓Uh_out_max為440V、最大輸出功率Po_max為9680W。在對導向橋母線緩沖電容進行計算時，主要按照以下公式進行，即即164μF。

（2）對導向橋輸出限流電感進行計算。為控制負載輸出短路時電流的上升速率，可以串入扼流電感L-h。在實際設計中，1.3Ie是輸出過流保護點，選擇最大脈沖電流，將保護延時時間（th）設置在3μs，即Ih_IGBT=114A，并降額20%。在該條件下，導向橋輸出電感L-h計算公式為：即20μH。

圖1：以DSP基礎的導向橋結構圖

（3）逆變電路原理。為保證電路運作的順利性，在設計設計過程中應掌握逆變電路。在橋式電路中共有四個臂，分別是S1、S2、S3、S4，由輔助電路和電力電子器件構成，其中，S1和S4為一組，S2和S3為一組，在實際運行過程中這兩個開關組輪流導通，且負載電壓（u0）正負變化，通過調整開關頻率，對輸出交流電的頻率進行調整。輸出波形與負載狀態有關，具體而言，當負載處于前一種狀態時，負載電流（i0）與電壓（u0）之間存在滯后性，波形不同；當負載處于后一種狀態時，負載電流（i0）與電壓（u0）之間不僅波形相同，相位也相同。同時，在電感的影響下，即便t1時刻輸出的電壓具有變化，也不會影響到輸出電流極性，只會導致輸出電流在經過開關后形成回路續流[2]。

因此，應對輸出電壓定量進行分析，具體分析流程和公式為：

傅里葉級數：

2.2 設計H橋導向單元

2.2.1 以DSP為基礎的硬件電路設計

在開展以DSP為基礎的硬件電路設計工作時，應對全橋逆變電路結構進行設計，整個結構包括控制電路、采樣電路、逆變電路、通訊店路以及驅動電路，具體結構如圖1所示。

在該結構中，主要使用TMS320F2810規格的DSP芯片，并開展電流和電壓的采樣工作，之后將其送入DSP芯片中。其中，AD7329端口IN0與輸出電壓對應，IN1與輸出電流對應。同時，通過使用驅動電路驅動IGBT管，將PWT波之間的死區時間設計在4.27μs。具體設計如下：

（1）驅動電路的設計。整機裝置的效率和逆變電路穩定性直接受驅動電路性能的影響，驅動IGBT管所需的電壓信號由數字芯片DSP產生，但是，數字芯片DSP提供的PWM電壓比IGBT管的開啟電壓小，在該情況下，僅憑芯片提供的電流。IGBT管無法被順利驅動。因此，需要轉換信號，以貼合IGBT管信號值的需求開展設計工作，對芯片的輸出信號進行轉換。但是，由于處于全橋逆變電路，四個IGBT管無法同時被電流驅動，所以，在對驅動電路進行設計時，相關工作人員應對DSP輸出的電壓信號進行處理，即對其進行轉換和隔離，從而實現對開關管的順利、成功驅動[3]。

（2）采樣電路的設計。對于以DSP芯片為基礎的導向橋電路，有溫度的采樣電路和輸出電壓、電流采樣電路是采樣電路的三方面。為更好獲取外部溫度，對電源風扇轉速進行合理調節，在對電路進行設計時，應將采樣電路設計的重點落在開關管散熱溫度方面，進而以該數據為基礎開展相關設計工作。具體而言，為使導向橋電路能夠奧馳輸出直流電壓的穩定性，反饋信號應送入數字芯片DSP的AD采樣端口，并將其輸入電壓控制在0V-3V之間，因此，在處理調理電路，也就是對導向橋輸出電壓進行處理，從而獲得符合要求、經過處理的電壓信號，滿足電路運作需求。

（3）保護電路的設計。由于在電路運行過程中可能會發生爆器件現象，影響消磁性能的同時還會造成資源的浪費，所以，為避免發生該情況，實現電路以及相關裝置的安全運行目標，應設計保護電路，以此作為保護措施為電路安全運行提供保障，做好對電路輸出的過流保護。若是電路運行過程中出現較大的電流數值，在其長時間運行情況下，很有可能燒壞開關管，為此，需要進行過流保護功能的設計。例如，進行電流信號輸送后，對其進行大小比較，如果輸出電流數值大于實際輸出電流數值，應面向DSP芯片對四個開關管進行操作，將其立即、同時關斷。

2.2.2 以DSP為基礎的軟件部分設計

對于電路軟件而言，涵蓋的主要設計內容是調試工作和程序編寫工作，值得注意的是，這兩項工作都應該在芯片集成開發環境下展開，進而實現對相關裝置和電路的控制。在該方面，主要使用CCS3.3的DSP軟件版本和SEED-XDS510 PLUS仿真器作為軟件基礎，運用中斷服務子程序和主程序組成該電路系統軟件部分的主體。對于主程序而言，其主要負責有關控制量的初始化工作，例如中斷向量的設置、常量的初始化設置、變量的初始化設置、PIE向量表偶的初始化、事件管理器模塊初始化、GPIO端口設置以及A/D轉換模塊初始化等。在完成初始化任務后，系統以循環的狀態等待中斷服務程序的相應。另外，在數字DSP芯片中包含EVA和EVB事件管理器模塊，定時器中斷服務程序完成電路系統控制工作，其中，定時中斷服務程序需要進行多個子程序的設計，即內部溫度AD采樣程序、風扇自動調速程序、輸出導向程序、外環PI調節程序、輸出濾波程序。在定時中斷服務程序運作時，其流程為：程序啟動——系統初始化——定時中斷——中斷服務程序——停止信號——結束。

（1）輸出導向功能設計。在對該功能進行設計時，主要使用事件管理器EVA中的比較單元產生PWM波，用于對IGBT管進行驅動，由于需要驅動四個，所以，PWM波需要共有四路。在實際設計過程中，主要于中斷定時器的調用子程序完成定時輪流導通工作，進而實現對電路輸出電流方向的控制。另外，電路的1號橋臂和2號橋臂開關管組成導通波形，將周期時間設計為25us，并使用定時器進行計數。當定時器運作時，起始時間為0,1號開關管先行導通，當定時器計數參數到達15000次且時間為0.375s時，1號開關管和2號開關管關斷。當其計數達到25000次且時間為0.625s時，2號開關管開通，當計數為40000次且時間為1s時，開關管導通情況開始進行周期重復。

（2）風扇調速功能設計。由于在消磁電源中，導向橋單元為輸出級，所以在具備輸出換向功能的同時還可以對風扇速度進行調節，實現對整個分布式系統溫度的有效控制，避免部分裝置過熱燒損。為實現該功能，主要進行BUCK電路的設計，讓其給風扇供電，同時，通過對該電路開關管通斷的控制，能夠實現對輸出電壓大小的及時、準確調整，進而有效改變風速。在實際設計過程中，主要是通過AD采樣采如外部溫度，根據采樣數據對PWM波的占空比進行調整，進而在導通時間不同的情況下，使BUCK電路輸出不同大小的電壓。例如，當溫度參數在0-1500范圍內時，PWM波占空比為0.8，輸出電壓為12V,風扇整體轉速較小；若是采集到的溫度數值量在1500-3000范圍內和3000以上、5000以下時，PWM波占空比分別為0.4和0，電路輸出電壓分別為16V和24V，風扇風速在前者條件下，風速有所提高，但仍處于中等風速，而對于后者而言，風扇轉速最高[4]。

（3）輸出電壓調節功能設計。在對該功能進行設計時，主要使用消磁電源前一級的LLC諧振變換器和導向橋電路單元進行雙閉環控制系統的構建，對于導向橋電路單元而言，其主要包括輸出濾波程序和PI調節程序的控制，進而保證輸出電壓的穩定性。同時，根據數字反饋信號和PI計算更新PWM驅動信號的更新，實現系統調節。

3 結論

綜上所述，DSP芯片的使用能夠實現對導向橋電路單元輸出電流換向等工作的準確、有效控制。因此，為實現對相關物品剩磁的有效消除，提升導向橋電路單元的應用實效性，應以DSP芯片為基礎進行軟件設計和硬件設計，從而實現對輸出電流的正負向切換。