基于雙處理器的等離子體電源控制系統設計

薛家祥，高 喆，周 鋼，于文慶

（1.華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州510640；2.東莞市鉅大電子有限公司，東莞523070）

近年來，隨著對等離子體的深入研究，低溫等離子體以其優越的特性已被廣泛應用于廢棄處理、材料改性、生物醫學、航空航天等領域[1]。目前工業中使用的低溫等離子體主要是通過激勵電源控制等離子體發生裝置來產生?，F有的激勵電源硬件電路設計及控制模式單一，難以適應多種等離子體發生器，同時電源控制精度低，氣體放電不穩定，系統穩定性差，整機損耗大[2]。針對這些問題，本文提出一種基于雙處理器的等離子體電源控制系統，通過前級雙管級聯Buck-Boost 電路以及全橋逆變電路諧振電感匹配實現了電源對多種等離子體負載的適應性，同時利用DSP 和STM32 雙處理器分別進行電源管理和系統級控制，保證了等離子體電源的控制精度、動態特性以及系統穩定性。

1 等離子體電源系統總體方案設計

1.1 等離子體負載特性分析

等離子體發生器的結構和電容十分相似，由金屬電極和介質構成，不同的等離子體發生器等效電容也不同。本文以平板介質阻擋放電型等離子體發生器為例進行分析，其負載等效模型如圖1所示，其中Cg為等離子體氣隙等效電容，Cd為阻擋介質的等效電容，R為負載等效電阻，Ub為氣體擊穿電壓。由于激勵電場為交流電，故在等效模型中插入整流橋以還原擊穿電壓Ub的鉗位作用[3]。

圖1 等離子體負載等效模型Fig.1 Plasma load equivalent model

為了更容易達到放電電壓并提高功率因數，本文采用串聯諧振拓撲，通過串聯電感進行諧振參數匹配，如圖2所示為負載串聯諧振等效電路，由等離子體發生器負載電容Cr（由氣隙電容Cg與介質電容Cd等效得到）、等效諧振電感Lr和負載回路導通電阻R組成，Us為負載輸入電壓。當電源工作在串聯諧振狀態時，回路表現為純阻性，其輸出電流最大，功率因數為1，電感與電容上電壓為輸入電壓的Q倍，可以實現諧振升壓效果。

圖2 負載串聯諧振等效電路Fig.2 Load series resonance circuit

氣體放電時負載等效電容Cr會發生變化，導致諧振頻率也產生變化，如果此時電源的工作頻率無法匹配負載諧振頻率，則會使得電源系統無功功率變大，電源效率低。而且不同的等離子體發生器也對應著不同的諧振參數，因此為了提高等離子體負載的適應性，本文通過全橋逆變電路中串聯多組諧振電感并利用PFM 對電源工作頻率進行調整。

1.2 電源系統總體方案設計

等離子體電源系統總體方案如圖3所示，主要包括功率模塊，采樣與控制模塊，狀態監測及人機交互模塊，輔助電源模塊。

圖3 電源系統總體方案框架Fig.3 Overall power supply framework

功率模塊分為前級和后級，前級由380 V 交流電輸入，經過三相不控整流電路之后變為510 V 左右的直流電壓，再經過雙管級聯Buck-Boost 電路斬波輸出幅值可調的直流電壓，用來調節等離子體的輸出功率；后級利用全橋逆變電路進行直流電到交流電的轉換，再將轉換后的頻率可調的方波輸出到變壓器，變壓器的次級接等離子體發生器，同時利用變壓器漏感以及串聯電感實現負載的串聯諧振參數匹配，使得等離子體發生器更容易達到放電電壓，從而產生低溫等離子體。采樣與控制模塊主要負責各關鍵節點電壓、電流的采樣與調理，同時將采樣信號傳遞到DSP 處理器進行處理，在通過控制算法運算后利用驅動電路實現對功率電路的精確控制。狀態監測及人機交互模塊負責對電源運行狀態的實時監測和電源系統級控制。輔助電源模塊主要是用來給采樣、驅動電路以及處理器等模塊進行供電。

2 等離子體電源控制系統設計

2.1 功率電路控制設計

為了提高等離子體負載的適應性，本文采用前級雙管級聯Buck-Boost 電路進行電壓的寬范圍調節，后級全橋逆變電路進行頻率的調節[4]。如圖4所示為功率電路及控制框圖，前級有Buck 模式和Boost模式2 種，當工作在Buck 模式時，只對Q1進行控制，Q2一直關閉。當工作在Boost 模式時，Q1保持全開，對Q2進行控制。后級利用DSP 數字鎖相環來實現對諧振頻率的匹配。由于等離子體負載在放電時電流會出現劇烈變化，因此前級采用雙閉環的峰值電流控制模式，外環為電壓環，內環為電流環，通過前級輸出電壓與設定電壓的誤差經PID 運算得到內環的參考，再經過斜率補償之后與電感電流進行比較輸出PWM 來控制開關管Q1和Q2實現對輸出電壓的控制。

圖4 功率電路及控制框圖Fig.4 Power circuit and control diagram

2.2 雙處理器控制設計

根據等離子體電源的特點以及本文采用的電路拓撲結構可知，處理器既需要進行采樣信號處理并根據相應算法控制功率電路的6 個開關管，又要實現電源狀態監測、系統保護、人機交互等功能，單處理器執行時會因任務過多出現死機現象，導致電源系統不穩定，出現安全事故。因此本文利用DSP強大的運算能力和數字信號處理能力進行電源管理，主要負責采樣數據的處理以及功率電路的控制[5]。同時利用STM32的多任務管理和流程控制的優勢進行電源系統級控制，主要負責電源的狀態監測、人機交互以及通信等功能。通過結合雙處理器各自的優勢實現了在電源功率電路精確控制時還能持續對電源各狀態進行實時監測，從而提高了電源的控制精度和系統的穩定性。

3 電源控制軟件設計

3.1 DSP 控制軟件設計

DSP 程序控制流程如圖5所示，主要有系統初始化，中斷任務配置處理，以及狀態機控制。功率電路的控制算法主要在中斷中執行，其他任務通過狀態機進行分配。狀態機利用定時器來實現并循環執行，主要分為快速任務A 和常規任務B，其中A 任務包括采樣數據處理任務A1，過流過壓保護任務A2，通信任務A3；B 任務包括狀態指示任務B1，設定參數更新任務B2。中斷任務主要有實現功率電路的閉環控制、數字鎖相環，以及電源輸出控制，如圖5所示，在中斷ISR1中更新電流內環參考值Iref，同時檢測開關管Q1的PWM 驅動占空比，如果Q1占空比為1，則保持占空比不變，切換電流內環輸出PWM控制Q2。

圖5 DSP 主程序和ISR1 中斷流程Fig.5 DSP main program and ISR1 flow chart

如圖6所示，在中斷ISR2中進行相位差的計算，并根據輸出電流和電壓周期值調整下一次全橋輸出PWM 的周期值，在中斷ISR3中進行PWM 輸出的關閉與打開。

圖6 ISR2 和ISR3 中斷流程Fig.6 ISR2 and ISR3 interrupt flow chart

3.2 STM32 控制軟件設計

STM32 程序控制流程如圖7所示，為了更好地實現人機交互和狀態監測等多任務的系統級控制，本文采用FreeRTOS 操作系統進行任務調度和實時控制。

圖7 STM32 程序流程Fig.7 STM32 main program flow chart

FreeRTOS 采用阻塞等待式任務調度，任務運行的順序按照預先分配的任務優先級嚴格執行。本文根據優先級的不同，對系統分配了5 個不同優先級的任務，依次包括Ctrl_task、Uart_task、DSP_task、Screen_task、LED_task。Ctrl_task 任務負責對按鍵、屏幕觸摸、狀態燈、開關、報警等電源信號的控制進行響應和處理；Uart_task 任務負責串口屏的數據傳輸控制；DSP_task 任務負責DSP 和STM32 之間的通信控制；Screen_task 任務負責在串口不同的頁面顯示不同的電源參數信息；LED_task 任務負責電源狀態顯示燈的控制。

3.3 雙處理器通信設計

由于等離子體電源多用于自動化生產線中，考慮到有時需要通過PLC 進行電源的直接控制，因此本文采用工業中常用的Modbus 協議并通過SCI 接口實現DSP 和STM32 之間的通信，使用到PLC 時可以方便地進行通信切換。Modbus 協議是一種主從協議，主機可以發送請求，從機只能響應主機的請求。本文STM32 作為主機，DSP 作為從機。由于SCI接口一次只能接收一個字節的數據，因此本文利用定時器控制來接收到一個完整的數據包，并在DSP的狀態機里進行數據包的解析與響應。具體的通信程序流程如圖8所示。

圖8 雙處理器通信程序流程Fig.8 Dual-processor communication flow chart

首先STM32 向DSP 發送請求報文，DSP 通過SCI 接口開始接收STM32 發送的請求數據包，當SCI 接收完成一個字節時，SCI 進入接收中斷，將接收到的字節存放在給定的數組中，同時打開并重置定時器，完成后退出中斷，循環接收；當定時器計數時間結束時進入定時器中斷，此時關閉定時器，將接收標志位置1，表示接收完成；在狀態機中輪詢檢測接收標志位，當檢測到標志位為1 時，根據Modbus協議數據幀格式對數據包進行解析，解析完成后通過SCI 接口回傳響應報文，完成通信。

4 實驗結果

根據上述設計的電源系統方案，如圖9所示，制作了一臺基于雙處理器的等離子體電源樣機，其輸出功率最大可達3 kW，工作頻率在25 kHz～60 kHz內可調，DSP 處理器采用TMS320F280049C，STM32處理器采用STM32F103ZET6，電源人機交互界面如圖10所示，此時電源穩定工作在1.5 kW，輸出功率和設定功率一致，可見電源控制系統整體穩定性好。

圖9 等離子體電源樣機Fig.9 Plasma power supply prototype

圖10 等離子體電源人機交互界面Fig.10 Plasma power supply interactive interface

當切換不同等離子體發生器時，測量雙管級聯Buck-Boost 電路開關管驅動以及電路輸入和輸出電壓，如圖11所示，電源工作在Buck 降壓模式，如圖12所示，電源工作在Boost 升壓模式，可知電路能夠在多種等離子體負載情況下穩定工作，有很寬的輸出電壓范圍。如圖13所示為電源的輸出電壓和電流波形，可以看出輸出電壓與電流同相，表明電源功率因數較高。

圖11 Buck 降壓模式Fig.11 Buck mode waveform

圖12 Boost 升壓模式Fig.12 Boost mode waveform

圖13 輸出波形Fig.13 Output waveform

5 結語

本文通過對等離子體負載特性的分析，設計了一種基于DSP+STM32 雙處理器的等離子體電源控制系統，并對功率電路和雙處理器控制方案進行了詳細的介紹。通過前級雙管級聯Buck-Boost 電路以及串聯諧振電感實現了電源對多種等離子體負載的適應性，同時利用DSP 和STM32雙處理器各自的優勢分別進行電源管理控制和系統級交互控制，保證了在電源功率電路精確控制時還能持續對電源各狀態進行實時監測，從而使電源系統整體穩定、可靠運行。通過研制樣機測試也驗證了該電源控制系統的有效性，表明了本設計的實際應用價值。