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，北京 100081）
摘要：以電磁感應發(fā)生系統(tǒng)為應用背景，設(shè)計實現(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撲，以DSP作為控制核心，實現(xiàn)與上位機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，以簡單可靠的控制方式實現(xiàn)磁場電流的高精度控制。實際應用表明，該電源系統(tǒng)運行穩(wěn)定，精度高，可操控性好。
關(guān)鍵詞：電源；直流；交流；DSP；電磁感應
中圖分類號：TM46文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674 7720.2016.20.010
引用格式：劉密，冬雷，趙闖. 大功率電磁感應發(fā)生系統(tǒng)電源設(shè)計［J］.微型機與應用，2016,35（20）：37 40,44.
0引言
大功率電磁感應發(fā)生系統(tǒng)主要用來在測試空間構(gòu)建一個頻率和磁場強度均連續(xù)可調(diào)的均勻交變磁場或產(chǎn)生一個均勻且場強可調(diào)的直流穩(wěn)恒磁場，輔助對光纖陀螺及其所用光學器件在磁場環(huán)境中的工作情況進行測試研究。大功率電磁感應發(fā)生系統(tǒng)組成見圖1。
圖1中電源與上位機之間通過RS232串行接口相連接，上位機可以向電源發(fā)送控制命令，包括啟動、停止、磁場強度設(shè)定、頻率設(shè)定等，同時可以監(jiān)控電源部分的電流和直流母線電壓狀況。電源根據(jù)上位機的指令，計算得出所需要的磁場控制量，控制功率器件產(chǎn)生所需要的交、直流電壓或電流來驅(qū)動磁體產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場。本文使用DSP作為控制核心完成電源功能設(shè)計，電源輸出能力為30 kVA。
1電源系統(tǒng)總體設(shè)計
本文所述電源系統(tǒng)的負載為大功率線圈，通過電流激磁產(chǎn)生預期磁場。由于線圈需要產(chǎn)生直流磁場及0.5～50 Hz交流磁場，且線圈具有直流阻抗小、交流感抗大的特點，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。
當電源系統(tǒng)需要輸出交流時，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；當電源系統(tǒng)需要輸出直流時，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)合上位機指令和采樣結(jié)果，通過控制策略給出主功率器件驅(qū)動信號，實現(xiàn)目標電流輸出。
2電源主電路設(shè)計及其工作原理
為了能夠同時實現(xiàn)電源直流正、反向和交流輸出，采用單項全橋拓撲作為主功率電路，如圖3所示。主功率開關(guān)器件使用IGBT功率模塊FF400R12KE3。由于負載線圈所產(chǎn)生的磁場與其內(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，進而得到目標磁場［1］。
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，采用中心對稱方式產(chǎn)生控制脈寬VG1～VG1實現(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)動互補，Q3、Q4驅(qū)動互補。
t0→t1、t2→t3時刻，功率管Q1、Q4導通，UAB為輸入電壓，電感電流IL線性增加。
t1→t2時刻，功率管Q1、Q3導通，電感電流通過Q1、Q3通路續(xù)流。
t3→t4時刻，功率管Q2、Q4導通，電感電流通過Q2、Q4通路續(xù)流。
實施具體控制時，若閉環(huán)計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
電路實際的有效占空比仍然為D，且輸出電感脈動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的直流輸出電流。反向直流輸出時，只需將Q1、Q3控制信號對調(diào)重載即可。
2.2交流輸出工作原理
電磁感應發(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，且負載為純感性，為了提高系統(tǒng)運行可靠性，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載之間的濾波環(huán)節(jié)，功率變換輸出直接連接負載線圈，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，在負載線圈上得到預置頻率和幅度的交變電流。由于線圈電流滯后于電壓信號且存在續(xù)流過程，因此，雖然進行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)動互補，Q3、Q4驅(qū)動互補。
3電源控制電路設(shè)計及其工作原理
電源系統(tǒng)以DSP作為控制核心，接收的輸入信號主要有上位機設(shè)置信息、電源當前電壓、電流信息、故障反饋信息；發(fā)出的信號主要包括交、直流狀態(tài)切換控制信號、PWM控制信號、電源狀態(tài)上傳上位機信號。因此，電源系統(tǒng)除了用到DSP自身資源外，還需配置信號采集以及驅(qū)動等電路。
3.1采樣調(diào)理電路
電源系統(tǒng)中電流、電壓信號均使用霍爾傳感器進行采集，輸出電流信號采集使用電流傳感器LT308 S7，輸入直流母線電壓信號采集使用電壓傳感器LV28P。傳感器采集轉(zhuǎn)換后的小電流信號輸入到圖6所示的采樣調(diào)理電路中，通過采樣電阻將小電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過信號調(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。
電源系統(tǒng)功率IGBT的驅(qū)動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、過電流保護電路、過電流輸出信號端口、兼容TTL電平的輸入接口等。它是雙電源驅(qū)動結(jié)構(gòu)，內(nèi)部共模抑制比高。該電源應用中，為了可靠驅(qū)動1 200 V/400 A的功率器件，M57962L輸出增加了一級功放驅(qū)動電路，如圖7所示。驅(qū)動電路接收DSP控制信號執(zhí)行功率驅(qū)動，并在功率管發(fā)生過流時輸出故障信號。
控制部分除了采樣調(diào)理和驅(qū)動電路，還包括接觸器驅(qū)動電路、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)定運行。
4軟件設(shè)計
軟件設(shè)計需要根據(jù)用戶輸入，匹配各類硬件資源，確保功能實現(xiàn)的同時，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CodeWarrior，主要使用了芯片內(nèi)部的PWM模塊、ADC模塊、定時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確性，將PWM模塊中斷設(shè)置為較高優(yōu)先級。PWM服務程序為主程序，該程序中開啟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)得出當前控制量，重載占空比輸出。ADC中斷為最高優(yōu)先級服務子程序，以便采集數(shù)據(jù)的實時性，ADC中斷子程序中要進行過流保護判斷，并對采樣信號進行初始數(shù)字濾波。PWM和ADC模塊服務程序如圖8所示。定時5 ms服務子程序?qū)﹄娫聪到y(tǒng)交直流狀態(tài)進行判斷和切換，在開、關(guān)機和交、直流狀態(tài)切換過程中，控制接觸器進行主功率電路切換，并進行參數(shù)初始化，狀態(tài)設(shè)定后，關(guān)閉或啟動PWM輸出。通信服務子程序?qū)崿F(xiàn)電源數(shù)據(jù)與上位機的交互，確保用戶指令的及時接收與電源狀態(tài)的實時上傳。
為了保證磁場強度的連續(xù)可調(diào)和精度要求，通過高斯計標定了磁場強度與直流電流、交流電壓的對應關(guān)系。給定直流磁場強度時，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，使線圈電流達到設(shè)定值。給定交流磁場強度時，通過查表插值的方式確定對應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)制峰值對應的最大脈寬，然后根據(jù)預設(shè)頻率進行SPWM調(diào)制，在線圈中得到設(shè)定的交流電流，電源系統(tǒng)實物及直流電流磁場測試曲線見圖9。
圖9(b)給出了正向直流電流與磁場的對應曲線，可以看出，實測電流與磁場強度具有較好的近似線性關(guān)系，磁場強度100 Gs對應100 A左右的直流電流，交流電流也具有類似的對應關(guān)系。由于磁場測試設(shè)備的局限性，低頻小磁場（小于10 Gs）交流電流與磁場強度測得的線性度較差，其余測試點均有較好的線性度。
5結(jié)論
本文介紹了一種大功率電磁場系統(tǒng)專用電源設(shè)計，在分析產(chǎn)品需求的基礎(chǔ)上，詳細介紹了電源的系統(tǒng)組成、電路設(shè)計及工作原理、軟件設(shè)計及工作流程。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)的實際運行驗證了電源設(shè)計的合理性和有效性，在實現(xiàn)系統(tǒng)功能的同時獲得了較好的用戶體驗。
參考文獻
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