dsp平臺數(shù)控逆變中頻電源設(shè)計和實現(xiàn)

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1、DSP平臺數(shù)控逆變中頻電源設(shè)計和實現(xiàn)　　摘要：應用數(shù)字處理技術(shù)，研究了基于DSP的數(shù)字化控制的中頻逆變電源。給出了基于IGBT的主電路拓撲結(jié)構(gòu)，分析了其控制原理，采用基于TMS320F2407型DSP為核心的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)串聯(lián)諧振中頻逆變電源的數(shù)字化控制，以滿足系統(tǒng)控制的實時性和靈活性要求。研制了一臺10kW/10kHz的逆變電源樣機進行實驗，實驗結(jié)果驗證了設(shè)計的有效性和可行性。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/170160.htm關(guān)鍵詞：逆變電源；串聯(lián)諧振；數(shù)字信號處理器（DSP）DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2013

2、.10.008引言隨著電力電子技術(shù)、信號處理技術(shù)及計算機控制技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應用，對逆變電源的性能及效率等要求也越來越高。串聯(lián)諧振中頻逆變電源是感應加熱的關(guān)鍵設(shè)備，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，熔煉金屬及對工件進行透熱、淬火和彎管等，常常采用中頻（150Hz～20kHz）諧振逆變電源裝置作為感應加熱電源。5傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振中頻逆變電源控制仍然多為模擬控制或模擬與數(shù)字相結(jié)合的控制系統(tǒng)[1-2]，存在如控制電路結(jié)構(gòu)復雜、采用較多的元器件，體積龐大、電源一致性差；系統(tǒng)工作不穩(wěn)定、控制精度不高、開發(fā)調(diào)試復雜等缺點?？朔陨先秉c的方法是應用數(shù)字處理技術(shù)，將傳統(tǒng)的模擬電源升級改造為數(shù)字化電源（DPS：Digita

3、lPowerSupply）。數(shù)字電源控制電路的核心器件是數(shù)字信號處理器（DSP），通過微處理器的精確運算來控逆變電源的各項性能和工作全過程，使控制電路高度集成、簡化，且實現(xiàn)了數(shù)控化。本文設(shè)計了基于DSP芯片TMS320LF2407的10kW/10kHz的串聯(lián)諧振中頻逆變電源，并通過試驗驗證了該設(shè)計方案的有效性和可行性。中頻逆變電源設(shè)計電源主電路設(shè)計串聯(lián)諧振中頻逆變電源系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。三相380V/50Hz交流電經(jīng)空氣開關(guān)、熔斷器后加到由二極管模塊組成的三相不控整流橋，三相整流橋輸出的直流電壓Ud經(jīng)電解電容Cd濾波成平直的電壓，再加到由四個IGBT和四個反并聯(lián)二極管組成的單相全橋逆變

4、器，逆變器輸出的電壓Uo經(jīng)中頻變壓器T隔離并降壓后送到由補償電容C和負載感應器Lo組成的串聯(lián)諧振電路的兩端。中頻變壓器T用于負載匹配，感應線圈等效電感Lo和電阻R以及諧振電容C組成變壓器次級串聯(lián)諧振槽路。串聯(lián)諧振逆變電源工作原理串聯(lián)諧振逆變電源等效電路如圖2所示，其移相控制原理及工作過程分析如下[3]：5圖2所示的主電路的控制采用了如圖3所示的移相控制策略。其基本原理是：檢測逆變器輸出電流利用其過零點來產(chǎn)生滯后橋臂管VT4的驅(qū)動信號4gVTu（VT2管的驅(qū)動信號2gVTu與之互補）；由VT1和VT3組成的超前橋臂的驅(qū)動信號1gVTu和3gVTu分別超前于4gVTu和2gVTu，超前的角度為移

5、相角α或者調(diào)節(jié)逆變橋輸出電壓的寬度ou，從而調(diào)節(jié)基波電壓的幅值，就能對電路輸出功率調(diào)節(jié)進行調(diào)節(jié)。數(shù)字鎖相環(huán)（DPLL）控制串聯(lián)諧振逆變電路工作在諧振狀態(tài)時，諧振回路呈電阻性，工作頻率等于負載的諧振頻率。由于逆變輸出所接負載的規(guī)格不同，感應線圈的等效電感和等效電阻也將改變，諧振頻率會發(fā)生變化，如果不改變逆變電路IGBT的驅(qū)動頻率，將使逆變器偏離諧振點，不僅使逆變橋上IGBT偏離零電流開關(guān)點，而且引起開關(guān)損耗增大，當逆變器工作頻率高于負載諧振頻率較大時，在一定的P值下，還會使負載阻抗增大，逆變器的無功功率增加，輸出功率因數(shù)下降，功率容量不能充分利用。因此逆變控制系統(tǒng)必須具備頻率跟蹤功能，使逆變器

6、的工作點保持在諧振點附近，從而實現(xiàn)IGBT的ZCS開關(guān)，并且有效利用逆變器的輸出功率容量。一般的頻率跟蹤采用鎖相環(huán)控制（PLL），通過檢測輸出電壓和電流的相位差，控制鎖相環(huán)電路的觸發(fā)信號輸出頻率，達到頻率跟蹤的目的。本設(shè)計采用基于DSP技術(shù)的數(shù)字鎖相環(huán)（DPLL）來實現(xiàn)頻率5的自動跟蹤[4]。串聯(lián)諧振中頻逆變電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。電源控制系統(tǒng)采用以TMS320LF2407為控制核心的硬件控制平臺，傳感器采集的各種檢測信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后作為DSP的輸入信號，DSP根據(jù)檢測輸入的信息對系統(tǒng)進行實時控制，逆變器中功率主開關(guān)管的驅(qū)動信號由DSP的事件管理模塊EV產(chǎn)生，并對最終產(chǎn)生的PWM波形輸出進行

7、死區(qū)控制；通過對負載電流和電壓的檢測、采樣、濾波、電平轉(zhuǎn)換和A/D變換處理后，與給定頻率作比較，進行頻率鎖相跟蹤及移相功率控制；當過流或過壓等故障信號產(chǎn)生時，硬件電路會封鎖逆變器的觸發(fā)信號來實現(xiàn)保護功能，同時，保護信號會使中斷口XINT發(fā)生中斷，立即進行系統(tǒng)的其他保護處理。系統(tǒng)具有電壓、電流、工作頻率及諧振頻率等各項參數(shù)的顯示；電路設(shè)有過流、過壓、過熱、缺相等全面的保護系統(tǒng)，并指示出各種故障便于維修；同時，還