劉密1，冬雷2,，趙闖1

　?。?.北京衛(wèi)星制造廠，北京 100190,；2.北京理工大學(xué),，北京 100081）

       摘要：以電磁感應(yīng)發(fā)生系統(tǒng)為應(yīng)用背景，設(shè)計(jì)實(shí)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?fù)洌?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/DSP" title="DSP" target="_blank">DSP作為控制核心,，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)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(jiǎn)單可靠的控制方式實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)電流的高精度控制,。實(shí)際應(yīng)用表明，該電源系統(tǒng)運(yùn)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(yīng)

　　中圖分類號(hào)：TM46文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(yīng)發(fā)生系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35（20）：37 40,44.

0引言

　　大功率電磁感應(yīng)發(fā)生系統(tǒng)主要用來(lái)在測(cè)試空間構(gòu)建一個(gè)頻率和磁場(chǎng)強(qiáng)度均連續(xù)可調(diào)的均勻交變磁場(chǎng)或產(chǎn)生一個(gè)均勻且場(chǎng)強(qiáng)可調(diào)的直流穩(wěn)恒磁場(chǎng),，輔助對(duì)光纖陀螺及其所用光學(xué)器件在磁場(chǎng)環(huán)境中的工作情況進(jìn)行測(cè)試研究,。大功率電磁感應(yīng)發(fā)生系統(tǒng)組成見圖1。

　　圖1中電源與上位機(jī)之間通過(guò)RS232串行接口相連接,，上位機(jī)可以向電源發(fā)送控制命令,，包括啟動(dòng)、停止,、磁場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)定,、頻率設(shè)定等，同時(shí)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(jī)的指令,，計(jì)算得出所需要的磁場(chǎng)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(lái)驅(qū)動(dòng)磁體產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng),。本文使用DSP作為控制核心完成電源功能設(shè)計(jì)，電源輸出能力為30 kVA,。

1電源系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　本文所述電源系統(tǒng)的負(fù)載為大功率線圈,，通過(guò)電流激磁產(chǎn)生預(yù)期磁場(chǎng)。由于線圈需要產(chǎn)生直流磁場(chǎng)及0.5～50 Hz交流磁場(chǎng),，且線圈具有直流阻抗小,、交流感抗大的特點(diǎn)，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(dāng)電源系統(tǒng)需要輸出交流時(shí),，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(dāng)電源系統(tǒng)需要輸出直流時(shí),，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(chǔ)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(dòng)電路、采樣電路等構(gòu)成,?？刂破鞑捎肕C56F8013，該芯片結(jié)合上位機(jī)指令和采樣結(jié)果,，通過(guò)控制策略給出主功率器件驅(qū)動(dòng)信號(hào),，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)電流輸出。

2電源主電路設(shè)計(jì)及其工作原理

　　為了能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)電源直流正,、反向和交流輸出,，采用單項(xiàng)全橋拓?fù)渥鳛橹鞴β孰娐?，如圖3所示,。主功率開關(guān)器件使用IGBT功率模塊FF400R12KE3。由于負(fù)載線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與其內(nèi)通過(guò)電流正相關(guān),，因此,，通過(guò)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(jìn)而得到目標(biāo)磁場(chǎng)［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(duì)稱方式產(chǎn)生控制脈寬VG1～VG1實(shí)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(dòng)互補(bǔ),，Q3,、Q4驅(qū)動(dòng)互補(bǔ)。

　　t0→t1,、t2→t3時(shí)刻,，功率管Q1、Q4導(dǎo)通,，UAB為輸入電壓,，電感電流IL線性增加。

　　t1→t2時(shí)刻,，功率管Q1,、Q3導(dǎo)通，電感電流通過(guò)Q1,、Q3通路續(xù)流,。

　　t3→t4時(shí)刻，功率管Q2、Q4導(dǎo)通,，電感電流通過(guò)Q2,、Q4通路續(xù)流。

　　實(shí)施具體控制時(shí),，若閉環(huán)計(jì)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(shí)際的有效占空比仍然為D,，且輸出電感脈動(dòng)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(dòng)的直流輸出電流,。反向直流輸出時(shí)，只需將Q1,、Q3控制信號(hào)對(duì)調(diào)重載即可,。

　　2.2交流輸出工作原理

　　電磁感應(yīng)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(fù)載為純感性,，為了提高系統(tǒng)運(yùn)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(fù)載之間的濾波環(huán)節(jié),，功率變換輸出直接連接負(fù)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(dǎo)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(guò)SPWM調(diào)制,，在負(fù)載線圈上得到預(yù)置頻率和幅度的交變電流。由于線圈電流滯后于電壓信號(hào)且存在續(xù)流過(guò)程,，因此,，雖然進(jìn)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(dòng)互補(bǔ),，Q3,、Q4驅(qū)動(dòng)互補(bǔ)。

3電源控制電路設(shè)計(jì)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(hào)主要有上位機(jī)設(shè)置信息,、電源當(dāng)前電壓、電流信息、故障反饋信息,；發(fā)出的信號(hào)主要包括交,、直流狀態(tài)切換控制信號(hào)、PWM控制信號(hào),、電源狀態(tài)上傳上位機(jī)信號(hào),。因此，電源系統(tǒng)除了用到DSP自身資源外,，還需配置信號(hào)采集以及驅(qū)動(dòng)等電路,。

　　3.1采樣調(diào)理電路

　　電源系統(tǒng)中電流、電壓信號(hào)均使用霍爾傳感器進(jìn)行采集，輸出電流信號(hào)采集使用電流傳感器LT308 S7，輸入直流母線電壓信號(hào)采集使用電壓傳感器LV28P,。傳感器采集轉(zhuǎn)換后的小電流信號(hào)輸入到圖6所示的采樣調(diào)理電路中，通過(guò)采樣電阻將小電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),，通過(guò)信號(hào)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(dòng)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(guò)電流保護(hù)電路、過(guò)電流輸出信號(hào)端口,、兼容TTL電平的輸入接口等,。它是雙電源驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部共模抑制比高,。該電源應(yīng)用中,，為了可靠驅(qū)動(dòng)1 200 V/400 A的功率器件，M57962L輸出增加了一級(jí)功放驅(qū)動(dòng)電路,，如圖7所示,。驅(qū)動(dòng)電路接收DSP控制信號(hào)執(zhí)行功率驅(qū)動(dòng)，并在功率管發(fā)生過(guò)流時(shí)輸出故障信號(hào),。

　　控制部分除了采樣調(diào)理和驅(qū)動(dòng)電路,，還包括接觸器驅(qū)動(dòng)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(yùn)行,。

4軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)需要根據(jù)用戶輸入，匹配各類硬件資源,，確保功能實(shí)現(xiàn)的同時(shí),，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(tái)CodeWarrior,，主要使用了芯片內(nèi)部的PWM模塊,、ADC模塊、定時(shí)器模塊和串行通信模塊［5］,。

　　程序執(zhí)行過(guò)程中,，為了確保交流輸出頻率的準(zhǔn)確性，將PWM模塊中斷設(shè)置為較高優(yōu)先級(jí),。PWM服務(wù)程序?yàn)橹鞒绦?，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(dāng)前控制量,，重載占空比輸出,。ADC中斷為最高優(yōu)先級(jí)服務(wù)子程序，以便采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性,，ADC中斷子程序中要進(jìn)行過(guò)流保護(hù)判斷,，并對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行初始數(shù)字濾波。PWM和ADC模塊服務(wù)程序如圖8所示,。定時(shí)5 ms服務(wù)子程序?qū)﹄娫聪到y(tǒng)交直流狀態(tài)進(jìn)行判斷和切換,，在開、關(guān)機(jī)和交,、直流狀態(tài)切換過(guò)程中,，控制接觸器進(jìn)行主功率電路切換，并進(jìn)行參數(shù)初始化,，狀態(tài)設(shè)定后,，關(guān)閉或啟動(dòng)PWM輸出。通信服務(wù)子程序?qū)崿F(xiàn)電源數(shù)據(jù)與上位機(jī)的交互,，確保用戶指令的及時(shí)接收與電源狀態(tài)的實(shí)時(shí)上傳,。

　　為了保證磁場(chǎng)強(qiáng)度的連續(xù)可調(diào)和精度要求，通過(guò)高斯計(jì)標(biāo)定了磁場(chǎng)強(qiáng)度與直流電流,、交流電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系,。給定直流磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，通過(guò)查表插值的方式確定直流輸出電流給定,，通過(guò)電流閉環(huán)控制,，使線圈電流達(dá)到設(shè)定值。給定交流磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí),，通過(guò)查表插值的方式確定對(duì)應(yīng)頻率的交流電壓給定,，通過(guò)輸入直流母線和電壓給定確定SPWM調(diào)制峰值對(duì)應(yīng)的最大脈寬，然后根據(jù)預(yù)設(shè)頻率進(jìn)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(shí)物及直流電流磁場(chǎng)測(cè)試曲線見圖9,。

　　圖9(b)給出了正向直流電流與磁場(chǎng)的對(duì)應(yīng)曲線，可以看出,，實(shí)測(cè)電流與磁場(chǎng)強(qiáng)度具有較好的近似線性關(guān)系,，磁場(chǎng)強(qiáng)度100 Gs對(duì)應(yīng)100 A左右的直流電流，交流電流也具有類似的對(duì)應(yīng)關(guān)系,。由于磁場(chǎng)測(cè)試設(shè)備的局限性,，低頻小磁場(chǎng)（小于10 Gs）交流電流與磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)得的線性度較差，其余測(cè)試點(diǎn)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(chǎng)系統(tǒng)專用電源設(shè)計(jì),，在分析產(chǎn)品需求的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了電源的系統(tǒng)組成,、電路設(shè)計(jì)及工作原理,、軟件設(shè)計(jì)及工作流程。通過(guò)直流輸出電流閉環(huán)控制和交流輸出電壓前饋控制,，實(shí)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(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證了電源設(shè)計(jì)的合理性和有效性，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的同時(shí)獲得了較好的用戶體驗(yàn),。

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