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基于DSP的中频电源的电路(硬件)实现

2015-11-11 11:34:04

[导读] 中频电源一般指输出频率为中频(常用的为400 Hz)的单相或者三相变频电源,广泛应用于航空航天、舰船、机车、感应加热以及雷达、通信交换机等设备中。作为一种电源变换装置,它必须将工频输入电压变换为适用于工业应用的频率和电压。

1 概述

中频电源一般指输出频率为中频(常用的为400 Hz)的单相或者三相变频电源,广泛应用于航空航天、舰船、机车、感应加热以及雷达、通信交换机等设备中。作为一种电源变换装置,它必须将工频输入电压变换为适用于工业应用的频率和电压。

早期的中频特种电源大都是采用电机机组产生的,通常由异步电动机和同步发电机构成。异步电动机由三相工频交流电供电,在舰船上,三相工频交流电由柴油发电机组产生,异步电动机再拖动同步发电机旋转产生所需要的幅值和频率的中频交流电。这种电源谐波含量少、正弦度好,输出电压和频率的稳定性都能满足要求,但由于电源由旋转的电机组成,它运用在航空航天、舰船、机车,其机械噪音和机体大的缺点十分明显。随着电力电子器件发展,提出了静止式中频电源的结构,然而电力电子器件造成的电源污染和谐波失真是迫切需要解决的问题。

目前静止式中频电源大都采用模拟控制的方法,即使用模拟器件构成的三角波和正弦波产生电路分别将产生的三角载波信号Ut和正弦调制波信号Ur送入电压比较器,从而产生SPWM序列。这种利用模拟电路调制方式的优点是完成Ut与Ur 信号的比较和确定脉冲所用的时间很短,几乎是瞬间完成的,而且Ut和Ur的交点是非常精确的,未做任何近似处理。然而,这种方法的缺点是灵活性差,所需硬件较多,调试较为麻烦;并且不能实现在调频的同时进行调压,即调频和调压只能分开进行;另外,由于模拟器件存在漂移现象,因此电源稳定性差。

将计算机数字技术应用于中频电源控制环节具有以下明显优点:

1)设计方面易于采用先进的控制方法和智能控制策略,使逆变电源的智能化程度更高,性能更完美,系统升级方便,甚至可以在线修改控制算法而不必改动硬件线路;

2)输出电压的稳定性采用了DSP技术的电源输出电压的误差可控制在1%以内;

3)输出电压波形失真度由于负载形式或负载变动引起电源的输出波动,在传统的中频电源显得较为明显,而采用DSP芯片由于其强大的计算能力能对输出电压的谐波进行检测并进行无功功率补偿,大大减少了谐波含量使得波形失真度小。

另外,计算机数字技术可实现智能监控等功能,是当今中频电源发展的趋势,本文主要介绍采用TMS320LF2407 DSP作为核心控制数字式中频电源的研制。

2 中频电源的硬件实现

2.1 系统概述

本系统研究了一种DSP数字控制的1kVA的智能中频电源,技术参数的要求为:

输入市电220(1±10%)V

频率50(1±5%)Hz

功率因数>0.8

输出额定电压AC 220 V

额定频率400 Hz

电压稳定精度±2%

频率稳定精度±0.01%

功率1 kV·A

采用整流桥将单相工频电源整流成直流,然后采用了IGBT 构成主功率桥式逆变电路,而SPWM信号的产生以及数字控制算法的实现通过在DSP为主控制器芯片的基础上编程来实现, 同时DSP 芯片还对电源的输入输出以及功率电路实行实时监控及故障处理和状态显示。原理框图如图1所示。

由图1知,电源系统主要由主电路和控制电路组成。主电路又分为整流电路和逆变电路两部分,整流电路将交流电变成直流电后提供给逆变电路形成400 Hz恒频恒压的交流电。本文着重讨论逆变部分,控制电路包括反馈检测以及SPWM 的产生等,DSP完成了所有的检测控制和计算,它检测出电压给定值和输出电压反馈值,经过数字PID 运算产生输出电压控制指令,使输出电压值和给定值一致,DSP同时经过计算产生SPWM信号来实现逆变桥的开断,从而使输出电压的幅值和频率与给定值一致,同时将输出值显示给用户。

 

2.2 主功率电路

2.2.1 电路拓扑结构

中频电源系统主电路如图2所示,采用AC/DC/AC复合变流电路。它包括全桥整流电路、DC/AC逆变桥和输出滤波器三部分。

 

AC/DC整流电路将输入的220 V的交流电变换成直流电压,作为DC/AC 逆变桥的输入电压。DC/AC 逆变桥由功率MOSFET器件S1、S2、S3和S4构成,其作用是将全桥整流电路输出的直流电压变换成基波频率为400 Hz的调制电压波。

输出低通滤波电路由滤波电感Lf,滤波电容Cf构成,其作用是将DC/AC 逆变桥输出的含有高次谐波分量、基波频率为400 Hz 的调制电压波Uab滤成低谐波含量(THD)220 V/400 Hz的交流正弦波Ua,供交流负载使用。

2.2.2 功率电路参数设计

功率电路包括全波整流桥与逆变桥功率器件的选取以及低频滤波器参数的确定,下面一一说明。

2.2.2.1 整流器件参数计算

输入为交流电压220 V,其峰值电压220姨2 =311 V。由于滤波电容的作用,其输出直流最大电压约为310 V。本电源的额定输出功率为1 kW,考虑到滤波器的损耗以及功率开关管的开关损耗,设整机效率为80%,则有输入功率为1 000/0.8=1 250 W,系统工作时,考虑到电压会下降,设电压值为(1.1~1.2)220 V,则输入电流平均值Iun 为1 250/(1.1×220)=5.17 A,考虑到输入电压的波动及降额使用,由于电网波动造成的浪涌电流,因此必须保留一定的安全裕量。因此整流电路器件选取整流模块为20 A、600 V的标准整流模块。

2.2.2.2 逆变器件的选取

功率MOSFET具有优良的开关特性,开关时间短、开关损耗低、可以工作在超声频脉冲情况下。它作为一种电压控制多数载流子器件,栅极电路阻抗非常高,因此适用于多管并联运行。因为其驱动电路简单,可直接以CMOS 逻辑驱动,且不加缓冲电路,保护容易,基本上没有二次击穿现象,在中低功率电路中是首选功率器件之一,一般选用三菱、富士、APT、IR公司的产品。本文逆变器工作频率为20 kHz,由上面推算系统选择600 V的MOSFET 器件。器件的电流等级则要根据它所通过的最大峰值电流来确定。考虑系统的过载系数为KA=1.5,安全系数KR=1.2,系统在输出功率为1 kV·A 时的MOSFET 器件峰值约为27.7 A。考虑到电流纹波以及反并联二极管反向恢复尖峰电流,因此器件的电流等级可取为40 A。最终我们选择MOSFET的型号为47N60S5。

2.2.2.3 输出滤波电路参数选取

低通滤波电路分为两种,π型和倒L型电路,本系统采取倒L型结构,如图3所示。

由于输出为400 Hz,输出电压为220 V,功率为1 kW,通过谐波分析可以知道,输出电压的谐波分量集中在很高的开关频率附近,因此理论上截止频率可以选得很高,但由于输出电压中也含有低次谐波,所以选取fC=600 Hz。根据输出负载电压为Ur=220 V,

故ZL=Ur

2/P=2202/1 000=48.4Ω。

一般滤波器的标称阻抗R=(0.5~0.8)ZL 这里取R=38Ω。因此

L=R/2仔fC=38/2仔×600=10.1 mH

C=1/2仔fCR=1/2仔×600×38=6.98μF

由于系统为中频400 Hz,所以滤波电感选用中频磁芯,由以上计算可知电感上电压的最大值为400 V,电流峰值取25 A。

为了使逆变器有一个比较大的调整范围,保证输出400 Hz、220 V 的电源,负载阻抗R 实际上是变压器,变压器互感M与电容C 组成400 Hz 并联谐振,这样既起到隔离,又起到进一步减少谐波的作用。

2.3 驱动电路的选择

系统选用IR 公司的IR2132 来驱动MOSFET,该芯片为六输出高压栅极驱动器,28脚双列直插,驱动信号延时为ns级,开关频率可从几十Hz到几百kHz。IR2132具有6路输入信号和6路输出信号,其中6 路输出信号中的3 路具有电平转换功能,可直接驱动高压侧的功率器件。该驱动器可与主电路共地运行,且只需一路控制电源,克服了常规驱动器需要多路隔离电源的缺点,大大简化了硬件设计。驱动电路如图4所示。

 

 

2.4 保护电路设计

保护电路主要包括直流输入端防止过压过流保护电路以及MOSFET 过流保护电路。直流输入端保护电路主要包括熔断器、启动电阻和直流电源滤波储能电容器等元件。元件参数的选取计算如下。

1)启动电阻为避免电路中开机的瞬间产生的浪涌电流,在电源电路中串接一个功率型热敏启动电阻。启动电阻的作用是当电路启动运行时,电阻值很大,短时间内的压降很大,使得主电路的电压很低,对电子器件的冲击很小;当电路稳定时,又要求启动电阻的阻值很小,这样电阻上的压降小,也即稳定损耗小。因此,启动电阻一般选取负温度系数电阻,开机时热敏电阻温度低,电阻是5 Ω,这时开关管上的电压是电阻降压后的电压值。稳态运行时,自身温度升高,阻值会下降,这样正常工作时热敏电阻上的损耗会减到最小,保证电源的效率。电阻选取为NTC 5D-25,启动时电阻值为5 Ω,而正常工作时阻值为0.070Ω,符合设计要求。

2)直流端电容在工程上电容的选取有一定的规则,对于用来储能的电容要求不是很高,因此选定了耐压为450 V的铝电解电容。

3)交流输出电压检测电路一方面将电压反馈至DSP 的A/D 输入口以调整逆变器的输出电压,一方面送至保护电路,当输出电压过高时封锁输出电压脉冲,以上保护信号还可转换成对应的电压信号送至IR2132的脚9(Itrip端),由IR2132的脚8 送出信号,封锁DSP 的PWM 序列输出,达到逆变电路的过压保护。

2.5 反馈检测电路以及A/D转换电路

由于中频电源采取闭环控制策略,因此需要对输出电压和电感电流进行检测,并转换为可供A/D转换的信号,由于输出电压和电流信号为模拟正弦波信号,而TMS320LF 2407 内部A/D转换器,输入信号的范围为0~3.3 V的信号。因此必须采用电压检测及信号调理电路。我们采用LEM公司的LV28-P的闭环(补偿)电压霍尔传感器来检测输出电压,调理后达到A/D的输入范围的要求后送入A/D转换通道ADCIN1中。

电流检测调理电路和电压检测调理电路相似,经过比较调理后送入A/D 转换通道ADCIN2 中。

2.6 TMS320LF2407A DSP芯片及最小控制系统

采用DSP来作为中频电源的控制核心有其独特的优势,和普通单片机相比,例如51系列单片机单指令周期是2μs;80C196KC的运算指令周期是125 ns。

由于速度的限制,运用这些单片机控制的电源很难实现400 Hz正弦波的完美输出。而DSP的运行速度达20 MIPS,几乎所有的指令都可在50 ns的单周期内完成,这就使DSP能提供比传统16位微处理器和微控制器强大得多的功能。16位定点DSP内核有很强的编程能力,能实时处理非常复杂的控制算法,有丰富的指令集、改进的并行结构,支持很高的采样率,减少了循环延时,有强大的外设功能,能降低生产成本,同时使系统具有很强的可编程性,更易于更新和升级。综上所述,将DSP芯片作为整个中频电源系统的核心控制芯片是可行的,具有实际意义的,本系统采用TMS320 LF2407芯片作为核心控制芯片。

TMS320LF2407A是TI 公司推出的高性能16位数字信号处理器,是定点DSP C2000 平台系列中的一员。专门为电机控制与运动控制数字化优化实现而设计,特别适合于三相异步电动机和逆变器的高性能控制。它集C2xx 内核增强型TMS320设计结构及适用于电机控制的低功耗、高性能、优化外围电路于一体,CPU内部采用增强型哈佛结构,四级流水线作业,几乎每条指令可在25 ns(40 MIPS)完成。

以TMS320LF2407A DSP 为控制核心的最小控制系统包括电源系统,晶体振荡电路,RAM 以及JATG调试接口。

3 结语

本文对电源系统的硬件做了详细的介绍,根据要达到的性能要求对系统的参数进行了具体的设计,尤其对于低通滤波器参数进行了详细探讨,然后对电源系统功率器件的驱动和保护,以及对于输出波形的检测进行了硬件设计,最后对DSP最小控制系统各个部件的硬件设计进行了研究。

[整理编辑:中国测控网]
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