基于DSP的数字化中频感应加热电源仿真研究

2011-02-19钟舒阳

制造业自动化 2011年2期

关键词：死区电源电路

钟舒阳

ZHONG Shu-yang

（上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240）

0 引言

随着工业的不断发展，感应加热领域对高品质电源设备的需求日益增多，提高中频感应加热电源性能的研究也越来越受到关注。但是由于我国传统的中频电源在控制方面还是采用模拟控制为主，存在功率因素底、可靠性差等缺点，严重阻碍了中频电源的发展。

为了弥补传统中频电源控制方面存在的问题，本文提出了基于DSP数字控制方法，通过采用数字控制方法可以以提高系统频率跟踪的稳定性和加强系统工作的可靠性。高性能的数字控制器不但解决了模拟控制中参数随温度漂移的问题，而且控制灵活，易采用多种控制策略相结合的方式来改进逆变控制器的性能，使得所设计的电源产品不仅性能可靠，而且更有易于实现产品的更新换代。

试验证明基于DSP的数字化中频感应加热电源的可行性和有效性，并将其应用在已开发的某些工业控制中，取得了良好的试验效果。

1 中频电源结构

随着现代电力电子技术及功率半导体器件的飞速发展，感应加热电源的拓扑结构也在不断完善，形成了常用的AC/DC/AC变换形式，感应加热电源的基本结构如图1所示。

图1 中频感应加热电源基本结构

由图1可知，中频感应加热电源主要有整流器、滤波器、逆变器、负载槽路和控制保护电路等几部分组成。工作原理：三相或单相的工频交流电经整流器整流并经滤波器滤波后成为平滑的直流电，送入逆变器中，逆变器采用电力半导体器件作为开关器件，通过逆变控制电路控制，把直流变为所需频率的交流电供给负载。本文中整流部分采用可控硅模块进行半控整流，逆变部分采用半桥形式，它由串联的两组IGBT构成，负载工作方式为串联谐振。这种主电路整体结构简单可靠。

2 数字控制电路结构

选用TI公司生产的TMS320LF2407 型DSP 作为控制处理器，它主要具有以下特点：采用高性能静态CMOS 技术，供电电压为3.3 V，功耗小；具有40 MIPS 的执行速度，提高了控制器的实时控制能力；芯片内部有两组事件管理器（EVA， EVB）；有41个通用I/O引脚；ADC 模块有16个模拟量输入通道。

DSP控制电路结构电流相位在负载处用电流互感器从母线排侧取出，在发出声光报警提示的同时，并能判别和显示故障原因。与以往的逆变电源不同，在本设计中对电源的工作模式采用了智能化设计，即可以在电源启动之前可通过按键和LCD显示器对工作参数和流程进行预先设定，使其可以满足更多的工艺要求。通过预留的I2C接口，可实现远程对系统工作状态的监控，很容易实现对多台逆变电源的集散控制。

3 控制策略研究

电源开机时，用电流互感器从三相电的任意一相取出同步电压信号，信号经过光耦隔离后送入DSP的捕获端。DSP通过控制可控硅模块PWM3、4、5的占空比来进行整流软启动，从而实现直流侧电压逐渐上升。

3.1 逆变侧控制

因为主电路负载属于串联谐振电路，所以电源启动后应使IGBT开关频率略大于负载固有频率，此时输入阻抗略呈感性，负载电流频率和IGBT驱动电压频率相差较大，适宜采用PI调节方式对外环电流频率进行快速的跟踪。而当系统进入正常工作状态时，由于频率已经非常接近，比较适合采用锁相的方式对驱动电压信号和负载的电流信号之间存在相位做精细的修正。因此，可通过设定频率判定值的方式对控制算法进行动态的无扰动切换，这样可以结合两种控制算法的优点，弥补了单一算法的不足。本文在频率跟踪方面采用双闭环的复合PID控制策略，

系统的初始频率可通过按键设定，存储在匹配寄存器中，开机后通过检测PWM信号相位和负载电流相位信号，并通过得到的相位差和频率计算其整定值。即通过将计算得到的系统匹配寄存器与检测频率的差值与设定的相比较，判断采取何种控制算法。

3.2 死区控制

由于电压型串联谐振电路的直流侧可以等效为直流电压源，如果上下桥臂直接通路会发生短路现象，产生电流尖峰，从而造成开关器件IGBT模块的损坏。为了避免上下桥臂之间的直接通路，应在两路驱动信号之间留有一定的死区时间。死区形成通常都采用固定的模式，在保证电路可靠运行的前提下设置死区宽度，电源开机运行后其宽度不能随系统状态自动调整，而死区的宽度与开关器件的开关损耗和逆变器运行性能密切相关，这样，在系统不需要较大的死区宽度时，会在一定程度上降低逆变器的工作效率。为了保证串联逆变器高效可靠的运行，研究最佳死区的调节系统具有十分重要的意义。

最佳死区时间应包括器件关断时间和输出电容放电时间之和。根据理论推导，最佳死区时间为：

式中，toff表示开关器件的关断时间，V表示负载电压的有效值，I表示负载电流的有效值，f表示负载的谐振频率，其中ω＝2πf，Ci表示逆变桥臂上IGBT的输出电容值；（i＝1，2，3，4）。

通过上式可以得出，对于确定的电源来Ci是不变的，能影响驱动死区的因素只有中频电压、中频电流和现场负载频率。把这三个经过采样电路，送入控制器后就可以通过计算自动调节死区的大小。

电源正常运行时，数字控制系统循环进行系统频率差值检测和A/D转换，当差频△f≠0时，CPU自动读取A/D转换后存储的中频电压和中频电流，并进行计算。把计算结果所对应的上升沿/下降匹配时间送入PWM匹配寄存器，当逆变器到下一开关周期时，PWM波形自动被更新，输出的死区大小也随之更改。利用PWM匹配更新死区的方法，无需添加额外的电路，而且是最直接有效的方式。

3.3 数字锁相控制

数字锁相环除了具有数字电路固有的可靠性高、体积小、价格低等优点，还再一定程度上克服了模拟锁相环遇到的困难。数字锁相环简称DPLL，它实质是一个相位差自动纠偏调节系统，在广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域有着广泛的应用。

当参考输入信号Vi（t）与输出信号Vo（t）之间有相位差时，鉴相器输出与相位差大小成比例的信号Vd（t），经数字环路滤波器滤波后产生的控制电压Vc（t）作用于数字压控振荡器的输入端，使输出信号Vo（t）发生变化，直至两者的相位差为零，达到同频同相为止。

4 软件部分

频率跟踪部分的主程序流程如图2所示。

图2 主程序流程图

工作原理：电源开机后，首先对系统进行初始化。然后进入参数设定环节，需设定的参数主要包括初始频率、初始输出功率大小、功率调节方式等。参数设置之后便进入工作状态，此时先发出IGBT的开关信号，频率为固定不变的初始值，随后开始整流软启动，此时随着负载频率信号的出现，系统频率开始逐渐跟随负载频率变化。随着直流电压逐渐上升，IGBT输出的功率也逐渐达到初始设定输出值，此时，电源已正常启动。最后，系统在频率跟踪进程中循环工作。

5 仿真结果分析

根据本文所设计的方案，采用MATLAB/SIMULINK建立仿真模型，对系统进行仿真分析。系统初始频率设为3KHz，电源在开机后能迅速跟踪到负载谐振频率处。频率跟踪后负载输出的波形如图3所示。

仿真结果表明，本文采用基于双闭环系统的PID复合控制策略，能使系统同时拥有PID调节动态响应快和数字锁相环稳态精度高的优点。基于DSP控制的中频感应加热电源能可靠地实现系统的频率跟踪。在调节功率的同时，未发生频率跟踪延迟和跳相等问题。另外，故障保护部分工作正常，在设定瞬间过流范围内，瞬间过流测试时并未发生停机的现象。