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,，北京 100081）

       摘要：以電磁感應發(fā)生系統(tǒng)為應用背景,，設計實現(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,、磁場強度設定,、頻率設定等，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計，電源輸出能力為30 kVA,。

1電源系統(tǒng)總體設計

　　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、驅動電路,、采樣電路等構成,。控制器采用MC56F8013,，該芯片結合上位機指令和采樣結果,，通過控制策略給出主功率器件驅動信號，實現(xiàn)目標電流輸出,。

2電源主電路設計及其工作原理

　　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,，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驅動互補,，Q3,、Q4驅動互補,。

　　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［2］。

　　隨著通信技術和電力電子技術的快速發(fā)展,，SPWM技術成為高速開關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驅動互補,，Q3,、Q4驅動互補。

3電源控制電路設計及其工作原理

　　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LV28P,。傳感器采集轉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換為電壓信號，通過信號調(diào)理,，將其轉換為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,。它是雙電源驅動結構，內(nèi)部共模抑制比高。該電源應用中,，為了可靠驅動1 200 V/400 A的功率器件,，M57962L輸出增加了一級功放驅動電路，如圖7所示,。驅動電路接收DSP控制信號執(zhí)行功率驅動,，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)理和驅動電路,，還包括接觸器驅動電路,、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軟件設計

　　軟件設計需要根據(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服務子程序對電源系統(tǒng)交直流狀態(tài)進行判斷和切換,，在開、關機和交,、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)設定后,，關閉或啟動PWM輸出,。通信服務子程序實現(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)預設頻率進行SPWM調(diào)制，在線圈中得到設定的交流電流,，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系,。由于磁場測試設備的局限性，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結論

　　本文介紹了一種大功率電磁場系統(tǒng)專用電源設計，在分析產(chǎn)品需求的基礎上,，詳細介紹了電源的系統(tǒng)組成,、電路設計及工作原理、軟件設計及工作流程,。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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