ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２在串聯(lián)諧振高頻逆變電源中的應(yīng)用

摘 要：為減小逆變器功率器件的開關(guān)損耗，提高裝置輸出效率，應(yīng)該控制逆變器的工作頻率實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)載諧振頻率，確保開關(guān)器件工作在零電流開關(guān)(ZCS)狀態(tài)。介紹了高頻逆變電源中采用TMS320F2812實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤的數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL)方法，給出了實(shí)現(xiàn)DPLL的算法，并對(duì)采用DPLL的高頻逆變電源系統(tǒng)進(jìn)行了Simulink仿真，仿真結(jié)果表明逆變器的工作頻率能實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)載諧振頻率，驗(yàn)證了ZCS軟開關(guān)工作模式。

關(guān)鍵詞：TMS320F2812；逆變電源；頻率跟蹤;串聯(lián)諧振

Application of TMS320F2812 in Series-resonant HF-Inverter Power

YU Yan1，2 ，HUI Jing1

(1.Jiangnan University，Wuxi，214122，China;2.Jiangyin Professional College，Jiangyin，214405，China)

Abstract：In order to reduce the losses of switching components and improve efficiency of the power，the operating frequency of the inverter power is controlled，so as to track the load resonant frequency simultaneously to keep the inverter always operating in Zero-Current-Switching (ZCS) mode.A method for implementing the Digital Phase Locked Loop(DPLL)applied to High-Frequency-Inverter power supply is put forward in the paper.The process of implementing this method using TMS320F2812 is presented too.Finally，the High-Frequency-Inverter power based on TMS320F2812 are constructed and simulated in Simulink environment.The results of simulation show that the operating frequency of the inverter power can track the load resonant frequency simultaneously，also it verifies the inverter can operate in Zero-Current-Switching (ZCS) mode.

Keywords：TMS320F2812;inverter power;frequency tracking;series-resonant

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1 引 言

目前，感應(yīng)加熱已廣泛地應(yīng)用于淬火、鍛造熔煉、鍛造毛坯加熱、鋼管彎曲、金屬表面熱處理、焊接等行業(yè)中。但感應(yīng)加熱電源在加熱過程中，因溫度變化和加熱對(duì)象熔化等因素，使負(fù)載等效參數(shù)和固有諧振頻率發(fā)生變化，導(dǎo)致功率開關(guān)器件應(yīng)力增加，逆變器效率降低及輸出波形紋波系數(shù)增大。為使逆變器始終工作在功率因數(shù)接近于1的準(zhǔn)諧振狀態(tài)，需采用相應(yīng)的頻率跟蹤技術(shù)，使逆變器開關(guān)頻率fc能自動(dòng)跟蹤負(fù)載固有諧振頻率fo，并始終保證f傳統(tǒng)的頻率跟蹤控制電路采用由CD4046構(gòu)成的鎖相環(huán)，但由于CD4046器件構(gòu)成的鎖相環(huán)存在著硬件線路復(fù)雜、響應(yīng)速度慢、頻率跟蹤范圍窄、控制靈活性差等缺點(diǎn)，故不適合用在高精度的頻率跟蹤場(chǎng)合。因而本文介紹了一種數(shù)字鎖相環(huán)進(jìn)行頻率跟蹤的方法，并利用TMS320F2812對(duì)該算法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，最后，構(gòu)建了基于TMS320F2812的串聯(lián)諧振高頻逆變電源系統(tǒng)，并在Simulink環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行了仿真，給出了逆變器輸出電壓與輸出電流的仿真波形，驗(yàn)證了ZCS軟開關(guān)工作模式。

2 頻率跟蹤的原理

數(shù)字鎖相環(huán)的組成一般如圖1所示，它由數(shù)字鑒相器(PD)、數(shù)字環(huán)路濾波器(DLF)、數(shù)字壓控振蕩器(DCO)三部分組成^［2］，當(dāng)輸入信號(hào)Q1(k) 和輸出信號(hào)Q2(k)之間存在相位差時(shí)，數(shù)字鑒相器(PD)便輸出與相位差大小成比例的信號(hào)Ud(k)。此相位差信號(hào)經(jīng)過數(shù)字環(huán)路濾波器(DLF)濾除高頻分量后，得到一個(gè)控制電壓Uc(k)。這個(gè)Uc(k)作用于數(shù)字壓控振蕩器(DCO)的輸入端，使輸出Q2(k)發(fā)生變化，直至兩者的相位差為0，達(dá)到同頻同相為止。

3 TMS320F2812的算法實(shí)現(xiàn)

基于數(shù)字鎖相環(huán)的數(shù)學(xué)模型，利用DSP很容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字鎖相環(huán)。鎖相環(huán)數(shù)學(xué)模型中的濾波器通過采用具有低通特性的環(huán)路濾波器，從而獲得穩(wěn)定的控制數(shù)據(jù)，壓控振蕩器由程序中的算法來仿真實(shí)現(xiàn)，可以在程序中對(duì)鎖相環(huán)參數(shù)中的各個(gè)變量進(jìn)行理論整定，參與進(jìn)行下一步數(shù)據(jù)的處理。

由于逆變電源的頻率為高頻，所以該數(shù)字鎖相環(huán)控制系統(tǒng)采用了TMS320F2812為核心來實(shí)現(xiàn)。TMS320F2812是到目前為止用于數(shù)字控制領(lǐng)域性能最好的DSP芯片。這種芯片采用32位定點(diǎn)DSP核，最高速度可達(dá)400 MIPS，可以在單個(gè)指令周期內(nèi)完成32*32位的乘法/累加運(yùn)算，具有增強(qiáng)的電機(jī)控制外設(shè)、高性能的模/數(shù)轉(zhuǎn)換能力和改進(jìn)的通信接口，具有8 GB的線性地址空間，采用低電壓供電(3.3 V外設(shè)電壓，1.8 V內(nèi)核電壓)，與TMS320C24XX的源代碼兼容。其具有兩個(gè)事件管理器模塊，每一個(gè)事件管理器最多同時(shí)可生成8路PWM信號(hào)，包括3對(duì)由完全比較單元產(chǎn)生的死區(qū)可編程PWM信號(hào)以及由通用定時(shí)器比較器產(chǎn)生的2路獨(dú)立的PWM信號(hào)。

DPLL 的工作過程就是一個(gè)不斷計(jì)算的過程，該數(shù)字鎖相環(huán)控制系統(tǒng)采用DSP的脈沖捕獲功能，對(duì)輸出電壓和轉(zhuǎn)化為矩形波的輸出電流進(jìn)行過零跳變檢測(cè)，通過中斷的方式獲取由通用定時(shí)器產(chǎn)生的計(jì)數(shù)值，并通過計(jì)算折算為頻率。在獲得相位誤差以后，判斷誤差是否在允許的范圍以內(nèi)。如果在，則繼續(xù)輸出原來的觸發(fā)周期；如果不在，程序開始計(jì)算新的觸發(fā)周期，得到新的觸發(fā)周期以后產(chǎn)生新的周期 PWM 觸發(fā)信號(hào)。 DPLL的算法流程圖如圖3所示。

初始化時(shí)，通過設(shè)置死區(qū)寄存器的參數(shù)設(shè)定觸發(fā)脈沖死區(qū)的大小，防止因出現(xiàn)上、下橋臂直通，造成短路故障。另外，還需對(duì)DSP的一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，使DSP在目標(biāo)要求下工作。Tmax，Tmin標(biāo)定出系統(tǒng)的頻率跟蹤范圍，對(duì)于不同的系統(tǒng)有著不同的設(shè)定。最后根據(jù)運(yùn)算值，對(duì)周期寄存器和比較寄存器進(jìn)行設(shè)置，從而改變輸出脈沖頻率，達(dá)到頻率跟蹤的效果。

4 基于TMS320F2812的串聯(lián)諧振高頻逆變電源及其仿真

將DPLL用于串聯(lián)諧振高頻逆變電源的頻率跟蹤控制，控制框圖如圖4所示^［3］，取串聯(lián)諧振逆變電源的電流作為頻率跟蹤的輸入。

圖4中DC/AC部分采用由MOSFET(VT1～VT4)及反并續(xù)流器件(VD1 ～VD4)構(gòu)成的H型全橋逆變器，高頻匹配變壓器T、串聯(lián)諧振電容CS和電感LS組成輸出回路。而調(diào)功方式選擇直流斬波調(diào)功，頻率跟蹤電路采用基于TMS320F2812的數(shù)字鎖相環(huán)的實(shí)現(xiàn)方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)串聯(lián)諧振高頻逆變電源的頻率跟蹤。

基于以上控制框圖，在Matlab/Simulink中設(shè)計(jì)了一個(gè)串聯(lián)諧振高頻逆變電源系統(tǒng)的仿真模型，如圖4所示。在這個(gè)仿真模型中，將負(fù)載上的電壓信號(hào)和電流信號(hào)采集出來，通過過零檢測(cè)處理以后，作為相位比較器的輸入信號(hào)，其輸出通過低通濾波器濾波后，進(jìn)入加法器和采樣保持器得到e(k+1)，再通過離散積分器得到系統(tǒng)所需要的新的諧振周期T(k+1)，最后通過壓控振蕩器產(chǎn)生新的逆變器驅(qū)動(dòng)脈沖使得系統(tǒng)重新進(jìn)入諧振狀態(tài)。

圖5(a)中逆變器由MOSFET(VT1~VT4)及反并續(xù)流器件(VD1~VD4)構(gòu)成H型全橋逆變器，負(fù)載等效電阻R、串聯(lián)諧振電容C和負(fù)載等效電感L組成輸出回路。

根據(jù)圖5的模型，對(duì)系統(tǒng)輸出波形進(jìn)行仿真分析。圖6給出了逆變器輸出電壓與輸出電流的仿真波形。圖中，方波為逆變器輸出電壓的仿真波形，正弦波為逆變器輸出電流的仿真波形。

仿真結(jié)果表明各開關(guān)周期的電壓、電流同相位，說明該數(shù)字鎖相環(huán)能使逆變器的工作頻率實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)載諧振頻率，使串聯(lián)諧振高頻逆變電源工作在諧振或準(zhǔn)諧振狀態(tài)，驗(yàn)證了ZCS軟開關(guān)工作模式。同時(shí)也證明了本文對(duì)串聯(lián)諧振高頻逆變電源所建模型的正確性。

5 結(jié) 語

基于TMS320F2812的二階數(shù)字鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)了串聯(lián)諧振高頻逆變電源輸出頻率的自動(dòng)跟蹤。仿真結(jié)果表明各開關(guān)周期的電壓、電流同相位，逆變器的工作頻率能實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)載諧振頻率，驗(yàn)證了ZCS軟開關(guān)工作模式。利用高速TMS320F2812芯片進(jìn)行頻率跟蹤，既實(shí)現(xiàn)了鎖相環(huán)的數(shù)字化，又大大提高了系統(tǒng)的可靠性和快速性，提高了電源的工作效率，在工業(yè)控制中具有實(shí)用價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］毛鴻，吳兆麟.感應(yīng)加熱電源無相差頻率跟蹤控制電路［J］.電力電子技術(shù)，1998，32(2)：69-72.

［2］臧小惠，惠晶.對(duì)高頻逆變電源中DPLL的分析與設(shè)計(jì)[J].逆變電源，2006(5):26-29.

［3］惠晶，蔡愛軍，沈錦飛，等. 新型ZCS-PLL控制的大功率高頻逆變電源的研究［J］.電力電子技術(shù)，2004，38(6)：89-91.

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作者簡介 郁 琰 女，1976年出生，江蘇江陰人，江南大學(xué)在讀碩士，江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師。研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。

惠 晶 男，陜西西安人，江南大學(xué)通信與控制工程學(xué)院教授，電源技術(shù)研究室主任。研究方向?yàn)楦哳l電源建模與控制。