DSP平臺的數控逆變中頻電源的設計與實現

摘要：應用數字處理技術，研究了基于DSP的數字化控制的中頻逆變電源。給出了基于IGBT的主電路拓撲結構，分析了其控制原理，采用基于TMS320F2407型DSP為核心的控制系統，實現串聯諧振中頻逆變電源的數字化控制，以滿足系統控制的實時性和靈活性要求。研制了一臺10kW/10kHz的逆變電源樣機進行實驗，實驗結果驗證了設計的有效性和可行性。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/170160.htm

關鍵詞：逆變電源；串聯諧振；數字信號處理器（DSP）

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.10.008

引言

隨著電力電子技術、信號處理技術及計算機控制技術的迅速發展和廣泛應用，對逆變電源的性能及效率等要求也越來越高。串聯諧振中頻逆變電源是感應加熱的關鍵設備，在現代工業生產中，熔煉金屬及對工件進行透熱、淬火和彎管等，常常采用中頻（150Hz～20kHz）諧振逆變電源裝置作為感應加熱電源。

傳統的串聯諧振中頻逆變電源控制仍然多為模擬控制或模擬與數字相結合的控制系統[1-2]，存在如控制電路結構復雜、采用較多的元器件，體積龐大、電源一致性差；系統工作不穩定、控制精度不高、開發調試復雜等缺點。克服以上缺點的方法是應用數字處理技術，將傳統的模擬電源升級改造為數字化電源（DPS：Digital Power Supply）。數字電源控制電路的核心器件是數字信號處理器（DSP），通過微處理器的精確運算來控逆變電源的各項性能和工作全過程，使控制電路高度集成、簡化，且實現了數控化。本文設計了基于DSP芯片TMS320LF2407的10kW/10kHz 的串聯諧振中頻逆變電源，并通過試驗驗證了該設計方案的有效性和可行性。

中頻逆變電源設計

電源主電路設計

串聯諧振中頻逆變電源系統主電路結構如圖1所示。三相380V/50Hz交流電經空氣開關、熔斷器后加到由二極管模塊組成的三相不控整流橋，三相整流橋輸出的直流電壓Ud經電解電容Cd濾波成平直的電壓，再加到由四個IGBT和四個反并聯二極管組成的單相全橋逆變器，逆變器輸出的電壓Uo經中頻變壓器T隔離并降壓后送到由補償電容C和負載感應器Lo組成的串聯諧振電路的兩端。中頻變壓器T用于負載匹配，感應線圈等效電感Lo和電阻R以及諧振電容C組成變壓器次級串聯諧振槽路。

串聯諧振逆變電源工作原理

串聯諧振逆變電源等效電路如圖2所示，其移相控制原理及工作過程分析如下[3]：

圖2所示的主電路的控制采用了如圖3所示的移相控制策略。其基本原理是：檢測逆變器輸出電流 利用其過零點來產生滯后橋臂管VT4的驅動信號4gVTu（VT2管的驅動信號2gVTu與之互補）；由VT1和VT3組成的超前橋臂的驅動信號1gVTu和3gVTu 分別超前于4gVTu和2gVTu，超前的角度為移相角α或者調節逆變橋輸出電壓的寬度o u，從而調節基波電壓的幅值，就能對電路輸出功率調節進行調節。

數字鎖相環（DPLL）控制

串聯諧振逆變電路工作在諧振狀態時，諧振回路呈電阻性，工作頻率等于負載的諧振頻率。由于逆變輸出所接負載的規格不同，感應線圈的等效電感和等效電阻也將改變，諧振頻率會發生變化，如果不改變逆變電路IGBT的驅動頻率，將使逆變器偏離諧振點，不僅使逆變橋上IGBT偏離零電流開關點，而且引起開關損耗增大，當逆變器工作頻率高于負載諧振頻率較大時，在一定的P值下，還會使負載阻抗增大，逆變器的無功功率增加，輸出功率因數下降，功率容量不能充分利用。因此逆變控制系統必須具備頻率跟蹤功能，使逆變器的工作點保持在諧振點附近，從而實現IGBT的ZCS開關，并且有效利用逆變器的輸出功率容量。一般的頻率跟蹤采用鎖相環控制（PLL），通過檢測輸出電壓和電流的相位差，控制鎖相環電路的觸發信號輸出頻率，達到頻率跟蹤的目的。本設計采用基于DSP技術的數字鎖相環（DPLL）來實現頻率

的自動跟蹤[4]。

串聯諧振中頻逆變電源系統結構框圖如圖4所示。電源控制系統采用以TMS320LF2407為控制核心的硬件控制平臺，傳感器采集的各種檢測信號經轉換后作為DSP的輸入信號，DSP根據檢測輸入的信息對系統進行實時控制，逆變器中功率主開關管的驅動信號由DSP的事件管理模塊EV產生，并對最終產生的PWM波形輸出進行死區控制；通過對負載電流和電壓的檢測、采樣、濾波、電平轉換和A/ D 變換處理后，與給定頻率作比較，進行頻率鎖相跟蹤及移相功率控制；當過流或過壓等故障信號產生時，硬件電路會封鎖逆變器的觸發信號來實現保護功能，同時，保護信號會使中斷口XINT發生中斷，立即進行系統的其他保護處理。系統具有電壓、電流、工作頻率及諧振頻率等各項參數的顯示；電路設有過流、過壓、過熱、缺相等全面的保護系統，并指示出各種故障便于維修；同時，還具有上下位機通訊功能，可以實現遠程網絡化控制或用計算機自動控制[5]。

實驗結果及結論

依據前面的設計思想，我們設計了一臺10kW/10kHz的串聯諧振中頻逆變電源樣機應用于中頻感應加熱。輸入為三相380V±15%，圖6（a）和（b）分別示出驅動信號和輸出電流電壓的實驗波形。實驗結果顯示，結果與理論分析基本一致，所設計的串聯諧振中頻逆變電源工作穩定可靠。

基于DSP的串聯諧振中頻逆變電源，具有抗干擾能力強、處理靈活、開關損耗小等優點，系統運行的實時性和穩定性好，在工業實際應用具有很好的應用前景和價值。