電熱地膜交流耐壓檢測試驗電源設計

高俊山　馬廣松　鄧立為

(哈爾濱理工大學自動化學院，黑龍江 哈爾濱　150000)

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電熱地膜交流耐壓檢測試驗電源設計

高俊山馬廣松鄧立為

(哈爾濱理工大學自動化學院，黑龍江 哈爾濱150000)

摘要：針對用于電熱地膜耐壓檢測試驗的高壓交流電源，進行了基于DSP方面的研究。采用單相橋式逆變電路以及T1公司生產的TMS320F2812控制芯片對SPWM信號進行調節，實現對電源電壓的控制。采用數字PI控制器對電源系統進行閉環控制，并在電源工作原理的基礎上完成了電源的軟硬件設計。實測結果驗證了該電源系統應用于電壓準確控制的正確性及可行性，表明該電源能夠滿足電熱地膜耐壓檢測的實際需求。

關鍵詞：DSP耐壓檢測電熱地膜逆變電路PI控制器高壓交流電源整流濾波

0引言

近年來，隨著節能、低碳等環保理念的不斷深入人心，電熱地膜作為一種新型的供暖方式已逐步在我國北方地區得到推廣和使用。相對于傳統的供暖方式，電熱地膜具有熱轉換效率高、能耗低等特點[1]。電熱地膜的內部由特殊的發熱電阻材料構成，為了保障產品的電氣絕緣性能，要在其表面加裝一層PVC絕緣薄膜[2]。根據國家相關標準，其表面PVC膜要能承受3 500 V以上的電壓。因此，該產品在生產過程中要進行耐高壓檢測試驗，其中高壓交流電源是不可缺少的儀器[3]。目前，我國大多數高壓電源仍采用模擬控制的方式，試驗裝置通常由調壓器和升壓變壓器等設備組成。這種電源體積龐大、操作復雜，不適合現代工業應用的實際需求[4]。數字信號處理技術已經日臻完善，將DSP當作電源的控制器將是大趨勢。本文基于上述實際背景，介紹了一種基于DSP的高壓交流電源，最高輸出電壓為4 000 V，頻率為50 Hz,主要用于電熱地膜的耐壓檢測試驗。

1系統結構與工作原理

圖1為電源的系統結構圖。

圖1　電源系統結構圖Fig.1　Structure of the power supply system

首先，通過整流濾波將220 V交流電轉變為300 V左右的直流電。然后經單相全橋逆變電路完成DC/AC環節的變換，再通過變壓器升壓得到3 500～4 000 V左右的交流高壓電，最后通過限流電阻將其加載到兩塊間隙為1 mm的極板上，供電熱地膜的耐壓檢測試驗使用。其中DSP作為整個控制電路的核心，通過產生脈寬可調的SPWM信號控制逆變電路中4個MOSFET管的開關[5]。同時，在逆變環節中輸出的反饋信號經采集后，送入DSP中進行PI調節，通過改變調制信號，實現對輸出電壓的調節。最后，DSP利用RS-232通信接口與上位機進行數據傳輸，完成對電源電壓值的預設和監測。

2高壓交流電源的硬件設計

2.1逆變電路設計

全橋逆變電路如圖2所示。這是本設計采用的主要電路，電路的主要組成部分是4個MOSFET管。

圖2　全橋逆變電路示意圖Fig.2　Schematic diagram of full bridge inverter circuit

通過DSP發出的SPWM信號來控制這4個MOSFET管的導通與截止，并采用雙極性調制方法。正弦調制信號μs=Usinωt,載波信號為μc。當μs>μc時，開關Q1管與Q4導通。當μs<μc,Q2與Q3導通。直流電到交流電的逆變過程是通過以載波頻率fc控制橋臂上的MOSFET管的導通與關斷來實現的。其中，fc為調制波頻率，fs為載波頻率，m為調制深度。當fc?fs，并且m≤1時，波電壓大小與輸入直流電壓存在如下關系：

Um=mUd

(1)

由此可見，當滿足上述條件時，在逆變電路中基波電壓的大小與輸入的直流電壓成線性變化的關系[6]。所以，當輸入電壓保持不變時，通過改變調制信號可實現輸出電壓的改變。

2.2DSP控制電路設計

DSP控制電路是整個逆變電源系統中最為核心的部分，主要負責完成對輸出信號的采集、驅動功率開關管的通斷以及和上位機的通信。控制電路以TMS320F2812作為主控芯片，兼并輔助電路，完成對電源的控制。控制電路示意圖如圖3所示。

圖3　DSP控制電路示意圖Fig.3　The DSP control circuit

首先，通過調理電路將電壓信號轉換到DSP的采樣接口限定范圍之內。然后由DSP內部的A/D模塊將采集到的反饋信號進行模數轉換。DSP處理該數據后，輸出SPWM信號。驅動電路放大DSP產生的SPWM信號，來驅動逆變電路中的MOSFET管工作。本設計選用IR2110作為驅動電路的控制芯片。IR2110驅動電路原理圖如圖4所示。

圖4　IR2110驅動電路原理圖Fig.4　Schematic diagram of IR2110 drive circuit

該芯片能夠驅動半側橋臂上的2個MOSFET管工作，通過對電容C3的周期性充放電，驅動2個MOSFET管的導通與截止。最后，為了實現對電源輸出電壓值的預設和各項參數的實時監控，采用RS-232串行通信協議與上位機實現數據交互。

3高壓交流電源的控制策略

由于該電源設備工作的環境較為復雜，當電網電壓受到附近其他設備的影響發生變化時，逆變電路的輸出電壓也會發生較大的變化[7]。因此，閉環控制系統的目的是保證輸出電壓的穩定[6]。對于輸出電壓反饋信號的采集，文中所應用的是其DSP內部帶有的A/D轉換模塊。為了確保具有穩定的輸出電壓，本文根據數字PI控制器來進行有效電壓的外環控制。

電壓閉環控制框圖如圖5所示。

圖5　電壓閉環控制框圖Fig.5　Block diagram of voltage closed loop control

圖5中：ki和ku分別為電流調節器與電壓調節器的增益。PWM逆變器的等效增益為kpwm，并且有kpwm=Ud/Ui，Ut是三角波的幅值，Ud是直流母線電壓。輸出電容電流和電壓的反饋系數分別用kuf與kif表示。Δμ是擾動輸入，i0為負載電流。

根據式(2)不難得出，對于如何有效地抑制i0和Δμ的干擾，以及如何能夠提高整個電源系統的穩定性，我們可以通過增大電流以及電壓的增益來獲得。

4軟件設計

電源系統的軟件設計主要分為主程序以及各類中斷子程序。主程序負責系統初始化，包括對系統時鐘和看門狗的配置、中斷向量表的設置以及對事件管理器EVA的初始化。中斷程序則要完成A/D信號的采樣、SPWM波的輸出和同上位機的通信。圖6為電源的軟件系統流程圖。當電源上電工作后，主程序首先對系統進行初始化。當初始化完成后，系統進入循環等待狀態；當中斷發生時，DSP根據中斷響應優先級，跳轉到相應的中斷子程序中完成各自的功能。

圖6　軟件系統流程圖Fig.6　The flowchart of software system

5試驗

通過Matlab/PowerSystem進行仿真分析。圖7為電源實際輸出的電壓波形，圖8為局部放大圖。

由圖7、圖8可知，電源的輸出頻率為50Hz，峰值電壓為3 800V的交流高壓電，通過引入閉環控制，使輸出的電壓波形光滑平穩。整個電源系統的反應時間較快，在0.3s時，電源的波形基本達到穩態。在實際的使用過程中，還可以根據檢測試驗的不同需求，來調整輸出電壓的大小。

圖7　電源實際輸出電壓波形圖Fig.7　The voltage waveform of the actual outputof power supply

圖8　系統輸出電壓波形局部放大圖Fig.8　Zoom in part of system output voltage waveform

6結束語

本文針對電熱地膜的耐壓檢測，設計了一種基于DSP的高壓交流電源。該試驗電源通過采用TMS320F2812作為整個系統的控制器，實現了電源的數字化控制，極大地提高了系統的自動化程度。針對電壓的波動，系統采用PI調節的閉環控制系統來保證輸出電壓的穩定性。最后，通過仿真軟件分析表明，該高壓交流電源輸出的電壓穩定、運行可靠，為電熱地膜耐壓檢測試驗提供了極大的便利，具有良好的應用價值。

參考文獻：

[1] 卞鵬,肖島,張秋理.電熱膜地熱采暖系統經濟技術分析[J].山東商業職業技術學院學報,2010,10(4): 14-16.

[2]SUID,HUANGY,HUANGL,etal.Flexibleandtransparentelectrothermalfilmheatersbasedongraphenematerials[J].Small,2011,7(22): 3186-3192.

[3] 淡林鴻,朱剛,陳喜國,等.基于DSP的智能絕緣耐壓測試儀的研制[J].微計算機信息,2009,12(32): 141-143.

[4] 高信邁,韋忠朝.基于DSP的交流耐壓試驗電源設計[J].湖北工業大學學報,2011,26(1): 89-92.

[5]TANGZD,ZHANGZM,YANGB,etal.PulsefrequencymodulatedLLCseriesresonantX-raypowersupply[J].JournalofShenyangUniversityofTechnology,2012,34(6): 611-617.

[6] 喬英杰,徐建城,王海峰.基于DSP生成SVPWM在逆變電源中的應用研究[J].微電機,2006,39(3): 44-46.

[7] 陳皓,蘇彥民.基于DSP的程控交流電源的研制[J].電源技術應用,2005,8(2): 28-31.

中圖分類號：TH7;TP216

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201607026

Design of the Power Supply for AC Withstand Voltage Detection of Electro-thermal Heating Film

Abstract：For the high-voltage AC power supply,which is used for withstand voltage detection of electro-thermal heating film; the research related to digital signal processor (DSP) is conducted.The single-phase bridge inverter circuit and TMS320F2812control chip produced by T1 Company are adopted to adjust SPWM signal and control the voltage of power supply.Digital PI controller is adopted to realize closed-loop control for the power system,and the software and hardware of the system are designed based on the operational principle of power supply.The results of practical test verify the correctness and feasibility of this power supply system applying in accurate voltage control,and indicate that the power supply can satisfy the requirement for withstand voltage detection of electro-thermal heating film.

Keywords:DSPWithstand voltage detectionElectro-thermal filmInverter circuitPI controllerHigh voltage AC power supplyRectification filtering

修改稿收到日期：2015-10-12。

第一作者高俊山(1962—)，男，2007年畢業于哈爾濱理工大學高電壓絕緣技術專業，獲博士學位，教授；主要從事交流調速、智能控制和計算機控制技術的研究。