基于DSP芯片TMS320LF2407A的超聲電源系統(tǒng)的控制-模擬電子
本文利用高速TMS320LF2407A型DSP控制芯片設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的控制電路，采用全橋逆變器作為超聲振動(dòng)系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換主電路，解決由于負(fù)載溫度變化等原因產(chǎn)生諧振頻率的漂移，保證系統(tǒng)的高效率。這里研究了粗精復(fù)合的頻率跟蹤方案，采用掃頻方法實(shí)現(xiàn)頻率粗跟蹤，采用硬件鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)精跟蹤。這兩種方法的結(jié)合既保證在較寬的頻率變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)頻率自動(dòng)跟蹤，又保證跟蹤的快速、準(zhǔn)確。為適應(yīng)負(fù)載變化的要求，采用軟開(kāi)關(guān)的PS-PWM控制方法，使系統(tǒng)的輸出功率連續(xù)可調(diào)。
1 主電路拓?fù)浞治?/p>
超聲電源的主電路采用全橋逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中：Z1～Z4為功率主開(kāi)關(guān)管;D1～D4為Z1～Z4內(nèi)部反并聯(lián)寄生二極管;C1～C4為外接并聯(lián)電容或者功率管的寄生電容;T為高頻脈沖變壓器;L0為串聯(lián)調(diào)諧匹配電感;PZT為超聲換能器。
逆變器部分利用功率管寄生電容和并聯(lián)電容，以及變壓器的漏感實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)零電壓移相控制(ZVS-PSP-WM)的方式。零電壓開(kāi)關(guān)是依靠功率開(kāi)關(guān)管反并聯(lián)二極管的導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)功率器件零電壓開(kāi)通;通過(guò)功率諧振電容的充電過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)功率器件的零電壓關(guān)斷。
在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，移相控制有12種開(kāi)關(guān)模塊，在分析之前，做出如下假設(shè)：
(1)電路中所有的開(kāi)關(guān)器件Z1～Z4和與其反并聯(lián)二極管D1～D4均為理想開(kāi)關(guān)器件;
(2)所有的電感、電容為理想元件且不考慮線路的雜散電感值;
(3)不考慮死區(qū)加入對(duì)逆變器工作的影響;
(4)逆變器的輸入電壓為恒定電壓源。
移相控制逆變器的4個(gè)開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形如圖2所示。逆變器每個(gè)橋臂的2個(gè)功率管成180°互補(bǔ)導(dǎo)通，2個(gè)橋臂的導(dǎo)通角相差1個(gè)相位，即移相角。Z1，Z2為定相臂，Z3，Z4為移相臂。其中Z1和Z2分別先于Z3和Z4導(dǎo)通，移相角為φ，調(diào)節(jié)φ大小即可改變逆變器的輸出電壓，從而調(diào)節(jié)輸出的正弦波電流幅值，使得輸出功率可以調(diào)節(jié)。
逆變器的工作過(guò)程中，功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間恒定。同一橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷，需要一定的延時(shí)時(shí)間，防止上下橋臂直通，保證開(kāi)關(guān)管的安全。
2 控制策略
下面對(duì)主電路控制策略的工作過(guò)程進(jìn)行作進(jìn)一步分析，逆變器在工作過(guò)程中，功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間恒定。導(dǎo)通順序?yàn)閆1→Z4→ Z2→Z3，同一橋臂2個(gè)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，需要一定延時(shí)時(shí)間，防止上下橋臂直通，保證開(kāi)關(guān)管的安全。
PS-PWM功率控制的逆變電路在1個(gè)周期內(nèi)的主要有以下幾種工作模態(tài)，如圖3所示。
(1)工作模式1[t0時(shí)刻](見(jiàn)圖3(a))：在t0時(shí)刻，Z1和Z4同時(shí)導(dǎo)通，電流i的流向：Z1→R→L→C→Z4。
(2)工作模式2[t0，t1](見(jiàn)圖3(b))：在t0時(shí)刻關(guān)斷Z1，電流i給C1充電，C3的電荷被抽走。C1的電壓從零開(kāi)始線性上升，C3的電壓從E開(kāi)始線性下降，Z1是ZVS關(guān)斷。
(3)工作模式3[t，t2](見(jiàn)圖3(c))：t1時(shí)刻，C3的電壓下降到零，D3自然開(kāi)通，將Z3箝位在零，此時(shí)開(kāi)通Z3，Z3是ZVS開(kāi)通，此時(shí)Z3中沒(méi)有電流流過(guò)。
(4)工作模式4[t，t3](見(jiàn)圖3(d))：在t2時(shí)刻關(guān)斷Z4，電流i抽走C2的電荷，同時(shí)給C4充電。Z4的電壓從零開(kāi)始上升，Z4是ZVS關(guān)斷。t3時(shí)刻，C4上的電壓上升到E，即C2上電荷量為零時(shí)，D2自然導(dǎo)通。
(5)工作模式5[t3，t4](見(jiàn)圖3(e))：t3時(shí)刻，D2導(dǎo)通，將Z2箝位在零，此時(shí)Z2開(kāi)通，因此Z2是ZVS開(kāi)通。雖然Z2開(kāi)通，但沒(méi)有電流流過(guò)。t4時(shí)刻，D2，D3自然關(guān)斷，Z2和Z3中將流過(guò)電流。
(6)工作模式6[t4，t5](見(jiàn)圖3(f))：在t4時(shí)刻，電流由正方向過(guò)零，并向負(fù)方向增加，電流i的流向：Z2→C→L→R→Z3。到t5時(shí)刻，Z3關(guān)斷，逆變器開(kāi)始另一半周期的工作，工作情況類似上述半個(gè)周期。
3 軟件設(shè)計(jì)
在此結(jié)合高性能DSP數(shù)字芯片設(shè)計(jì)了一種新穎的超聲波電源控制系統(tǒng)，其整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。DSP采用TMS320LF2407A，外擴(kuò)FLASH采用CY7C1021V33-122芯片，PWM為脈沖輸出，分別由PWMl，PWM2，PWM3，PWM4引出，并經(jīng)過(guò)集成驅(qū)動(dòng)隔離送至IGBT，控制其導(dǎo)通與關(guān)閉。Iset為給定電路，Io，Id，Udt分別為負(fù)載電流、逆變器的直流輸入電流和電壓，將這3路信號(hào)分別送至各自的調(diào)理電路，經(jīng)過(guò)調(diào)理送入DSP的A/D接口。如遇到外部故障，如過(guò)熱等，向DSP發(fā)出中斷請(qǐng)求，實(shí)施保護(hù)。
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