电热地膜交流耐压检测试验电源设计

高俊山　马广松　邓立为

(哈尔滨理工大学自动化学院，黑龙江 哈尔滨　150000)



电热地膜交流耐压检测试验电源设计

高俊山马广松邓立为

(哈尔滨理工大学自动化学院，黑龙江 哈尔滨150000)

摘要：针对用于电热地膜耐压检测试验的高压交流电源，进行了基于DSP方面的研究。采用单相桥式逆变电路以及T1公司生产的TMS320F2812控制芯片对SPWM信号进行调节，实现对电源电压的控制。采用数字PI控制器对电源系统进行闭环控制，并在电源工作原理的基础上完成了电源的软硬件设计。实测结果验证了该电源系统应用于电压准确控制的正确性及可行性，表明该电源能够满足电热地膜耐压检测的实际需求。

关键词：DSP耐压检测电热地膜逆变电路PI控制器高压交流电源整流滤波

0引言

近年来，随着节能、低碳等环保理念的不断深入人心，电热地膜作为一种新型的供暖方式已逐步在我国北方地区得到推广和使用。相对于传统的供暖方式，电热地膜具有热转换效率高、能耗低等特点[1]。电热地膜的内部由特殊的发热电阻材料构成，为了保障产品的电气绝缘性能，要在其表面加装一层PVC绝缘薄膜[2]。根据国家相关标准，其表面PVC膜要能承受3 500 V以上的电压。因此，该产品在生产过程中要进行耐高压检测试验，其中高压交流电源是不可缺少的仪器[3]。目前，我国大多数高压电源仍采用模拟控制的方式，试验装置通常由调压器和升压变压器等设备组成。这种电源体积庞大、操作复杂，不适合现代工业应用的实际需求[4]。数字信号处理技术已经日臻完善，将DSP当作电源的控制器将是大趋势。本文基于上述实际背景，介绍了一种基于DSP的高压交流电源，最高输出电压为4 000 V，频率为50 Hz,主要用于电热地膜的耐压检测试验。

1系统结构与工作原理

图1为电源的系统结构图。

图1　电源系统结构图Fig.1　Structure of the power supply system

首先，通过整流滤波将220 V交流电转变为300 V左右的直流电。然后经单相全桥逆变电路完成DC/AC环节的变换，再通过变压器升压得到3 500～4 000 V左右的交流高压电，最后通过限流电阻将其加载到两块间隙为1 mm的极板上，供电热地膜的耐压检测试验使用。其中DSP作为整个控制电路的核心，通过产生脉宽可调的SPWM信号控制逆变电路中4个MOSFET管的开关[5]。同时，在逆变环节中输出的反馈信号经采集后，送入DSP中进行PI调节，通过改变调制信号，实现对输出电压的调节。最后，DSP利用RS-232通信接口与上位机进行数据传输，完成对电源电压值的预设和监测。

2高压交流电源的硬件设计

2.1逆变电路设计

全桥逆变电路如图2所示。这是本设计采用的主要电路，电路的主要组成部分是4个MOSFET管。

图2　全桥逆变电路示意图Fig.2　Schematic diagram of full bridge inverter circuit

通过DSP发出的SPWM信号来控制这4个MOSFET管的导通与截止，并采用双极性调制方法。正弦调制信号μs=Usinωt,载波信号为μc。当μs>μc时，开关Q1管与Q4导通。当μs<μc,Q2与Q3导通。直流电到交流电的逆变过程是通过以载波频率fc控制桥臂上的MOSFET管的导通与关断来实现的。其中，fc为调制波频率，fs为载波频率，m为调制深度。当fc≫fs，并且m≤1时，波电压大小与输入直流电压存在如下关系：

Um=mUd

(1)

由此可见，当满足上述条件时，在逆变电路中基波电压的大小与输入的直流电压成线性变化的关系[6]。所以，当输入电压保持不变时，通过改变调制信号可实现输出电压的改变。

2.2DSP控制电路设计

DSP控制电路是整个逆变电源系统中最为核心的部分，主要负责完成对输出信号的采集、驱动功率开关管的通断以及和上位机的通信。控制电路以TMS320F2812作为主控芯片，兼并辅助电路，完成对电源的控制。控制电路示意图如图3所示。

图3　DSP控制电路示意图Fig.3　The DSP control circuit

首先，通过调理电路将电压信号转换到DSP的采样接口限定范围之内。然后由DSP内部的A/D模块将采集到的反馈信号进行模数转换。DSP处理该数据后，输出SPWM信号。驱动电路放大DSP产生的SPWM信号，来驱动逆变电路中的MOSFET管工作。本设计选用IR2110作为驱动电路的控制芯片。IR2110驱动电路原理图如图4所示。

图4　IR2110驱动电路原理图Fig.4　Schematic diagram of IR2110 drive circuit

该芯片能够驱动半侧桥臂上的2个MOSFET管工作，通过对电容C3的周期性充放电，驱动2个MOSFET管的导通与截止。最后，为了实现对电源输出电压值的预设和各项参数的实时监控，采用RS-232串行通信协议与上位机实现数据交互。

3高压交流电源的控制策略

由于该电源设备工作的环境较为复杂，当电网电压受到附近其他设备的影响发生变化时，逆变电路的输出电压也会发生较大的变化[7]。因此，闭环控制系统的目的是保证输出电压的稳定[6]。对于输出电压反馈信号的采集，文中所应用的是其DSP内部带有的A/D转换模块。为了确保具有稳定的输出电压，本文根据数字PI控制器来进行有效电压的外环控制。

电压闭环控制框图如图5所示。

图5　电压闭环控制框图Fig.5　Block diagram of voltage closed loop control

图5中：ki和ku分别为电流调节器与电压调节器的增益。PWM逆变器的等效增益为kpwm，并且有kpwm=Ud/Ui，Ut是三角波的幅值，Ud是直流母线电压。输出电容电流和电压的反馈系数分别用kuf与kif表示。Δμ是扰动输入，i0为负载电流。

根据式(2)不难得出，对于如何有效地抑制i0和Δμ的干扰，以及如何能够提高整个电源系统的稳定性，我们可以通过增大电流以及电压的增益来获得。

4软件设计

电源系统的软件设计主要分为主程序以及各类中断子程序。主程序负责系统初始化，包括对系统时钟和看门狗的配置、中断向量表的设置以及对事件管理器EVA的初始化。中断程序则要完成A/D信号的采样、SPWM波的输出和同上位机的通信。图6为电源的软件系统流程图。当电源上电工作后，主程序首先对系统进行初始化。当初始化完成后，系统进入循环等待状态；当中断发生时，DSP根据中断响应优先级，跳转到相应的中断子程序中完成各自的功能。

图6　软件系统流程图Fig.6　The flowchart of software system

5试验

通过Matlab/PowerSystem进行仿真分析。图7为电源实际输出的电压波形，图8为局部放大图。

由图7、图8可知，电源的输出频率为50Hz，峰值电压为3 800V的交流高压电，通过引入闭环控制，使输出的电压波形光滑平稳。整个电源系统的反应时间较快，在0.3s时，电源的波形基本达到稳态。在实际的使用过程中，还可以根据检测试验的不同需求，来调整输出电压的大小。

图7　电源实际输出电压波形图Fig.7　The voltage waveform of the actual outputof power supply

图8　系统输出电压波形局部放大图Fig.8　Zoom in part of system output voltage waveform

6结束语

本文针对电热地膜的耐压检测，设计了一种基于DSP的高压交流电源。该试验电源通过采用TMS320F2812作为整个系统的控制器，实现了电源的数字化控制，极大地提高了系统的自动化程度。针对电压的波动，系统采用PI调节的闭环控制系统来保证输出电压的稳定性。最后，通过仿真软件分析表明，该高压交流电源输出的电压稳定、运行可靠，为电热地膜耐压检测试验提供了极大的便利，具有良好的应用价值。

参考文献：

[1] 卞鹏,肖岛,张秋理.电热膜地热采暖系统经济技术分析[J].山东商业职业技术学院学报,2010,10(4): 14-16.

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

[3] 淡林鸿,朱刚,陈喜国,等.基于DSP的智能绝缘耐压测试仪的研制[J].微计算机信息,2009,12(32): 141-143.

[4] 高信迈,韦忠朝.基于DSP的交流耐压试验电源设计[J].湖北工业大学学报,2011,26(1): 89-92.

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

[6] 乔英杰,徐建城,王海峰.基于DSP生成SVPWM在逆变电源中的应用研究[J].微电机,2006,39(3): 44-46.

[7] 陈皓,苏彦民.基于DSP的程控交流电源的研制[J].电源技术应用,2005,8(2): 28-31.

中图分类号：TH7;TP216

文献标志码：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年毕业于哈尔滨理工大学高电压绝缘技术专业，获博士学位，教授；主要从事交流调速、智能控制和计算机控制技术的研究。