数字化中频交流电源开发

张 强, 张敬南， 王 珅, 张 炜

(哈尔滨工程大学 自动化学院, 黑龙江 哈尔滨 150001)

“自动控制元件”是一些工科专业的基础课程[1-2],该课程既包括理论授课，也开设有相关的课程实验,在其中的旋转变压器实验中,需要使用到400 Hz的中频交流电源。目前实验室使用的中频交流电源基本都是模拟电源,其输出电压精度有限,且功能单一。而工业级的中频交流电源,虽然性能突出,功能强大,但是其所附带的诸多功能,往往不是实验所需求的,致使其在实验室使用环境下性价比很低。此外,近年来随着对大学生创新能力培养的注重,各个高校都为大学生创新提供了实验场所,但在创新实验中经常需要一些非标准电源,这些非标电源既无法买到,又很难利用现有电源设备改造而成。因此实验室急迫需要一种开放式的、能够进行二次开发或功能拓展的电源,以便为学生在创新和实验过程中提供设备支撑。

国内对实验用电源的研究较多[3-7],但针对中频电源的研究却很少,并且主要针对实际工程需求[8-12]。本文为满足自动控制元件课程实验使用,结合二次开发、功能拓展的创新实验需求,设计、开发了数字化实验用中频交流电源。其基本性能指标如下:

(1) 输出电压频率400 Hz；

(2) 输出电压幅值0～70 V,连续可调；

(3) 具有后续功能开发、拓展的余地。

1 电源总体方案设计

数字化中频交流电源的整体结构设计方案见图1,主要包括整流电路、逆变电路、中央处理器、采集电路、驱动电路、人机接口电路等部分。其中整流电路将输入的50 Hz工频交流电转化为直流电,再由逆变电路逆变为400 Hz的中频交流电。中央处理器通过采集电路对逆变电路的输出电压进行采集、分析、运算,进而生成驱动控制信号,驱动控制信号经过驱动电路后,实现对逆变电路中电力电子器件的开关控制。人机接口电路的设计是为了在实验过程中便于实验人员对电源的操控。

图1 总体结构框图

2 硬件电路设计

2.1 整流电路设计

考虑到实验室的用电环境,从用电安全和使用便利性的角度出发,整流电路采用单相全桥整流电路结构,具体结构见图2。

图2 整流电路结构框图

图中变压器为降压变压器,变比近似为11∶4,整流桥型号为D25SBA80,滤波电容耐压值250 V,容量2 200 μF。

2.2 逆变电路设计

由于实验中需要的是单相中频交流电,因此逆变电路采用全桥逆变结构,见图3。具体器件型号为三菱公司的智能功率模块PS21765,该智能功率模块内部不仅包含有IGBT器件,而且还集成了驱动和过流保护等电路,可有效简化外围电路的设计。为了进一步提高模块内IGBT的安全性,在模块外增设了RC尖峰吸收电路,其中电阻取80 Ω,电容取33 pF。逆变电路输出电压采用LC滤波,电感值为6 mH,电容值为25 μF。

图3 逆变电路拓扑结构

2.3 采集电路设计

电源采用电压有效值测量电路，对输出电压进行快速、准确地检测,具体电路结构见图4。电压传感器为LEM公司的LV25-P,R_in为输入限流电阻,R_out为输出取样电阻,通过电阻值的合理选取,使得输入电压为70 V时,输入电流控制在25 mA,并将此时传感器输出的10 mA电流信号转化为2 V的电压信号。电压传感器输出的小电压交流信号,最终经过AD637芯片转换成幅值为其有效值的直流信号。

图4 电压采集电路

2.4 中央处理器

中央处理器通过对采集到的输出电压数据进行处理、运算,生成逆变电路中IGBT所需的驱动信号,同时完成实验过程中的人机对话功能,因此要求中央处理器具备数据采集、分析、运算等功能,并拥有丰富的硬件资源。综合考虑以上实际需求,所设计的电源中央处理器采用TI公司的DSP芯片,型号为TMS320F28335。F28335是高性能的32位CPU,主频时钟频率最高可以达到150 MHz,集成了IEEE-754单精度浮点单元(FPU)和12位高精度ADC模块,数据处理能力突出,且片内的资源丰富,例如,多达18个的PWM输出、3个32位CPU定时器等。虽然DSP芯片的使用,增加了电源的成本,但是却提升了电源的输出性能和指标，并且为后续电源的功能开发和拓展提供了强大的硬件平台。

2.5 驱动电路设计

为了提高电源工作的安全性和可靠性,中央处理器输出的逆变器正向导通信号EPWM1A和反向导通信号EPWM1B经过电气隔离和逻辑互锁处理后,生成对应的PWM1A和PWM1B信号,才最终送至智能功率模块的对应驱动输入引脚。IGBT驱动脉冲互锁电路如图5所示。当EPWM1A和EPWM1B信号同时为“1时”,对应的PWM1A和PWM1B信号会同时为“0”,因此可以有效防止逆变桥臂的上下直通故障发生。

图5 IGBT驱动脉冲互锁电路

2.6 人机接口电路

人机接口电路由旋转可调电位器和液晶显示屏两部分构成,实验操作人员利用旋转可调电位器改变电位器分压的幅值,中央处理器通过对该电压幅值的采集(幅值范围为1～3 V),判断输出电压给定值的大小(对应输出电压有效值为0～70 V),并将结果利用液晶显示屏反馈给实验操作人员。液晶显示屏为128×64点阵式结构,可以提供更加丰富的人机交互信息。

3 软件编程

电源的控制程序分为主程序和PWM中断子程序。为了便于电源的二次开发、功能拓展,主程序和子程序都采用了模块化编程结构。

主程序由初始化程序模块、系统配置程序模块、给定值检测程序模块、显示程序模块等构成。初始化程序模块主要完成系统时钟、中断寄存器等基本设置；系统配置程序模块主要是根据控制需求,完成I/O、A/D等硬件资源的配置；给定值检测程序模块是采集旋转可调电位器的分压幅值,并将其转化为输出电压给定值；显示程序模块是将检测和计算出的结果以及其他数据,送至液晶显示屏显示。主程序流程见图6。

图6 主程序流程

PWM中断子程序由数据处理程序模块、过压保护程序模块、PI控制程序模块等组成。数据处理程序模块主要完成对电源输出电压采样,并将采集到的数据利用滤波算法进行数字化滤波；过压保护程序模块对输出电压幅值进行判断,如果超过允许的输出上限,则封锁IGBT触发信号,防止设备过压损坏；PI控制程序模块根据输出电压给定值和检测值的差值,利用PI控制器生成IGBT所需的PWM触发信号。PWM中断子程序流程如图7所示

图7 PWM中断子程序流程

4 实验验证与分析

电源实物见图8。进行了大量的验证性实验,获得的实验数据和波形见图9。

图8 电源实物照片

从图9中可以看出，输出电压的频率始终保持在400 Hz,幅值稳定、精度高,电压波形谐波含量小、正弦度好，即所设计出的电源完全满足实验需求。

图9 输出电压实验波形

5 结论

以DSP为核心开发出的中频交流电源,其输出电压频率恒定、波形正弦度好、幅值精度高,具备良好的人机交互界面,完全可以满足自动控制元件课程实验需求。并且所设计的电源从中央处理器功能、软件模块化结构等方面都能够满足后续二次开发、功能拓展的需求,例如改变程序中的输出频率设定值,即可变成单相变频电源,甚至可调直流电源。

[1] 周鑫,郑玉航,张合新,等. “自动控制元件”课程改革思路与实践[J]. 中国电力教育,2012(29):54-56.

[2] 张大为,晋玉强,王晶. “自动控制元件”选修课教学探析[J]. 中国电力教育,2013(12):81-82.

[3] 陆婷,杜月林,杨飞,等. 大功率双向DC-DC电源变换器实验装置设计[J].实验技术与管理,2016,33(9):100-105.

[4] 黄海宏,杜少武,张毅. 现代电源技术实验平台研制[J]. 实验技术与管理,2012,29(6):66-70.

[5] 仲鹏达,朱江,章子健,等. 降压型直流开关稳压电源实验装置设计[J]. 实验技术与管理,2017,34(9):95-99.

[6] 尹明. 基于串级控制的实验教学用稳压电源[J]. 实验技术与管理,2011,28(12):72-76.

[7] 张友军. 教学实验用控制电源的研制[J]. 电源世界,2015(7):34-36.

[8] 侯震,杨建华. 一种适用于实验教学的400Hz电源电路设计[J]. 实验技术与管理,2006,23(11):59-61.

[9] 朱俊杰,聂子玲,马伟明. 静止式中频电源组网系统模式切换暂态过程控制[J]. 电工技术学报,2015,39(24):160-170.

[10] 张小伟. 基于DSP的数字控制中频电源的研究与设计[J]. 电力电子技术,2013,47(8):99-101.

[11] 朱俊杰,马伟明,聂子玲,等. 静止式中频电源谐波分析及抑制方法[J]. 电工技术学报,2012,32(10):77-82.

[12] 庄丽. 基于DSP的400Hz中频电源的设计与研究[J]. 电气应用,2015(4):126-129.