基于DSP的中頻電源的電路（硬件）實現(xiàn)

2.2.2.3 輸出濾波電路參數(shù)選取

低通濾波電路分為兩種，π型和倒L型電路，本系統(tǒng)采取倒L型結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

由于輸出為400 Hz，輸出電壓為220 V，功率為1 kW，通過諧波分析可以知道，輸出電壓的諧波分量集中在很高的開關(guān)頻率附近，因此理論上截止頻率可以選得很高，但由于輸出電壓中也含有低次諧波，所以選取fC=600 Hz。根據(jù)輸出負(fù)載電壓為Ur=220 V，

故ZL=Ur

2/P=2202/1 000=48.4Ω。

一般濾波器的標(biāo)稱阻抗R=(0.5～0.8)ZL 這里取R=38Ω。因此

L=R/2仔fC=38/2仔×600=10.1 mH

C=1/2仔fCR=1/2仔×600×38=6.98μF

由于系統(tǒng)為中頻400 Hz，所以濾波電感選用中頻磁芯，由以上計算可知電感上電壓的最大值為400 V，電流峰值取25 A。

為了使逆變器有一個比較大的調(diào)整范圍，保證輸出400 Hz、220 V 的電源，負(fù)載阻抗R 實際上是變壓器，變壓器互感M與電容C 組成400 Hz 并聯(lián)諧振，這樣既起到隔離，又起到進一步減少諧波的作用。

2.3 驅(qū)動電路的選擇

系統(tǒng)選用IR 公司的IR2132 來驅(qū)動MOSFET，該芯片為六輸出高壓柵極驅(qū)動器，28腳雙列直插，驅(qū)動信號延時為ns級，開關(guān)頻率可從幾十Hz到幾百kHz。IR2132具有6路輸入信號和6路輸出信號，其中6 路輸出信號中的3 路具有電平轉(zhuǎn)換功能，可直接驅(qū)動高壓側(cè)的功率器件。該驅(qū)動器可與主電路共地運行，且只需一路控制電源，克服了常規(guī)驅(qū)動器需要多路隔離電源的缺點，大大簡化了硬件設(shè)計。驅(qū)動電路如圖4所示。

2.4 保護電路設(shè)計

保護電路主要包括直流輸入端防止過壓過流保護電路以及MOSFET 過流保護電路。直流輸入端保護電路主要包括熔斷器、啟動電阻和直流電源濾波儲能電容器等元件。元件參數(shù)的選取計算如下。

1)啟動電阻為避免電路中開機的瞬間產(chǎn)生的浪涌電流，在電源電路中串接一個功率型熱敏啟動電阻。啟動電阻的作用是當(dāng)電路啟動運行時，電阻值很大，短時間內(nèi)的壓降很大，使得主電路的電壓很低，對電子器件的沖擊很小;當(dāng)電路穩(wěn)定時，又要求啟動電阻的阻值很小，這樣電阻上的壓降小，也即穩(wěn)定損耗小。因此，啟動電阻一般選取負(fù)溫度系數(shù)電阻，開機時熱敏電阻溫度低，電阻是5 Ω，這時開關(guān)管上的電壓是電阻降壓后的電壓值。穩(wěn)態(tài)運行時，自身溫度升高，阻值會下降，這樣正常工作時熱敏電阻上的損耗會減到最小，保證電源的效率。電阻選取為NTC 5D-25，啟動時電阻值為5 Ω，而正常工作時阻值為0.070Ω，符合設(shè)計要求。

2)直流端電容在工程上電容的選取有一定的規(guī)則，對于用來儲能的電容要求不是很高，因此選定了耐壓為450 V的鋁電解電容。

3)交流輸出電壓檢測電路一方面將電壓反饋至DSP 的A/D 輸入口以調(diào)整逆變器的輸出電壓，一方面送至保護電路，當(dāng)輸出電壓過高時封鎖輸出電壓脈沖，以上保護信號還可轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓信號送至IR2132的腳9(Itrip端)，由IR2132的腳8 送出信號，封鎖DSP 的PWM 序列輸出，達到逆變電路的過壓保護。

2.5 反饋檢測電路以及A/D轉(zhuǎn)換電路

由于中頻電源采取閉環(huán)控制策略，因此需要對輸出電壓和電感電流進行檢測，并轉(zhuǎn)換為可供A/D轉(zhuǎn)換的信號，由于輸出電壓和電流信號為模擬正弦波信號，而TMS320LF 2407 內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器，輸入信號的范圍為0~3.3 V的信號。因此必須采用電壓檢測及信號調(diào)理電路。我們采用LEM公司的LV28-P的閉環(huán)(補償)電壓霍爾傳感器來檢測輸出電壓，調(diào)理后達到A/D的輸入范圍的要求后送入A/D轉(zhuǎn)換通道ADCIN1中。

電流檢測調(diào)理電路和電壓檢測調(diào)理電路相似，經(jīng)過比較調(diào)理后送入A/D 轉(zhuǎn)換通道ADCIN2 中。

2.6 TMS320LF2407A DSP芯片及最小控制系統(tǒng)

采用DSP來作為中頻電源的控制核心有其獨特的優(yōu)勢，和普通單片機相比，例如51系列單片機單指令周期是2μs;80C196KC的運算指令周期是125 ns。

由于速度的限制，運用這些單片機控制的電源很難實現(xiàn)400 Hz正弦波的完美輸出。而DSP的運行速度達20 MIPS，幾乎所有的指令都可在50 ns的單周期內(nèi)完成，這就使DSP能提供比傳統(tǒng)16位微處理器和微控制器強大得多的功能。16位定點DSP內(nèi)核有很強的編程能力，能實時處理非常復(fù)雜的控制算法，有豐富的指令集、改進的并行結(jié)構(gòu)，支持很高的采樣率，減少了循環(huán)延時，有強大的外設(shè)功能，能降低生產(chǎn)成本，同時使系統(tǒng)具有很強的可編程性，更易于更新和升級。綜上所述，將DSP芯片作為整個中頻電源系統(tǒng)的核心控制芯片是可行的，具有實際意義的，本系統(tǒng)采用TMS320 LF2407芯片作為核心控制芯片。

TMS320LF2407A是TI 公司推出的高性能16位數(shù)字信號處理器，是定點DSP C2000 平臺系列中的一員。專門為電機控制與運動控制數(shù)字化優(yōu)化實現(xiàn)而設(shè)計，特別適合于三相異步電動機和逆變器的高性能控制。它集C2xx 內(nèi)核增強型TMS320設(shè)計結(jié)構(gòu)及適用于電機控制的低功耗、高性能、優(yōu)化外圍電路于一體，CPU內(nèi)部采用增強型哈佛結(jié)構(gòu)，四級流水線作業(yè)，幾乎每條指令可在25 ns(40 MIPS)完成。

以TMS320LF2407A DSP 為控制核心的最小控制系統(tǒng)包括電源系統(tǒng)，晶體振蕩電路，RAM 以及JATG調(diào)試接口。

3 結(jié)語

本文對電源系統(tǒng)的硬件做了詳細(xì)的介紹，根據(jù)要達到的性能要求對系統(tǒng)的參數(shù)進行了具體的設(shè)計，尤其對于低通濾波器參數(shù)進行了詳細(xì)探討，然后對電源系統(tǒng)功率器件的驅(qū)動和保護，以及對于輸出波形的檢測進行了硬件設(shè)計，最后對DSP最小控制系統(tǒng)各個部件的硬件設(shè)計進行了研究。