基于CPLD的臭氧電源控制系統(tǒng)設(shè)計

臭氧被喻為“綠色”消毒產(chǎn)品，在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。近年來，臭氧技術(shù)作為環(huán)保產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，受到越來越多人的重視。相關(guān)產(chǎn)品已從飲用水處理系統(tǒng)拓展到污水處理、空氣凈化、家庭環(huán)境污染防治、醫(yī)療保健等領(lǐng)域。

臭氧發(fā)生器供電電源是臭氧發(fā)生器的重要組成部分，供電電源的電壓、頻率和波形是影響臭氧發(fā)生器效率的重要因素。發(fā)生器的結(jié)構(gòu)、氣源和冷卻系統(tǒng)確定后，電源系統(tǒng)的性能與品質(zhì)就成為影響發(fā)生器效率的關(guān)鍵。上世紀(jì)80年代后，半導(dǎo)體器件的發(fā)展使臭氧電源發(fā)生質(zhì)的變化，逆變式電源成為臭氧發(fā)生電源的主要形式。在該類電源中，用整流器將工頻交流電整流成直流電，經(jīng)逆變電路轉(zhuǎn)換為單相中高頻交變電，再經(jīng)中高頻升壓變壓器升壓至發(fā)生器放電所需的電壓。與工頻供電相比，中頻逆變電源具有系統(tǒng)體積小、電源效率高、臭氧產(chǎn)量大、可線性調(diào)節(jié)范圍寬、對電網(wǎng)污染小等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

在臭氧發(fā)生器供電電源的設(shè)計中，由于可控硅SCR在三相整流時產(chǎn)生的換流壓降對輸出電壓平均值和電壓波形都會產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，在電源主回路的設(shè)計中采用大功率二極管整流取代SCR整流，使得整流電路輸出的電壓脈動很小，從而提高電源的穩(wěn)定性和效率。

由于電源整流部分采用不可控的二極管進(jìn)行整流，輸出電壓的調(diào)節(jié)就不能通過整流部分進(jìn)行控制。因此，電源輸出電壓和頻率的調(diào)節(jié)就只能通過逆變部分進(jìn)行調(diào)節(jié)，即通過對逆變觸發(fā)脈沖的占空比和頻率的控制從而達(dá)到對電源輸出電壓和頻率的調(diào)節(jié)，以滿足設(shè)計要求。下面重點討論如何進(jìn)行占空比調(diào)節(jié)、頻率調(diào)節(jié)和軟啟動時間調(diào)節(jié)。

1.1 占空比調(diào)節(jié)單元

圖l為占空比調(diào)節(jié)電路。該電路是將調(diào)節(jié)器輸出的電壓信號作為壓控振蕩器VCO(Voltage CONtrolled Oscillator)的輸入信號，此信號是一個在0～5 V之間變化的直流電壓信號，即INPUT信號，由于VCO是一個電流控制振蕩器，對定時電容C1的充電電流與從引腳9輸入的控制電壓成正比，使VCO的振蕩頻率正比于該控制電壓。當(dāng)VCO控制電壓為0 V時，其輸出頻率最低;當(dāng)輸入控制電壓等于電源電壓VDD時，輸出頻率則線性增大到最高輸出頻率。VCO振蕩頻率的范圍由R1、R2和C1決定。VCO振蕩頻率由CD4046的引腳4直接輸出到CPLD處理單元，CPLD內(nèi)部通過對該脈沖信號的計數(shù)來控制逆變觸發(fā)脈沖的寬度，來調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖的占空比。

1.2軟啟動時間的調(diào)節(jié)單元

圖2為軟啟動時間調(diào)節(jié)電路。該電路單元是將調(diào)節(jié)器輸出信號作為電壓比較器LM339的輸入信號，此信號是一個在0～5 V之間變化的直流電壓信號(即INPUT信號)。按照設(shè)計要求，LM339的引腳6給定電壓為1 V，當(dāng)INPUT信號的電壓大于l V時，LM339的引腳l通過上拉電阻輸出一個高電平作為啟動信號送入CPLD。在CPLD內(nèi)部通過調(diào)節(jié)外部的撥段開關(guān)控制比較器的輸出，從而控制軟啟動的時間。

1.3頻率調(diào)節(jié)單元

圖 3為頻率調(diào)節(jié)電路。通過調(diào)節(jié)CD4046外接電位器POTll，控制VCO輸出脈沖的頻率，根據(jù)設(shè)計要求，該電路將輸出一個變化范圍在1～6 kHz之間的脈沖信號PLS，將該信號作為CPLD的輸入信號。在CPLD內(nèi)部通過計數(shù)延時和占空比設(shè)計要求，最終輸出一個頻率在400～3 000 Hz之間符合占空比要求的逆變觸發(fā)信號，并可通過POT11調(diào)節(jié)該信號的頻率。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)軟件設(shè)計是根據(jù)系統(tǒng)功能要求而設(shè)計的，基于EPM7128的軟件程序設(shè)計分為：輸出脈沖占空比調(diào)節(jié)、頻率調(diào)節(jié)、軟啟動時間調(diào)節(jié)和過壓過流報警。開發(fā)系統(tǒng)使用VHDL語言進(jìn)行模塊化編程，這樣可以提高程序的移植性，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。而且易于維護(hù)系統(tǒng)軟件，提高可靠性。圖4是輸出的兩路PWM脈沖仿真波形，其中GCLK是一個基準(zhǔn)時鐘源，CLKl和CLK2分別是經(jīng)VCO轉(zhuǎn)換的頻率調(diào)節(jié)和占空比調(diào)節(jié)信號，SET和SOFT分別是2個外接的4位占空比調(diào)節(jié)和軟啟動調(diào)節(jié)撥段開關(guān)。

3 結(jié)束語

介紹了基于CPLD的臭氧電源控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。數(shù)字電路在電源控制系統(tǒng)的應(yīng)用使得該系統(tǒng)的可靠性增強(qiáng)、功能更加完善，該控制系統(tǒng)只需調(diào)節(jié)外接的2個撥段開關(guān)就可實現(xiàn)對輸出脈沖的占空比調(diào)節(jié)和對軟啟動時間的控制，從而使電源控制更方便和靈活。通過調(diào)試工業(yè)現(xiàn)場，該控制系統(tǒng)能完全滿足對中頻臭氧電源的控制，而且具有抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用前景。