張 強, 張敬南， 王 珅, 張 煒

(哈爾濱工程大學 自動化學院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

“自動控制元件”是一些工科專業(yè)的基礎(chǔ)課程[1-2],該課程既包括理論授課，也開設(shè)有相關(guān)的課程實驗,在其中的旋轉(zhuǎn)變壓器實驗中,需要使用到400 Hz的中頻交流電源。目前實驗室使用的中頻交流電源基本都是模擬電源,其輸出電壓精度有限,且功能單一。而工業(yè)級的中頻交流電源,雖然性能突出,功能強大,但是其所附帶的諸多功能,往往不是實驗所需求的,致使其在實驗室使用環(huán)境下性價比很低。此外,近年來隨著對大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的注重,各個高校都為大學生創(chuàng)新提供了實驗場所,但在創(chuàng)新實驗中經(jīng)常需要一些非標準電源,這些非標電源既無法買到,又很難利用現(xiàn)有電源設(shè)備改造而成。因此實驗室急迫需要一種開放式的、能夠進行二次開發(fā)或功能拓展的電源,以便為學生在創(chuàng)新和實驗過程中提供設(shè)備支撐。

國內(nèi)對實驗用電源的研究較多[3-7],但針對中頻電源的研究卻很少,并且主要針對實際工程需求[8-12]。本文為滿足自動控制元件課程實驗使用,結(jié)合二次開發(fā)、功能拓展的創(chuàng)新實驗需求,設(shè)計、開發(fā)了數(shù)字化實驗用中頻交流電源。其基本性能指標如下:

(1) 輸出電壓頻率400 Hz；

(2) 輸出電壓幅值0～70 V,連續(xù)可調(diào)；

(3) 具有后續(xù)功能開發(fā)、拓展的余地。

1 電源總體方案設(shè)計

數(shù)字化中頻交流電源的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案見圖1,主要包括整流電路、逆變電路、中央處理器、采集電路、驅(qū)動電路、人機接口電路等部分。其中整流電路將輸入的50 Hz工頻交流電轉(zhuǎn)化為直流電,再由逆變電路逆變?yōu)?00 Hz的中頻交流電。中央處理器通過采集電路對逆變電路的輸出電壓進行采集、分析、運算,進而生成驅(qū)動控制信號,驅(qū)動控制信號經(jīng)過驅(qū)動電路后,實現(xiàn)對逆變電路中電力電子器件的開關(guān)控制。人機接口電路的設(shè)計是為了在實驗過程中便于實驗人員對電源的操控。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 整流電路設(shè)計

考慮到實驗室的用電環(huán)境,從用電安全和使用便利性的角度出發(fā),整流電路采用單相全橋整流電路結(jié)構(gòu),具體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 整流電路結(jié)構(gòu)框圖

圖中變壓器為降壓變壓器,變比近似為11∶4,整流橋型號為D25SBA80,濾波電容耐壓值250 V,容量2 200 μF。

2.2 逆變電路設(shè)計

由于實驗中需要的是單相中頻交流電,因此逆變電路采用全橋逆變結(jié)構(gòu),見圖3。具體器件型號為三菱公司的智能功率模塊PS21765,該智能功率模塊內(nèi)部不僅包含有IGBT器件,而且還集成了驅(qū)動和過流保護等電路,可有效簡化外圍電路的設(shè)計。為了進一步提高模塊內(nèi)IGBT的安全性,在模塊外增設(shè)了RC尖峰吸收電路,其中電阻取80 Ω,電容取33 pF。逆變電路輸出電壓采用LC濾波,電感值為6 mH,電容值為25 μF。

圖3 逆變電路拓撲結(jié)構(gòu)

2.3 采集電路設(shè)計

電源采用電壓有效值測量電路，對輸出電壓進行快速、準確地檢測,具體電路結(jié)構(gòu)見圖4。電壓傳感器為LEM公司的LV25-P,R_in為輸入限流電阻,R_out為輸出取樣電阻,通過電阻值的合理選取,使得輸入電壓為70 V時,輸入電流控制在25 mA,并將此時傳感器輸出的10 mA電流信號轉(zhuǎn)化為2 V的電壓信號。電壓傳感器輸出的小電壓交流信號,最終經(jīng)過AD637芯片轉(zhuǎn)換成幅值為其有效值的直流信號。

圖4 電壓采集電路

2.4 中央處理器

中央處理器通過對采集到的輸出電壓數(shù)據(jù)進行處理、運算,生成逆變電路中IGBT所需的驅(qū)動信號,同時完成實驗過程中的人機對話功能,因此要求中央處理器具備數(shù)據(jù)采集、分析、運算等功能,并擁有豐富的硬件資源。綜合考慮以上實際需求,所設(shè)計的電源中央處理器采用TI公司的DSP芯片,型號為TMS320F28335。F28335是高性能的32位CPU,主頻時鐘頻率最高可以達到150 MHz,集成了IEEE-754單精度浮點單元(FPU)和12位高精度ADC模塊,數(shù)據(jù)處理能力突出,且片內(nèi)的資源豐富,例如,多達18個的PWM輸出、3個32位CPU定時器等。雖然DSP芯片的使用,增加了電源的成本,但是卻提升了電源的輸出性能和指標，并且為后續(xù)電源的功能開發(fā)和拓展提供了強大的硬件平臺。

2.5 驅(qū)動電路設(shè)計

為了提高電源工作的安全性和可靠性,中央處理器輸出的逆變器正向?qū)ㄐ盘朎PWM1A和反向?qū)ㄐ盘朎PWM1B經(jīng)過電氣隔離和邏輯互鎖處理后,生成對應(yīng)的PWM1A和PWM1B信號,才最終送至智能功率模塊的對應(yīng)驅(qū)動輸入引腳。IGBT驅(qū)動脈沖互鎖電路如圖5所示。當EPWM1A和EPWM1B信號同時為“1時”,對應(yīng)的PWM1A和PWM1B信號會同時為“0”,因此可以有效防止逆變橋臂的上下直通故障發(fā)生。

圖5 IGBT驅(qū)動脈沖互鎖電路

2.6 人機接口電路

人機接口電路由旋轉(zhuǎn)可調(diào)電位器和液晶顯示屏兩部分構(gòu)成,實驗操作人員利用旋轉(zhuǎn)可調(diào)電位器改變電位器分壓的幅值,中央處理器通過對該電壓幅值的采集(幅值范圍為1～3 V),判斷輸出電壓給定值的大小(對應(yīng)輸出電壓有效值為0～70 V),并將結(jié)果利用液晶顯示屏反饋給實驗操作人員。液晶顯示屏為128×64點陣式結(jié)構(gòu),可以提供更加豐富的人機交互信息。

3 軟件編程

電源的控制程序分為主程序和PWM中斷子程序。為了便于電源的二次開發(fā)、功能拓展,主程序和子程序都采用了模塊化編程結(jié)構(gòu)。

主程序由初始化程序模塊、系統(tǒng)配置程序模塊、給定值檢測程序模塊、顯示程序模塊等構(gòu)成。初始化程序模塊主要完成系統(tǒng)時鐘、中斷寄存器等基本設(shè)置；系統(tǒng)配置程序模塊主要是根據(jù)控制需求,完成I/O、A/D等硬件資源的配置；給定值檢測程序模塊是采集旋轉(zhuǎn)可調(diào)電位器的分壓幅值,并將其轉(zhuǎn)化為輸出電壓給定值；顯示程序模塊是將檢測和計算出的結(jié)果以及其他數(shù)據(jù),送至液晶顯示屏顯示。主程序流程見圖6。

圖6 主程序流程

PWM中斷子程序由數(shù)據(jù)處理程序模塊、過壓保護程序模塊、PI控制程序模塊等組成。數(shù)據(jù)處理程序模塊主要完成對電源輸出電壓采樣,并將采集到的數(shù)據(jù)利用濾波算法進行數(shù)字化濾波；過壓保護程序模塊對輸出電壓幅值進行判斷,如果超過允許的輸出上限,則封鎖IGBT觸發(fā)信號,防止設(shè)備過壓損壞；PI控制程序模塊根據(jù)輸出電壓給定值和檢測值的差值,利用PI控制器生成IGBT所需的PWM觸發(fā)信號。PWM中斷子程序流程如圖7所示

圖7 PWM中斷子程序流程

4 實驗驗證與分析

電源實物見圖8。進行了大量的驗證性實驗,獲得的實驗數(shù)據(jù)和波形見圖9。

圖8 電源實物照片

從圖9中可以看出，輸出電壓的頻率始終保持在400 Hz,幅值穩(wěn)定、精度高,電壓波形諧波含量小、正弦度好，即所設(shè)計出的電源完全滿足實驗需求。

圖9 輸出電壓實驗波形

5 結(jié)論

以DSP為核心開發(fā)出的中頻交流電源,其輸出電壓頻率恒定、波形正弦度好、幅值精度高,具備良好的人機交互界面,完全可以滿足自動控制元件課程實驗需求。并且所設(shè)計的電源從中央處理器功能、軟件模塊化結(jié)構(gòu)等方面都能夠滿足后續(xù)二次開發(fā)、功能拓展的需求,例如改變程序中的輸出頻率設(shè)定值,即可變成單相變頻電源,甚至可調(diào)直流電源。

[1] 周鑫,鄭玉航,張合新,等. “自動控制元件”課程改革思路與實踐[J]. 中國電力教育,2012(29):54-56.

[2] 張大為,晉玉強,王晶. “自動控制元件”選修課教學探析[J]. 中國電力教育,2013(12):81-82.

[3] 陸婷,杜月林,楊飛,等. 大功率雙向DC-DC電源變換器實驗裝置設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理,2016,33(9):100-105.

[4] 黃海宏,杜少武,張毅. 現(xiàn)代電源技術(shù)實驗平臺研制[J]. 實驗技術(shù)與管理,2012,29(6):66-70.

[5] 仲鵬達,朱江,章子健,等. 降壓型直流開關(guān)穩(wěn)壓電源實驗裝置設(shè)計[J]. 實驗技術(shù)與管理,2017,34(9):95-99.

[6] 尹明. 基于串級控制的實驗教學用穩(wěn)壓電源[J]. 實驗技術(shù)與管理,2011,28(12):72-76.

[7] 張友軍. 教學實驗用控制電源的研制[J]. 電源世界,2015(7):34-36.

[8] 侯震,楊建華. 一種適用于實驗教學的400Hz電源電路設(shè)計[J]. 實驗技術(shù)與管理,2006,23(11):59-61.

[9] 朱俊杰,聶子玲,馬偉明. 靜止式中頻電源組網(wǎng)系統(tǒng)模式切換暫態(tài)過程控制[J]. 電工技術(shù)學報,2015,39(24):160-170.

[10] 張小偉. 基于DSP的數(shù)字控制中頻電源的研究與設(shè)計[J]. 電力電子技術(shù),2013,47(8):99-101.

[11] 朱俊杰,馬偉明,聶子玲,等. 靜止式中頻電源諧波分析及抑制方法[J]. 電工技術(shù)學報,2012,32(10):77-82.

[12] 莊麗. 基于DSP的400Hz中頻電源的設(shè)計與研究[J]. 電氣應(yīng)用,2015(4):126-129.