劉密1，冬雷2，趙闖1
（1.北京衛星制造廠，北京 100190；2.北京理工大學，北京 100081）
摘要：以電磁感應發生系統為應用背景，設計實現一種可輸出直流、交流電壓的程控大功率數字電源。電源采用單相全橋主功率拓撲，以DSP作為控制核心，實現與上位機的交互和電源輸出地靈活控制。直流輸出采用電流閉環，交流輸出采用電壓前饋，以簡單可靠的控制方式實現磁場電流的高精度控制。實際應用表明，該電源系統運行穩定，精度高，可操控性好。
關鍵詞：電源；直流；交流；DSP；電磁感應
中圖分類號：TM46文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674 7720.2016.20.010
引用格式：劉密，冬雷，趙闖. 大功率電磁感應發生系統電源設計［J］.微型機與應用，2016,35（20）：37 40,44.
0引言
大功率電磁感應發生系統主要用來在測試空間構建一個頻率和磁場強度均連續可調的均勻交變磁場或產生一個均勻且場強可調的直流穩恒磁場，輔助對光纖陀螺及其所用光學器件在磁場環境中的工作情況進行測試研究。大功率電磁感應發生系統組成見圖1。
圖1中電源與上位機之間通過RS232串行接口相連接，上位機可以向電源發送控制命令，包括啟動、停止、磁場強度設定、頻率設定等，同時可以監控電源部分的電流和直流母線電壓狀況。電源根據上位機的指令，計算得出所需要的磁場控制量，控制功率器件產生所需要的交、直流電壓或電流來驅動磁體產生穩定的磁場。本文使用DSP作為控制核心完成電源功能設計，電源輸出能力為30 kVA。
1電源系統總體設計
本文所述電源系統的負載為大功率線圈，通過電流激磁產生預期磁場。由于線圈需要產生直流磁場及0.5～50 Hz交流磁場，且線圈具有直流阻抗小、交流感抗大的特點，因此，為了提高系統控制精度，電源輸出直流和交流設置了不同的直流母線，電源系統組成見圖2。
當電源系統需要輸出交流時，接通接觸器J2，直接使用380 VAC輸入整流產生直流功率變換母線；當電源系統需要輸出直流時，接通接觸器J1，使用50 VAC輸入整流產生直流功率變換母線。電源系統主功率回路還配置有快速熔斷器、浪涌抑制電路、輸入儲能電容和功率變換單元；控制回路由DSP控制器、輔助電源、驅動電路、采樣電路等構成。控制器采用MC56F8013，該芯片結合上位機指令和采樣結果，通過控制策略給出主功率器件驅動信號，實現目標電流輸出。
2電源主電路設計及其工作原理
為了能夠同時實現電源直流正、反向和交流輸出，采用單項全橋拓撲作為主功率電路，如圖3所示。主功率開關器件使用IGBT功率模塊FF400R12KE3。由于負載線圈所產生的磁場與其內通過電流正相關，因此，通過斬波占空比調制可以調節施加于線圈的平均電壓，調節輸出電流，進而得到目標磁場［1］。
2.1直流輸出工作原理
圖3所示電路中Q1～Q4組成逆變橋臂，采用中心對稱方式產生控制脈寬VG1～VG1實現電源輸出，電源正向直流輸出主要工作波形如圖4所示，其中Q1、Q2驅動互補，Q3、Q4驅動互補。
t0→t1、t2→t3時刻，功率管Q1、Q4導通，UAB為輸入電壓，電感電流IL線性增加。
t1→t2時刻，功率管Q1、Q3導通，電感電流通過Q1、Q3通路續流。
t3→t4時刻，功率管Q2、Q4導通，電感電流通過Q2、Q4通路續流。
實施具體控制時，若閉環計算所得控制量為占空比D，則施加于Q1、Q3上的控制量為：
DQ1=0.5+D/2
DQ2=0.5-D/2
電路實際的有效占空比仍然為D，且輸出電感脈動頻率為功率器件開關頻率的兩倍。另一方面，由于電感電流續流通路壓降很小，故可以得到低紋波脈動的直流輸出電流。反向直流輸出時，只需將Q1、Q3控制信號對調重載即可。
2.2交流輸出工作原理
電磁感應發生系統要求電源輸出交變電流的頻率和幅度變化范圍很大，且負載為純感性，為了提高系統運行可靠性，在滿足使用要求的前提下，電源系統未配置功率變換與負載之間的濾波環節，功率變換輸出直接連接負載線圈，交流輸出本文采用SPWM逆變技術［2］。
隨著通信技術和電力電子技術的快速發展，SPWM技術成為高速開關器件逆變器的主導控制方式［3］。穩定的直流電壓經全橋逆變器，逆變成交流方波，通過SPWM調制，在負載線圈上得到預置頻率和幅度的交變電流。由于線圈電流滯后于電壓信號且存在續流過程，因此，雖然進行SPWM調制，但線圈電流并非正弦電流［4］。電源交流輸出主要工作波形如圖5所示，其中Q1、Q2驅動互補，Q3、Q4驅動互補。
3電源控制電路設計及其工作原理
電源系統以DSP作為控制核心，接收的輸入信號主要有上位機設置信息、電源當前電壓、電流信息、故障反饋信息；發出的信號主要包括交、直流狀態切換控制信號、PWM控制信號、電源狀態上傳上位機信號。因此，電源系統除了用到DSP自身資源外，還需配置信號采集以及驅動等電路。
3.1采樣調理電路
電源系統中電流、電壓信號均使用霍爾傳感器進行采集，輸出電流信號采集使用電流傳感器LT308 S7，輸入直流母線電壓信號采集使用電壓傳感器LV28P。傳感器采集轉換后的小電流信號輸入到圖6所示的采樣調理電路中，通過采樣電阻將小電流信號轉換為電壓信號，通過信號調理，將其轉換為DSP端口接受范圍電壓，輸入到AD采樣端口。
電源系統功率IGBT的驅動電路采用三菱公司的M57962L，M57926L內部集成有2 500 V高隔離電壓的光耦合器、過電流保護電路、過電流輸出信號端口、兼容TTL電平的輸入接口等。它是雙電源驅動結構，內部共模抑制比高。該電源應用中，為了可靠驅動1 200 V/400 A的功率器件，M57962L輸出增加了一級功放驅動電路，如圖7所示。驅動電路接收DSP控制信號執行功率驅動，并在功率管發生過流時輸出故障信號。
控制部分除了采樣調理和驅動電路，還包括接觸器驅動電路、RS232通信接口電路等，所有電路的兼容匹配確保了電源系統的穩定運行。
4軟件設計
軟件設計需要根據用戶輸入，匹配各類硬件資源，確保功能實現的同時，提高執行效率與可靠性，它是電源系統的核心部分。本文電源系統的軟件開發基于56800E系列DSP專用IDE開發平臺CodeWarrior，主要使用了芯片內部的PWM模塊、ADC模塊、定時器模塊和串行通信模塊［5］。
程序執行過程中，為了確保交流輸出頻率的準確性，將PWM模塊中斷設置為較高優先級。PWM服務程序為主程序，該程序中開啟ADC采樣獲得最新數據，并根據要求值和數據狀態得出當前控制量，重載占空比輸出。ADC中斷為最高優先級服務子程序，以便采集數據的實時性，ADC中斷子程序中要進行過流保護判斷，并對采樣信號進行初始數字濾波。PWM和ADC模塊服務程序如圖8所示。定時5 ms服務子程序對電源系統交直流狀態進行判斷和切換，在開、關機和交、直流狀態切換過程中，控制接觸器進行主功率電路切換，并進行參數初始化，狀態設定后，關閉或啟動PWM輸出。通信服務子程序實現電源數據與上位機的交互，確保用戶指令的及時接收與電源狀態的實時上傳。
為了保證磁場強度的連續可調和精度要求，通過高斯計標定了磁場強度與直流電流、交流電壓的對應關系。給定直流磁場強度時，通過查表插值的方式確定直流輸出電流給定，通過電流閉環控制，使線圈電流達到設定值。給定交流磁場強度時，通過查表插值的方式確定對應頻率的交流電壓給定，通過輸入直流母線和電壓給定確定SPWM調制峰值對應的最大脈寬，然后根據預設頻率進行SPWM調制，在線圈中得到設定的交流電流，電源系統實物及直流電流磁場測試曲線見圖9。
圖9(b)給出了正向直流電流與磁場的對應曲線，可以看出，實測電流與磁場強度具有較好的近似線性關系，磁場強度100 Gs對應100 A左右的直流電流，交流電流也具有類似的對應關系。由于磁場測試設備的局限性，低頻小磁場（小于10 Gs）交流電流與磁場強度測得的線性度較差，其余測試點均有較好的線性度。
5結論
本文介紹了一種大功率電磁場系統專用電源設計，在分析產品需求的基礎上，詳細介紹了電源的系統組成、電路設計及工作原理、軟件設計及工作流程。通過直流輸出電流閉環控制和交流輸出電壓前饋控制，實現了較高精度的輸出電流幅值和頻率的連續可調。電源系統的實際運行驗證了電源設計的合理性和有效性，在實現系統功能的同時獲得了較好的用戶體驗。
參考文獻
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