摘 要：該設計應用DSP技術對等離子切割電源系統(tǒng)的功率因數(shù)進行校正，減小了諧波對電網(wǎng)的干擾，提高了電源輸出的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)的各級控制環(huán)節(jié)采用德州儀器生產(chǎn)的 DSP芯片TMS320F2812數(shù)字信號處理器進行處理， 建立等離子切割電源功率因數(shù)的數(shù)字化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)應用電流傳感器檢測boost模塊的輸入電流， 通過采樣與 A/D 變換和PID 控制實現(xiàn)穩(wěn)定的恒電流輸出，從而有效地提高了電源系統(tǒng)的功率因數(shù)和工作穩(wěn)定性，增強了系統(tǒng)的抗高頻干擾能力。

關鍵詞：等離子切割機電源;DSP;功率因數(shù)校正;PWM;TMS320F2812

中圖分類號：TM135;TP368.1文獻標識碼：A文章編號：1004373X(2008)2204502

Research ofPlasma Arc Cutting Power System Based on DSP

LIU Lili，YANG Yongcai，WANG Shitong，CHEN Rui，ZHAO Dongxue

(College of Optics and Electronics Information Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai，200093，China)

Abstract：The design improves the power factor in the plasma arc cutting power system with digital singnal processor，induces the inference to electrical network，improves the stability of power supply system.The digital control system for plasma arc cutting power system has been developed by using digital signal processor TMS320F2812，which produced by Taxas Instrument.After sampling，A/D conversion and digital filtering on the input current of boost model，which is detected by current sensor，a stable constant current output characteristic is realized via PID control，So that，the power factor and operational stability of power supply system and the anti-disturbance ability to high frequency noise of digital control system are improved effectively.

Keywords：plasma cutting power;DSP;power factor correction;PWM;TMS320F2812

1 引 言

20世紀80年代初，開關電源產(chǎn)品的普及促進了功率因數(shù)校正技術的發(fā)展。開關電源的諧波引起了人們的注意。

等離子切割是現(xiàn)代生產(chǎn)中的一種被廣泛采用的加工方法，尤其在有色金屬、難溶金屬加工領域顯得更為重要。所以等離子切割機電源中功率因數(shù)的校正也相當重要。PFC模塊的數(shù)字控制，具有以下優(yōu)點：磁化率對環(huán)境污染影響小、元件數(shù)量少、可靠性高、程控和化程度難度高，能適用先進的控制算法，并能與各種計算機和處理器進行接口等。數(shù)字信號技術和DSP不斷發(fā)展，特別是DSP價格大幅度下降和片內集成模塊增多，為PFC數(shù)字控制提供有力的支持和可靠保證。

本文應用DSP技術，在等離子切割電源系統(tǒng)中對PFC進行數(shù)字化處理，進而提高功率因數(shù)，減少諧波干擾。

2 影響功率因數(shù)的因素及數(shù)字化解決方法

傳統(tǒng)的切割機前級采用整流二極管和濾波電容組成的整流濾波電路。雖然交流輸入電壓的波形是正弦的，但是由整流二極管和濾波電容組成的整流濾波電路是一種非線性元件和儲能元件的組合，所以整流器件的導通角不足180°，只有很小的導通角，導致輸入交流波形嚴重畸變，輸入交流電流波形呈脈沖狀如圖1所示。

在由整流二極管和濾波電容組成的整流濾波電路中，只有當線路輸入峰值電壓超過濾波電容兩端上的電壓時，整流二極管中才有電流通過。脈沖狀的輸入電流含有大量的諧波成分，但是交流輸入電流中只有基波電流電路才做功，其大量的高次諧波成分對供電造成污染，降低了功率因數(shù)。

常用的功率因數(shù)校正電路分為有源和無源兩種。本文采用有源功率因數(shù)校正電路進行校正。其基本工作原理是利用控制電路強迫輸入交流電流波形跟隨輸入交流電壓波形進而實現(xiàn)交流輸入電流正弦化，并與交流輸入電壓同步。輸出電壓、電流隨時間的結果如圖2所示。

有源PFC 系統(tǒng)的主電路采用 BOOST調節(jié)器，其特點為輸入電流連續(xù)、傳導噪聲低，以及有良好的輸入波形，其驅動電路如框圖3所示。

以上功能流程圖利用2個反饋控制環(huán)有效的說明了有源功率因數(shù)校正是一種抑制諧波電流、提高功率因數(shù)的有效方法。第一個控制環(huán)：輸入電流控制環(huán)，它利用輸入電流控制環(huán)路來控制DC/DC變換器輸入電流與全波整流電壓波形相同；第二個是輸出電壓控制環(huán)，它利用輸出電壓控制環(huán)路使DC/DC變換器輸出端等效為一個直流穩(wěn)壓源。

3 PFC的數(shù)字化

針對等離子切割機電源采用TI公司的TMS320F2812芯片為控制載體實現(xiàn)了電源前級功率因數(shù)控制環(huán)節(jié)和后級逆變控制環(huán)節(jié)的控制，較好地抑制了輸入電流諧波并獲得了切割逆變電源恒電流輸出特性。

PWM 控制信號則應用德州儀器生產(chǎn)的TMS320F2812DSP芯片內部集成的 PWM 模塊實現(xiàn)脈沖寬度的直接數(shù)字化調制和輸出。TMS320F2812包含有2個6通道16位精度的 PWM模塊。每個PWM模塊的6個通道可以配置為互補通道對和獨立通道， 在互補通道方式下， 可編程控制死區(qū)時間。此外，PWM模塊還具有可編程出錯保護功能（如果過流、過溫、或是過壓則通過PDPPINT引腳來保護電路，使PWM輸出呈高阻態(tài)）， 為電源在各種故障情況下通過快速關閉 PWM 控制脈沖對實施可靠保護提供了有效的途徑。此外，其強大的外設為等離子切割機的其他控制提供可能，從而簡化元器件。

對于圖3來說，輸入DSP的信號就是由電流傳感器獲得輸入電流Iin和輸入電壓Uin，以及此環(huán)節(jié)輸出的電壓Uout，這3個值經(jīng)過圖3的變換之后，控制輸出PWM波，進而起到提高功率因數(shù)的作用。軟件流程圖如圖4所示：

4 結 語

本系統(tǒng)通過DSP控制PWM的輸出，進而提高功率因數(shù)。整流器的輸出電壓首先經(jīng)過調理電路，使其幅值滿足ADC輸入電平的要求，然后由芯片內ADC進行轉換和數(shù)字化處理，最后由DSP進行進一步的處理。功率因數(shù)經(jīng)過DSP處理之后，有效降低了系統(tǒng)對電網(wǎng)的諧波污染， 提高了電源系統(tǒng)的功率因數(shù)，其幾乎能達到1， 并為逆變電路提供了穩(wěn)定的直流電源。

參考文獻

［1］路秋生.功率因數(shù)校正技術與應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［2］李先祥.基于DSP控制的功率因數(shù)校正系統(tǒng)的設計［J］.電測與儀表，2002，39(7)：27-29，11.

［3］蘇奎峰，呂強，耿慶鋒，等.TMS320F2812原理與開發(fā)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［4］Qin Y，Du S.Control of Single Phase Power Factor Pre-regulator for an On-line Uninterruptible Power Supply_using Fuzzy Logic Inference［A］.C.Proc.15th Annual.IEEE App1.Power Electron.Conf.APEC(97)［C］.1996:699-702.

［5］Qin Y，Du S.A Novel Adaptive Hysteresis Band Current Control Using a DSP for a Power Factor lcm Tectedon.Line UPS .New Orleans［A］.Proc.23rd IEEE Int.Conf.Ind.Electron.Contr.Instmm.(IECON′97)［C］.1997:208-212.

［6］趙良炳.現(xiàn)代電力電子技術基礎［M］.北京:清華大學出版社，2000.

［7］殷樹言.弧焊逆變電源的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］.焊接技術，1999(6):4-9.

［8］蘇濤.高性能數(shù)字信號處理器與高速實時信號處理［M］.西安:西安電子科技大學出版社，1999.

［9］邵朝，陰亞芳，盧光躍.數(shù)字信號處理\\.北京:北京郵電大學出版社，2006.

作者簡介 劉立立 女，1981年出生，上海理工大學光學與電子信息工程學院在讀碩士生。主要從事測試信息獲取與處理方面的研究。

楊永才 男，1957年出生，上海理工大學光學與電子信息工程學院教授。主要從事光電精密測量技術的研究。