航天科工慣性技術(shù)有限公司 張福亮 趙振江

引言

目前所內(nèi)的彈上和地面中頻電源主要采用線性變換的方式，該變換方式具有電磁兼容性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在效率低、體積大、指標(biāo)一致性較差等缺點(diǎn)。而基于數(shù)字控制的中頻逆變電源可以從效率、體積等方面彌補(bǔ)線性電源的不足，采用數(shù)字控制系統(tǒng)，可以方便實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的控制算法，使得數(shù)字電源能夠適應(yīng)于非線性負(fù)載，具有良好的動(dòng)態(tài)性能。同時(shí)，數(shù)字化高頻逆變電源會(huì)造成比較嚴(yán)重的電磁干擾，需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中針對(duì)交流輸出濾波結(jié)構(gòu)和濾波參數(shù)、控制以及驅(qū)動(dòng)電路著重設(shè)計(jì)。

本文闡述了基于采用320F2812PGFA數(shù)字控制芯片的方案進(jìn)行了中頻數(shù)字電源的完整設(shè)計(jì)，其硬件組成主要包括控制電路、檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路、主功率電路以及輔助電源部分。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)方案的仿真驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了雙閉環(huán)瞬時(shí)控制，最后試驗(yàn)初步驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性。

1.硬件電路設(shè)計(jì)

采用單相全橋逆變電路，輸出濾波采用二階LC模式，單相輸出電壓為115V/400Hz，1.5KW。

圖1 主電路結(jié)構(gòu)圖

1.1 主電路及濾波器設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖1）

該部分電路主要包括全橋電路、輸出濾波部分、輸出變量檢測(cè)部分。

根據(jù)樣機(jī)輸出功率指標(biāo)，功率器件電壓應(yīng)力為180V，電流應(yīng)力為18.4A，根據(jù)1.5～2倍的裕量為準(zhǔn)則，選定功率MOSFET IXFH40N30為主開(kāi)關(guān)管。

輸出濾波部分采用差模濾波與共模濾波相結(jié)合的濾波方式。差模濾波部分為傳統(tǒng)的LC二階濾波電路：

1）濾波電感設(shè)計(jì)

輸出濾波器的電流紋波決定了電感的最小值，取額定電流值10%作為紋波設(shè)計(jì)：

式中，ΔI表示紋波電流。

計(jì)算電感量的方程組為：

式中，VDC表示直流母線電壓，uo表示交流輸出瞬時(shí)電壓，L表示濾波電感，D(t)表示占空比，f表示開(kāi)關(guān)頻率。

則可以得出：

進(jìn)一步有：

為了確保電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，逆變器能夠向電網(wǎng)中有效回饋電流，取Vdc=180V，開(kāi)關(guān)頻率f=25.6kHz，得：

實(shí)際電路中取電感為0.6mH，而該電感計(jì)算值僅為靜態(tài)電感值，當(dāng)系統(tǒng)額定功率運(yùn)行時(shí)，根據(jù)輸入電壓考慮直流偏置影響，實(shí)際運(yùn)行參數(shù)大概為0.3～0.4mH。

2）濾波電容的設(shè)計(jì)

電容和電感構(gòu)成的LC低通濾波器，對(duì)高于其諧振頻率的高次諧波將以40dB/decade衰減，設(shè)計(jì)其諧振頻率為10～20倍的基波頻率，本文取10。

式中，fs表示基波頻率，代入數(shù)據(jù)得，C=5.3μF?？紤]到實(shí)際電容購(gòu)買的通用性，實(shí)際工程中取電容為6.8μF。

圖2 驅(qū)動(dòng)電源原理圖

輸出電壓、電流檢測(cè)分別采用磁隔離霍爾元器件CSB2-10m A、CSNE151-100。

3）共模濾波器設(shè)計(jì)

共模濾波器采用共模電感和Y電容相結(jié)合的方式，在交流輸出端，本系統(tǒng)中選擇Y電容兩端增加共模電感的結(jié)構(gòu)，抑制系統(tǒng)輸出共模干擾的同時(shí)，也可以抑制外界負(fù)載產(chǎn)生的共模干擾進(jìn)入系統(tǒng)。共模電感采用鐵鎳材料環(huán)形磁芯，該型材具有高磁導(dǎo)率，不易飽和，高頻濾波效果好的特點(diǎn)，并且對(duì)外電磁輻射較低，適用于共模濾波電感。

1.2 控制電路設(shè)計(jì)

該控制電路采用TI公司專門為電力電子行業(yè)設(shè)計(jì)的高速控制芯片320F2812，該控制芯片通過(guò)內(nèi)部倍頻，時(shí)鐘頻率可以達(dá)到150M，內(nèi)置12位高精度AD轉(zhuǎn)換器以及CAN、SCI、SPI等多種外設(shè)，尤其是專門適用于電力電子控制的EVA和EVB事件管理器，方便了系統(tǒng)設(shè)計(jì)并可以利用其高速性能實(shí)現(xiàn)電力電子中高性能控制方案設(shè)計(jì)。

由于通用CPU上電初始化為高電平，所以采用反向邏輯芯片74HC240作為電平轉(zhuǎn)換芯片并驅(qū)動(dòng)后級(jí)電路，同時(shí)為防止DSP內(nèi)部弱信號(hào)數(shù)字地與模擬地之間交叉干擾，采用電感隔離的方式抑制高頻串?dāng)_信號(hào)。

為抑制功率電路部分對(duì)控制電路板的干擾，控制電路板采用四層布線，增加了電源和地的內(nèi)層，降低地線環(huán)路阻抗，增強(qiáng)控制電路板適應(yīng)環(huán)境能力，同時(shí)，系統(tǒng)采用層疊布局方式，將控制電路板平行固定在功率板下面，這種布局方式可以有效抑制強(qiáng)電（尤其是感容性元件）對(duì)弱電信號(hào)的電磁干擾。

1.3 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

電路采用交流霍爾傳感器檢測(cè)輸出變量，則需要將采樣交流量轉(zhuǎn)化為直流量并進(jìn)行電壓量級(jí)變換進(jìn)入DSP內(nèi)置AD，同時(shí)在不影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的前提下，又通過(guò)硬件電路配置了二階低通模擬濾波器，可充分抑制檢測(cè)信號(hào)中的干擾。同時(shí)對(duì)輸出進(jìn)行過(guò)流以及短路保護(hù)，過(guò)載通過(guò)CPU軟件進(jìn)行判斷，當(dāng)過(guò)載120%并維持180s時(shí)，系統(tǒng)判斷為過(guò)載，關(guān)閉系統(tǒng)。而當(dāng)系統(tǒng)電流超過(guò)120%時(shí)，認(rèn)為短路，直接關(guān)閉系統(tǒng)，并進(jìn)行故障提示。

1.4 輔助電源設(shè)計(jì)

如圖2所示，輔助供電電源，一部分為驅(qū)動(dòng)芯片供電，另一部分為控制電路以及檢測(cè)電路供電，該輔助電源采用單端反激控制方式，該電路就具有結(jié)構(gòu)控制簡(jiǎn)單，對(duì)輸入電壓范圍要求比較低，元器件少等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 系統(tǒng)控制原理圖

2.控制方案設(shè)計(jì)

近幾年，為了克服傳統(tǒng)控制方案的不足，許多改進(jìn)的控制方案都成為研究熱點(diǎn)。應(yīng)用較多的有：電壓?jiǎn)苇h(huán)PID控制，電壓電流雙閉環(huán)控制，滯環(huán)控制，重復(fù)控制，滑模變結(jié)構(gòu)控制等。其中，采用瞬時(shí)值控制方案可以在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)地調(diào)控輸出電壓波形，提高逆變電源的供電質(zhì)量。目前，采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方案是高性能逆變電源的發(fā)展方向之一。雙閉環(huán)控制方案的電流內(nèi)環(huán)加大了逆變器控制系統(tǒng)的帶寬，使得逆變器動(dòng)態(tài)響應(yīng)加快，輸出電壓的諧波含量減小，非線性負(fù)載適應(yīng)能力加強(qiáng)。

在雙閉環(huán)控制方案中，又分為電容電流內(nèi)環(huán)和電感電流內(nèi)環(huán)兩種，基于對(duì)逆變電源輸出過(guò)載的保護(hù)，本文采用了電感電流內(nèi)環(huán)控制方案，起到輸出過(guò)載保護(hù)的作用。

2.1 雙閉環(huán)控制方案分析

忽略電感L、電容C的寄生電阻，控制框圖如圖3所示?？刂品桨覆捎秒p環(huán)控制策略，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)控制，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能；外環(huán)是瞬時(shí)電壓環(huán)控制，改善輸出電壓的波形，使系統(tǒng)具有較高的輸出精度。其中L為濾波電感值，C為濾波電容值，K2為內(nèi)環(huán)電流檢測(cè)系數(shù)，K 1為外環(huán)電壓檢測(cè)系數(shù)，KPWM為PWM環(huán)節(jié)等效增益。輸出電壓與給定參考信號(hào)相比較得到的誤差信號(hào)經(jīng)瞬時(shí)電壓PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，其輸出作為內(nèi)環(huán)電流的給定信號(hào)。反饋電感電流與內(nèi)環(huán)給定信號(hào)比較，誤差信號(hào)經(jīng)內(nèi)環(huán)P調(diào)節(jié)器，得到內(nèi)環(huán)的控制信號(hào)，即調(diào)制波信號(hào)，最后送入PWM控制器，與載波比較產(chǎn)生SPWM脈沖。

由于外環(huán)的瞬時(shí)PI調(diào)節(jié)無(wú)法完全消除靜差，所以本論文設(shè)計(jì)中加入了輸出電壓有效值的閉環(huán)控制，充分消除了輸出的穩(wěn)態(tài)誤差。方案中采用的控制器如下：

2.2 控制算法設(shè)計(jì)

數(shù)字控制部分主要實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制功能、過(guò)壓過(guò)流定時(shí)判斷功能，以及實(shí)現(xiàn)畸變率控制等指標(biāo)性能。DSP主要完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的運(yùn)算和控制信號(hào)的輸出；外圍電路主要的作用是輸出模擬信號(hào)的采樣、與DSP接口的電平轉(zhuǎn)換、控制信號(hào)的輸出等。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4 試驗(yàn)波形

如圖4所示，低壓調(diào)試輸出功率100W，輸出波形正弦度較理想，經(jīng)諧波分析儀測(cè)試，輸出電壓畸變率在3%左右，初步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了硬件電路以及軟件控制方案的正確性。

4.結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)單相逆變電源進(jìn)行了硬件以及軟件設(shè)計(jì)，并著重分析設(shè)計(jì)了輸出濾波器的結(jié)構(gòu)以及參數(shù)，通過(guò)MATLAB仿真并初步試驗(yàn)，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的有效性，為中頻數(shù)字逆變電源的后續(xù)試驗(yàn)及研發(fā)改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。

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