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)的基礎課程[1-2],該課程既包括理論授課，也開設有相關的課程實驗,在其中的旋轉變壓器實驗中,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備支撐。

國內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,結合二次開發(fā)、功能拓展的創(chuàng)新實驗需求,設計、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；

(3) 具有后續(xù)功能開發(fā)、拓展的余地。

1 電源總體方案設計

數(shù)字化中頻交流電源的整體結構設計方案見圖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,進而生成驅動控制信號,驅動控制信號經(jīng)過驅動電路后,實現(xiàn)對逆變電路中電力電子器件的開關控制。人機接口電路的設計是為了在實驗過程中便于實驗人員對電源的操控。

圖1 總體結構框圖

2 硬件電路設計

2.1 整流電路設計

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構,具體結構見圖2。

圖2 整流電路結構框圖

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構,見圖3。具體器件型號為三菱公司的智能功率模塊PS21765,該智能功率模塊內部不僅包含有IGBT器件,而且還集成了驅動和過流保護等電路,可有效簡化外圍電路的設計。為了進一步提高模塊內IGBT的安全性,在模塊外增設了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 逆變電路拓撲結構

2.3 采集電路設計

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,具體電路結構見圖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 驅動電路設計

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導通信號EPWM1A和反向導通信號EPWM1B經(jīng)過電氣隔離和邏輯互鎖處理后,生成對應的PWM1A和PWM1B信號,才最終送至智能功率模塊的對應驅動輸入引腳。IGBT驅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驅動脈沖互鎖電路

2.6 人機接口電路

人機接口電路由旋轉可調電位器和液晶顯示屏兩部分構成,實驗操作人員利用旋轉可調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(對應輸出電壓有效值為0～70 V),并將結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點陣式結構,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構。

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可調電位器的分壓幅值,并將其轉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。并且所設計的電源從中央處理器功能、軟件模塊化結構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定值,即可變成單相變頻電源,甚至可調直流電源。

[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計[J].實驗技術與管理,2016,33(9):100-105.

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

[5] 仲鵬達,朱江,章子健,等. 降壓型直流開關穩(wěn)壓電源實驗裝置設計[J]. 實驗技術與管理,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電源電路設計[J]. 實驗技術與管理,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計[J]. 電力電子技術,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]. 電工技術學報,2012,32(10):77-82.

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