張紅彩，田看麗，陳晨，張旺，張奎華

（1.北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076； 2.北京市振動測試設(shè)備工程技術(shù)研究中心，北京 100076）

引言

功率放大器是電動振動測試系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，主要由直流電源、主電路、控制電路、輸出濾波器和顯示通訊電路等幾部分組成[1]，它能夠?qū)⒖刂破靼l(fā)出的微小控制信號經(jīng)過電力電子變換后得到功率放大的信號，從而驅(qū)動振動臺動圈按照設(shè)定的運動軌跡進(jìn)行振動[2]。

傳統(tǒng)功率放大器普遍都是模擬控制系統(tǒng)[3]，電路結(jié)構(gòu)比較簡單，但是分立元件多，可靠性差。隨著數(shù)字電路技術(shù)的發(fā)展，尤其是DSP技術(shù)的應(yīng)用，國內(nèi)外功率放大器廠商也都相應(yīng)的進(jìn)行數(shù)字化研究工作，數(shù)字PWM調(diào)制和PID控制算法都在DSP中實現(xiàn)[4,5]，取得了一定的試驗研究效果，但是由于DSP輸出通道數(shù)的限制以及控制效果不佳等原因，并沒有應(yīng)用到實際產(chǎn)品當(dāng)中。倒是功放操作界面方面由于單片機(jī)或者PLC技術(shù)的應(yīng)用得到了不少提升，從傳統(tǒng)按鍵和模擬表頭升級為電阻觸摸屏，操作更加方便，顯示信息更加豐富[6]。

在逆變主電路方面，傳統(tǒng)功率放大器一般采用全橋逆變電路[7]，結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，控制方式成熟。隨著航天、航空、武器、鐵路等軍民領(lǐng)域的迅速發(fā)展，越來越多的產(chǎn)品對振動試驗的振動量級和振動設(shè)備本身長時間工作的可靠性提出更高的要求，而在大功率設(shè)備應(yīng)用中，全橋逆變電路的功率開關(guān)器件往往處于高頻工作狀態(tài)，發(fā)熱量大，其散熱系統(tǒng)和濾波系統(tǒng)設(shè)計比較困難，所以功率難以提升，系統(tǒng)效率也隨之降低。為了提高輸出功率密度，水冷散熱技術(shù)成功應(yīng)用在大功率輸出功放系統(tǒng)中[8,9]，高效提升了全橋逆變電路的輸出能力，但是水冷散熱結(jié)構(gòu)的高工藝成本和介質(zhì)泄露風(fēng)險也一直備受詬病。

針對上述問題，本文提出一種大功率全數(shù)字功率放大器設(shè)計方法，基于ARM+FPGA全數(shù)字控制技術(shù)以及多重化載波移相逆變技術(shù)，采用風(fēng)冷散熱方式就能獲得大功率輸出能力，極大提高了功率放大器的功率密度。根據(jù)該方法研制了一套功率放大器樣機(jī)，測試結(jié)果顯示功放運行穩(wěn)定可靠，性能指標(biāo)良好。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

大功率全數(shù)字功率放大器主要由操作界面、系統(tǒng)數(shù)字控制電路、模塊數(shù)字控制電路、輸出反饋電路、IGBT驅(qū)動電路、直流電源電路、功率逆變電路、濾波電路等幾部分組成，如圖1所示。操作界面提供友好的人機(jī)交互界面，以方便使用者操作、維護(hù)和搜集設(shè)備信息。系統(tǒng)數(shù)字控制電路負(fù)責(zé)采集整個振動臺系統(tǒng)以及功放內(nèi)部各種運行狀態(tài)參數(shù)并進(jìn)行前期信號調(diào)理，判斷功放連鎖保護(hù)邏輯，然后與操作界面通訊控制功放啟停。模塊數(shù)字控制電路接收功放給定控制信號和輸出反饋信號，經(jīng)過數(shù)字控制算法和數(shù)字脈寬調(diào)制運算處理得到PWM驅(qū)動信號，然后輸送到IGBT驅(qū)動模塊，從而控制功率模塊逆變電路開關(guān)管的通斷。輸出反饋電路負(fù)責(zé)采集模塊輸出的電壓和電流，然后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳送給功放控制系統(tǒng)。IGBT驅(qū)動電路將控制電路輸出的PWM驅(qū)動信號進(jìn)行隔離和放大，為IGBT開關(guān)過程提供充足的驅(qū)動功率。直流電源電路從電網(wǎng)取得380 V交流電壓，通過整流、濾波為功率逆變電路提供直流電壓。功率逆變電路是由IGBT開關(guān)器件構(gòu)成的逆變電路，它將直流電源電路整流而來的直流電壓逆變成PWM脈沖交流電。濾波電路將逆變電路輸出的PWM脈沖波形進(jìn)行低通濾波，從而得到功率放大的控制信號驅(qū)動振動臺工作。

圖1 大功率全數(shù)字功率放大器系統(tǒng)框圖

2 功率逆變電路設(shè)計

功率逆變電路是由全控器件IGBT構(gòu)成的多重化載波移相逆變電路，是整個功率放大器功率變換的核心，它將直流電源電路整流而來的直流電壓逆變成PWM脈沖交流電，再通過LC低通濾波電路得到所需的波形，然后送入振動臺動圈。圖2所示虛線框內(nèi)為功率逆變和濾波電路結(jié)構(gòu)圖，上下半橋各由三個IGBT橋臂組成，每個橋臂的開關(guān)頻率為25 kHz，橋臂輸出端經(jīng)過濾波電感后在a、b點進(jìn)行疊加，然后并聯(lián)濾波電容后輸出給負(fù)載RL。每個橋臂組合采用相同的調(diào)制的信號，各三角載波的相位相互錯開三角載波周期的1/3，即120 °，載波移相輸出疊加之后的等效開關(guān)頻率為每個橋臂開關(guān)頻率的3倍[10]。而上下半橋之間采用單極性倍頻調(diào)制技術(shù)，即上下半橋所用的調(diào)制信號極性相反，這樣a、b點之間輸出波形的等效開關(guān)頻率為每個半橋開關(guān)頻率的2倍。因此，最終a、b點之間輸出波形的等效開關(guān)頻率為每個橋臂開關(guān)頻率的6倍，也就是150 kHz。

圖2 功率逆變和濾波電路結(jié)構(gòu)圖

為了更加直觀的理解多重化載波移相逆變電路工作原理，將三角載波的頻率設(shè)為5 kHz，調(diào)制波的頻率設(shè)為1 kHz，濾波電感設(shè)為100 uH，去掉濾波電容，功率逆變電路仿真波形如圖3所示。其中，Vma是上半橋的調(diào)制信號，Vmb是下半橋的調(diào)制信號，Vcarr1、Vcarr2、Vcarr3分別是上半橋三個橋臂的三角載波信號，它們之間的相位相互錯開120 °，Va是a點的波形，VL是負(fù)載兩端波形。從仿真波形圖中可以看出，a點波形的開關(guān)頻率是載波頻率的3倍，負(fù)載兩端波形的開關(guān)頻率是載波頻率的6倍，并且獲得7電平輸出。

圖3 功率逆變電路仿真波形圖

3 系統(tǒng)數(shù)字控制電路設(shè)計

系統(tǒng)數(shù)字控制電路主要包含主控ARM處理器、主控FPGA、信號濾波與調(diào)理電路、模擬驅(qū)動電路、AD采樣電路、DA轉(zhuǎn)換電路、保護(hù)狀態(tài)輸入輸出電路、數(shù)字增益調(diào)節(jié)電路、CAN總線接口電路、以太網(wǎng)接口電路以及觸摸顯示電路等，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)數(shù)字控制電路框圖

系統(tǒng)數(shù)字控制電路采用ARM作為核心CPU，掛載WinCE操作系統(tǒng)，實現(xiàn)對FPGA擴(kuò)展的AI、AO、DIO和CAN總線等功能的操作。主控ARM芯片采用意法半導(dǎo)體的STM32F4X系列MCU作為主處理芯片，基于ARM的Cortex-M4內(nèi)核，主頻最高達(dá)168MHz，內(nèi)部FLASH高達(dá)1 MB，片上RAM達(dá)192 KB。主控ARM通過串口與觸摸液晶屏通信，實現(xiàn)操作界面UI的控制，同時通過片上以太網(wǎng)接口與遠(yuǎn)程終端電腦通信，用于實現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)產(chǎn)生的運行日志則存儲于SPI FLASH中，便于USB接口導(dǎo)出日志。STM32F4X系列支持1路USBOTG，這樣可以實現(xiàn)U盤的內(nèi)存讀寫和操作。主處理器通過片上GPIO點亮系統(tǒng)運行指示燈，如電源、預(yù)備、報警指示燈等。

主控FPGA芯片主要用來控制AI、AO、IO和CAN協(xié)議芯片的底層時序和接口，并進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理，相當(dāng)于主控ARM的協(xié)處理器。主控FPGA通過ADC采集實現(xiàn)對系統(tǒng)的三相電壓、總輸出電壓及電流的監(jiān)控，通過CAN總線與各個功率模塊控制板通信，實現(xiàn)對各模塊控制板的調(diào)度及控制。由于功率放大器處在高頻開關(guān)環(huán)境中，功放柜和功率模塊中都存在大量電磁干擾和電磁輻射，各種進(jìn)出電路接口的模擬量和開關(guān)量容易受到環(huán)境干擾，相互之間也容易互相串?dāng)_，因此基礎(chǔ)濾波是必不可少的，此外還要做好各種信號隔離電路設(shè)計。各通道信號通過隔離運放和獨立供電實現(xiàn)互相電氣隔離，并與板內(nèi)電路電氣隔離。各通道開關(guān)量處理起來相對容易，通過光耦隔離芯片即可實現(xiàn)電氣隔離。

4 模塊數(shù)字控制電路設(shè)計

模塊數(shù)字控制電路包含數(shù)字脈寬調(diào)制和數(shù)字控制算法，可以說是整個功率放大器數(shù)字化的關(guān)鍵所在。模塊數(shù)字控制電路框圖如圖5所示，模塊輸入信號和輸出反饋信號通過信號調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生數(shù)字信號，該數(shù)字信號通過FPGA的I/O端口輸入到FPGA的PID算法模塊，該模塊用于產(chǎn)生PWM調(diào)制所需的調(diào)制波。FPGA通過三角波產(chǎn)生模塊生成的載波和調(diào)制波通過PWM調(diào)制模塊進(jìn)行SPWM調(diào)制，從而得到多通道、高精度PWM輸出波形，最終輸出到IGBT驅(qū)動電路。

圖5 模塊數(shù)字控制電路框圖

模塊數(shù)字控制電路核心FPGA芯片選用ALTERA公司生產(chǎn)的Cyclone IV系列EP4CE115F29I7N芯片，該芯片是Cyclone IV系列中資源最豐富的一款，擁有114480個邏輯單元，528個I/O端口，3888 kbit內(nèi)存，此外還具有266個嵌入式乘法器，非常適合實現(xiàn)載波移相計算和電壓電流雙閉環(huán)控制算法，滿足12路高精度PWM輸出要求。

整個功率放大器控制系統(tǒng)由1個電壓外環(huán)和多個電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成，每個功率模塊控制器內(nèi)部有1個電流內(nèi)環(huán)，如圖6所示。電壓外環(huán)通過跟蹤功放輸入譜型信號控制功放總輸出電壓，經(jīng)過PID運算處理后的外環(huán)輸出信號作為功率模塊控制器的輸入信號。功率模塊內(nèi)部采用電感電流作為內(nèi)環(huán)反饋信號，對電感電流進(jìn)行控制可以實現(xiàn)對輸出電壓的微分超前控制，這樣一來功率放大器不僅響應(yīng)速度快，而且具有很強(qiáng)的負(fù)載適應(yīng)能力，每個模塊能夠根據(jù)自身輸出電流信號與電流給定信號的差值進(jìn)行PWM調(diào)制，自動實現(xiàn)均流。使用數(shù)字PID控制算法能夠獲得更高的可靠性，便于維護(hù)，而且控制算法靈活，便于在線修改方案。

圖6 控制系統(tǒng)框圖

5 驅(qū)動電路設(shè)計

驅(qū)動電路基于瑞士CONCEPT公司的雙通道、大功率驅(qū)動模塊2SC0435T而設(shè)計，如圖7所示，主要包含以下幾個部分：控制信號接口電路、電源濾波電路、輸入信號調(diào)理電路、錯誤信號處理電路、死區(qū)時間生成電路、IGBT接口電路、有源箝位電路、過流保護(hù)電路和IGBT吸收電路。

圖7 驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)框圖

控制信號接口電路是控制模塊和功率模塊之間負(fù)責(zé)信號傳輸?shù)碾娐?，它的主要功能是將功放控制模塊給出的調(diào)制信號一分為二，分別給兩個半橋模塊驅(qū)動，同時交換使能信號和保護(hù)信號。輸入信號調(diào)理電路接收控制信號接口電路傳輸過來的PWM信號，然后進(jìn)行濾波、整形處理后傳送給驅(qū)動芯片。錯誤信號處理電路接收驅(qū)動芯片傳輸過來的錯誤信息，然后進(jìn)行上拉、鉗位、緩沖處理后傳送給控制信號接口電路。死區(qū)時間生成電路為驅(qū)動芯片提供死區(qū)時間，防止上下橋臂直通。有源箝位電路用來鉗住IGBT的集電極電位，使其不要到達(dá)太高的水平，避免IGBT在故障狀態(tài)關(guān)斷時電壓尖峰過高而損壞。過流保護(hù)電路通過檢測IGBT集電極-發(fā)射極電位，送入驅(qū)動芯片進(jìn)行比較，在集電極-發(fā)射極電壓超過預(yù)設(shè)的閾值時，立即關(guān)斷IGBT，從而保護(hù)IGBT不會因過流或者短路而燒毀，提高系統(tǒng)可靠性。IGBT吸收電路用來吸收IGBT在開通和關(guān)斷時產(chǎn)生的電壓尖峰。

6 操作界面設(shè)計

大功率全數(shù)字功率放大器設(shè)計了本地觸摸屏和遠(yuǎn)程監(jiān)控電腦兩種操作界面，兩種界面通過設(shè)置選項決定單一操作界面進(jìn)行控制，另一操作界面失去控制功能，但仍然可以查看功放運行狀態(tài)信息。本地觸摸顯示屏采用7英寸電容屏，分辨率800×400，5點電容觸控，RGB屏幕，觸摸屏顯控軟件基于Linux操作系統(tǒng)。相比電阻觸摸屏，電容觸摸屏操作更加便利、流暢，視覺效果好，清晰度高。遠(yuǎn)程操作界面采用Visual Studio平臺MFC進(jìn)行開發(fā)，和本地觸摸屏操作界面完全一樣，便于用戶操作使用。振動臺系統(tǒng)操作界面采用主窗口與子窗口相結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)計，其中主窗口包含5個界面，子窗口包含8個界面，主要結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 操作界面結(jié)構(gòu)框圖

7 樣機(jī)試驗結(jié)果

圖9所示為大功率全數(shù)字功率放大器樣機(jī)，樣機(jī)由1個主柜和1個功率柜組成，功率柜內(nèi)部包含4個功率模塊，每個功率模塊額定輸出功率60 kVA，每個功率柜輸出功率可達(dá)240 kVA。機(jī)箱機(jī)柜全部采用風(fēng)冷散熱，樣機(jī)測試各項指標(biāo)均滿足要求，功率密度達(dá)到傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱功放的3倍。樣機(jī)中的觸摸屏為功放實際操作界面，界面觸摸敏感度高，視覺效果好，清晰度高，內(nèi)容豐富。

圖9 樣機(jī)實物

圖10所示為功放正弦掃頻實測輸出波形，1通道波形為輸出電壓波形，2通道波形為輸出電流波形，從圖中可以看出，輸出波形穩(wěn)定，信噪比高，失真度小。

圖10 實測功放輸出波形

8 結(jié)論

1）相比于全橋逆變電路，多重化載波移相逆變電路結(jié)構(gòu)能夠在較低的器件開關(guān)頻率工作下獲得較高開關(guān)頻率輸出效果，在提高裝置容量的同時，有效地減少輸出諧波，從而使得逆變電路IGBT工作更加穩(wěn)定可靠，功率模塊發(fā)熱量顯著降低，濾波系統(tǒng)容量變小，整個功率系統(tǒng)的性能指標(biāo)得到優(yōu)化，成本也得到降低，特別適合大功率設(shè)備應(yīng)用場合。

2）使用ARM作為功率放大器系統(tǒng)控制電路核心處理單元，功能強(qiáng)大，資源豐富，滿足網(wǎng)絡(luò)化和智能化的要求，具有靈活的二次開發(fā)、升級和擴(kuò)展能力。

3）基于FPGA的數(shù)字PWM調(diào)制技術(shù)帶來的多通道、高精度輸出的好處，可以方便實現(xiàn)多電平、多重化等復(fù)雜的電力變換技術(shù)，從而使功率放大器獲得優(yōu)越的性能。

4）基于FPGA的電壓電流雙閉環(huán)數(shù)字控制技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)功率模塊自動均流，而且有利于參數(shù)整定和變參數(shù)調(diào)節(jié)，便于通過改變算法實現(xiàn)多種方案及完成對不同領(lǐng)域的控制。

5）樣機(jī)實際測試效果良好，基于本文提出的大功率全數(shù)字功率放大器技術(shù)不僅適用于振動試驗領(lǐng)域，它更是一種大功率寬頻帶電源，對于其他電力電子逆變技術(shù)領(lǐng)域同樣具有參考意義。