基于DSP芯片TMS320LF2407A的超聲電源系統(tǒng)的控制 2011-05-08 15:16:09來源:互聯(lián)網(wǎng)

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本文利用高速TMS320LF2407A型DSP控制芯片設計了系統(tǒng)的控制電路，采用全橋逆變器作為超聲振動系統(tǒng)的功率轉換主電路，解決由于負載溫度變化等原因產(chǎn)生諧振頻率的漂移，保證系統(tǒng)的高效率。這里研究了粗精復合的頻率跟蹤方案，采用掃頻方法實現(xiàn)頻率粗跟蹤，采用硬件鎖相環(huán)實現(xiàn)精跟蹤。這兩種方法的結合既保證在較寬的頻率變化范圍內(nèi)實現(xiàn)頻率自動跟蹤，又保證跟蹤的快速、準確。為適應負載變化的要求，采用軟開關的PS-PWM控制方法，使系統(tǒng)的輸出功率連續(xù)可調(diào)。

　　1 主電路拓撲分析

　　超聲電源的主電路采用全橋逆變拓撲結構，如圖1所示。其中：Z1～Z4為功率主開關管;D1～D4為Z1～Z4內(nèi)部反并聯(lián)寄生二極管;C1～C4為外接并聯(lián)電容或者功率管的寄生電容;T為高頻脈沖變壓器;L0為串聯(lián)調(diào)諧匹配電感;PZT為超聲換能器。

　　

　　逆變器部分利用功率管寄生電容和并聯(lián)電容，以及變壓器的漏感實現(xiàn)軟開關零電壓移相控制(ZVS-PSP-WM)的方式。零電壓開關是依靠功率開關管反并聯(lián)二極管的導通實現(xiàn)功率器件零電壓開通;通過功率諧振電容的充電過程來實現(xiàn)功率器件的零電壓關斷。

　　在一個開關周期內(nèi)，移相控制有12種開關模塊，在分析之前，做出如下假設：

　　(1)電路中所有的開關器件Z1～Z4和與其反并聯(lián)二極管D1～D4均為理想開關器件;

　　(2)所有的電感、電容為理想元件且不考慮線路的雜散電感值;

　　(3)不考慮死區(qū)加入對逆變器工作的影響;

　　(4)逆變器的輸入電壓為恒定電壓源。

　　移相控制逆變器的4個開關管驅(qū)動波形如圖2所示。逆變器每個橋臂的2個功率管成180°互補導通，2個橋臂的導通角相差1個相位，即移相角。Z1，Z2為定相臂，Z3，Z4為移相臂。其中Z1和Z2分別先于Z3和Z4導通，移相角為φ，調(diào)節(jié)φ大小即可改變逆變器的輸出電壓，從而調(diào)節(jié)輸出的正弦波電流幅值，使得輸出功率可以調(diào)節(jié)。

　　

　　逆變器的工作過程中，功率開關管的導通和關斷時間恒定。同一橋臂的兩個開關管導通和關斷，需要一定的延時時間，防止上下橋臂直通，保證開關管的安全。

　　2 控制策略

　　下面對主電路控制策略的工作過程進行作進一步分析，逆變器在工作過程中，功率開關管的導通和關斷時間恒定。導通順序為Z1→Z4→ Z2→Z3，同一橋臂2個開關管的導通和關斷，需要一定延時時間，防止上下橋臂直通，保證開關管的安全。

　　PS-PWM功率控制的逆變電路在1個周期內(nèi)的主要有以下幾種工作模態(tài)，如圖3所示。

　　

　　(1)工作模式1[t0時刻](見圖3(a))：在t0時刻，Z1和Z4同時導通，電流i的流向：Z1→R→L→C→Z4。

　　(2)工作模式2[t0，t1](見圖3(b))：在t0時刻關斷Z1，電流i給C1充電，C3的電荷被抽走。C1的電壓從零開始線性上升，C3的電壓從E開始線性下降，Z1是ZVS關斷。

　　(3)工作模式3[t，t2](見圖3(c))：t1時刻，C3的電壓下降到零，D3自然開通，將Z3箝位在零，此時開通Z3，Z3是ZVS開通，此時Z3中沒有電流流過。

　　(4)工作模式4[t，t3](見圖3(d))：在t2時刻關斷Z4，電流i抽走C2的電荷，同時給C4充電。Z4的電壓從零開始上升，Z4是ZVS關斷。t3時刻，C4上的電壓上升到E，即C2上電荷量為零時，D2自然導通。

　　(5)工作模式5[t3，t4](見圖3(e))：t3時刻，D2導通，將Z2箝位在零，此時Z2開通，因此Z2是ZVS開通。雖然Z2開通，但沒有電流流過。t4時刻，D2，D3自然關斷，Z2和Z3中將流過電流。

　　(6)工作模式6[t4，t5](見圖3(f))：在t4時刻，電流由正方向過零，并向負方向增加，電流i的流向：Z2→C→L→R→Z3。到t5時刻，Z3關斷，逆變器開始另一半周期的工作，工作情況類似上述半個周期。

　　3 軟件設計

　　在此結合高性能DSP數(shù)字芯片設計了一種新穎的超聲波電源控制系統(tǒng)，其整個系統(tǒng)硬件設計框圖如圖4所示。DSP采用TMS320LF2407A，外擴FLASH采用CY7C1021V33-122芯片，PWM為脈沖輸出，分別由PWMl，PWM2，PWM3，PWM4引出，并經(jīng)過集成驅(qū)動隔離送至IGBT，控制其導通與關閉。Iset為給定電路，Io，Id，Udt分別為負載電流、逆變器的直流輸入電流和電壓，將這3路信號分別送至各自的調(diào)理電路，經(jīng)過調(diào)理送入DSP的A/D接口。如遇到外部故障，如過熱等，向DSP發(fā)出中斷請求，實施保護。