DSP平台的数控逆变中频电源的设计与实现

摘要：应用数字处理技术，研究了基于DSP的数字化控制的中频逆变电源。给出了基于IGBT的主电路拓扑结构，分析了其控制原理，采用基于TMS320F2407型DSP为核心的控制系统，实现串联谐振中频逆变电源的数字化控制，以满足系统控制的实时性和灵活性要求。研制了一台10kW/10kHz的逆变电源样机进行实验，实验结果验证了设计的有效性和可行性。

引言

随着电力电子技术、信号处理技术及计算机控制技术的迅速发展和广泛应用，对逆变电源的性能及效率等要求也越来越高。串联谐振中频逆变电源是感应加热的关键设备，在现代工业生产中，熔炼金属及对工件进行透热、淬火和弯管等，常常采用中频(150Hz~20kHz)谐振逆变电源装置作为感应加热电源。

传统的串联谐振中频逆变电源控制仍然多为模拟控制或模拟与数字相结合的控制系统^[1-2] ，存在如控制电路结构复杂、采用较多的元器件，体积庞大、电源一致性差;系统工作不稳定、控制精度不高、开发调试复杂等缺点。克服以上缺点的方法是应用数字处理技术，将传统的模拟电源升级改造为数字化电源(DPS：Digital Power Supply)。数字电源控制电路的核心器件是数字信号处理器(DSP)，通过微处理器的精确运算来控逆变电源的各项性能和工作全过程，使控制电路高度集成、简化，且实现了数控化。本文设计了基于DSP芯片TMS320LF2407的10kW/10kHz 的串联谐振中频逆变电源，并通过试验验证了该设计方案的有效性和可行性。

中频逆变电源设计

电源主电路设计

串联谐振中频逆变电源系统主电路结构如图1所示。三相380V/50Hz交流电经空气开关、熔断器后加到由二极管模块组成的三相不控整流桥，三相整流桥输出的直流电压Ud经电解电容Cd滤波成平直的电压，再加到由四个IGBT和四个反并联二极管组成的单相全桥逆变器，逆变器输出的电压Uo经中频变压器T隔离并降压后送到由补偿电容C和负载感应器Lo组成的串联谐振电路的两端。中频变压器T用于负载匹配，感应线圈等效电感Lo和电阻R以及谐振电容C组成变压器次级串联谐振槽路。

串联谐振逆变电源工作原理

串联谐振逆变电源等效电路如图2所示，其移相控制原理及工作过程分析如下^[3]：

图2所示的主电路的控制采用了如图3所示的移相控制策略。其基本原理是：检测逆变器输出电流 利用其过零点来产生滞后桥臂管VT4的驱动信号

数字锁相环(DPLL)控制

串联谐振逆变电路工作在谐振状态时，谐振回路呈电阻性，工作频率等于负载的谐振频率。由于逆变输出所接负载的规格不同，感应线圈的等效电感和等效电阻也将改变，谐振频率会发生变化，如果不改变逆变电路IGBT的驱动频率，将使逆变器偏离谐振点，不仅使逆变桥上IGBT偏离零电流开关点，而且引起开关损耗增大，当逆变器工作频率高于负载谐振频率较大时，在一定的P值下，还会使负载阻抗增大，逆变器的无功功率增加，输出功率因数下降，功率容量不能充分利用。因此逆变控制系统必须具备频率跟踪功能，使逆变器的工作点保持在谐振点附近，从而实现IGBT的ZCS开关，并且有效利用逆变器的输出功率容量。一般的频率跟踪采用锁相环控制(PLL)，通过检测输出电压和电流的相位差，控制锁相环电路的触发信号输出频率，达到频率跟踪的目的。本设计采用基于DSP技术的数字锁相环(DPLL)来实现频率的自动跟踪^[4]。

基于DSP的控制系统设计

串联谐振中频逆变电源系统结构框图如图4所示。电源控制系统采用以TMS320LF2407为控制核心的硬件控制平台，传感器采集的各种检测信号经转换后作为DSP的输入信号，DSP根据检测输入的信息对系统进行实时控制，逆变器中功率主开关管的驱动信号由DSP的事件管理模块EV产生，并对最终产生的PWM波形输出进行死区控制;通过对负载电流和电压的检测、采样、滤波、电平转换和A/D 变换处理后，与给定频率作比较，进行频率锁相跟踪及移相功率控制;当过流或过压等故障信号产生时，硬件电路会封锁逆变器的触发信号来实现保护功能，同时，保护信号会使中断口XINT发生中断，立即进行系统的其他保护处理。系统具有电压、电流、工作频率及谐振频率等各项参数的显示;电路设有过流、过压、过热、缺相等全面的保护系统，并指示出各种故障便于维修;同时，还具有上下位机通讯功能，可以实现远程网络化控制或用计算机自动控制^[5]。

控制软件设计采用模块化设计思想，将程序分为主程序、逆变控制处理子程序、参数修改子程序、上位机通信子、保护子程序和显示子程序等几大模块。控制系统主程序完成系统的初始化，它是整个程序最主要的部分，主程序流程图如图5所示。它包括对I/O口的初始