電熱地膜交流耐壓檢測(cè)試驗(yàn)電源設(shè)計(jì)

高俊山　馬廣松　鄧立為

(哈爾濱理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱　150000)

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電熱地膜交流耐壓檢測(cè)試驗(yàn)電源設(shè)計(jì)

高俊山馬廣松鄧立為

(哈爾濱理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150000)

摘要：針對(duì)用于電熱地膜耐壓檢測(cè)試驗(yàn)的高壓交流電源，進(jìn)行了基于DSP方面的研究。采用單相橋式逆變電路以及T1公司生產(chǎn)的TMS320F2812控制芯片對(duì)SPWM信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源電壓的控制。采用數(shù)字PI控制器對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制，并在電源工作原理的基礎(chǔ)上完成了電源的軟硬件設(shè)計(jì)。實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了該電源系統(tǒng)應(yīng)用于電壓準(zhǔn)確控制的正確性及可行性，表明該電源能夠滿足電熱地膜耐壓檢測(cè)的實(shí)際需求。

關(guān)鍵詞：DSP耐壓檢測(cè)電熱地膜逆變電路PI控制器高壓交流電源整流濾波

0引言

近年來，隨著節(jié)能、低碳等環(huán)保理念的不斷深入人心，電熱地膜作為一種新型的供暖方式已逐步在我國北方地區(qū)得到推廣和使用。相對(duì)于傳統(tǒng)的供暖方式，電熱地膜具有熱轉(zhuǎn)換效率高、能耗低等特點(diǎn)[1]。電熱地膜的內(nèi)部由特殊的發(fā)熱電阻材料構(gòu)成，為了保障產(chǎn)品的電氣絕緣性能，要在其表面加裝一層PVC絕緣薄膜[2]。根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其表面PVC膜要能承受3 500 V以上的電壓。因此，該產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中要進(jìn)行耐高壓檢測(cè)試驗(yàn)，其中高壓交流電源是不可缺少的儀器[3]。目前，我國大多數(shù)高壓電源仍采用模擬控制的方式，試驗(yàn)裝置通常由調(diào)壓器和升壓變壓器等設(shè)備組成。這種電源體積龐大、操作復(fù)雜，不適合現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用的實(shí)際需求[4]。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)已經(jīng)日臻完善，將DSP當(dāng)作電源的控制器將是大趨勢(shì)。本文基于上述實(shí)際背景，介紹了一種基于DSP的高壓交流電源，最高輸出電壓為4 000 V，頻率為50 Hz,主要用于電熱地膜的耐壓檢測(cè)試驗(yàn)。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1為電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1　電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structure of the power supply system

首先，通過整流濾波將220 V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)?00 V左右的直流電。然后經(jīng)單相全橋逆變電路完成DC/AC環(huán)節(jié)的變換，再通過變壓器升壓得到3 500～4 000 V左右的交流高壓電，最后通過限流電阻將其加載到兩塊間隙為1 mm的極板上，供電熱地膜的耐壓檢測(cè)試驗(yàn)使用。其中DSP作為整個(gè)控制電路的核心，通過產(chǎn)生脈寬可調(diào)的SPWM信號(hào)控制逆變電路中4個(gè)MOSFET管的開關(guān)[5]。同時(shí)，在逆變環(huán)節(jié)中輸出的反饋信號(hào)經(jīng)采集后，送入DSP中進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，通過改變調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)。最后，DSP利用RS-232通信接口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，完成對(duì)電源電壓值的預(yù)設(shè)和監(jiān)測(cè)。

2高壓交流電源的硬件設(shè)計(jì)

2.1逆變電路設(shè)計(jì)

全橋逆變電路如圖2所示。這是本設(shè)計(jì)采用的主要電路，電路的主要組成部分是4個(gè)MOSFET管。

圖2　全橋逆變電路示意圖Fig.2　Schematic diagram of full bridge inverter circuit

通過DSP發(fā)出的SPWM信號(hào)來控制這4個(gè)MOSFET管的導(dǎo)通與截止，并采用雙極性調(diào)制方法。正弦調(diào)制信號(hào)μs=Usinωt,載波信號(hào)為μc。當(dāng)μs>μc時(shí)，開關(guān)Q1管與Q4導(dǎo)通。當(dāng)μs<μc,Q2與Q3導(dǎo)通。直流電到交流電的逆變過程是通過以載波頻率fc控制橋臂上的MOSFET管的導(dǎo)通與關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)的。其中，fc為調(diào)制波頻率，fs為載波頻率，m為調(diào)制深度。當(dāng)fc?fs，并且m≤1時(shí)，波電壓大小與輸入直流電壓存在如下關(guān)系：

Um=mUd

(1)

由此可見，當(dāng)滿足上述條件時(shí)，在逆變電路中基波電壓的大小與輸入的直流電壓成線性變化的關(guān)系[6]。所以，當(dāng)輸入電壓保持不變時(shí)，通過改變調(diào)制信號(hào)可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的改變。

2.2DSP控制電路設(shè)計(jì)

DSP控制電路是整個(gè)逆變電源系統(tǒng)中最為核心的部分，主要負(fù)責(zé)完成對(duì)輸出信號(hào)的采集、驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管的通斷以及和上位機(jī)的通信?？刂齐娐芬訲MS320F2812作為主控芯片，兼并輔助電路，完成對(duì)電源的控制。控制電路示意圖如圖3所示。

圖3　DSP控制電路示意圖Fig.3　The DSP control circuit

首先，通過調(diào)理電路將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換到DSP的采樣接口限定范圍之內(nèi)。然后由DSP內(nèi)部的A/D模塊將采集到的反饋信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。DSP處理該數(shù)據(jù)后，輸出SPWM信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路放大DSP產(chǎn)生的SPWM信號(hào)，來驅(qū)動(dòng)逆變電路中的MOSFET管工作。本設(shè)計(jì)選用IR2110作為驅(qū)動(dòng)電路的控制芯片。IR2110驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖4所示。

圖4　IR2110驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.4　Schematic diagram of IR2110 drive circuit

該芯片能夠驅(qū)動(dòng)半側(cè)橋臂上的2個(gè)MOSFET管工作，通過對(duì)電容C3的周期性充放電，驅(qū)動(dòng)2個(gè)MOSFET管的導(dǎo)通與截止。最后，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電源輸出電壓值的預(yù)設(shè)和各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，采用RS-232串行通信協(xié)議與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

3高壓交流電源的控制策略

由于該電源設(shè)備工作的環(huán)境較為復(fù)雜，當(dāng)電網(wǎng)電壓受到附近其他設(shè)備的影響發(fā)生變化時(shí)，逆變電路的輸出電壓也會(huì)發(fā)生較大的變化[7]。因此，閉環(huán)控制系統(tǒng)的目的是保證輸出電壓的穩(wěn)定[6]。對(duì)于輸出電壓反饋信號(hào)的采集，文中所應(yīng)用的是其DSP內(nèi)部帶有的A/D轉(zhuǎn)換模塊。為了確保具有穩(wěn)定的輸出電壓，本文根據(jù)數(shù)字PI控制器來進(jìn)行有效電壓的外環(huán)控制。

電壓閉環(huán)控制框圖如圖5所示。

圖5　電壓閉環(huán)控制框圖Fig.5　Block diagram of voltage closed loop control

圖5中：ki和ku分別為電流調(diào)節(jié)器與電壓調(diào)節(jié)器的增益。PWM逆變器的等效增益為kpwm，并且有kpwm=Ud/Ui，Ut是三角波的幅值，Ud是直流母線電壓。輸出電容電流和電壓的反饋系數(shù)分別用kuf與kif表示。Δμ是擾動(dòng)輸入，i0為負(fù)載電流。

根據(jù)式(2)不難得出，對(duì)于如何有效地抑制i0和Δμ的干擾，以及如何能夠提高整個(gè)電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，我們可以通過增大電流以及電壓的增益來獲得。

4軟件設(shè)計(jì)

電源系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為主程序以及各類中斷子程序。主程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化，包括對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘和看門狗的配置、中斷向量表的設(shè)置以及對(duì)事件管理器EVA的初始化。中斷程序則要完成A/D信號(hào)的采樣、SPWM波的輸出和同上位機(jī)的通信。圖6為電源的軟件系統(tǒng)流程圖。當(dāng)電源上電工作后，主程序首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。當(dāng)初始化完成后，系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)等待狀態(tài)；當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，DSP根據(jù)中斷響應(yīng)優(yōu)先級(jí)，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷子程序中完成各自的功能。

圖6　軟件系統(tǒng)流程圖Fig.6　The flowchart of software system

5試驗(yàn)

通過Matlab/PowerSystem進(jìn)行仿真分析。圖7為電源實(shí)際輸出的電壓波形，圖8為局部放大圖。

由圖7、圖8可知，電源的輸出頻率為50Hz，峰值電壓為3 800V的交流高壓電，通過引入閉環(huán)控制，使輸出的電壓波形光滑平穩(wěn)。整個(gè)電源系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間較快，在0.3s時(shí)，電源的波形基本達(dá)到穩(wěn)態(tài)。在實(shí)際的使用過程中，還可以根據(jù)檢測(cè)試驗(yàn)的不同需求，來調(diào)整輸出電壓的大小。

圖7　電源實(shí)際輸出電壓波形圖Fig.7　The voltage waveform of the actual outputof power supply

圖8　系統(tǒng)輸出電壓波形局部放大圖Fig.8　Zoom in part of system output voltage waveform

6結(jié)束語

本文針對(duì)電熱地膜的耐壓檢測(cè)，設(shè)計(jì)了一種基于DSP的高壓交流電源。該試驗(yàn)電源通過采用TMS320F2812作為整個(gè)系統(tǒng)的控制器，實(shí)現(xiàn)了電源的數(shù)字化控制，極大地提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。針對(duì)電壓的波動(dòng)，系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)來保證輸出電壓的穩(wěn)定性。最后，通過仿真軟件分析表明，該高壓交流電源輸出的電壓穩(wěn)定、運(yùn)行可靠，為電熱地膜耐壓檢測(cè)試驗(yàn)提供了極大的便利，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

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中圖分類號(hào)：TH7;TP216

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201607026

Design of the Power Supply for AC Withstand Voltage Detection of Electro-thermal Heating Film

Abstract：For the high-voltage AC power supply,which is used for withstand voltage detection of electro-thermal heating film; the research related to digital signal processor (DSP) is conducted.The single-phase bridge inverter circuit and TMS320F2812control chip produced by T1 Company are adopted to adjust SPWM signal and control the voltage of power supply.Digital PI controller is adopted to realize closed-loop control for the power system,and the software and hardware of the system are designed based on the operational principle of power supply.The results of practical test verify the correctness and feasibility of this power supply system applying in accurate voltage control,and indicate that the power supply can satisfy the requirement for withstand voltage detection of electro-thermal heating film.

Keywords:DSPWithstand voltage detectionElectro-thermal filmInverter circuitPI controllerHigh voltage AC power supplyRectification filtering

修改稿收到日期：2015-10-12。

第一作者高俊山(1962—)，男，2007年畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)高電壓絕緣技術(shù)專業(yè)，獲博士學(xué)位，教授；主要從事交流調(diào)速、智能控制和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的研究。