基于雙處理器的等離子體電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

薛家祥，高 喆，周 鋼，于文慶

（1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣州510640；2.東莞市鉅大電子有限公司，東莞523070）

近年來(lái)，隨著對(duì)等離子體的深入研究，低溫等離子體以其優(yōu)越的特性已被廣泛應(yīng)用于廢棄處理、材料改性、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等領(lǐng)域[1]。目前工業(yè)中使用的低溫等離子體主要是通過(guò)激勵(lì)電源控制等離子體發(fā)生裝置來(lái)產(chǎn)生?，F(xiàn)有的激勵(lì)電源硬件電路設(shè)計(jì)及控制模式單一，難以適應(yīng)多種等離子體發(fā)生器，同時(shí)電源控制精度低，氣體放電不穩(wěn)定，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，整機(jī)損耗大[2]。針對(duì)這些問(wèn)題，本文提出一種基于雙處理器的等離子體電源控制系統(tǒng)，通過(guò)前級(jí)雙管級(jí)聯(lián)Buck-Boost 電路以及全橋逆變電路諧振電感匹配實(shí)現(xiàn)了電源對(duì)多種等離子體負(fù)載的適應(yīng)性，同時(shí)利用DSP 和STM32 雙處理器分別進(jìn)行電源管理和系統(tǒng)級(jí)控制，保證了等離子體電源的控制精度、動(dòng)態(tài)特性以及系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1 等離子體電源系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 等離子體負(fù)載特性分析

等離子體發(fā)生器的結(jié)構(gòu)和電容十分相似，由金屬電極和介質(zhì)構(gòu)成，不同的等離子體發(fā)生器等效電容也不同。本文以平板介質(zhì)阻擋放電型等離子體發(fā)生器為例進(jìn)行分析，其負(fù)載等效模型如圖1所示，其中Cg為等離子體氣隙等效電容，Cd為阻擋介質(zhì)的等效電容，R為負(fù)載等效電阻，Ub為氣體擊穿電壓。由于激勵(lì)電場(chǎng)為交流電，故在等效模型中插入整流橋以還原擊穿電壓Ub的鉗位作用[3]。

圖1 等離子體負(fù)載等效模型Fig.1 Plasma load equivalent model

為了更容易達(dá)到放電電壓并提高功率因數(shù)，本文采用串聯(lián)諧振拓?fù)洌ㄟ^(guò)串聯(lián)電感進(jìn)行諧振參數(shù)匹配，如圖2所示為負(fù)載串聯(lián)諧振等效電路，由等離子體發(fā)生器負(fù)載電容Cr（由氣隙電容Cg與介質(zhì)電容Cd等效得到）、等效諧振電感Lr和負(fù)載回路導(dǎo)通電阻R組成，Us為負(fù)載輸入電壓。當(dāng)電源工作在串聯(lián)諧振狀態(tài)時(shí)，回路表現(xiàn)為純阻性，其輸出電流最大，功率因數(shù)為1，電感與電容上電壓為輸入電壓的Q倍，可以實(shí)現(xiàn)諧振升壓效果。

圖2 負(fù)載串聯(lián)諧振等效電路Fig.2 Load series resonance circuit

氣體放電時(shí)負(fù)載等效電容Cr會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致諧振頻率也產(chǎn)生變化，如果此時(shí)電源的工作頻率無(wú)法匹配負(fù)載諧振頻率，則會(huì)使得電源系統(tǒng)無(wú)功功率變大，電源效率低。而且不同的等離子體發(fā)生器也對(duì)應(yīng)著不同的諧振參數(shù)，因此為了提高等離子體負(fù)載的適應(yīng)性，本文通過(guò)全橋逆變電路中串聯(lián)多組諧振電感并利用PFM 對(duì)電源工作頻率進(jìn)行調(diào)整。

1.2 電源系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

等離子體電源系統(tǒng)總體方案如圖3所示，主要包括功率模塊，采樣與控制模塊，狀態(tài)監(jiān)測(cè)及人機(jī)交互模塊，輔助電源模塊。

圖3 電源系統(tǒng)總體方案框架Fig.3 Overall power supply framework

功率模塊分為前級(jí)和后級(jí)，前級(jí)由380 V 交流電輸入，經(jīng)過(guò)三相不控整流電路之后變?yōu)?10 V 左右的直流電壓，再經(jīng)過(guò)雙管級(jí)聯(lián)Buck-Boost 電路斬波輸出幅值可調(diào)的直流電壓，用來(lái)調(diào)節(jié)等離子體的輸出功率；后級(jí)利用全橋逆變電路進(jìn)行直流電到交流電的轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換后的頻率可調(diào)的方波輸出到變壓器，變壓器的次級(jí)接等離子體發(fā)生器，同時(shí)利用變壓器漏感以及串聯(lián)電感實(shí)現(xiàn)負(fù)載的串聯(lián)諧振參數(shù)匹配，使得等離子體發(fā)生器更容易達(dá)到放電電壓，從而產(chǎn)生低溫等離子體。采樣與控制模塊主要負(fù)責(zé)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電壓、電流的采樣與調(diào)理，同時(shí)將采樣信號(hào)傳遞到DSP 處理器進(jìn)行處理，在通過(guò)控制算法運(yùn)算后利用驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)功率電路的精確控制。狀態(tài)監(jiān)測(cè)及人機(jī)交互模塊負(fù)責(zé)對(duì)電源運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和電源系統(tǒng)級(jí)控制。輔助電源模塊主要是用來(lái)給采樣、驅(qū)動(dòng)電路以及處理器等模塊進(jìn)行供電。

2 等離子體電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 功率電路控制設(shè)計(jì)

為了提高等離子體負(fù)載的適應(yīng)性，本文采用前級(jí)雙管級(jí)聯(lián)Buck-Boost 電路進(jìn)行電壓的寬范圍調(diào)節(jié)，后級(jí)全橋逆變電路進(jìn)行頻率的調(diào)節(jié)[4]。如圖4所示為功率電路及控制框圖，前級(jí)有Buck 模式和Boost模式2 種，當(dāng)工作在Buck 模式時(shí)，只對(duì)Q1進(jìn)行控制，Q2一直關(guān)閉。當(dāng)工作在Boost 模式時(shí)，Q1保持全開(kāi)，對(duì)Q2進(jìn)行控制。后級(jí)利用DSP 數(shù)字鎖相環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振頻率的匹配。由于等離子體負(fù)載在放電時(shí)電流會(huì)出現(xiàn)劇烈變化，因此前級(jí)采用雙閉環(huán)的峰值電流控制模式，外環(huán)為電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，通過(guò)前級(jí)輸出電壓與設(shè)定電壓的誤差經(jīng)PID 運(yùn)算得到內(nèi)環(huán)的參考，再經(jīng)過(guò)斜率補(bǔ)償之后與電感電流進(jìn)行比較輸出PWM 來(lái)控制開(kāi)關(guān)管Q1和Q2實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的控制。

圖4 功率電路及控制框圖Fig.4 Power circuit and control diagram

2.2 雙處理器控制設(shè)計(jì)

根據(jù)等離子體電源的特點(diǎn)以及本文采用的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可知，處理器既需要進(jìn)行采樣信號(hào)處理并根據(jù)相應(yīng)算法控制功率電路的6 個(gè)開(kāi)關(guān)管，又要實(shí)現(xiàn)電源狀態(tài)監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)保護(hù)、人機(jī)交互等功能，單處理器執(zhí)行時(shí)會(huì)因任務(wù)過(guò)多出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，導(dǎo)致電源系統(tǒng)不穩(wěn)定，出現(xiàn)安全事故。因此本文利用DSP強(qiáng)大的運(yùn)算能力和數(shù)字信號(hào)處理能力進(jìn)行電源管理，主要負(fù)責(zé)采樣數(shù)據(jù)的處理以及功率電路的控制[5]。同時(shí)利用STM32的多任務(wù)管理和流程控制的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行電源系統(tǒng)級(jí)控制，主要負(fù)責(zé)電源的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互以及通信等功能。通過(guò)結(jié)合雙處理器各自的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)了在電源功率電路精確控制時(shí)還能持續(xù)對(duì)電源各狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而提高了電源的控制精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 電源控制軟件設(shè)計(jì)

3.1 DSP 控制軟件設(shè)計(jì)

DSP 程序控制流程如圖5所示，主要有系統(tǒng)初始化，中斷任務(wù)配置處理，以及狀態(tài)機(jī)控制。功率電路的控制算法主要在中斷中執(zhí)行，其他任務(wù)通過(guò)狀態(tài)機(jī)進(jìn)行分配。狀態(tài)機(jī)利用定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)并循環(huán)執(zhí)行，主要分為快速任務(wù)A 和常規(guī)任務(wù)B，其中A 任務(wù)包括采樣數(shù)據(jù)處理任務(wù)A1，過(guò)流過(guò)壓保護(hù)任務(wù)A2，通信任務(wù)A3；B 任務(wù)包括狀態(tài)指示任務(wù)B1，設(shè)定參數(shù)更新任務(wù)B2。中斷任務(wù)主要有實(shí)現(xiàn)功率電路的閉環(huán)控制、數(shù)字鎖相環(huán)，以及電源輸出控制，如圖5所示，在中斷ISR1中更新電流內(nèi)環(huán)參考值Iref，同時(shí)檢測(cè)開(kāi)關(guān)管Q1的PWM 驅(qū)動(dòng)占空比，如果Q1占空比為1，則保持占空比不變，切換電流內(nèi)環(huán)輸出PWM控制Q2。

圖5 DSP 主程序和ISR1 中斷流程Fig.5 DSP main program and ISR1 flow chart

如圖6所示，在中斷ISR2中進(jìn)行相位差的計(jì)算，并根據(jù)輸出電流和電壓周期值調(diào)整下一次全橋輸出PWM 的周期值，在中斷ISR3中進(jìn)行PWM 輸出的關(guān)閉與打開(kāi)。

圖6 ISR2 和ISR3 中斷流程Fig.6 ISR2 and ISR3 interrupt flow chart

3.2 STM32 控制軟件設(shè)計(jì)

STM32 程序控制流程如圖7所示，為了更好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和狀態(tài)監(jiān)測(cè)等多任務(wù)的系統(tǒng)級(jí)控制，本文采用FreeRTOS 操作系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度和實(shí)時(shí)控制。

圖7 STM32 程序流程Fig.7 STM32 main program flow chart

FreeRTOS 采用阻塞等待式任務(wù)調(diào)度，任務(wù)運(yùn)行的順序按照預(yù)先分配的任務(wù)優(yōu)先級(jí)嚴(yán)格執(zhí)行。本文根據(jù)優(yōu)先級(jí)的不同，對(duì)系統(tǒng)分配了5 個(gè)不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，依次包括Ctrl_task、Uart_task、DSP_task、Screen_task、LED_task。Ctrl_task 任務(wù)負(fù)責(zé)對(duì)按鍵、屏幕觸摸、狀態(tài)燈、開(kāi)關(guān)、報(bào)警等電源信號(hào)的控制進(jìn)行響應(yīng)和處理；Uart_task 任務(wù)負(fù)責(zé)串口屏的數(shù)據(jù)傳輸控制；DSP_task 任務(wù)負(fù)責(zé)DSP 和STM32 之間的通信控制；Screen_task 任務(wù)負(fù)責(zé)在串口不同的頁(yè)面顯示不同的電源參數(shù)信息；LED_task 任務(wù)負(fù)責(zé)電源狀態(tài)顯示燈的控制。

3.3 雙處理器通信設(shè)計(jì)

由于等離子體電源多用于自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)中，考慮到有時(shí)需要通過(guò)PLC 進(jìn)行電源的直接控制，因此本文采用工業(yè)中常用的Modbus 協(xié)議并通過(guò)SCI 接口實(shí)現(xiàn)DSP 和STM32 之間的通信，使用到PLC 時(shí)可以方便地進(jìn)行通信切換。Modbus 協(xié)議是一種主從協(xié)議，主機(jī)可以發(fā)送請(qǐng)求，從機(jī)只能響應(yīng)主機(jī)的請(qǐng)求。本文STM32 作為主機(jī)，DSP 作為從機(jī)。由于SCI接口一次只能接收一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，因此本文利用定時(shí)器控制來(lái)接收到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包，并在DSP的狀態(tài)機(jī)里進(jìn)行數(shù)據(jù)包的解析與響應(yīng)。具體的通信程序流程如圖8所示。

圖8 雙處理器通信程序流程Fig.8 Dual-processor communication flow chart

首先STM32 向DSP 發(fā)送請(qǐng)求報(bào)文，DSP 通過(guò)SCI 接口開(kāi)始接收STM32 發(fā)送的請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，當(dāng)SCI 接收完成一個(gè)字節(jié)時(shí)，SCI 進(jìn)入接收中斷，將接收到的字節(jié)存放在給定的數(shù)組中，同時(shí)打開(kāi)并重置定時(shí)器，完成后退出中斷，循環(huán)接收；當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)時(shí)間結(jié)束時(shí)進(jìn)入定時(shí)器中斷，此時(shí)關(guān)閉定時(shí)器，將接收標(biāo)志位置1，表示接收完成；在狀態(tài)機(jī)中輪詢(xún)檢測(cè)接收標(biāo)志位，當(dāng)檢測(cè)到標(biāo)志位為1 時(shí)，根據(jù)Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，解析完成后通過(guò)SCI 接口回傳響應(yīng)報(bào)文，完成通信。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)方案，如圖9所示，制作了一臺(tái)基于雙處理器的等離子體電源樣機(jī)，其輸出功率最大可達(dá)3 kW，工作頻率在25 kHz～60 kHz內(nèi)可調(diào)，DSP 處理器采用TMS320F280049C，STM32處理器采用STM32F103ZET6，電源人機(jī)交互界面如圖10所示，此時(shí)電源穩(wěn)定工作在1.5 kW，輸出功率和設(shè)定功率一致，可見(jiàn)電源控制系統(tǒng)整體穩(wěn)定性好。

圖9 等離子體電源樣機(jī)Fig.9 Plasma power supply prototype

圖10 等離子體電源人機(jī)交互界面Fig.10 Plasma power supply interactive interface

當(dāng)切換不同等離子體發(fā)生器時(shí)，測(cè)量雙管級(jí)聯(lián)Buck-Boost 電路開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)以及電路輸入和輸出電壓，如圖11所示，電源工作在Buck 降壓模式，如圖12所示，電源工作在Boost 升壓模式，可知電路能夠在多種等離子體負(fù)載情況下穩(wěn)定工作，有很寬的輸出電壓范圍。如圖13所示為電源的輸出電壓和電流波形，可以看出輸出電壓與電流同相，表明電源功率因數(shù)較高。

圖11 Buck 降壓模式Fig.11 Buck mode waveform

圖12 Boost 升壓模式Fig.12 Boost mode waveform

圖13 輸出波形Fig.13 Output waveform

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)等離子體負(fù)載特性的分析，設(shè)計(jì)了一種基于DSP+STM32 雙處理器的等離子體電源控制系統(tǒng)，并對(duì)功率電路和雙處理器控制方案進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。通過(guò)前級(jí)雙管級(jí)聯(lián)Buck-Boost 電路以及串聯(lián)諧振電感實(shí)現(xiàn)了電源對(duì)多種等離子體負(fù)載的適應(yīng)性，同時(shí)利用DSP 和STM32雙處理器各自的優(yōu)勢(shì)分別進(jìn)行電源管理控制和系統(tǒng)級(jí)交互控制，保證了在電源功率電路精確控制時(shí)還能持續(xù)對(duì)電源各狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而使電源系統(tǒng)整體穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。通過(guò)研制樣機(jī)測(cè)試也驗(yàn)證了該電源控制系統(tǒng)的有效性，表明了本設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。