圖1 多功能電源系統(tǒng)框圖

控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1功率主電路

功率主電路包括輸入整流濾波電路拄抄、IGBT逆變電路、高頻變壓器扎输、輸出整流濾波電路徽探，如圖2所示治东。

圖2 功率主電路原理圖

輸入整流濾波電路包括：熔斷器SR、三相轉(zhuǎn)換開關(guān)K封豆、三相橋整流器D0缔禾、合閘浪涌限制電路（主回路軟啟動(dòng)電路）及濾波電路。主回路軟啟動(dòng)電路的作用是為了防止在合閘瞬間造成：（1）電源開關(guān)接點(diǎn)熔斷恢憋；（2）輸入保險(xiǎn)絲熔斷像样；（3）對(duì)其他相鄰電路產(chǎn)生干擾；（4）惡化電容器和整流器的性能鄙荚。

逆變電路采用橋式逆變式莫辨，三極管VT1、VT3和VT2毅访、VT4構(gòu)成前后導(dǎo)通橋臂沮榜，其交替導(dǎo)通將直流變成高頻方波交流，通過高頻變壓器后整流輸出低壓直流喻粹。二極管D2蟆融、D3、D5守呜、D6為鉗位二極管型酥，其作用為：（1）在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)將因變壓器漏感引起的電壓尖峰鉗位于輸入電壓E；（2）把電壓尖峰能量回輸?shù)捷斎腚娙軨1查乒、C3中弥喉，提高電能的利用。而開關(guān)管兩端所并接的R－C－D電路為尖峰電壓吸收網(wǎng)絡(luò)侣颂，其與上述的鉗位二極管共同作用档桃，抑制尖峰電壓的影響。R－C－D網(wǎng)絡(luò)中二極管的接入憔晒，既可縮短電容的充電時(shí)間常數(shù)藻肄，又可減少其放電電流，有益于開關(guān)管的功能減少高降。

高頻變壓器在電路中起到功率變換和隔離的作用朝棉。

輸出整流器件采用大功率超快恢復(fù)二極管，考慮到實(shí)際中二極管的容量殷淮，采用兩組管子并聯(lián)整流沧牧，經(jīng)過電抗器濾波后維持電阻R7，建立焊接電壓两靖。在整流電路設(shè)計(jì)安裝時(shí)费赋，注意高頻變壓器繞組與兩組整流二極管的接線，不要造成繞組短路。在整流二極管兩端并聯(lián)的R－C吸收回路尽瑰，吸收導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)二極管上所產(chǎn)生的尖峰電壓西龟。

2 DSP控制回路

DSP控制回路，如圖3所示奠拢，是一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)镣学，主要是對(duì)電源輸出端電壓/電流、IGBT逆變器溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)瘟则，對(duì)采集的信息進(jìn)行分析運(yùn)算等黎炉。控制電路主要包括DSP最小系統(tǒng)醋拧、脈寬調(diào)制電路慷嗜、驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)據(jù)采集電路和保護(hù)電路趁仙『樘恚控制回路的輸出信號(hào)控制主回路的導(dǎo)通垦页，即將采集到的電源相關(guān)參數(shù)輸送到DSP芯片進(jìn)行分析計(jì)算雀费，得出相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)，再通過驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行功率放大痊焊，送到逆變器的控制端盏袄，從而控制輸出電壓和電流。

圖3 DSP控制回路原理圖

① DSP最小系統(tǒng)

DSP控制器是控制回路的核心薄啥，采用TI公司的TMS320LF2407芯片辕羽。TMS320LF2407是TI公司專為電機(jī)以及逆變器控制而設(shè)計(jì)的單片DSP控制器，具有高性能垄惧、低功耗刁愿、集成度高等特點(diǎn)。其16位定點(diǎn)的搜计、處理速度為3×107條指令／s的C2xLP內(nèi)核為模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)不犧牲系統(tǒng)精度和性能的數(shù)字解決方案宋旭，通過把一個(gè)高性能的DSP內(nèi)核和微處理器的片內(nèi)外設(shè)集成為一個(gè)芯片的方案，使得它成為傳統(tǒng)的微控制單元(MCU)和昂貴的多片設(shè)計(jì)的一種廉價(jià)的替代產(chǎn)品杉藐。DSP最小系統(tǒng)包括時(shí)鐘電路枯橱、電源電路、復(fù)位電路攒置、JTAG仿真接口粹岁、片外程序／數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和電平轉(zhuǎn)換電路。時(shí)鐘電路包括了外接晶體和內(nèi)部電路構(gòu)成的晶體振蕩器尖坦，頻率在6～16MHz之間骂领，這里選擇15MHz晶振；TMS320LF2407的供電電壓為+3.3V，而常用的TTL電路供電電壓為+5V怒晕，因此脾膨，電源電路選用TPS7333QD芯片來提供穩(wěn)定的+3.3V的工作電壓和上電復(fù)位信號(hào)；復(fù)位電路采用手動(dòng)復(fù)位方式疮丛，即在VCC（+3.3V）與復(fù)位（RS）引腳之間串聯(lián)一個(gè)阻值≥10kΩ的上拉電阻幔嫂。

② 脈寬調(diào)制電路

控制系統(tǒng)采用集成脈寬調(diào)制芯片SG3525構(gòu)成的脈寬調(diào)制電路。輸入SG3525的誤差信號(hào)經(jīng)過誤差放大器放大后誊薄，與其內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波進(jìn)行比較履恩，輸出的脈寬信號(hào)再經(jīng)分相器分成2路互不重疊的兩相信號(hào)，由具有圖騰柱結(jié)構(gòu)的輸出端11和14輸出呢蔫∏行模控制信號(hào)越大，則輸出的脈寬越寬片吊，脈寬調(diào)制電路原理如圖4所示绽昏。由于驅(qū)動(dòng)模塊M57959L需要的是低電平輸入信號(hào)，SG3525輸出的2路PWM 信號(hào)經(jīng)過工作在飽和狀態(tài)的三極管反相輸出后加到M57959L的13腳俏脊。

圖4 SG3525脈寬調(diào)制電路

③ 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路的作用是將SG3525輸出的2路PWM 脈沖進(jìn)行功率放大全谤，以驅(qū)動(dòng)IGBT。M57959L是日本三菱公司為驅(qū)動(dòng)IGBT而設(shè)計(jì)的厚膜集成電路爷贫，具有封閉性短路保護(hù)功能认然，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)隔離型放大器，采用光耦合方法實(shí)現(xiàn)輸入與輸出的電氣隔離惯篇，隔離電壓高達(dá)2500V反俱；配置了短路／過載保護(hù)電路。M57959L驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示辱囤。電阻Rg為IGBT柵極限流電阻炸一，二極管D1是過載/短路檢測(cè)二極管，穩(wěn)壓二極管D2用以補(bǔ)償D1反向恢復(fù)時(shí)間（在D1反向恢復(fù)時(shí)間偏長(zhǎng)時(shí)使用）牢介，穩(wěn)壓二極管D3校槐、D4用于保護(hù)IGBT的發(fā)射結(jié)。

圖5 M57959L驅(qū)動(dòng)電路

④ 數(shù)據(jù)采集電路

多功能電源要實(shí)現(xiàn)三種輸出特性恐丧，即恒壓瀑乡、恒流、脈沖晚沙，需要進(jìn)行恒值控制橙挽，因而必須設(shè)計(jì)精度高、采樣速度快的恒值反饋采樣電路喝赎。由于線性霍爾傳感器體積小冶驴、外圍電路簡(jiǎn)單赡模、頻帶寬、動(dòng)態(tài)特性好师抄、壽命長(zhǎng)漓柑，并具有電磁隔離的功能而被廣泛應(yīng)用于逆變電路中。

數(shù)據(jù)采集電路采用CHB－500S型霍爾電流傳感器對(duì)電流采樣叨吮，其額定電流為500A辆布，輸出電流100mA，響應(yīng)時(shí)間小于1μs茶鉴，采用±15V供電锋玲。電壓采樣采用的是CHV－25P型霍爾電壓傳感器，其最大量程為500V涵叮，輸出電流25mA惭蹂，線性度為0.2％，亦采用±15V供電割粮《芡耄霍爾電流傳感器輸出的微小電流信號(hào)首先經(jīng)過I/V電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后經(jīng)運(yùn)算放大器放大緩沖后送入DSP芯片中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換舀瓢。

數(shù)據(jù)采集電路是DSP微處理器的前向通道廷雅，較易受到干擾，因此籍勘，在模擬輸入端加上RC阻容電路城搀，可以起到低通濾波的作用标狼，減輕噪音的影響挤胃。

⑤ 保護(hù)電路

TMS320LF2407提供了PDPINTA輸入信號(hào)，可保證系統(tǒng)中功率轉(zhuǎn)換電路及逆變電路的安全可靠工作纠徘。保護(hù)電路結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示君博。過壓/欠壓檢測(cè)信號(hào)、過流檢測(cè)信號(hào)暴雕、過熱檢測(cè)信號(hào)經(jīng)或門綜合后慧贩，經(jīng)過反相輸入到PDPINTA引腳。若有故障時(shí)豫鞭，或門輸出為高電平抡悼，該引腳相應(yīng)為低電平， DSP的PWM輸出管腳全部成高阻狀態(tài)鬓预，PWM輸出被封鎖篮烈。整個(gè)過程可由硬件實(shí)現(xiàn)。

圖6 保護(hù)電路結(jié)構(gòu)框圖

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件主要包括系統(tǒng)初始化程序购岗、ADC采樣程序汰聋、PWM波生成程序、PID控制算法程序等。軟件總體設(shè)計(jì)流程如圖7所示烹困。

 圖7 主程序流程圖

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用增量式PID控制算法玄妈，根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。采樣電路將電壓電流信號(hào)采集濾波后輸入到DSP髓梅，經(jīng)與輸入值相比較后進(jìn)行數(shù)字PID運(yùn)算拟蜻，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出控制量的調(diào)節(jié)。增量式PID控制算法流程如圖8所示枯饿。

圖8 增量式PID控制算法流程圖

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