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作者：總裝備部汽車試驗(yàn)場(chǎng) 藍(lán)毅君 倉(cāng)艷 蘇曉亮 日期：2009-9-2 在進(jìn)行車輛裝備的檢查、維護(hù)和修理過(guò)程中，由于現(xiàn)有的外部電源體積和重量較大且移動(dòng)困難，給實(shí)際的檢修和維護(hù)保養(yǎng)工作帶來(lái)了不少困難。因此，研制一種功率大、重量輕的多功能車輛維修電源是裝備保障的迫切要求。本文詳細(xì)介紹了基于DSP2407芯片的多功能電源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)主要是將焊接、焊割、充電、起動(dòng)、穩(wěn)壓供電等功能設(shè)備的電源部分進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集、脈寬調(diào)制和數(shù)字PID調(diào)節(jié)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電源輸出的實(shí)時(shí)控制。 電源總體方案 多功能電源集成了焊接、焊割、充電、起動(dòng)、穩(wěn)壓供電五種供電功能。電源控制系統(tǒng)主要由功率主電路、DSP控制回路以及其他輔助電路組成。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。 
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、IGBT逆變電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路，如圖2所示。
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(kāi)關(guān)K、三相橋整流器D0、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(kāi)關(guān)接點(diǎn)熔斷；（2）輸入保險(xiǎn)絲熔斷；（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。 逆變電路采用橋式逆變式，三極管VT1、VT3和VT2、VT4構(gòu)成前后導(dǎo)通橋臂，其交替導(dǎo)通將直流變成高頻方波交流，通過(guò)高頻變壓器后整流輸出低壓直流。二極管D2、D3、D5、D6為鉗位二極管，其作用為：（1）在開(kāi)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、C3中，提高電能的利用。而開(kāi)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)，其與上述的鉗位二極管共同作用，抑制尖峰電壓的影響。R－C－D網(wǎng)絡(luò)中二極管的接入，既可縮短電容的充電時(shí)間常數(shù)，又可減少其放電電流，有益于開(kāi)關(guān)管的功能減少。 高頻變壓器在電路中起到功率變換和隔離的作用。 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，采用兩組管子并聯(lián)整流，經(jīng)過(guò)電抗器濾波后維持電阻R7，建立焊接電壓。在整流電路設(shè)計(jì)安裝時(shí)，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，吸收導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)二極管上所產(chǎn)生的尖峰電壓。 2 DSP控制回路 DSP控制回路，如圖3所示，是一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，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)，對(duì)采集的信息進(jìn)行分析運(yùn)算等。控制電路主要包括DSP最小系統(tǒng)、脈寬調(diào)制電路、驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)據(jù)采集電路和保護(hù)電路。控制回路的輸出信號(hào)控制主回路的導(dǎo)通，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，得出相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)，再通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行功率放大，送到逆變器的控制端，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，采用TI公司的TMS320LF2407芯片。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、低功耗、集成度高等特點(diǎn)。其16位定點(diǎn)的、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，通過(guò)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。DSP最小系統(tǒng)包括時(shí)鐘電路、電源電路、復(fù)位電路、JTAG仿真接口、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，頻率在6～16MHz之間，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，因此，電源電路選用TPS7333QD芯片來(lái)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，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。 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(guò)誤差放大器放大后，與其內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波進(jìn)行比較，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。控制信號(hào)越大，則輸出的脈寬越寬，脈寬調(diào)制電路原理如圖4所示。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(guò)工作在飽和狀態(tài)的三極管反相輸出后加到M57959L的13腳。
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，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，具有封閉性短路保護(hù)功能，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，隔離電壓高達(dá)2500V；配置了短路／過(guò)載保護(hù)電路。M57959L驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。電阻Rg為 IGBT柵極限流電阻，二極管D1是過(guò)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），穩(wěn)壓二極管D3、 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，即恒壓、恒流、脈沖，需要進(jìn)行恒值控制，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。由于線性霍爾傳感器體積小、外圍電路簡(jiǎn)單、頻帶寬、動(dòng)態(tài)特性好、壽命長(zhǎng)，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，其額定電流為500A，輸出電流100mA，響應(yīng)時(shí)間小于1μs，采用±15V供電。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，輸出電流25mA，線性度為0.2％，亦采用±15V供電。霍爾電流傳感器輸出的微小電流信號(hào)首先經(jīng)過(guò)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。 數(shù)據(jù)采集電路是DSP微處理器的前向通道，較易受到干擾，因此，在模擬輸入端加上RC阻容電路，可以起到低通濾波的作用，減輕噪音的影響。 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。保護(hù)電路結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。過(guò)壓/欠壓檢測(cè)信號(hào)、過(guò)流檢測(cè)信號(hào)、過(guò)熱檢測(cè)信號(hào)經(jīng)或門綜合后，經(jīng)過(guò)反相輸入到PDPINTA引腳。若有故障時(shí)，或門輸出為高電平，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)，PWM輸出被封鎖。整個(gè)過(guò)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、ADC采樣程序、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。
圖7 主程序流程圖
圖8 增量式PID控制算法流程圖 該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用增量式PID控制算法，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，經(jīng)與輸入值相比較后進(jìn)行數(shù)字PID運(yùn)算，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。 |
