刘密1，冬雷2，赵闯1
（1.北京卫星制造厂，北京 100190；2.北京理工大学，北京 100081）
摘要：以电磁感应发生系统为应用背景，设计实现一种可输出直流、交流电压的程控大功率数字电源。电源采用单相全桥主功率拓扑，以DSP作为控制核心，实现与上位机的交互和电源输出地灵活控制。直流输出采用电流闭环，交流输出采用电压前馈，以简单可靠的控制方式实现磁场电流的高精度控制。实际应用表明，该电源系统运行稳定，精度高，可操控性好。
关键词：电源；直流；交流；DSP；电磁感应
中图分类号：TM46文献标识码：ADOI： 10.19358/j.issn.1674 7720.2016.20.010
引用格式：刘密，冬雷，赵闯. 大功率电磁感应发生系统电源设计［J］.微型机与应用，2016,35（20）：37 40,44.
0引言
大功率电磁感应发生系统主要用来在测试空间构建一个频率和磁场强度均连续可调的均匀交变磁场或产生一个均匀且场强可调的直流稳恒磁场，辅助对光纤陀螺及其所用光学器件在磁场环境中的工作情况进行测试研究。大功率电磁感应发生系统组成见图1。
图1中电源与上位机之间通过RS232串行接口相连接，上位机可以向电源发送控制命令，包括启动、停止、磁场强度设定、频率设定等，同时可以监控电源部分的电流和直流母线电压状况。电源根据上位机的指令，计算得出所需要的磁场控制量，控制功率器件产生所需要的交、直流电压或电流来驱动磁体产生稳定的磁场。本文使用DSP作为控制核心完成电源功能设计，电源输出能力为30 kVA。
1电源系统总体设计
本文所述电源系统的负载为大功率线圈，通过电流激磁产生预期磁场。由于线圈需要产生直流磁场及0.5～50 Hz交流磁场，且线圈具有直流阻抗小、交流感抗大的特点，因此，为了提高系统控制精度，电源输出直流和交流设置了不同的直流母线，电源系统组成见图2。
当电源系统需要输出交流时，接通接触器J2，直接使用380 VAC输入整流产生直流功率变换母线；当电源系统需要输出直流时，接通接触器J1，使用50 VAC输入整流产生直流功率变换母线。电源系统主功率回路还配置有快速熔断器、浪涌抑制电路、输入储能电容和功率变换单元；控制回路由DSP控制器、辅助电源、驱动电路、采样电路等构成。控制器采用MC56F8013，该芯片结合上位机指令和采样结果，通过控制策略给出主功率器件驱动信号，实现目标电流输出。
2电源主电路设计及其工作原理
为了能够同时实现电源直流正、反向和交流输出，采用单项全桥拓扑作为主功率电路，如图3所示。主功率开关器件使用IGBT功率模块FF400R12KE3。由于负载线圈所产生的磁场与其内通过电流正相关，因此，通过斩波占空比调制可以调节施加于线圈的平均电压，调节输出电流，进而得到目标磁场［1］。
2.1直流输出工作原理
图3所示电路中Q1～Q4组成逆变桥臂，采用中心对称方式产生控制脉宽VG1～VG1实现电源输出，电源正向直流输出主要工作波形如图4所示，其中Q1、Q2驱动互补，Q3、Q4驱动互补。
t0→t1、t2→t3时刻，功率管Q1、Q4导通，UAB为输入电压，电感电流IL线性增加。
t1→t2时刻，功率管Q1、Q3导通，电感电流通过Q1、Q3通路续流。
t3→t4时刻，功率管Q2、Q4导通，电感电流通过Q2、Q4通路续流。
实施具体控制时，若闭环计算所得控制量为占空比D，则施加于Q1、Q3上的控制量为：
DQ1=0.5+D/2
DQ2=0.5-D/2
电路实际的有效占空比仍然为D，且输出电感脉动频率为功率器件开关频率的两倍。另一方面，由于电感电流续流通路压降很小，故可以得到低纹波脉动的直流输出电流。反向直流输出时，只需将Q1、Q3控制信号对调重载即可。
2.2交流输出工作原理
电磁感应发生系统要求电源输出交变电流的频率和幅度变化范围很大，且负载为纯感性，为了提高系统运行可靠性，在满足使用要求的前提下，电源系统未配置功率变换与负载之间的滤波环节，功率变换输出直接连接负载线圈，交流输出本文采用SPWM逆变技术［2］。
随着通信技术和电力电子技术的快速发展，SPWM技术成为高速开关器件逆变器的主导控制方式［3］。稳定的直流电压经全桥逆变器，逆变成交流方波，通过SPWM调制，在负载线圈上得到预置频率和幅度的交变电流。由于线圈电流滞后于电压信号且存在续流过程，因此，虽然进行SPWM调制，但线圈电流并非正弦电流［4］。电源交流输出主要工作波形如图5所示，其中Q1、Q2驱动互补，Q3、Q4驱动互补。
3电源控制电路设计及其工作原理
电源系统以DSP作为控制核心，接收的输入信号主要有上位机设置信息、电源当前电压、电流信息、故障反馈信息；发出的信号主要包括交、直流状态切换控制信号、PWM控制信号、电源状态上传上位机信号。因此，电源系统除了用到DSP自身资源外，还需配置信号采集以及驱动等电路。
3.1采样调理电路
电源系统中电流、电压信号均使用霍尔传感器进行采集，输出电流信号采集使用电流传感器LT308 S7，输入直流母线电压信号采集使用电压传感器LV28P。传感器采集转换后的小电流信号输入到图6所示的采样调理电路中，通过采样电阻将小电流信号转换为电压信号，通过信号调理，将其转换为DSP端口接受范围电压，输入到AD采样端口。
电源系统功率IGBT的驱动电路采用三菱公司的M57962L，M57926L内部集成有2 500 V高隔离电压的光耦合器、过电流保护电路、过电流输出信号端口、兼容TTL电平的输入接口等。它是双电源驱动结构，内部共模抑制比高。该电源应用中，为了可靠驱动1 200 V/400 A的功率器件，M57962L输出增加了一级功放驱动电路，如图7所示。驱动电路接收DSP控制信号执行功率驱动，并在功率管发生过流时输出故障信号。
控制部分除了采样调理和驱动电路，还包括接触器驱动电路、RS232通信接口电路等，所有电路的兼容匹配确保了电源系统的稳定运行。
4软件设计
软件设计需要根据用户输入，匹配各类硬件资源，确保功能实现的同时，提高执行效率与可靠性，它是电源系统的核心部分。本文电源系统的软件开发基于56800E系列DSP专用IDE开发平台CodeWarrior，主要使用了芯片内部的PWM模块、ADC模块、定时器模块和串行通信模块［5］。
程序执行过程中，为了确保交流输出频率的准确性，将PWM模块中断设置为较高优先级。PWM服务程序为主程序，该程序中开启ADC采样获得最新数据，并根据要求值和数据状态得出当前控制量，重载占空比输出。ADC中断为最高优先级服务子程序，以便采集数据的实时性，ADC中断子程序中要进行过流保护判断，并对采样信号进行初始数字滤波。PWM和ADC模块服务程序如图8所示。定时5 ms服务子程序对电源系统交直流状态进行判断和切换，在开、关机和交、直流状态切换过程中，控制接触器进行主功率电路切换，并进行参数初始化，状态设定后，关闭或启动PWM输出。通信服务子程序实现电源数据与上位机的交互，确保用户指令的及时接收与电源状态的实时上传。
为了保证磁场强度的连续可调和精度要求，通过高斯计标定了磁场强度与直流电流、交流电压的对应关系。给定直流磁场强度时，通过查表插值的方式确定直流输出电流给定，通过电流闭环控制，使线圈电流达到设定值。给定交流磁场强度时，通过查表插值的方式确定对应频率的交流电压给定，通过输入直流母线和电压给定确定SPWM调制峰值对应的最大脉宽，然后根据预设频率进行SPWM调制，在线圈中得到设定的交流电流，电源系统实物及直流电流磁场测试曲线见图9。
图9(b)给出了正向直流电流与磁场的对应曲线，可以看出，实测电流与磁场强度具有较好的近似线性关系，磁场强度100 Gs对应100 A左右的直流电流，交流电流也具有类似的对应关系。由于磁场测试设备的局限性，低频小磁场（小于10 Gs）交流电流与磁场强度测得的线性度较差，其余测试点均有较好的线性度。
5结论
本文介绍了一种大功率电磁场系统专用电源设计，在分析产品需求的基础上，详细介绍了电源的系统组成、电路设计及工作原理、软件设计及工作流程。通过直流输出电流闭环控制和交流输出电压前馈控制，实现了较高精度的输出电流幅值和频率的连续可调。电源系统的实际运行验证了电源设计的合理性和有效性，在实现系统功能的同时获得了较好的用户体验。
参考文献
［1］ 周洁敏，赵修科，陶思钰．开关电源磁性元件理论及设计［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2014．
［2］ 陈坚，康勇．电力电子学 电力电子变换和控制技术［M］．北京：高等教育出版社，2011．
［3］ 李永，张承瑞，翟鹏，等．半桥斩波逆变器输出滤波器设计［J］．电机与控制学报，2012，16(10)：13-20．
［4］ 沈兰兰，李海标，秦泽熙．基于SPWM的逆变技术的研究［J］．电子技术应用，2014，40(8)：58-61．
［5］ 冬雷．DSP原理及电机控制系统应用［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2007．