基于TMS320LF2407的新型超聲波電源的研究
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
超聲技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用開始于20世紀(jì)初，隨著超聲技術(shù)的成熟，其應(yīng)用越來越廣泛。在控制方式上，傳統(tǒng)的感應(yīng)加熱電源控制采用模擬技術(shù)控制，存在元件易老化、工作點漂移和一致性差等原因引起的產(chǎn)品升級換代困難等缺點。隨著數(shù)字集成芯片、單片機、DSP、FPGA的出現(xiàn)，使感應(yīng)加熱電源數(shù)字化成為一種趨勢，具有控制靈活，系統(tǒng)升級方便，只要修改相應(yīng)的控制算法，而不必對硬件電路加以很大的改動等優(yōu)點。
隨著電力電子器件的發(fā)展，電路控制技術(shù)也在飛速發(fā)展。控制電路最初以相位控制為手段、由分立元件組成，發(fā)展到集成控制器，再到計算機控制，向著高頻率、低損耗和數(shù)字化的方向發(fā)展。超聲波發(fā)生器應(yīng)用數(shù)字化控制技術(shù)一般有3種形式：采用MCU控制、采用DSP控制、采用FPGA控制。相比較而言，DSP適合取樣速率低和軟件復(fù)雜程度高的場合；而當(dāng)系統(tǒng)取樣速率高(MHz級)，數(shù)據(jù)率高(20 MB／s以上)，條件操作少，任務(wù)較固定時，采用FPGA更有優(yōu)勢。
本文利用高速TMS320LF2407A型DSP控制芯片設(shè)計了系統(tǒng)的控制電路，采用全橋逆變器作為超聲振動系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換主電路，解決由于負載溫度變化等原因產(chǎn)生諧振頻率的漂移，保證系統(tǒng)的高效率。這里研究了粗精復(fù)合的頻率跟蹤方案，采用掃頻方法實現(xiàn)頻率粗跟蹤，采用硬件鎖相環(huán)實現(xiàn)精跟蹤。這兩種方法的結(jié)合既保證在較寬的頻率變化范圍內(nèi)實現(xiàn)頻率自動跟蹤，又保證跟蹤的快速、準(zhǔn)確。為適應(yīng)負載變化的要求，采用軟開關(guān)的PS-PWM控制方法，使系統(tǒng)的輸出功率連續(xù)可調(diào)。
1 主電路拓撲分析
超聲電源的主電路采用全橋逆變拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中：Z1～Z4為功率主開關(guān)管；D1～D4為Z1～Z4內(nèi)部反并聯(lián)寄生二極管；C1～C4為外接并聯(lián)電容或者功率管的寄生電容；T為高頻脈沖變壓器；L0為串聯(lián)調(diào)諧匹配電感；PZT為超聲換能器。
逆變器部分利用功率管寄生電容和并聯(lián)電容，以及變壓器的漏感實現(xiàn)軟開關(guān)零電壓移相控制(ZVS-PSP-WM)的方式。零電壓開關(guān)是依靠功率開關(guān)管反并聯(lián)二極管的導(dǎo)通實現(xiàn)功率器件零電壓開通；通過功率諧振電容的充電過程來實現(xiàn)功率器件的零電壓關(guān)斷。
在一個開關(guān)周期內(nèi)，移相控制有12種開關(guān)模塊，在分析之前，做出如下假設(shè)：
(1)電路中所有的開關(guān)器件Z1～Z4和與其反并聯(lián)二極管D1～D4均為理想開關(guān)器件；
(2)所有的電感、電容為理想元件且不考慮線路的雜散電感值；
(3)不考慮死區(qū)加入對逆變器工作的影響；
(4)逆變器的輸入電壓為恒定電壓源。
移相控制逆變器的4個開關(guān)管驅(qū)動波形如圖2所示。逆變器每個橋臂的2個功率管成180°互補導(dǎo)通，2個橋臂的導(dǎo)通角相差1個相位，即移相角。Z1，Z2為定相臂，Z3，Z4為移相臂。其中Z1和Z2分別先于Z3和Z4導(dǎo)通，移相角為φ，調(diào)節(jié)φ大小即可改變逆變器的輸出電壓，從而調(diào)節(jié)輸出的正弦波電流幅值，使得輸出功率可以調(diào)節(jié)。
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