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作者：總裝備部汽車試驗場 藍毅君 倉艷 蘇曉亮 日期：2009-9-2 在進行車輛裝備的檢查、維護和修理過程中，由于現有的外部電源體積和重量較大且移動困難，給實際的檢修和維護保養工作帶來了不少困難。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。本文詳細介紹了基于DSP2407芯片的多功能電源控制系統的設計。該系統主要是將焊接、焊割、充電、起動、穩壓供電等功能設備的電源部分進行集成化設計，通過數據采集、脈寬調制和數字PID調節等技術實現對電源輸出的實時控制。 電源總體方案 多功能電源集成了焊接、焊割、充電、起動、穩壓供電五種供電功能。電源控制系統主要由功率主電路、DSP控制回路以及其他輔助電路組成。系統原理圖如圖1所示。 
圖1 多功能電源系統框圖 控制系統的硬件設計 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、三相轉換開關K、三相橋整流器D0、合閘浪涌限制電路（主回路軟啟動電路）及濾波電路。主回路軟啟動電路的作用是為了防止在合閘瞬間造成：（1）電源開關接點熔斷；（2）輸入保險絲熔斷；（3）對其他相鄰電路產生干擾；（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構成前后導通橋臂，其交替導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。二極管D2、D3、D5、D6為鉗位二極管，其作用為：（1）在開關管關斷時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到輸入電容C1、C3中，提高電能的利用。而開關管兩端所并接的R－C－D電路為尖峰電壓吸收網絡，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網絡中二極管的接入，既可縮短電容的充電時間常數，又可減少其放電電流，有益于開關管的功能減少。 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二極管，考慮到實際中二極管的容量，采用兩組管子并聯整流，經過電抗器濾波后維持電阻R7，建立焊接電壓。在整流電路設計安裝時，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的R－C吸收回路，吸收導通與關斷時二極管上所產生的尖峰電壓。 2 DSP控制回路 DSP控制回路，如圖3所示，是一個實時監測和控制系統，主要是對電源輸出端電壓/電流、IGBT逆變器溫度進行監測，對采集的信息進行分析運算等。控制電路主要包括DSP最小系統、脈寬調制電路、驅動電路、數據采集電路和保護電路。控制回路的輸出信號控制主回路的導通，即將采集到的電源相關參數輸送到DSP芯片進行分析計算，得出相應的控制數據，再通過驅動電路進行功率放大，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 DSP控制器是控制回路的核心，采用TI公司的TMS320LF2407芯片。TMS320LF2407是TI 公司專為電機以及逆變器控制而設計的單片DSP控制器，具有高性能、低功耗、集成度高等特點。其16位定點的、處理速度為3×107條指令／s的 C2xLP內核為模擬系統的設計者提供了一個不犧牲系統精度和性能的數字解決方案，通過把一個高性能的DSP內核和微處理器的片內外設集成為一個芯片的方案，使得它成為傳統的微控制單元(MCU)和昂貴的多片設計的一種廉價的替代產品。DSP最小系統包括時鐘電路、電源電路、復位電路、JTAG仿真接口、片外程序／數據存儲器和電平轉換電路。時鐘電路包括了外接晶體和內部電路構成的晶體振蕩器，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芯片來提供穩定的+3.3V的工作電壓和上電復位信號；復位電路采用手動復位方式，即在VCC（+3.3V）與復位（RS）引腳之間串聯一個阻值≥10kΩ的上拉電阻。 ② 脈寬調制電路 控制系統采用集成脈寬調制芯片SG3525構成的脈寬調制電路。輸入SG3525的誤差信號經過誤差放大器放大后，與其內部振蕩器產生的鋸齒波進行比較，輸出的脈寬信號再經分相器分成2路互不重疊的兩相信號，由具有圖騰柱結構的輸出端11和14輸出。控制信號越大，則輸出的脈寬越寬，脈寬調制電路原理如圖4所示。由于驅動模塊M57959L需要的是低電平輸入信號，SG3525輸出的2路PWM 信號經過工作在飽和狀態的三極管反相輸出后加到M57959L的13腳。
圖4 SG3525脈寬調制電路 ③ 驅動電路 驅動電路的作用是將SG3525輸出的2路PWM 脈沖進行功率放大，以驅動IGBT。M57959L是日本三菱公司為驅動IGBT而設計的厚膜集成電路，具有封閉性短路保護功能，其實質是一個隔離型放大器，采用光耦合方法實現輸入與輸出的電氣隔離，隔離電壓高達2500V；配置了短路／過載保護電路。M57959L驅動電路如圖5所示。電阻Rg為 IGBT柵極限流電阻，二極管D1是過載/短路檢測二極管，穩壓二極管D2用以補償D1反向恢復時間（在D1反向恢復時間偏長時使用），穩壓二極管D3、 D4用于保護IGBT的發射結。
圖5 M57959L驅動電路 ④ 數據采集電路 多功能電源要實現三種輸出特性，即恒壓、恒流、脈沖，需要進行恒值控制，因而必須設計精度高、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、外圍電路簡單、頻帶寬、動態特性好、壽命長，并具有電磁隔離的功能而被廣泛應用于逆變電路中。 數據采集電路采用CHB－500S型霍爾電流傳感器對電流采樣，其額定電流為500A，輸出電流100mA，響應時間小于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首先經過I/V電路轉換成電壓信號，然后經運算放大器放大緩沖后送入DSP芯片中進行A/D轉換。 數據采集電路是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 保護電路 TMS320LF2407提供了PDPINTA輸入信號，可保證系統中功率轉換電路及逆變電路的安全可靠工作。保護電路結構框圖如圖6所示。過壓/欠壓檢測信號、過流檢測信號、過熱檢測信號經或門綜合后，經過反相輸入到PDPINTA引腳。若有故障時，或門輸出為高電平，該引腳相應為低電平， DSP的PWM輸出管腳全部成高阻狀態，PWM輸出被封鎖。整個過程可由硬件實現。
圖6 保護電路結構框圖 控制系統的軟件設計 控制系統的軟件主要包括系統初始化程序、ADC采樣程序、PWM波生成程序、PID控制算法程序等。軟件總體設計流程如圖7所示。
圖7 主程序流程圖
圖8 增量式PID控制算法流程圖 該系統軟件設計采用增量式PID控制算法，根據采樣時刻的偏差值計算控制量。采樣電路將電壓電流信號采集濾波后輸入到DSP，經與輸入值相比較后進行數字PID運算，從而實現對輸出控制量的調節。增量式PID控制算法流程如圖8所示。 |
