基于TMS320LF2407的新型超声波电源的研究

1、基于tms320lf2407的新型超声波电源的研究超声技术在工业中的应用开头于20世纪初，随着超声技术的成熟，其应用越来越广泛。在控制方式上，传统的感应加热电源控制采纳模拟技术控制，存在元件易老化、工作点漂移和全都性差等缘由引起的产品升级换代困难等缺点。随着数字集成芯片、的浮现，使感应加热电源数字化成为一种趋势，具有控制灵便，系统升级便利，只要修改相应的控制算法，而不必对硬件加以很大的改动等优点。随着器件的进展，电路控制技术也在飞快进展。控制电路最初以相位控制为手段、由分立元件组成，进展到集成控制器，再到计算机控制，向着高频率、低损耗和数字化的方向进展。超声波发生器应用数字化控制技术普通有3种

2、形式：采纳控制、采纳dsp控制、采纳fpga控制。相比较而言，dsp适合取样速率低和软件复杂程度高的场合；而当系统取样速率高(mhz级)，数据率高(20 mbs以上)，条件操作少，任务较固定时，采纳fpga更有优势。本文利用高速tms320lf2407a型dsp控制芯片设计了系统的控制电路，采纳全桥作为超声振动系统的功率转换主电路，解决因为负载温度变幻等缘由产生谐振频率的漂移，保证系统的高效率。这里讨论了粗精复合的频率跟踪计划，采纳扫频办法实现频率粗跟踪，采纳硬件锁相环实现精跟踪。这两种办法的结合既保证在较宽的频率变幻范围内实现频率自动跟踪，又保证跟踪的迅速、精确。为适应负载变幻的要求，采纳软

3、开关的ps-控制办法，使系统的输出功率延续可调。1 主电路拓扑分析超声电源的主电路采纳全桥逆变拓扑结构，1所示。其中：z1z4为功率主开关管；d1d4为z1z4内部反并联寄生；c1c4为外接并联或者功率管的寄生电容；t为高频脉冲；l0为串联调谐匹配；pzt为超声换能器。逆变器部分利用功率管寄生电容和并联电容，以及变压器的漏感实现软开关零移相控制(zvs-psp-wm)的方式。零电压开关是依赖功率开关管反并联二极管的导通实现功率器件零电压开通；通过功率谐振电容的充电过程来实现功率器件的零电压关断。在一个开关周期内，移相控制有12种开关模块，在分析之前，做出如下假设：(1)电路中全部的开关器件z1

4、z4和与其反并联二极管d1d4均为抱负开关器件；(2)全部的电感、电容为抱负元件且不考虑线路的杂散电感值；(3)不考虑死区加入对逆变器工作的影响；(4)逆变器的输入电压为恒定电压源。移相控制逆变器的4个开关管驱动波形2所示。逆变器每个桥臂的2个功率管成180互补导通，2个桥臂的导通角相差1个相位，即移相角。z1，z2为定相臂，z3，z4为移相臂。其中z1和z2分离先于z3和z4导通，移相角为，调整大小即可转变逆变器的输出电压，从而调整输出的正弦波幅值，使得输出功率可以调整。逆变器的工作过程中，功率开关管的导通和关断时光恒定。同一桥臂的两个开关管导通和关断，需要一定的延时时光，防止上下桥臂直通，

5、保证开关管的平安。2 控制策略下面向主电路控制策略的工作过程举行作进一步分析，逆变器在工作过程中，功率开关管的导通和关断时光恒定。导通挨次为z1z4 z2z3，同一桥臂2个开关管的导通和关断，需要一定延时时光，防止上下桥臂直通，保证开关管的平安。ps-pwm功率控制的逆变电路在1个周期内的主要有以下几种工作模态，3所示。(1)工作模式1t0时刻(见图3(a)：在t0时刻，z1和z4同时导通，电流i的流向：z1rlcz4。(2)工作模式2t0，t1(见图3(b)：在t0时刻关断z1，电流i给c1充电，c3的电荷被抽走。c1的电压从零开头线性升高，c3的电压从e开头线性下降，z1是zvs关断。(3

6、)工作模式3t，t2(见图3(c)：t1时刻，c3的电压下降到零，d3自然开通，将z3箝位在零，此时开通z3，z3是zvs开通，此时z3中没有电流流过。(4)工作模式4t，t3(见图3(d)：在t2时刻关断z4，电流i抽走c2的电荷，同时给c4充电。z4的电压从零开头升高，z4是zvs关断。t3时刻，c4上的电压升高到e，即c2上电荷量为零时，d2自然导通。(5)工作模式5t3，t4(见图3(e)：t3时刻，d2导通，将z2箝位在零，此时z2开通，因此z2是zvs开通。虽然z2开通，但没有电流流过。t4时刻，d2，d3自然关断，z2和z3中将流过电流。(6)工作模式6t4，t5(见图3(f)：

7、在t4时刻，电流由正方向过零，并向负方向增强，电流i的流向：z2clrz3。到t5时刻，z3关断，逆变器开头另一半周期的工作，工作状况类似上述半个周期。3 软件设计在此结合高性能dsp数字芯片设计了一种新颖的超声波电源控制系统，其囫囵系统硬件设计框图4所示。dsp采纳tms320lf2407a，外扩flash采纳cy7c1021v33-122芯片，pwm为脉冲输出，分离由pwml，pwm2，pwm3，pwm4引出，并经过集成驱动隔离送至，控制其导通与关闭。iset为给定电路，io，id，udt分离为负载电流、逆变器的直流输入电流和电压，将这3路信号分离送至各自的调理电路，经过调理送入dsp的a

8、d接口。如碰到外部故障，如过热等，向dsp发出中断哀求，实施庇护。在此采纳tms320lf2407a来实现ps-pwm算法，利用其ev产生pwm控制信号。功率控制程序的作用是通过将从负载处检测到的电流值与功率设定量相比较，其差值通过数字pi控制算法举行处理，进而得到所需要调节的移相角度值，结果返回主程序影响比较单元1(cmprl)的设定值。ps-pwm功率控制算法5所示。为了保证超声电源正常工作，除设计各种故障的硬件庇护电路，同时采纳软件庇护。庇护由硬件、软件共同实现，保证系统牢靠运行。软件庇护是通过对检测出的信号举行滤波采样后与dsp中断级别最高的xint2相衔接，当故障发生时，进入软件中断

9、程序，封锁全部pwm脉冲输出，实现庇护效果。中断庇护程序流程6所示。4 及试验结果基于以上理论分析及系统的硬件与软件设计，用pspice软件对移相功率控制超声电源举行仿真。7、图8所示。选取的超声换能器型号是dh-6160f-15s-3，其谐振频率为25 khz，谐振阻抗为15，静态电容为27000 pf，通过计算，其匹配电感为o75 mh。图7、图8分离给出移相角分离为=0，=45时的输出电压u和输出电流i仿真波形。由仿真波形比较分析，当移相角逐渐增大，其输出电压脉宽逐渐减小，电流幅度逐渐减小，可见调整的大小即可以实现输出功率的调整。另外，功率管工作在zvs软开关状态，降低了开关损耗和电压电流应力，逆变器始终工作在负载谐振状态，负载侧的功率因数高，控制容易，提高电源的牢靠性。按照前面的设计，对3 kw30 khz的超声波发生器举行试验，下面给出逆变桥的驱动波形，ps-pwm控制输出波形，频率跟踪试验波形。图9为=60时z1和z4的驱动波形，图10为=60时输出电压和电流波形；图11为频率跟踪后稳态的输出电压和电流波形。5 结语因为传统开关管触发电路是由硬件实现脉冲移相控制的，其线路复杂，元件易老化，输出波形易发生不同程度的失真，使触发脉冲对称度受到很大影响。由微处理器构成的控制系