TMS320F2812在串联谐振高频逆变电源中的应用

摘 要：为减小逆变器功率器件的开关损耗,提高装置输出效率,应该控制逆变器的工作频率实时跟踪负载谐振频率,确保开关器件工作在零电流开关(ZCS)状态。介绍了高频逆变电源中采用TMS320F2812实现频率跟踪的数字锁相环(DPLL)方法,给出了实现DPLL的算法,并对采用DPLL的高频逆变电源系统进行了Simulink仿真,仿真结果表明逆变器的工作频率能实时跟踪负载谐振频率,验证了ZCS软开关工作模式。

关键词：TMS320F2812；逆变电源；频率跟踪;串联谐振

Application of TMS320F2812 in Series-resonant HF-Inverter Power

YU Yan1,2 ,HUI Jing1

(1.Jiangnan University,Wuxi,214122,China;2.Jiangyin Professional College,Jiangyin,214405,China)

Abstract：In order to reduce the losses of switching components and improve efficiency of the power,the operating frequency of the inverter power is controlled,so as to track the load resonant frequency simultaneously to keep the inverter always operating in Zero-Current-Switching (ZCS) mode.A method for implementing the Digital Phase Locked Loop(DPLL)applied to High-Frequency-Inverter power supply is put forward in the paper.The process of implementing this method using TMS320F2812 is presented too.Finally,the High-Frequency-Inverter power based on TMS320F2812 are constructed and simulated in Simulink environment.The results of simulation show that the operating frequency of the inverter power can track the load resonant frequency simultaneously,also it verifies the inverter can operate in Zero-Current-Switching (ZCS) mode.

Keywords：TMS320F2812;inverter power;frequency tracking;series-resonant

オ

1 引 言

目前,感应加热已广泛地应用于淬火、锻造熔炼、锻造毛坯加热、钢管弯曲、金属表面热处理、焊接等行业中。但感应加热电源在加热过程中,因温度变化和加热对象熔化等因素,使负载等效参数和固有谐振频率发生变化,导致功率开关器件应力增加,逆变器效率降低及输出波形纹波系数增大。为使逆变器始终工作在功率因数接近于1的准谐振状态,需采用相应的频率跟踪技术,使逆变器开关频率fc能自动跟踪负载固有谐振频率fo,并始终保证f传统的频率跟踪控制电路采用由CD4046构成的锁相环,但由于CD4046器件构成的锁相环存在着硬件线路复杂、响应速度慢、频率跟踪范围窄、控制灵活性差等缺点,故不适合用在高精度的频率跟踪场合。因而本文介绍了一种数字锁相环进行频率跟踪的方法,并利用TMS320F2812对该算法进行了实现,最后,构建了基于TMS320F2812的串联谐振高频逆变电源系统,并在Simulink环境下对其进行了仿真,给出了逆变器输出电压与输出电流的仿真波形,验证了ZCS软开关工作模式。

2 频率跟踪的原理

数字锁相环的组成一般如图1所示,它由数字鉴相器(PD)、数字环路滤波器(DLF)、数字压控振荡器(DCO)三部分组成［2］,У笔淙胄藕Q1(k) 和输出信号Q2(k)之间存在相位差时,数字鉴相器(PD)便输出与相位差大小成比例的信号Ud(k)。此相位差信号经过数字环路滤波器(DLF)滤除高频分量后,得到一个控制电压Uc(k)。这个Uc(k)作用于数字压控振荡器(DCO)的输入端,使输出Q2(k)发生变化,е敝亮秸叩南辔徊钗0,达到同频同相为止。

3 TMS320F2812的算法实现

基于数字锁相环的数学模型,利用DSP很容易实现数字锁相环。锁相环数学模型中的滤波器通过采用具有低通特性的环路滤波器,从而获得稳定的控制数据,压控振荡器由程序中的算法来仿真实现,可以在程序中对锁相环参数中的各个变量进行理论整定,参与进行下一步数据的处理。

由于逆变电源的频率为高频,所以该数字锁相环控制系统采用了TMS320F2812为核心来实现。TMS320F2812是到目前为止用于数字控制领域性能最好的DSP芯片。这种芯片采用32位定点DSP核,最高速度可达400 MIPS,可以在单个指令周期内完成32*32位的乘法/累加运算,具有增强的电机控制外设、高性能的模/数转换能力和改进的通信接口,具有8 GB的线性地址空间,采用低电压供电(3.3 V外设电压,1.8 V内核电压),与TMS320C24XX的源代码兼容。其具有两个事件管理器模块,每一个事件管理器最多同时可生成8路PWM信号,包括3对由完全比较单元产生的死区可编程PWM信号以及由通用定时器比较器产生的2路独立的PWM信号。

DPLL 的工作过程就是一个不断计算的过程,该数字锁相环控制系统采用DSP的脉冲捕获功能,对输出电压和转化为矩形波的输出电流进行过零跳变检测,通过中断的方式获取由通用定时器产生的计数值,并通过计算折算为频率。在获得相位误差以后,判断误差是否在允许的范围以内。如果在,则继续输出原来的触发周期；如果不在,程序开始计算新的触发周期,得到新的触发周期以后产生新的周期 PWM 触发信号。 DPLL的算法流程图如图3所示。

初始化时,通过设置死区寄存器的参数设定触发脉冲死区的大小,防止因出现上、下桥臂直通,造成短路故障。另外,还需对DSP的一些参数进行设定,使DSP在目标要求下工作。T┆max,T┆minП甓ǔ鱿低车钠德矢踪范围,对于不同的系统有着不同的设定。最后根据运算值,对周期寄存器和比较寄存器进行设置,从而改变输出脉冲频率,达到频率跟踪的效果。

4 基于TMS320F2812的串联谐振高频逆变电源及其仿真

将DPLL用于串联谐振高频逆变电源的频率跟踪控制,控制框图如图4所示［3］,取串联谐振逆变电源的电流作为频率跟踪的输入。