一种DSP芯片在串联谐振高频逆变电源中的应用
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，使逆变器开关频率能自动跟踪负载固有谐振频率Fo，并始终保证Fc=Fo。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，并利用一种DSP芯片对该算法进行了实现，最后，构 建了基于一种DSP芯片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 ，当输入信号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，直至两者的相位差为0，达到同频同相为止 。
图1 数字锁相环的组成框图
其线性Z域模型如图2所示。
图2 数字锁相环的线性Z域模型
3、一种DSP芯片的算法实现
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一种32位定点DSP核，最高速度可达400MIPS，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8GB的线性地址空间，采用低电压供电(3．3 V 外设电压，1．8V内核电压)，与TMS320,C24XX的源代码兼容芯片。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 PW M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。Tmax，Tmin标定出系统的频率跟踪范围，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、基于一种DSP芯片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，取 串联谐振逆变电源的电流作为频率跟踪的输入。
图3 DPLL的算法流程图
图4 串联谐振高频逆变电源的控制框图
图4中DC／AC部分采用由MOSFET(VT～VT)及反并续流器件(VD1～VD 4)构成的H型全桥逆变器，高频匹配变压 器T、串联谐振电容Cs和电感Ls组成输 出回路。而调功方式选择直流斩波调功，频率跟踪电路采用基于一种DSP芯片的数字锁相环的实现方法，以实现对串联谐振高频逆变电源的频率跟踪。
基于以上控制图，在Matlab／Simulink中设计了一个串联谐振高频逆变电源系统的仿真模型，如图4所示。在这个仿真模型中，将负载上的电压信号和电流信号采集出来，通过过零检测处理以后，作为相位比较器的输入信号，其输出通过低通滤波器滤波后，进入加法器和采样保持器得到 e(k+1)，再通过离散积分器得到系统所需要的新的谐振周期T(k+1)，最后通过压控振荡器产生新的逆变器驱动． 脉冲使得系统重新进入谐振状态。
图5(a)中逆变器由MoSFET(VT～VT)及反并续流器件(VD1～VD)构成H型全桥逆变器，负载等效电阻R、串联谐振电容C和负载等效电感L组成输出回路。
图5 串联谐振高频逆变电源系统的仿真模型
根据图5的模型，对系统输出波形进行仿真分析。图6 给出了逆变器输出电压与输 出电流的仿真波形。图中，方波为逆变器输出电压的仿真波形，正弦波为逆变器输出电流的仿真波形。仿真结果表明各开关周期的电压、电流同相位，说明该数字锁相环能使逆变器的工作频率实时跟踪负载谐振频率，使串联谐振高频逆变电源工作在谐振或准谐振状态，验证了ZCS软开关工作模式。同时也证明了本文对串联谐振高频逆变电源所建模型的正确性。
图6 逆变器输出电压V0 与输出电流 I0的仿真波形
5、结语
基于一种DSP芯片的二阶数字锁相环实现了串联谐振高频逆变电源输出频率的自动跟踪。仿真结果表明各开关周期的电压、电流同相位，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。利用高速芯片进行频率跟踪，既实现了锁相环的数字化，又大大提高了系统的可靠性和快速性，提高了电源的工作效率，在工业控制中具有实用价值。