تصميم دوائر البرامج والأجهزة لمضخم الطاقة على أساس TMS320F28122 DSP

“تبديل إمدادات الطاقة يحل تدريجياً محل إمدادات الطاقة ذات الترددات ذات الحجم الصغير ، والوزن الخفيف ، والاستهلاك المنخفض للطاقة ، والكفاءة العالية ، والتموج الصغير ، والضوضاء المنخفضة ، والذكاء العالي ، والتوسع السهل ، وتستخدم على نطاق واسع في المعدات الإلكترونية المختلفة. الموثوقية العالية والذكاء والرقمنة هي اتجاهات التطوير لتحويل إمدادات الطاقة. يتطلب مضخم الطاقة الصوتية أن يقوم مزود الطاقة بضبط جهد الخرج تلقائيًا مع تغير الحمل ، ثم ضبط الطاقة لتحسين الأداء الديناميكي لمصدر الطاقة وتقليل الفقد الداخلي لمضخم الطاقة الصوتية ، ولكن مصدر طاقة التبديل الحالي لا تستطيع تحقيق ذلك. حدد TMS320F2812 DSP كوحدة تحكم رئيسية لمضخم الطاقة بتبديل مصدر الطاقة ، وصمم استهلاكًا منخفضًا للطاقة.مفاتيح مضخم ذكية جديدة لأنظمة مكبر للصوت أكبر

“

1 المقدمة

تبديل إمدادات الطاقة يحل تدريجياً محل إمدادات الطاقة ذات الترددات ذات الحجم الصغير ، والوزن الخفيف ، والاستهلاك المنخفض للطاقة ، والكفاءة العالية ، والتموج الصغير ، والضوضاء المنخفضة ، والذكاء العالي ، والتوسع السهل ، وتستخدم على نطاق واسع في المعدات الإلكترونية المختلفة. الموثوقية العالية والذكاء والرقمنة هي اتجاهات التطوير لتحويل إمدادات الطاقة. يتطلب مضخم الطاقة الصوتية أن يقوم مزود الطاقة بضبط جهد الخرج تلقائيًا مع تغير الحمل ، ثم ضبط الطاقة لتحسين الأداء الديناميكي لمصدر الطاقة وتقليل الفقد الداخلي لمضخم الطاقة الصوتية ، ولكن مصدر طاقة التبديل الحالي لا تستطيع تحقيق ذلك. حدد TMS320F2812 DSP كوحدة تحكم رئيسية لمضخم الطاقة بتبديل مصدر الطاقة ، وصمم استهلاكًا منخفضًا للطاقة. نوع جديد من مضخم الطاقة الذكي لتحويل مصدر الطاقة مناسب لأنظمة مضخمات الطاقة الكبيرة.

2. مكبر كهربائي ذكي تبديل تصميم امدادات الطاقة

الشكل 1 عبارة عن رسم تخطيطي للمبدأ العام لإمداد الطاقة التحويلية لمضخم الطاقة الصوتي الذكي. تتبنى الدائرة الرئيسية هيكل التناوب المستقيم والمتناوب المستقيم. يمر تردد طاقة الإدخال 220 فولت تيار متردد عبر دائرة المرشح ، ثم يخرج جهد التيار المستمر من خلال دائرة مقوم الجسر أحادي الطور. ثم يتم إخراج جهد التيار المستمر المستقر من خلال التصحيح والترشيح الثانوي ؛ بعد أن تقوم دائرة الكشف بأخذ عينات من إشارة جهد الخرج ، يتم إرسالها إلى دائرة التحكم ، ويتم ضبط جهد الخرج عن طريق تغيير نسبة عرض نبض الخرج لدائرة التحكم ؛ تدرك دائرة الحماية حماية الجهد الزائد والتيار الزائد تقوم دائرة الكشف عن الطاقة بأخذ عينات من تيار دائرة التحويل ، وعندما تتجاوز طاقة الخرج 500 واط ، يتم إنشاء إشارة الكشف عن الطاقة الزائدة لقيادة دائرة التحكم وتقليل جهد الخرج: دائرة الطاقة المساعدة تزود الطاقة بدائرة التحكم ومكبرات الصوت التشغيلية المختلفة.

　　

2.1 مكبر الطاقة تحويل وحدة امدادات الطاقة

الشكل 2 هو الدائرة الرئيسية لمزود الطاقة لمضخم الطاقة ، حيث يكون Vin هو مدخل التيار المتردد 220 فولت الذي تم الحصول عليه من خلال ترشيح الواجهة الأمامية وتصحيح الموجة الكاملة ، والجهد هو 300 فولت. هو جهد الدخل لدائرة العاكس كامل الجسر. VQ1 ، VQ2 ، VQ3 ، VQ4 هي وحدات MOSFET عالية الطاقة IRFP460 ، والتي تستخدم كمفاتيح تحويل. نظرًا لأن MOSFET من النوع IRFP460 عبارة عن جهاز ناقل رئيسي ، فإن سرعة التبديل سريعة للغاية ، والقيمة النموذجية لوقت التشغيل والإيقاف هي عمومًا 20 نانوثانية ، ولها جهد انهيار عالٍ وتيار تشغيل كبير. بالإضافة إلى ذلك ، فإن مقاومة الدخل للـ MOSFET عالية ، ودائرة القيادة بسيطة نسبيًا ، وطالما تمت إضافة جهد يبلغ حوالي 10 فولت بين البوابة والمصدر ، فيمكن تشبعها وتشغيلها. تشكل L4 و C5 و C6 شبكة طنين مساعدة. وبالنظر إلى محاثة التسرب للجانب الأولي للمحول ، فإن قيمة محاثة الرنين LT أصغر بشكل عام من القيمة الفعلية. هنا ، محاثة مشبعة غير خطية تبلغ 1 μF مع تحديد قيمة الحث 34 μH. بالنظر إلى مشكلة التشبع المغناطيسي للمحولات T1 ذات التردد العالي ، يتم توصيل الملف الأولي في سلسلة مع المكثفات المضادة للانحياز ، VD15 و VD16 و VD17 و VD18 عبارة عن صمامات ثنائية مقوم الموجة الكاملة على التوالي ، L1 و C13 و EC1 و EC2 و L2 و C14 و EC3 و EC4 هي +35 فولت على التوالي ودائرة الترشيح لحلقة الإخراج -35 فولت.

الدائرة الرئيسية لمضخم الطاقة تبديل التيار الكهربائي

2.2 مضخم الطاقة تبديل وحدة إمداد الطاقة بدائرة التحكم

تأخذ دائرة التحكم DSPTFMS320F2812 باعتبارها جوهرًا ، وتشمل بشكل أساسي وظائف توليد شكل موجة نبضي متغير الطور ، وأخذ العينات في الوقت الفعلي ، وتعديل الطاقة ، وحماية الجهد الزائد ، وحماية التيار الزائد ، وحماية الطاقة الزائدة ، وخوارزمية التصفية وخوارزمية تحويل الطور كامل الجسر. استخدم دائرة تحويل A / D عالية الدقة المضمنة ذات 16 قناة 12 بت لـ TMS320F2812 لتحقيق أخذ عينات في الوقت الفعلي للجهد والتيار. الحد الأدنى لوقت التحويل لكل قناة هو 80 نانوثانية ، ونطاق مستوى إشارة الإدخال لدائرة تحويل A / D هو 0-3 فولت. بعد أخذ العينات ، اضبط زاوية إزاحة الطور لشكل موجة PWM الذي يحرك أنبوب التبديل لعاكس الجسر الكامل من خلال برمجة البرامج لتحقيق تنظيم الجهد. وفي نفس الوقت ، عندما يكون جهد الخرج أو التيار مرتفعًا جدًا أو منخفضًا ، فإن DSP يستدعي الإجراء الفرعي المقابل للتعامل مع الأحداث غير الطبيعية المفاجئة. ، يلعب دورًا وقائيًا. في الوقت نفسه ، يقوم A / D بتجربة جهد الخرج وإشارة التيار للتشغيل ، والتي يمكن أن تقيس بدقة طاقة الخرج ، وتعديل قيمة السجل ذي الصلة لمدير الحدث لضبط جهد الخرج.

يرتبط أداء وحدة التحكم ، مثل الخصائص الديناميكية ودقة تنظيم الجهد ، ارتباطًا وثيقًا بتصميم المنظم. في تصميم مضخم الطاقة بتبديل مصدر الطاقة ، يتم استخدام خوارزمية التحكم التزايدية PID.

يعتمد التحكم الرقمي في تصميم مزود الطاقة على التحكم الرقمي في أخذ العينات ، أي يتم حساب كمية التحكم وفقًا لقيمة الانحراف لوقت أخذ العينات. الشكل المنفصل للتحكم PID هو:

معادلة

في الصيغة ، Ts هي فترة أخذ العينات.

الصيغة (1) هي صيغة تحكم موضعية PID. من أجل زيادة موثوقية نظام التحكم ، تم اعتماد صيغة التحكم الإضافية PID ، أي أن DSP ينتج فقط الزيادة في كمية التحكم u (k) ، والصيغة (1) هي كمية الإخراج لـ Kth PID تحكم ، ثم (K-1) إخراج وحدة تحكم PID الثانوية هو:

معادلة

لذلك ، فإن خوارزمية التحكم التزايدية PID هي:

معادلة

معادلة

المعادلتان (3) و (4) هي صيغ التحكم الإضافية PID لبرنامج التحكم. بالمقارنة مع التحكم الموضعي PID ، فإن التحكم الإضافي PID يختلف فقط في الخوارزمية ، ولكنه ينتج فقط الزيادة ، مما يقلل من التأثير على نظام التحكم عند حدوث خطأ في تشغيل DSP ، ولا ينتج هاربًا متكاملًا. الشكل 3 هو مخطط كتلة تحقيق وحدة التحكم PID بناءً على TMS320F2812.

　　

2.3 تصميم البرمجيات لمضخم الطاقة تبديل التيار الكهربائي

إن تصميم البرنامج لمضخم الطاقة بتبديل مصدر الطاقة على أساس DSP يحقق بشكل أساسي الوظائف التالية:

(1) يستخدم توليد نبضات تحويل الطور كامل الجسر وحدتي مقارنة في مدير الأحداث TMS320F2812 لإخراج نبضات دائرة الإخراج مباشرة. من منظور المبدأ الأساسي لتحويل الطور ، فإن القيادة بين ذراع الجسر المتأخر والذراع الأمامي لها تأخير دوري ، وزاوية التأخير هي زاوية تحول الطور. تم تعيين أن خرج PWM1 / PWM2 بواسطة وحدة المقارنة 1 يقود مفاتيح الذراع الأمامية الفائقة VQ1 و VQ3 على التوالي ، ومخرج PWM3 / PWM4 بواسطة وحدة المقارنة 2 يقود مفاتيح ذراع التأخر VQ4 و VQ2. نبضات القيادة بين الأنابيب العلوية والسفلية لكل ذراع جسر مكملة ولها مناطق ميتة. يتم إصدار محرك ذراع الجسر الرئيسي الثابت في الوقت 0 من كل دورة ، طالما أن الوقت المقابل لزاوية إزاحة الطور φ هو بعد ذلك يحدث حدث المقارنة ، يمكن الحصول على النتيجة.تأخر النبض الدافع لذراع الجسر ، وذلك لتحقيق تحول الطور الحر في نطاق من 0 درجة إلى 180 درجة.

(2) كشف وحماية الجهد الزائد والتيار الزائد والقوة الزائدة إن مزود الطاقة المحول لمضخم الطاقة المستند إلى DSP له وظائف حماية مثل الجهد الزائد والتيار الزائد والقوة الزائدة والسخونة الزائدة. عندما يحدث استثناء. يدخل النظام روتين خدمة المقاطعة غير الطبيعي للمعالجة ، ويؤمن إخراج PWM في الوقت المناسب. من أجل منع حدوث خلل ، تم ضبطه على قراءة 20 إشارة غير طبيعية بشكل مستمر قبل التعرف عليها على أنها خلل في الدائرة ، وإلا فلن تتم معالجتها. يظهر تدفق البرنامج لكل وحدة في الشكل 4 إلى الشكل 6.

　

　

　　

3. النتائج التجريبية

تم تصميم نموذج أولي بناءً على التحليل السابق بتردد تبديل يبلغ 100 كيلوهرتز وجهود خرج تبلغ ± 35 فولت و ± 42 فولت. يتم إجراء التجارب على مصدر طاقة التحويل لمضخم الطاقة الصوتية على أساس التحكم DSP. في ظل ظروف الحمل الخفيف والحمل الثقيل ، يكون معامل تموج الجهد الناتج أقل من 0.5٪ ، ودقة جهد الخرج أقل من 0.5٪. 5٪.

الشكل 7 هو شكل موجة إزاحة الطور لـ DSP. من بينها ، القناة 1 هي خرج PWM1 لوحدة المقارنة 1 ، وهي ذراع الجسر الرائد ؛ القناة 2 هي ناتج PWM3 لوحدة المقارنة 2. يتضح من الشكل 7 أن القناة 2 تتخلف عن القناة 1 بحوالي 135 درجة. الشكل 8 هو الشكل الموجي الحرج لتشغيل ذراع الجسر المتأخر بجهد صفري ، ويبلغ جهد الدخل حوالي 175 فولت ، وقدرة الخرج 100 واط. في الشكل 8 ، القناة 1 هي شكل موجة جهد مصدر البوابة Vcs لأنبوب MOS للطاقة ، والقناة 2 هي شكل موجة جهد مصدر الصرف VDS لأنبوب MOS للطاقة. عند إيقاف تشغيل VDS ، يكون 175 فولتًا. ويمكن ملاحظة من الشكل 8 أن VDS ينخفض ​​أولاً إلى 0 ، ثم يرتفع Vcs. في هذا الوقت ، يتم تشغيل أنبوب التبديل بجهد صفر. كلما كان الحمل أثقل ، كانت ظاهرة تشغيل الجهد الصفري أكثر وضوحًا. عندما تكون طاقة الخرج 400 واط وقوة الإدخال 440 واط ، تكون كفاءة التحويل لمحول تحويل الطور كامل الجسر 90.9٪.

شكل موجة متغير الطور لـ DSP

جسر التباطؤ الذراع صفر الجهد تشغيل شكل الموجة الحرجة

أظهرت النتائج التجريبية أن محول الطاقة لمضخم الطاقة على أساس DSPTMS320F2812 لديه شكل موجة إخراج جيد ، ومحتوى أقل توافقيًا وقابلية ضبط ممتازة.عندما يتغير الحمل في النطاق الكامل ، يمكن أن يحافظ مصدر طاقة التحويل على أداء الإخراج الجيد.أنبوب التبديل يعمل في حالة تبديل الجهد الصفري ، وبالتالي فإن استهلاك الطاقة لنظام إمداد الطاقة بأكمله صغير ، وله إمكانية تطبيق جيدة في مكبر صوت عالي الطاقة عالي الجودة.

4. الخلاصة

يتم استخدام DSP كنواة تحكم لمزود الطاقة لمضخم الطاقة الصوتي ، والذي يحقق التحكم الرقمي لمصدر طاقة التبديل ، ويتغلب على مشاكل تقادم المكونات والانجراف الحراري في نظام التحكم التناظري ، ويحل مشاكل المفرد – تحميل دائرة التحكم في الرقاقة ودقة الحساب المنخفضة. تُستخدم دائرة تحويل الطور ذات الجسر الكامل في مزود الطاقة لمضخم الطاقة الصوتي لتقليل الخسارة الداخلية لمضخم الطاقة ، بحيث يمكن تطبيقها على نظام مكبر الصوت عالي الطاقة.

استخدم موارد البرامج والأجهزة الخاصة بـ TMS320F2812 لتحقيق التحكم في PWM ، والتصفية ، وأخذ العينات ، ووظائف حماية النظام المختلفة ، وتبسيط دائرة التحكم ، وتحسين مرونة تصميم وتصنيع إمدادات الطاقة ؛ بالإضافة إلى ذلك ، تتمتع وحدة التحكم بإمكانية التحكم الجيدة ، والتوسع السهل ، وسهولة الترقية والصيانة.