基于ＤＳＰ技术的等离子切割机电源系统的研究
摘 要：该设计应用DSP技术对等离子切割电源系统的功率因数进行校正，减小了谐波对电网的干扰，提高了电源输出的稳定性。该系统的各级控制环节采用德州仪器生产的 DSP芯片TMS320F2812数字信号处理器进行处理， 建立等离子切割电源功率因数的数字化控制系统。该系统应用电流传感器检测boost模块的输入电流， 通过采样与 A/D 变换和PID 控制实现稳定的恒电流输出,从而有效地提高了电源系统的功率因数和工作稳定性，增强了系统的抗高频干扰能力。
关键词：等离子切割机电源;DSP;功率因数校正;PWM;TMS320F2812
中图分类号：TM135;TP368.1文献标识码：A文章编号：1004373X(2008)2204502
Research ofPlasma Arc Cutting Power System Based on DSP
LIU Lili，YANG Yongcai，WANG Shitong,CHEN Rui,ZHAO Dongxue
(College of Optics and Electronics Information Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai,200093,China)
Abstract：The design improves the power factor in the plasma arc cutting power system with digital singnal processor,induces the inference to electrical network,improves the stability of power supply system.The digital control system for plasma arc cutting power system has been developed by using digital signal processor TMS320F2812,which produced by Taxas Instrument.After sampling,A/D conversion and digital filtering on the input current of boost model,which is detected by current sensor,a stable constant current output characteristic is realized via PID control,So that,the power factor and operational stability of power supply system and the anti-disturbance ability to high frequency noise of digital control system are improved effectively.
Keywords：plasma cutting power;DSP;power factor correction;PWM;TMS320F2812
1 引 言
20世纪80年代初，开关电源产品的普及促进了功率因数校正技术的发展。开关电源的谐波引起了人们的注意。
等离子切割是现代生产中的一种被广泛采用的加工方法，尤其在有色金属、难溶金属加工领域显得更为重要。所以等离子切割机电源中功率因数的校正也相当重要。PFC模块的数字控制，具有以下优点：磁化率对环境污染影响小、元件数量少、可靠性高、程控和化程度难度高，能适用先进的控制算法，并能与各种计算机和处理器进行接口等。数字信号技术和DSP不断发展，特别是DSP价格大幅度下降和片内集成模块增多，为PFC数字控制提供有力的支持和可靠保证。
本文应用DSP技术，在等离子切割电源系统中对PFC进行数字化处理，进而提高功率因数，减少谐波干扰。
2 影响功率因数的因素及数字化解决方法
传统的切割机前级采用整流二极管和滤波电容组成的整流滤波电路。虽然交流输入电压的波形是正弦的，但是由整流二极管和滤波电容组成的整流滤波电路是一种非线性元件和储能元件的组合，所以整流器件的导通角不足180°，只有很小的导通角，导致输入交流波形严重畸变，输入交流电流波形呈脉冲状如图1所示。
在由整流二极管和滤波电容组成的整流滤波电路中，只有当线路输入峰值电压超过滤波电容两端上的电压时，整流二极管中才有电流通过。脉冲状的输入电流含有大量的谐波成分，但是交流输入电流中只有基波电流电路才做功，其大量的高次谐波成分对供电造成污染，降低了功率因数。
常用的功率因数校正电路分为有源和无源两种。本文采用有源功率因数校正电路进行校正。其基本工作原理是利用控制电路强迫输入交流电流波形跟随输入交流电压波形进而实现交流输入电流正弦化，并与交流输入电压同步。输出电压、电流随时间的结果如图2所示。
有源PFC 系统的主电路采用 BOOST调节器，其特点为输入电流连续、传导噪声低,以及有良好的输入波形，其驱动电路如框图3所示。
以上功能流程图利用2个反馈控制环有效的说明了有源功率因数校正是一种抑制谐波电流、提高功率因数的有效方法。第一个控制环：输入电流控制环，它利用输入电流控制环路来控制DC/DC变换器输入电流与全波整流电压波形相同；第二个是输出电压控制环，它利用输出电压控制环路使DC/DC变换器输出端等效为一个直流稳压源。
3 PFC的数字化
针对等离子切割机电源采用TI公司的TMS320F2812芯片为控制载体实现了电源前级功率因数控制环节和后级逆变控制环节的控制，较好地抑制了输入电流谐波并获得了切割逆变电源恒电流输出特性。
PWM 控制信号则应用德州仪器生产的TMS320F2812DSP芯片内部集成的 PWM 模块实现脉冲宽度的直接数字化调制和输出。TMS320F2812包含有2个6通道16位精度的 PWM模块。每个PWM模块的6个通道可以配置为互补通道对和独立通道， 在互补通道方式下， 可编程控制死区时间。此外，PWM模块还具有可编程出错保护功能（如果过流、过温、或是过压则通过PDPPINT引脚来保护电路，使PWM输出呈高阻态）， 为电源在各种故障情况下通过快速关闭 PWM 控制脉冲对实施可靠保护提供了有效的途径。此外，其强大的外设为等离子切割机的其他控制提供可能，从而简化元器件。
对于图3来说，输入DSP的信号就是由电流传感器获得输入电流Iin和输入电压Uin，以及此环节输出的电压Uout，这3个值经过图3的变换之后，控制输出PWM波，进而起到提高功率因数的作用。软件流程图如图4所示：
4 结 语
本系统通过DSP控制PWM的输出，进而提高功率因数。整流器的输出电压首先经过调理电路，使其幅值满足ADC输入电平的要求，然后由芯片内ADC进行转换和数字化处理，最后由DSP进行进一步的处理。功率因数经过DSP处理之后，有效降低了系统对电网的谐波污染， 提高了电源系统的功率因数，其几乎能达到1， 并为逆变电路提供了稳定的直流电源。
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作者简介 刘立立 女，1981年出生，上海理工大学光学与电子信息工程学院在读硕士生。主要从事测试信息获取与处理方面的研究。
杨永才 男，1957年出生，上海理工大学光学与电子信息工程学院教授。主要从事光电精密测量技术的研究。
