关于DSP导向桥电路的设计研究

刘义平

（苏州长风航空电子有限公司 江苏省苏州市 215151）

为实现对四个开关管通断的控制，并将直流电压转变为交流电压，落实电路输出换向功能，可以使用DSP芯片对其进行控制，并采用PI控制策略使用该芯片进行导向桥电路单元的设计，进而实现电路导向功能，满足相关工作的需要。

1 探讨以DSP技术为基础设计导向桥电路的必要性

随着科学技术水平的发展，舰船是国家开展相关工作的重要设备，但其磁场的存在会对其生存造成威胁，所以，一般情况下需要对其进行消磁，对其进行磁化处理。DC/AC逆变技术是实现直流电能转换为交流电能的保障，通过将其作为一种静止变流装置，实现交流负载用电，例如MOSEFY、GTR、IGBT等。而对于电流转变和消磁要求，导向桥单元是消磁电源的输出级，对输出电流方向具有控制作用，通过使用DSP芯片，能够满足负载需求，同时通过通讯部分功能，提升输出电流方向控制的精准程度，进而满足电路输出导向要求、实现输出导向目的。

2 研究以DSP技术为基础设计导向桥电路的流程与方法

2.1 计算主电路关键参数

（1）计算导向桥母线缓冲电容。在以DSP技术为核心设计导向桥电路时，应根据导向单元的输入电压、输出功能、额定输出电流、额定输出电压、输出负载、负载范围以及电感等参数计算导向桥最大输出电流、最大输出电压以及最大输出功率，保证导向桥主电路的科学合理性。由于导向桥存在掉电情况，所以，需要按照最为严重的情况下对负载电阻最大值和电感最大值进行分析与考虑，依据电感转移到导向桥的母线电容开展计算工作。

将最大母线尖峰电压设定在700V，即Uh_peak=700V，并将该导向单元输入电压、输出功率和额定输出电流（Ie）分别设定在400V、8000W、20A，且额定输出电压为400V，即U0=400V，110%Ie过载能长时间运行。另外，输出负载为阻感性负载，范围为电阻，参数在50%Re-110%Re，Re为20Ω，电感L为0mH-100mH。在该参数条件下，最大输出电流Ih_out_max为22A、最大输出电压Uh_out_max为440V、最大输出功率Po_max为9680W。在对导向桥母线缓冲电容进行计算时，主要按照以下公式进行，即即164μF。

（2）对导向桥输出限流电感进行计算。为控制负载输出短路时电流的上升速率，可以串入扼流电感L-h。在实际设计中，1.3Ie是输出过流保护点，选择最大脉冲电流，将保护延时时间（th）设置在3μs，即Ih_IGBT=114A，并降额20%。在该条件下，导向桥输出电感L-h计算公式为：即20μH。

图1：以DSP基础的导向桥结构图

（3）逆变电路原理。为保证电路运作的顺利性，在设计设计过程中应掌握逆变电路。在桥式电路中共有四个臂，分别是S1、S2、S3、S4，由辅助电路和电力电子器件构成，其中，S1和S4为一组，S2和S3为一组，在实际运行过程中这两个开关组轮流导通，且负载电压（u0）正负变化，通过调整开关频率，对输出交流电的频率进行调整。输出波形与负载状态有关，具体而言，当负载处于前一种状态时，负载电流（i0）与电压（u0）之间存在滞后性，波形不同；当负载处于后一种状态时，负载电流（i0）与电压（u0）之间不仅波形相同，相位也相同。同时，在电感的影响下，即便t1时刻输出的电压具有变化，也不会影响到输出电流极性，只会导致输出电流在经过开关后形成回路续流[2]。

因此，应对输出电压定量进行分析，具体分析流程和公式为：

傅里叶级数：

2.2 设计H桥导向单元

2.2.1 以DSP为基础的硬件电路设计

在开展以DSP为基础的硬件电路设计工作时，应对全桥逆变电路结构进行设计，整个结构包括控制电路、采样电路、逆变电路、通讯店路以及驱动电路，具体结构如图1所示。

在该结构中，主要使用TMS320F2810规格的DSP芯片，并开展电流和电压的采样工作，之后将其送入DSP芯片中。其中，AD7329端口IN0与输出电压对应，IN1与输出电流对应。同时，通过使用驱动电路驱动IGBT管，将PWT波之间的死区时间设计在4.27μs。具体设计如下：

（1）驱动电路的设计。整机装置的效率和逆变电路稳定性直接受驱动电路性能的影响，驱动IGBT管所需的电压信号由数字芯片DSP产生，但是，数字芯片DSP提供的PWM电压比IGBT管的开启电压小，在该情况下，仅凭芯片提供的电流。IGBT管无法被顺利驱动。因此，需要转换信号，以贴合IGBT管信号值的需求开展设计工作，对芯片的输出信号进行转换。但是，由于处于全桥逆变电路，四个IGBT管无法同时被电流驱动，所以，在对驱动电路进行设计时，相关工作人员应对DSP输出的电压信号进行处理，即对其进行转换和隔离，从而实现对开关管的顺利、成功驱动[3]。

（2）采样电路的设计。对于以DSP芯片为基础的导向桥电路，有温度的采样电路和输出电压、电流采样电路是采样电路的三方面。为更好获取外部温度，对电源风扇转速进行合理调节，在对电路进行设计时，应将采样电路设计的重点落在开关管散热温度方面，进而以该数据为基础开展相关设计工作。具体而言，为使导向桥电路能够奥驰输出直流电压的稳定性，反馈信号应送入数字芯片DSP的AD采样端口，并将其输入电压控制在0V-3V之间，因此，在处理调理电路，也就是对导向桥输出电压进行处理，从而获得符合要求、经过处理的电压信号，满足电路运作需求。

（3）保护电路的设计。由于在电路运行过程中可能会发生爆器件现象，影响消磁性能的同时还会造成资源的浪费，所以，为避免发生该情况，实现电路以及相关装置的安全运行目标，应设计保护电路，以此作为保护措施为电路安全运行提供保障，做好对电路输出的过流保护。若是电路运行过程中出现较大的电流数值，在其长时间运行情况下，很有可能烧坏开关管，为此，需要进行过流保护功能的设计。例如，进行电流信号输送后，对其进行大小比较，如果输出电流数值大于实际输出电流数值，应面向DSP芯片对四个开关管进行操作，将其立即、同时关断。

2.2.2 以DSP为基础的软件部分设计

对于电路软件而言，涵盖的主要设计内容是调试工作和程序编写工作，值得注意的是，这两项工作都应该在芯片集成开发环境下展开，进而实现对相关装置和电路的控制。在该方面，主要使用CCS3.3的DSP软件版本和SEED-XDS510 PLUS仿真器作为软件基础，运用中断服务子程序和主程序组成该电路系统软件部分的主体。对于主程序而言，其主要负责有关控制量的初始化工作，例如中断向量的设置、常量的初始化设置、变量的初始化设置、PIE向量表偶的初始化、事件管理器模块初始化、GPIO端口设置以及A/D转换模块初始化等。在完成初始化任务后，系统以循环的状态等待中断服务程序的相应。另外，在数字DSP芯片中包含EVA和EVB事件管理器模块，定时器中断服务程序完成电路系统控制工作，其中，定时中断服务程序需要进行多个子程序的设计，即内部温度AD采样程序、风扇自动调速程序、输出导向程序、外环PI调节程序、输出滤波程序。在定时中断服务程序运作时，其流程为：程序启动——系统初始化——定时中断——中断服务程序——停止信号——结束。

（1）输出导向功能设计。在对该功能进行设计时，主要使用事件管理器EVA中的比较单元产生PWM波，用于对IGBT管进行驱动，由于需要驱动四个，所以，PWM波需要共有四路。在实际设计过程中，主要于中断定时器的调用子程序完成定时轮流导通工作，进而实现对电路输出电流方向的控制。另外，电路的1号桥臂和2号桥臂开关管组成导通波形，将周期时间设计为25us，并使用定时器进行计数。当定时器运作时，起始时间为0,1号开关管先行导通，当定时器计数参数到达15000次且时间为0.375s时，1号开关管和2号开关管关断。当其计数达到25000次且时间为0.625s时，2号开关管开通，当计数为40000次且时间为1s时，开关管导通情况开始进行周期重复。

（2）风扇调速功能设计。由于在消磁电源中，导向桥单元为输出级，所以在具备输出换向功能的同时还可以对风扇速度进行调节，实现对整个分布式系统温度的有效控制，避免部分装置过热烧损。为实现该功能，主要进行BUCK电路的设计，让其给风扇供电，同时，通过对该电路开关管通断的控制，能够实现对输出电压大小的及时、准确调整，进而有效改变风速。在实际设计过程中，主要是通过AD采样采如外部温度，根据采样数据对PWM波的占空比进行调整，进而在导通时间不同的情况下，使BUCK电路输出不同大小的电压。例如，当温度参数在0-1500范围内时，PWM波占空比为0.8，输出电压为12V,风扇整体转速较小；若是采集到的温度数值量在1500-3000范围内和3000以上、5000以下时，PWM波占空比分别为0.4和0，电路输出电压分别为16V和24V，风扇风速在前者条件下，风速有所提高，但仍处于中等风速，而对于后者而言，风扇转速最高[4]。

（3）输出电压调节功能设计。在对该功能进行设计时，主要使用消磁电源前一级的LLC谐振变换器和导向桥电路单元进行双闭环控制系统的构建，对于导向桥电路单元而言，其主要包括输出滤波程序和PI调节程序的控制，进而保证输出电压的稳定性。同时，根据数字反馈信号和PI计算更新PWM驱动信号的更新，实现系统调节。

3 结论

综上所述，DSP芯片的使用能够实现对导向桥电路单元输出电流换向等工作的准确、有效控制。因此，为实现对相关物品剩磁的有效消除，提升导向桥电路单元的应用实效性，应以DSP芯片为基础进行软件设计和硬件设计，从而实现对输出电流的正负向切换。