DSP的低温等离子消毒电源的研制

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    摘要：低温等离子消毒技术因其具有快捷、安全和高效率等优点而受到国内外广泛研究。利用介质阻挡放电产生等离子体原理，并利用DSP处理器的高速处理数据的能力，研制了一种等离子消毒电源。通过采用基于DSP 的Fuzzy-DPLL复合数字锁相环算法，实现了对负载频率的可靠跟踪和对逆变状态的可靠控制。

关键词：低温等离子体；介质阻挡放电；复合数字锁相环；数字信号处理器

Abstract:

The technology of the low-temperature sterilization has been researched by all over the world because of its many advantages such as fast, safe and high efficiency. Based on the theory of dielectric barrier discharge (DBD) and plasma sterilization, and adapts the DSP with its ability of high speed processing data, has made a new low-temperature plasma power supply. According to the application of Fuzzy-DPLL based on DSP, the power supply can track the load resonant frequency rapidly and accurately.

0 引言

　　因为致病微生物在公共场所的集中性和易传播性为人类带来了一定的隐患。在对抗疾病的战斗中，传统的杀毒消毒方法已经不能满足新型材质的各类物品的消毒需要，因高温灼烧而致使器械变钝、变形使人们开始将目光转向新的杀毒技术。低温等离子体杀毒消毒技术是一种比较理想的消毒方法，因其具有灭菌时间短、操作温度低、能够广泛应用于多种材料和物品的灭菌、无需通风、不会对操作人员构成伤害、安全可靠等许多优点，而被国内外广泛应用于包括食品加工和医疗卫生在内的诸多领域。针对传统的消毒装置存在的缺陷和目前技术的发展，本文提出了一种新的消毒电源的研究方法，通过采用美国德州仪器公司的高速DSP 芯片TMS320F2407，实现了系统的控制和保护，并应用电力电子技术，使电源装置具有体积小、效率高可靠性好等优点。

1 低温等离子体的产生方法

　　介质阻挡放电（DDB）是有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡放电，又称介质阻挡电晕或无声放电，是一种典型的可通过放电产生等离子体的技术,因而受到国内外的格外关注。本文主要是为介质阻挡放电用高频高压电源的研究。

　　介质阻挡放电能在高气压和频率很宽的范围内工作，通常工作电源的频率可以从50Hz"1MHz。放电装置电极结构的设计形式多种多样，




　　图1 给出了常用的用于介质阻挡放电产生等离子体的三种发生装置[1]。图1（a）是比较实用的放电构形，结构简单，通过金属电极释放热量；图1（b）的特点是放电发生在两层介质之间，可以防止放电等离子体直接与金属电极接触，对于具有腐蚀性气体或高纯度等离子体，这种构型具有独特的优点。第三种构型可以和介质两边同时生成两种成分不同的等离子体。根据实际的运用方式，比较以上三种结构的优缺点，本文选择第二种结构形式。将两个放电电极中充满某种工作气体，并用绝缘介质覆盖两个电极。当两电极间施加足够高的交流电压时，电极间的气体会被击穿而放电，即产生了等离子体。所加电源频率越高，气体放电频率越强烈[2]。

2 TMS320F2407 的结构特点

　　TMS320F2407 具有高速信号处理和数字控制功能所必需的结构特点。通过应用优化的外设单元和高性能DSP 内核的结合，可为各种类型的电机提供高速、高效和全变速的控制技术。TMS320F2407 主要有以下特点：

　　（1）50ns的指令周期时间；

　　（2）544 字伊16 位片内数据/程序双口RAM 16字伊16 位片内闪速EEPROM，共计224K 字伊16 位存储器地址范围；

　　（3）12 路CMP/PWM 输出；

　　（4）3 个16 位通用定时器；

　　（5）3 个具有死区控制的16 位比较单元，3个16 位单比较单元；

　　（6）双十位模拟/数字转换模块；

　　（7）6 种可屏蔽的内核中断，其中3 个用来接收事件管理模块地23 个不同的中断源等[3]。

　　TMS320F2407实现介质阻挡放电用高频高压电源的逆变控制和保护非常适合。

3 低温等离子消毒电源主电路设计

　　该系统主要由主电路和控制电路组成，其中主电路由整流部分、直流斩波调压和逆变部分组成。如图2 所示，输入380V三相工频电流，采用由6 个二极管组成的三相全波不控整流，经整流滤波后输出为略带纹波的510V直流电压。直流斩波调压采用降压式（Buck）变换器[4]，由TMS320F2407发出的PWM 驱动信号来控制IGBT 的导通与关断, 通过调节占空比，可改变其输出直流电压的大小，变化范围设计为0耀500V。逆变部分由4 个IGBT组成的电压型全桥逆变电路，逆变后得到方波电压，该方波电压经LC 滤波后可得到正弦波输出。滤波电感由外加电感和变压器自身漏感组成，滤波电容由变压器自身杂散电容和负载本身的电容构成[4]。逆变电压经过变压器T1和T3升压到等离子体产生所需电压，同时启动变压器T2，使电极两端在启动瞬间产生高压，使介质阻挡放电装置放电，待产生等离子体之后通过DSP 处理信号关闭T2，使电极两端在T1和T3 的变比电压之下正常工作。





4 低温等离子消毒电源控制电路

　　该电源控制电路如图3 所示，其核心部分是TMS320F2407 型DSP 处理器，利用其高速处理数据的能力，输出PWM 驱动信号，并且采用Fuzzy-DPLL复合数字锁相环算法，实现了对负载频率的可靠跟踪和对逆变状态的可靠控制。





4.1 驱动及保护电路

　　驱动电路主要是采用IGBT 专用驱动芯片M57959，通过TMS320F2407 发出PWM 脉冲波形来控制IGBT 的导通与关断，实现逆变和调压。PWM 脉冲波形是利用DSP 内部的事件管理器模块提供的具有死区设置的一路PWM 脉冲发生器产出，通过对比较寄存器的参数设置，不但具有PWM脉宽调制功能，可以很容易地控制占空比和输出频率，实现电源的频率和电压的控制，而且还可以实现软启动和其它保护功能[3]。保护电路主要分为过电流和过电压保护。M57959内部集结了过流保护，当流过IGBT的电流过大时，M57959自动关断输出。当出现过电压、过电流和异常升温等情况时，TMS320F2407 的PDPINT引脚可以用于向监视程序提供异常信息。当PDPINT 的引脚电平变低后，则驱动所有PWM脉冲输出引脚为高阻态，IGBT 关断，为功率变换的操作提供安全保证[3]。

4.2 FUZZY-DPLL复合数字锁相环

　　数字锁相不仅可以有效地解决模拟锁相的老化和温漂问题，提高锁相的精度，还简化了硬件电路的设计。在频率变化较大时，特别是启动的时候，两个周期相差太远，采用单纯的PLL算法频率跟踪速度比较慢，甚至可能跟不上。为了解决这个问题，本文采用了一种基于模糊的复合数字锁相环算法。

　　图5 为用于锁相环算法的相位检测电路，输出电压、电流的过零信号经异或门输出，经Rf 、Cf滤波移相后输出Ux，通过DSP 的A/D 转换，可以获得电压、电流的相位差，A/D 转换的是Ux 的平均电压，相位差不同时，Ux的平均电压亦不同[5]。当频率相差较大时先通过模糊算法进行快速的频率修正，当频率相差较小时再用数字锁相环算法对相位和频率同时进行修正。DPLL算法和模糊算法分别用DSP的两个子程序来实现。通过基于DSP的Fuzzy-DPLL复合数字锁相环技术，可以使逆变器始终工作在功率因数姿抑1 的准谐振状态，并且使系统有快速的动态性能和高精度的稳态性能，实现了对负载频率的可靠跟踪和对逆变状态的可靠控制，改善了电源质量。












5 试验波形

　　图6 显示了频率在30kHz时，逆变器输出电流和电压的波形，电压幅值为500V。由图6 可见，该锁相环能使逆变器很好地跟踪负载的谐振频率，使该电源的功率因数接近或等于1 的状态下运行，提高了电源的工作效率。图7 给出了启动介质阻挡放电装置时的电压仿真输出波形，幅值可达20kV，频率为30kHz，完全满足等离子体发生装置的工作要求。




6 结语

　　通过实验波形可以说明，本文研究的低温等离子消毒电源利用了DSP 高速处理数据的能力，实现频率跟踪的复合数字锁相环，实现了对负载频率的可靠跟踪和对逆变状态的可靠控制，适用于介质阻挡放电产生等离子体。试验证明该电源具有广阔的前景和实用价值。

         
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