薛家祥，高 喆，周 钢，于文庆

（1.华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州510640；2.东莞市钜大电子有限公司，东莞523070）

近年来，随着对等离子体的深入研究，低温等离子体以其优越的特性已被广泛应用于废弃处理、材料改性、生物医学、航空航天等领域[1]。目前工业中使用的低温等离子体主要是通过激励电源控制等离子体发生装置来产生。现有的激励电源硬件电路设计及控制模式单一，难以适应多种等离子体发生器，同时电源控制精度低，气体放电不稳定，系统稳定性差，整机损耗大[2]。针对这些问题，本文提出一种基于双处理器的等离子体电源控制系统，通过前级双管级联Buck-Boost 电路以及全桥逆变电路谐振电感匹配实现了电源对多种等离子体负载的适应性，同时利用DSP 和STM32 双处理器分别进行电源管理和系统级控制，保证了等离子体电源的控制精度、动态特性以及系统稳定性。

1 等离子体电源系统总体方案设计

1.1 等离子体负载特性分析

等离子体发生器的结构和电容十分相似，由金属电极和介质构成，不同的等离子体发生器等效电容也不同。本文以平板介质阻挡放电型等离子体发生器为例进行分析，其负载等效模型如图1所示，其中Cg为等离子体气隙等效电容，Cd为阻挡介质的等效电容，R为负载等效电阻，Ub为气体击穿电压。由于激励电场为交流电，故在等效模型中插入整流桥以还原击穿电压Ub的钳位作用[3]。

图1 等离子体负载等效模型Fig.1 Plasma load equivalent model

为了更容易达到放电电压并提高功率因数，本文采用串联谐振拓扑，通过串联电感进行谐振参数匹配，如图2所示为负载串联谐振等效电路，由等离子体发生器负载电容Cr（由气隙电容Cg与介质电容Cd等效得到）、等效谐振电感Lr和负载回路导通电阻R组成，Us为负载输入电压。当电源工作在串联谐振状态时，回路表现为纯阻性，其输出电流最大，功率因数为1，电感与电容上电压为输入电压的Q倍，可以实现谐振升压效果。

图2 负载串联谐振等效电路Fig.2 Load series resonance circuit

气体放电时负载等效电容Cr会发生变化，导致谐振频率也产生变化，如果此时电源的工作频率无法匹配负载谐振频率，则会使得电源系统无功功率变大，电源效率低。而且不同的等离子体发生器也对应着不同的谐振参数，因此为了提高等离子体负载的适应性，本文通过全桥逆变电路中串联多组谐振电感并利用PFM 对电源工作频率进行调整。

1.2 电源系统总体方案设计

等离子体电源系统总体方案如图3所示，主要包括功率模块，采样与控制模块，状态监测及人机交互模块，辅助电源模块。

图3 电源系统总体方案框架Fig.3 Overall power supply framework

功率模块分为前级和后级，前级由380 V 交流电输入，经过三相不控整流电路之后变为510 V 左右的直流电压，再经过双管级联Buck-Boost 电路斩波输出幅值可调的直流电压，用来调节等离子体的输出功率；后级利用全桥逆变电路进行直流电到交流电的转换，再将转换后的频率可调的方波输出到变压器，变压器的次级接等离子体发生器，同时利用变压器漏感以及串联电感实现负载的串联谐振参数匹配，使得等离子体发生器更容易达到放电电压，从而产生低温等离子体。采样与控制模块主要负责各关键节点电压、电流的采样与调理，同时将采样信号传递到DSP 处理器进行处理，在通过控制算法运算后利用驱动电路实现对功率电路的精确控制。状态监测及人机交互模块负责对电源运行状态的实时监测和电源系统级控制。辅助电源模块主要是用来给采样、驱动电路以及处理器等模块进行供电。

2 等离子体电源控制系统设计

2.1 功率电路控制设计

为了提高等离子体负载的适应性，本文采用前级双管级联Buck-Boost 电路进行电压的宽范围调节，后级全桥逆变电路进行频率的调节[4]。如图4所示为功率电路及控制框图，前级有Buck 模式和Boost模式2 种，当工作在Buck 模式时，只对Q1进行控制，Q2一直关闭。当工作在Boost 模式时，Q1保持全开，对Q2进行控制。后级利用DSP 数字锁相环来实现对谐振频率的匹配。由于等离子体负载在放电时电流会出现剧烈变化，因此前级采用双闭环的峰值电流控制模式，外环为电压环，内环为电流环，通过前级输出电压与设定电压的误差经PID 运算得到内环的参考，再经过斜率补偿之后与电感电流进行比较输出PWM 来控制开关管Q1和Q2实现对输出电压的控制。

图4 功率电路及控制框图Fig.4 Power circuit and control diagram

2.2 双处理器控制设计

根据等离子体电源的特点以及本文采用的电路拓扑结构可知，处理器既需要进行采样信号处理并根据相应算法控制功率电路的6 个开关管，又要实现电源状态监测、系统保护、人机交互等功能，单处理器执行时会因任务过多出现死机现象，导致电源系统不稳定，出现安全事故。因此本文利用DSP强大的运算能力和数字信号处理能力进行电源管理，主要负责采样数据的处理以及功率电路的控制[5]。同时利用STM32的多任务管理和流程控制的优势进行电源系统级控制，主要负责电源的状态监测、人机交互以及通信等功能。通过结合双处理器各自的优势实现了在电源功率电路精确控制时还能持续对电源各状态进行实时监测，从而提高了电源的控制精度和系统的稳定性。

3 电源控制软件设计

3.1 DSP 控制软件设计

DSP 程序控制流程如图5所示，主要有系统初始化，中断任务配置处理，以及状态机控制。功率电路的控制算法主要在中断中执行，其他任务通过状态机进行分配。状态机利用定时器来实现并循环执行，主要分为快速任务A 和常规任务B，其中A 任务包括采样数据处理任务A1，过流过压保护任务A2，通信任务A3；B 任务包括状态指示任务B1，设定参数更新任务B2。中断任务主要有实现功率电路的闭环控制、数字锁相环，以及电源输出控制，如图5所示，在中断ISR1中更新电流内环参考值Iref，同时检测开关管Q1的PWM 驱动占空比，如果Q1占空比为1，则保持占空比不变，切换电流内环输出PWM控制Q2。

图5 DSP 主程序和ISR1 中断流程Fig.5 DSP main program and ISR1 flow chart

如图6所示，在中断ISR2中进行相位差的计算，并根据输出电流和电压周期值调整下一次全桥输出PWM 的周期值，在中断ISR3中进行PWM 输出的关闭与打开。

图6 ISR2 和ISR3 中断流程Fig.6 ISR2 and ISR3 interrupt flow chart

3.2 STM32 控制软件设计

STM32 程序控制流程如图7所示，为了更好地实现人机交互和状态监测等多任务的系统级控制，本文采用FreeRTOS 操作系统进行任务调度和实时控制。

图7 STM32 程序流程Fig.7 STM32 main program flow chart

FreeRTOS 采用阻塞等待式任务调度，任务运行的顺序按照预先分配的任务优先级严格执行。本文根据优先级的不同，对系统分配了5 个不同优先级的任务，依次包括Ctrl_task、Uart_task、DSP_task、Screen_task、LED_task。Ctrl_task 任务负责对按键、屏幕触摸、状态灯、开关、报警等电源信号的控制进行响应和处理；Uart_task 任务负责串口屏的数据传输控制；DSP_task 任务负责DSP 和STM32 之间的通信控制；Screen_task 任务负责在串口不同的页面显示不同的电源参数信息；LED_task 任务负责电源状态显示灯的控制。

3.3 双处理器通信设计

由于等离子体电源多用于自动化生产线中，考虑到有时需要通过PLC 进行电源的直接控制，因此本文采用工业中常用的Modbus 协议并通过SCI 接口实现DSP 和STM32 之间的通信，使用到PLC 时可以方便地进行通信切换。Modbus 协议是一种主从协议，主机可以发送请求，从机只能响应主机的请求。本文STM32 作为主机，DSP 作为从机。由于SCI接口一次只能接收一个字节的数据，因此本文利用定时器控制来接收到一个完整的数据包，并在DSP的状态机里进行数据包的解析与响应。具体的通信程序流程如图8所示。

图8 双处理器通信程序流程Fig.8 Dual-processor communication flow chart

首先STM32 向DSP 发送请求报文，DSP 通过SCI 接口开始接收STM32 发送的请求数据包，当SCI 接收完成一个字节时，SCI 进入接收中断，将接收到的字节存放在给定的数组中，同时打开并重置定时器，完成后退出中断，循环接收；当定时器计数时间结束时进入定时器中断，此时关闭定时器，将接收标志位置1，表示接收完成；在状态机中轮询检测接收标志位，当检测到标志位为1 时，根据Modbus协议数据帧格式对数据包进行解析，解析完成后通过SCI 接口回传响应报文，完成通信。

4 实验结果

根据上述设计的电源系统方案，如图9所示，制作了一台基于双处理器的等离子体电源样机，其输出功率最大可达3 kW，工作频率在25 kHz～60 kHz内可调，DSP 处理器采用TMS320F280049C，STM32处理器采用STM32F103ZET6，电源人机交互界面如图10所示，此时电源稳定工作在1.5 kW，输出功率和设定功率一致，可见电源控制系统整体稳定性好。

图9 等离子体电源样机Fig.9 Plasma power supply prototype

图10 等离子体电源人机交互界面Fig.10 Plasma power supply interactive interface

当切换不同等离子体发生器时，测量双管级联Buck-Boost 电路开关管驱动以及电路输入和输出电压，如图11所示，电源工作在Buck 降压模式，如图12所示，电源工作在Boost 升压模式，可知电路能够在多种等离子体负载情况下稳定工作，有很宽的输出电压范围。如图13所示为电源的输出电压和电流波形，可以看出输出电压与电流同相，表明电源功率因数较高。

图11 Buck 降压模式Fig.11 Buck mode waveform

图12 Boost 升压模式Fig.12 Boost mode waveform

图13 输出波形Fig.13 Output waveform

5 结语

本文通过对等离子体负载特性的分析，设计了一种基于DSP+STM32 双处理器的等离子体电源控制系统，并对功率电路和双处理器控制方案进行了详细的介绍。通过前级双管级联Buck-Boost 电路以及串联谐振电感实现了电源对多种等离子体负载的适应性，同时利用DSP 和STM32双处理器各自的优势分别进行电源管理控制和系统级交互控制，保证了在电源功率电路精确控制时还能持续对电源各状态进行实时监测，从而使电源系统整体稳定、可靠运行。通过研制样机测试也验证了该电源控制系统的有效性，表明了本设计的实际应用价值。