CPLD在臭氧電源中的應(yīng)用

摘要：利用壓控振蕩器CD4046和可編程邏輯器件EPM7128構(gòu)成控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)逆變輸出脈沖的占空比和頻率，實(shí)現(xiàn)臭氧電源輸出電壓和頻率的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到對(duì)臭氧電源輸出功率的調(diào)節(jié)。調(diào)試結(jié)果表明該系統(tǒng)滿足實(shí)時(shí)性和功耗的設(shè)計(jì)要求，易于維護(hù)和升級(jí)，具備較強(qiáng)的通用性。
關(guān)鍵詞：臭氧電源；復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)；壓控振蕩器(VCO)；頻率調(diào)節(jié)；占空比調(diào)節(jié)

    臭氧被喻為“綠色”消毒產(chǎn)品，在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。近年來，臭氧技術(shù)作為環(huán)保產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，受到越來越多人的重視。相關(guān)產(chǎn)品已從飲用水處理系統(tǒng)拓展到污水處理、空氣凈化、家庭環(huán)境污染防治、醫(yī)療保健等領(lǐng)域。
    臭氧發(fā)生器供電電源是臭氧發(fā)生器的重要組成部分，供電電源的電壓、頻率和波形是影響臭氧發(fā)生器效率的重要因素。發(fā)生器的結(jié)構(gòu)、氣源和冷卻系統(tǒng)確定后，電源系統(tǒng)的性能與品質(zhì)就成為影響發(fā)生器效率的關(guān)鍵。上世紀(jì)80年代后，半導(dǎo)體器件的發(fā)展使臭氧電源發(fā)生質(zhì)的變化，逆變式電源成為臭氧發(fā)生電源的主要形式。在該類電源中，用整流器將工頻交流電整流成直流電，經(jīng)逆變電路轉(zhuǎn)換為單相中高頻交變電，再經(jīng)中高頻升壓變壓器升壓至發(fā)生器放電所需的電壓。與工頻供電相比，中頻逆變電源具有系統(tǒng)體積小、電源效率高、臭氧產(chǎn)量大、可線性調(diào)節(jié)范圍寬、對(duì)電網(wǎng)污染小等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    在臭氧發(fā)生器供電電源的設(shè)計(jì)中，由于可控硅SCR在三相整流時(shí)產(chǎn)生的換流壓降對(duì)輸出電壓平均值和電壓波形都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，在電源主回路的設(shè)計(jì)中采用大功率二極管整流取代SCR整流，使得整流電路輸出的電壓脈動(dòng)很小，從而提高電源的穩(wěn)定性和效率。
    由于電源整流部分采用不可控的二極管進(jìn)行整流，輸出電壓的調(diào)節(jié)就不能通過整流部分進(jìn)行控制。因此，電源輸出電壓和頻率的調(diào)節(jié)就只能通過逆變部分進(jìn)行調(diào)節(jié)，即通過對(duì)逆變觸發(fā)脈沖的占空比和頻率的控制從而達(dá)到對(duì)電源輸出電壓和頻率的調(diào)節(jié)，以滿足設(shè)計(jì)要求。下面重點(diǎn)討論如何進(jìn)行占空比調(diào)節(jié)、頻率調(diào)節(jié)和軟啟動(dòng)時(shí)間調(diào)節(jié)。
1．1 占空比調(diào)節(jié)單元
    圖l為占空比調(diào)節(jié)電路。該電路是將調(diào)節(jié)器輸出的電壓信號(hào)作為壓控振蕩器VCO(Voltage Controlled Oscillator)的輸入信號(hào)，此信號(hào)是一個(gè)在0～5 V之間變化的直流電壓信號(hào)，即INPUT信號(hào)，由于VCO是一個(gè)電流控制振蕩器，對(duì)定時(shí)電容C1的充電電流與從引腳9輸入的控制電壓成正比，使VCO的振蕩頻率正比于該控制電壓。當(dāng)VCO控制電壓為0 V時(shí)，其輸出頻率最低；當(dāng)輸入控制電壓等于電源電壓VDD時(shí)，輸出頻率則線性增大到最高輸出頻率。VCO振蕩頻率的范圍由R1、R2和C1決定。VCO振蕩頻率由CD4046的引腳4直接輸出到CPLD處理單元，CPLD內(nèi)部通過對(duì)該脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)來控制逆變觸發(fā)脈沖的寬度，來調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖的占空比。

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1．2軟啟動(dòng)時(shí)間的調(diào)節(jié)單元
    圖2為軟啟動(dòng)時(shí)間調(diào)節(jié)電路。該電路單元是將調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)作為電壓比較器LM339的輸入信號(hào)，此信號(hào)是一個(gè)在0～5 V之間變化的直流電壓信號(hào)(即INPUT信號(hào))。按照設(shè)計(jì)要求，LM339的引腳6給定電壓為1 V，當(dāng)INPUT信號(hào)的電壓大于l V時(shí)，LM339的引腳l通過上拉電阻輸出一個(gè)高電平作為啟動(dòng)信號(hào)送入CPLD。在CPLD內(nèi)部通過調(diào)節(jié)外部的撥段開關(guān)控制比較器的輸出，從而控制軟啟動(dòng)的時(shí)間。

1．3頻率調(diào)節(jié)單元
    圖3為頻率調(diào)節(jié)電路。通過調(diào)節(jié)CD4046外接電位器POTll，控制VCO輸出脈沖的頻率，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該電路將輸出一個(gè)變化范圍在1～6 kHz之間的脈沖信號(hào)PLS，將該信號(hào)作為CPLD的輸入信號(hào)。在CPLD內(nèi)部通過計(jì)數(shù)延時(shí)和占空比設(shè)計(jì)要求，最終輸出一個(gè)頻率在400～3 000 Hz之間符合占空比要求的逆變觸發(fā)信號(hào)，并可通過POT11調(diào)節(jié)該信號(hào)的頻率。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是根據(jù)系統(tǒng)功能要求而設(shè)計(jì)的，基于EPM7128的軟件程序設(shè)計(jì)分為：輸出脈沖占空比調(diào)節(jié)、頻率調(diào)節(jié)、軟啟動(dòng)時(shí)間調(diào)節(jié)和過壓過流報(bào)警。開發(fā)系統(tǒng)使用VHDL語言進(jìn)行模塊化編程，這樣可以提高程序的移植性，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。而且易于維護(hù)系統(tǒng)軟件，提高可靠性。圖4是輸出的兩路PWM脈沖仿真波形，其中GCLK是一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘源，CLKl和CLK2分別是經(jīng)VCO轉(zhuǎn)換的頻率調(diào)節(jié)和占空比調(diào)節(jié)信號(hào)，SET和SOFT分別是2個(gè)外接的4位占空比調(diào)節(jié)和軟啟動(dòng)調(diào)節(jié)撥段開關(guān)。

3 結(jié)束語
    介紹了基于CPLD的臭氧電源控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。數(shù)字電路在電源控制系統(tǒng)的應(yīng)用使得該系統(tǒng)的可靠性增強(qiáng)、功能更加完善，該控制系統(tǒng)只需調(diào)節(jié)外接的2個(gè)撥段開關(guān)就可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出脈沖的占空比調(diào)節(jié)和對(duì)軟啟動(dòng)時(shí)間的控制，從而使電源控制更方便和靈活。通過調(diào)試工業(yè)現(xiàn)場，該控制系統(tǒng)能完全滿足對(duì)中頻臭氧電源的控制，而且具有抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。