摘要：摘要：低溫等離子消毒技術因其具有快捷、安全和高效率等優點而受到國內外廣泛研究。利用介質阻擋放電產生等離子體原理，并利用DSP處理器的高速處理數據的能力，研制了一種等離子消毒電源。通過采用基于DSP 的Fuzzy-DPLL復合數字鎖相環算法，實現了對負載頻率的可靠跟蹤和對逆變狀態的可靠控制。

關鍵詞：低溫等離子體；介質阻擋放電；復合數字鎖相環；數字信號處理器

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

　　因為致病微生物在公共場所的集中性和易傳播性為人類帶來了一定的隱患。在對抗疾病的戰斗中，傳統的殺毒消毒方法已經不能滿足新型材質的各類物品的消毒需要，因高溫灼燒而致使器械變鈍、變形使人們開始將目光轉向新的殺毒技術。低溫等離子體殺毒消毒技術是一種比較理想的消毒方法，因其具有滅菌時間短、操作溫度低、能夠廣泛應用于多種材料和物品的滅菌、無需通風、不會對操作人員構成傷害、安全可靠等許多優點，而被國內外廣泛應用于包括食品加工和醫療衛生在內的諸多領域。針對傳統的消毒裝置存在的缺陷和目前技術的發展，本文提出了一種新的消毒電源的研究方法，通過采用美國德州儀器公司的高速DSP 芯片TMS320F2407，實現了系統的控制和保護，并應用電力電子技術，使電源裝置具有體積小、效率高可靠性好等優點。

1 低溫等離子體的產生方法

　　介質阻擋放電（DDB）是有絕緣介質插入放電空間的一種非平衡放電，又稱介質阻擋電暈或無聲放電，是一種典型的可通過放電產生等離子體的技術,因而受到國內外的格外關注。本文主要是為介質阻擋放電用高頻高壓電源的研究。

　　介質阻擋放電能在高氣壓和頻率很寬的范圍內工作，通常工作電源的頻率可以從50Hz~1MHz。放電裝置電極結構的設計形式多種多樣，

　　圖1 給出了常用的用于介質阻擋放電產生等離子體的三種發生裝置[1]。圖1（a）是比較實用的放電構形，結構簡單，通過金屬電極釋放熱量；圖1（b）的特點是放電發生在兩層介質之間，可以防止放電等離子體直接與金屬電極接觸，對于具有腐蝕性氣體或高純度等離子體，這種構型具有獨特的優點。第三種構型可以和介質兩邊同時生成兩種成分不同的等離子體。根據實際的運用方式，比較以上三種結構的優缺點，本文選擇第二種結構形式。將兩個放電電極中充滿某種工作氣體，并用絕緣介質覆蓋兩個電極。當兩電極間施加足夠高的交流電壓時，電極間的氣體會被擊穿而放電，即產生了等離子體。所加電源頻率越高，氣體放電頻率越強烈[2]。

2 TMS320F2407 的結構特點

　　TMS320F2407 具有高速信號處理和數字控制功能所必需的結構特點。通過應用優化的外設單元和高性能DSP 內核的結合，可為各種類型的電機提供高速、高效和全變速的控制技術。TMS320F2407 主要有以下特點：

　　（1）50ns的指令周期時間；

　　（2）544 字伊16 位片內數據/程序雙口RAM 16字伊16 位片內閃速EEPROM，共計224K 字伊16 位存儲器地址范圍；

　　（3）12 路CMP/PWM 輸出；

　　（4）3 個16 位通用定時器；

　　（5）3 個具有死區控制的16 位比較單元，3個16 位單比較單元；

　　（6）雙十位模擬/數字轉換模塊；

　　（7）6 種可屏蔽的內核中斷，其中3 個用來接收事件管理模塊地23 個不同的中斷源等[3]。

　　TMS320F2407實現介質阻擋放電用高頻高壓電源的逆變控制和保護非常適合。

3 低溫等離子消毒電源主電路設計

　　該系統主要由主電路和控制電路組成，其中主電路由整流部分、直流斬波調壓和逆變部分組成。如圖2 所示，輸入380V三相工頻電流，采用由6 個二極管組成的三相全波不控整流，經整流濾波后輸出為略帶紋波的510V直流電壓。直流斬波調壓采用降壓式（Buck）變換器[4]，由TMS320F2407發出的PWM 驅動信號來控制IGBT 的導通與關斷, 通過調節占空比，可改變其輸出直流電壓的大小，變化范圍設計為0耀500V。逆變部分由4 個IGBT組成的電壓型全橋逆變電路，逆變后得到方波電壓，該方波電壓經LC 濾波后可得到正弦波輸出。濾波電感由外加電感和變壓器自身漏感組成，濾波電容由變壓器自身雜散電容和負載本身的電容構成[4]。逆變電壓經過變壓器T1和T3升壓到等離子體產生所需電壓，同時啟動變壓器T2，使電極兩端在啟動瞬間產生高壓，使介質阻擋放電裝置放電，待產生等離子體之后通過DSP 處理信號關閉T2，使電極兩端在T1和T3 的變比電壓之下正常工作。 

4 低溫等離子消毒電源控制電路

　　該電源控制電路如圖3 所示，其核心部分是TMS320F2407 型DSP 處理器，利用其高速處理數據的能力，輸出PWM 驅動信號，并且采用Fuzzy-DPLL復合數字鎖相環算法，實現了對負載頻率的可靠跟蹤和對逆變狀態的可靠控制。

4.1 驅動及保護電路

　　驅動電路主要是采用IGBT 專用驅動芯片M57959，通過TMS320F2407 發出PWM 脈沖波形來控制IGBT 的導通與關斷，實現逆變和調壓。PWM 脈沖波形是利用DSP 內部的事件管理器模塊提供的具有死區設置的一路PWM 脈沖發生器產出，通過對比較寄存器的參數設置，不但具有PWM脈寬調制功能，可以很容易地控制占空比和輸出頻率，實現電源的頻率和電壓的控制，而且還可以實現軟啟動和其它保護功能[3]。保護電路主要分為過電流和過電壓保護。M57959內部集結了過流保護，當流過IGBT的電流過大時，M57959自動關斷輸出。當出現過電壓、過電流和異常升溫等情況時，TMS320F2407 的PDPINT引腳可以用于向監視程序提供異常信息。當PDPINT 的引腳電平變低后，則驅動所有PWM脈沖輸出引腳為高阻態，IGBT 關斷，為功率變換的操作提供安全保證[3]。

4.2 FUZZY-DPLL復合數字鎖相環

　　數字鎖相不僅可以有效地解決模擬鎖相的老化和溫漂問題，提高鎖相的精度，還簡化了硬件電路的設計。在頻率變化較大時，特別是啟動的時候，兩個周期相差太遠，采用單純的PLL算法頻率跟蹤速度比較慢，甚至可能跟不上。為了解決這個問題，本文采用了一種基于模糊的復合數字鎖相環算法。

　　圖5 為用于鎖相環算法的相位檢測電路，輸出電壓、電流的過零信號經異或門輸出，經Rf 、Cf濾波移相后輸出Ux，通過DSP 的A/D 轉換，可以獲得電壓、電流的相位差，A/D 轉換的是Ux 的平均電壓，相位差不同時，Ux的平均電壓亦不同[5]。當頻率相差較大時先通過模糊算法進行快速的頻率修正，當頻率相差較小時再用數字鎖相環算法對相位和頻率同時進行修正。DPLL算法和模糊算法分別用DSP的兩個子程序來實現。通過基于DSP的Fuzzy-DPLL復合數字鎖相環技術，可以使逆變器始終工作在功率因數姿抑1 的準諧振狀態，并且使系統有快速的動態性能和高精度的穩態性能，實現了對負載頻率的可靠跟蹤和對逆變狀態的可靠控制，改善了電源質量。

5 試驗波形

　　圖6 顯示了頻率在30kHz時，逆變器輸出電流和電壓的波形，電壓幅值為500V。由圖6 可見，該鎖相環能使逆變器很好地跟蹤負載的諧振頻率，使該電源的功率因數接近或等于1 的狀態下運行，提高了電源的工作效率。圖7 給出了啟動介質阻擋放電裝置時的電壓仿真輸出波形，幅值可達20kV，頻率為30kHz，完全滿足等離子體發生裝置的工作要求。

6 結語

　　通過實驗波形可以說明，本文研究的低溫等離子消毒電源利用了DSP 高速處理數據的能力，實現頻率跟蹤的復合數字鎖相環，實現了對負載頻率的可靠跟蹤和對逆變狀態的可靠控制，適用于介質阻擋放電產生等離子體。試驗證明該電源具有廣闊的前景和實用價值。