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1、微波大功率输出及其控制技术研究王健，马永堂( 西安工业大学 电子信息工程学院，西安710032)摘 要：传统的微波功率输出控制技术以单片机控制为主。针对其系统稳定性差及其精度差，且输出功率低等问题，提出了一种以DSP为控制的系统，控制多个磁控管输出大功率微波功率。系统采用DSP技术、可控硅技术以及微波理论，通过控制磁控管阳极电流来控制各磁控管微波功率的变化，并采用多路耦合技术，提高了整个系统的微波输出功率。对其阳极电流、电压进行采样，测试，运行稳定，满足了实际测试要求。关键词：DSP系统；磁控管；过零检测；采样；耦合 Design of Microwave high power output
2、and its controlWANG Jian，MA Yong-tangAbstract: The traditional microwave power output control technology with MCU control. In view of the poor stability of the system and its precision is poor, and the output power is low problem, put forward a kind of DSP control systems, control of a plurality of
3、magnetrons output high power microwave power. The system adopts DSP technique, controllable silicon technology and microwave theory, by controlling the magnetron anode current to control the magnetron microwave power changes, and the use of multiple coupling technology, improve the system of microwa
4、ve power output. The anode current, voltage sampling, testing, operation stability, meet the test requirements.Key word: DSP system; magnetron; zero crossing detection; sampling; coupling微波作为一种电磁波，通常应用于广播、电视及通信技术中，近年来，随着科学技术的发展，微波作为一种电磁能，在食品加工、微波化学化工、微波处理、医疗检测与处理方面以及日常生活等各个领域发挥着巨大作用。微波加热技术具有其他传统技术无法
5、比拟的优势：加热均匀，速度快；选择性加热；控制及时，反应灵敏；强场高温；微波加热穿透能力强；清洁卫生，无污染。 目前依照国内一些工业用微波设备来看，控制部分多用单片机系统来实现，但单片机稳定性差，运算精度低，在一些精度要求比较高的场所很难满足其要求。文中提出一种采用DSP系统控制输出功率的控制技术，由于DSP工作频率高达100MHz，由其内部硬件定时器构成的可控硅导通角定时控制器，定时误差仅为10ns，所以由DSP构成的微波功率控制系统其精度远远大于由单片机构成的微波功率控制系统。1 系统工作原理磁控管是一种用来产生微波能的电真空器件。主要是由壳体、电源引出线、磁铁、阳极、微波能量输出器等几部
6、分组成。 阳极是磁控管的主要组成之一，它与阴极一起构成电子与高频电磁场相互作用的空间。在恒定的电场和恒定磁场的作用下，电子在此空间内完成能量转换的任务。磁控管的阳极除与普通二极管的阳极一样收集电子外，还对高频电磁场的振荡频率起着决定性的作用。阳极由导电良好的金属材料制成，并设有多个谐振腔。微波能的转换量的多少直接与阳极电流成正比例关系，在文中的DSP控制系统中均采用测量阳极电流的方式来对微波功率进行跟踪。 微波功率控制部分由DSP最小系统、过零检测电路、可控硅调压电路、磁控管阳极电流/电压采样电路、温度采样电路、液晶显示电路组成。系统结构框图如图1所示。图1 系统结构框图Fig.1 Syste
7、m architecture diagram 2 系统电路设计2.1 DSP最小系统设计一个DSP系统要能够正常的运行程序完成简单的任务,并能够通过JTAG调试,它的最小系统应该包括DSP芯片、时钟源、复位电路、JTAG电路、按键电路.DSP采用TI公司的TMS320C5402芯片.该芯片通过内部锁相环电路( PLL) 倍频后可将外部输入的10MHz频率信号倍频到100MHz,其机器周期为10ns.由于TMS320C5402芯片采用3.3V和1.8V的双电源供电方式,所以选择TPS767D318 来组成供电电源电路,实现5V向3.3V和1.8V的电压转换.其中3.3 V为I/O电源,1.8V为
8、内核电源,时钟源采用10MHz有源晶振,供电电压为3.3V,其输出信号直接作为DSP 外部时钟输入信号.由于DSP芯片的I/O口有限，所以按键电路接在HPI接口.本设计共4路按键,其中两路设置时间的上升(TU)、下降(TD);另外两路设置功率的上升(PU)、下降(PD).2.2 过零检测电路过零检测电路如图2所示,降压变压器将220V市电电压信号变换成有效值为3.5V的电源电压信号,该信号经过零电压比较器 LM139后转换成方波U2信号输出,将U2信号输入一个微分电路产生一个输出为1ms的脉冲信号,然后再将U2信号经过非门,同样经过一个微分电路产生一个输出为1ms的脉冲信号.最后经过或非门的处
9、理,这样在工频信号的每个过零点均可通过DSP的/INT1端产生一个中断信号,DSP接收/INT1中断,并跟据设定的磁控管输出功率大小选择定时器定时时间,当DSP定时时间到后，DSP通过XF引脚输出一个脉冲信号触发双向可控硅导通. 图2 过零检测电路Fig.2 Circuit of zero crossing detection通过调节过零时刻到可控硅触发脉冲的起始时刻之间的时间间隔的长短来改变可控规导通角.变大,可控硅导通角变小,磁控管阳极高压值ebm变小,阳极电流减小,则微波输出功率也变小.从而就可以得出双向可控硅的导通角大小与微波输出功率大小之间的正比例关系.其电路工作时序如图3所示. 图
10、3 工频电压信号与可控硅导通脚触发脉冲之间的对应关系Fig.3 Relationship between voltage and trigger pulse of connected pin of SCR2.3 可控硅调压电路可控硅调压电路如图4所示.220V的交流电压通过双向可控硅接到高压变压器的初级线圈,高压变压器次级输出电压经过桥式整流和滤波电路后产生直流高压电源.直流高压电源的负极与磁控管的灯丝相连,正极与磁控管的阳极相连.变压器用来产生磁控管所需3.5V的灯丝电压.通过控制双向可控硅的导通角即可达到控制磁控管阳极电压的目的.双向可控硅导通角的触发信号由DSP的XF引脚产生.为了达到精
11、确控制磁控管输出微波功率的目的,双向可控硅导通角的延时由DSP内部硬件定时器来完成.图4 可控硅调压电路Fig.4 Controllable silicon voltage regulating circuit 2.4 磁控管阳极电流/电压采样及温度采样部分的设计在DSP的外围电路中,A/D转换器是一个非常重要的元器件.文中选用TI公司的专门为DSP配套制作的一种8通道10位并行A/D转换器TLV1578.它的主要特点有: 1) 具有与DSP和微控制器兼容的并行接口;2) 2.75.5V单电源供电,低功耗;二进制补码输出;3) 软件或硬件启动转换、转换速度可以达到 1.25Mbit/s,内置1
12、0MHZ的振荡器.由于TLV1578具有与DSP兼容的并行接口、内置振荡器等特点,因此使用TLV1578时,不需要过多的外围器件就可以方便的实现与TMS320VC5402的连接.系统主要对采样到的磁控管阳极电压和电流进行刀D转换,将数字信号送至DSP进行相关处理.由于磁控管的阳极电压大小将直接影响到微波输出功率及加热温度的准确性,为了确保安全,采取由分压电阻和A/D转换电路组成的电压监测电路来监测磁控管阳极电压的大小.分压电阻主要将3.84.2KV的高压进行分压,将高压转化成0V5V的低压信号,A/D部分将低压信号转换成数字信号送入DSP进行处理,通过监测低压信号的有效值,按照一定的比例关系就
13、可以计算出磁控管阳极电压有效值的大小.磁控管的阳极电流采样电路选用了直流电流传感器来完成,传感器将输入的电流信号转换成05V的电压信号经过A/D转换芯片的处理之后输入DSP进行处理.电流传感器采用WBI342E01直流电流传感器,此传感器采用调制解调型隔离原理,对电路中的直流电流进行实时测量,将其变换为标准的直流电压输出;具有高准确度、高隔离、低漂移、温度范围宽等特点.磁控管工作参数采样电路由电压采样电路和电流采样电路组成.通过采样磁控管工作的阳极电压和阳极电流,就可以得到磁控管的实际工作参数,实现对整个系统的控制.图5 磁控管阳极电流/电压采样电路Fig.5 current sampling
14、 / voltage sampling circuit of magnetron anode 温度采样电路主要使用温度传感器DS18B2O,温度传感器DSl8B20通过与微波辐射加热区域的直接接触采集微波照射后辐射加热区域的温度. DSl8B2O有三个引脚,分别是作为数据接口的DQ管脚、电源接口VDD和接地接口GND.DQ管脚由于要对其进行读/写操作,利用由QS3253S0组成的二选一模拟开关将DSP多通道缓冲串口(McBsP)的BDRO和BDX0与DS18B20连接,完成DSl8B20与TMS320VC5402之间的通信,DQ管脚同时还要接一个4.7K的上拉电阻,使数据线在悬空的时候能自动上
15、拉为高电平,GND管脚接地,VDD脚接入+5V的电压用来给温度传感器供电.如图6所示.图6 温度采样电路Fig.6 Temperature acquisition circuit3 软件部分设计本系统的软件部分由DSP主程序设计、液晶显示程序和温度传感器程序设计组成. DSP集成开发环境CCS(Code Composer Studio) 是一个开放式并且具有强大集成能力的开发环境,可满足DSP的各种应用的要求.CCS内部集成了以下软件工具:DSP代码生成工具(包括DSP的C编译器、汇编优化器、汇编器和连接器等);CCS集成开发工具(编辑、链接和调试DSP目标程序);实时分析插件DSP/BIOS
16、和实时数据交换模块RTDX等.DSP芯片主要完成对整个系统的控制，其主程序流程图如图7所示.图7 系统主程序流程图Fig.7 The main program flow chart系统上电后先执行初始化程序,实现DSP以及温度传感器的初始化设定功能,检查三个磁控管是否全部接通,并完成对磁控管灯丝的预加热功能.执行系统主程序,根据外部中断INT1并且通过键值查询完成系统输出功率及微波加热时间的设定功能,同时在LCD上显示系统设定的相关参数.设定完成后,仪器便开始进行工作.加热开始时,微波输出为连续工作方式,随着时间增加,加热温度逐渐升高.一旦温度到达设定值,DSP即发出矩形脉冲到双向可控硅的驱动
17、电路,使输出方式由连续工作方式转变为间断工作方式,间断工作方式的时间长短由温差大小所决定.间断工作周期为5s,根据检测到的加热温度值与设定范围之间的偏差来确定触发脉冲的关断时间.如果由于故障以及其它原因的产生,造成加热头温度超出设定范围,DSP随即关闭可控硅的驱动电路,切断仪器的输出,保护系统及仪器的正常使用.仪器开始工作的振荡频率为2450kHz,DSP通过多路A/D转换器采集磁控管阳极工作电压及电流实现对系统的闭环控制,加热过程中DSP每隔2min对微波工作频率进行一次中断检测,用以调节磁控管功率输出的稳定性.众所周知,工业微波加热用的微波炉与家用微波炉最大区别在于两者的微波功率和炉腔体积
18、相差很大.通常家用微波炉的容积一般在1530立升之间,而工业微波炉的容积则在500立升以上,有时甚至可达数万立升.因此在设计这类大容积的工业微波炉时就有许多不同的考虑原则,但主要还可归纳为以下几个因素:1)具有足够高的微波功率密度；2)具有足够多的模式数,以保证炉内微波场强分布的均匀性；3)与微波源具有良好的耦合方式,保证足够高的耦合效率；4)避免炉内尤其是耦合口附近产生因高水汽产生的高频击穿；5)具有良好的防泄漏装置,保证操作位上的人员的安全性.通常由于微波波长与物体几何尺寸的共度性，因此在S波段的微波单模腔的几何尺寸很小，容积也不大，这种小容积的炉腔不仅在工业加热上没有使用价值，即使在家用
19、微波炉中也无使用价值.这就决定了无论是家用微波炉还是工业微波炉都不得不采用过模的多模电磁谐振腔,从物理学和电磁学的理论知道,任何一个谐振腔内,在过模状态下,其中可能存在的谐振模式数目是与该腔体的体积成正比的,换句话说,体积越大,其中可能存在的模式数目就越多,而腔内的微波电场的分布均匀性又与模式数目成比例,这就是为什么人们总是希望去设计一个腔体体积较大的炉腔去改善炉腔内电场的均匀性.但片面追求增大体积却会使微波功率一定情况下的功率密度下降.而且增大体积的同时也大大增加了整个腔壁的面积和损耗，这种情况下采用增大体积的办法只有在同时增大微波输入功率的条件下才是正确的.由于工业微波炉功率较大,因此本文
20、采用三相全波整流非滤波的供电系统,这一直流电源使得磁控管的电流脉动大大降低,另一方面,在微波源输出与炉腔之间接有环流器,这样负载变化不会对微波源产生频率和功率牵引现象.这就使得微波炉中使用的磁控管性能较为稳定. 微波源与炉腔的耦合是文中所设计的工业微波炉的另一个重要问题.对这种耦合的基本要求是:1）炉腔与微波源具有良好的（有荷载情况下的）匹配，使微波源的功率无反射地馈入腔内;2）耦合装置应能最大限度地激励起众多电磁振荡模式，以保证腔内场分布的均匀性.这种耦合装置一般可分为间接耦合和直接耦合两种类型.间接耦合型是指微波磁控管先去激励一根波导管,再将该波导与炉腔以单孔或多孔相耦合以激励腔内产生多模
21、的电磁场.这种耦合方式适用于单管大功率磁控管情况.文中采用直接耦合型,将磁控管的同轴天线直接插入炉腔中某一合适位置以产生面极化,从而在多模腔中激励起众多模式（包括TEmnp模及TMmnp模）,这是由耦合口多少及位置和边界条件共同决定的；同样的边界条件可以激励起多少模式就由耦合装置来确定了,文中通过电场仿真来确定耦合口的多少,特别是具体的分布方式及相互位置,但有一个共同的前提,那就是应最大限度地激励起尽可能多的模式,以保证炉腔内的场分布的均匀性. 4 结论综上，控制阳极电流是控制微波功率大小变化的手段，但在考虑微波功率时不能仅仅将微波功率孤立起来看，其又与微波磁控管与腔体之间匹配等诸多相关因素的
22、有关，我们不仅仅需观察进入腔体的微波功率，同时也要考虑腔体与实验物而造成的反射微波功率.微波技术有着很好的发展前景和方向,该技术领域已经得到关注与发展,但同时也有其技术前进的巨大障碍.相信随着研究的深入,一定能够实现微波大功率输出的突破,并最终全面实现微波工业技术的设计生产与推广应用.参考文献：1 汪安民.TMS320C54xxDSP实用技术M.北京:清华大学出版社,2002.WANG An-min. TMS320C54xxDSP Practicality Technology M .Beijing: Qinghua University Press,2002: 17.(in Chinese)
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24、apital Normal University: Natural Science Edit ion,1995,16(4):40.( in Chinese)4 王丽娟,赵恒,甄姬娜.McBSP 其在实际中的应用J.DSP开发与应用,2001,12(3):145.WANG Li-juan,ZHAO Heng,ZHEN Ji-na.McBSP and Its Application Used in PracticeJ . Development and Application of DSP,2001,12(3):145.(in Chinese)5 杨明远,何颖.基于TMS320C5402的DSP实
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