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基于DSP的高頻三相大功率電源設計

更新日期:2008-03-06  作者:  來源:光學精密機械網(ChinaOptic.Com.Cn)收集整理

隨著國防科學技術的發展和航天事業的需要,飛行器姿態控制以及振動實驗的需求逐漸增多。在地面搭建模擬仿真平臺,是航天領域研究的慣例。他可以從經濟上降低資金的投入量,從實驗研究上增加重復性和可觀測性。本文介紹的基于DSP的三相大功率高精度高頻電源是仿真研究中不可缺少的核心裝置。便捷、高效、靈活、安全的三相大功率高頻電源已成為研究重點之一。研制高精度、低失真、高可靠、低成本的三相大功率高頻電源具有重要的意義。l方案設計電源系統具體性能指標如下:三相正弦信號準確度為1%;波形失真度為O.5%;輸出電壓連續可調;電源頻率在O~200 Hz時,步進為O.1 Hz;在200~1 000 Hz時,步進為l Hz;三相正弦信號之間相位角120±1。。


三相正弦波信號發生模塊是本電源系統的核心模塊。整個電源系統的性能指標基本上是由這個模塊的性能決定的。傳統的交流信號發生器利用自激振蕩和選頻網絡來產生特定頻率的正弦信號。信號的頻率與L,C,R等參數有關,當溫度變化時會影響頻率的穩定度,而且用傳統的方法很難保證三相正弦波信號之間120。夾角關系。可見傳統的交流信號發生器是無法達到上面提出的設計要求。


采用正弦波調制加低通濾波器的方法也可以產生可調的高頻三相正弦信號,但是由于低通濾波器的加入會帶來相角的偏移,影響到三相正弦波信號相角之間120。的關系,從而達不到系統性能指標要求。


本文提出的采用DSP2407加高速DA TL/V5639產生三相正弦信號的方案既可以避免傳統交流信號發生器的缺點,也可以避免由于低通濾波器的引入導致三相正弦波信號間相角關系達不到要求的缺點,完全能夠達到設計所要求的性能指標。生成的三相正弦信號由均流型功率放大模塊進行線性放大,并通過對系統輸出的三相電壓和電流進行檢測引入負反饋,進而構成一個閉環電源系統,從而進一步提高電源的穩定性。整個電源系統結構圖如圖1所示:



 
2 系統硬件框圖及原理


系統的硬件框圖如圖2所示:



2.1 三相正弦信號發生模塊


三相正弦信號發生模塊主要由2個器件構成,即dSp處理器和高速D/A轉換器。


由于每相正弦信號最高頻率為1 kHz,且每周由1 000個點合成,故對處理器速度和D/A轉換器速度要求較高。美國TI公司推出的新型高性能16定點數字信號處理器TMS320LF2407A[1]專為數字控制而設計,集r)SP的高速信號處理能力及適用于控制的優化外圍電路于一體,在數字控制系統中得到了廣泛的應用。TMS320LF2407A具有的優良性能:主頻40 MHz,3.3 V低電壓CPU;提供對外的16位數據總線和地址總線,可以非常方便地進行外部擴展;看門狗定時器和中斷定時器,均為8位增量計數器,前者用于監視系統軟件和硬件工作,在cPU出錯時產生復位信號,后者用來產生周期性的中斷請求。


本系統采用TI的TLV5639[2]作為高速D/A轉換器。TI,V5639是12位并行接口電壓輸出型數模轉換器,具有1μλ或3.5μs快慢2個轉換速度,且能與TMS320DSSP良好兼容。但因其輸出電壓是單極性,不滿足后續功率放大模塊要求,故需要添加從單極性到雙極性的變換電路。運放輸出電壓的計算過程如下:【)A3一()UTl=2REFI*D/0X1000。故I)A3一OUTl的取值范圍為O~2REF1。而S1N3_1≡DA3一UTl一REFl,故SIN3-1的取值范圍為一REFl~REF1。從上面的計算過程可以看出,此變換電路的確將單極性電壓變換為雙極性電壓。其中REFll是D/A轉換器內部輸出的參考信號,D是D/A轉換器要轉換的數據。電路原理圖如圖3所示。



2.2功率放大模塊


功率放大模塊采用無輸出電容的功率放大電路(OCL電路)[3]。為了克服輸出電壓波形的交越失真,采用克服交越失真的電路設置合適的靜態工作點,使對管靜態時均處于臨界導通或微導通的狀態。若負載需要較大的工作電流,可以通過增添對管的方式擴大放大模塊輸出的電流值。此時需要注意增添對管后,必須調節克服交越失真的電路,使每個管子靜態時都處于臨界導通狀態。由于管子特性不可能完全對稱加上其他因素影響,輸出波形很容易產生非線性失真,故在模塊中引入交流負反饋改善輸出正弦波形。本模塊使用對管TIP35C和TIP36C作為功率晶體管。


2.3三相電壓電流檢測模塊


因本電源系統輸出的電壓和電流信號均是高頻信號,采用A/D轉換器無法檢測電壓和電流信號。真有效值轉換芯片為設計提供了一種解決問題的方法,他可以直接得到電壓和電流的真有效值(具體工作原理可以參考芯片手冊)。再通過DSP內部集成的A/D轉換器,DSP可以直接得到電壓和電流的實時值。若某種因素造成電壓和電流偏離正常值,DSP可以通過內部算法進行調節來抑制電壓和電流波動。Analog Devices公司的真有效值轉換芯片AD736[4]適合應用在本系統的三相電壓和電流檢測模塊中。具體電路圖見圖4所示,其中模擬選擇開關4051輸出為AD736輸入,對電壓和電流的6路信號起到分時選擇作用。



2.4鍵盤接口和液晶屏接口模塊


鍵盤和液晶屏接口模塊雖然十分簡單,但他是整個電源系統中不可缺少的一部分,好的鍵盤和液晶屏模塊解決方案能夠方便用戶使用本系統。前面介紹的模塊已經使用DSP產生三相正弦波并對電壓和電流進行檢測,因此DSP內部資源消耗很大,已不可能再用來控制人機對話,對鍵盤和液晶屏模塊進行管理。故本系統中采用89C52單片機作為輔助微處理器,對鍵盤和液晶屏模塊進行管理。


3 系統軟件設計與實現


電源系統軟件部分采用模塊化設計方法。將系統軟件按照功能的不同分成多個功能模塊,然后分別進行對其進行獨立設計編程、測試,最終將各個功能模塊在主模塊的調度之下形成一個完整的軟件系統。本系統所有代碼均采用C語言編寫,89C52代碼采用KEIL軟件開發,DSP代碼采用TI的CCS集成開發環境開發。


對本電源系統而言,功能模塊主要有以下幾個部分:


鍵盤管理和液晶屏顯示模塊;89C52與DSP通信模塊;


DSP發波模塊;三相電壓電流采樣模塊。


在各個功能模塊中,最重要的模塊是DSP產生三相正弦波的模塊。為了便于闡述發波的機理,這里只介紹頻率為1 kHz,每周1 000點的三相正弦波產生過程。其他頻率和每周其他點數正弦波發波過程是完全相同的。


現詳細闡述DSP發波過程:將A相第一個點放人RAM第一個位置,將B相與A相第一個點差120。的點放RAM第二個位置,將C相的與B相第一個點差120~的點放在RAM第三個位置,以此循環將1 000個點全部放在RAM中。DSP每中斷一次將RAM中數據送到不同D/A轉換器中去,以此循環,3個D/A便可以同時產生相位角差120。的三相正弦波。為了便于在軟件流程圖中描述具體的I)SF i發波過程,流程圖中只顯示單相正弦波產生過程。軟件流程圖如圖5所示。



4結 語


電源系統采用DSP2407與高速D/A轉換器產生三相正弦波,方案簡單,所生成的三相正弦波達到設計要求。采用89C52作為輔助處理器,通過液晶屏實時顯示波形的幅值和頻率,在鍵盤設計上充分考慮用戶操作上的方便,具有良好的人機對話功能。通過對三相電源的電壓和電流信號進行檢測,引入負反饋,克服負載變化及其他干擾因素對電源造成影響,大幅提高電源系統的穩定性。可見本系統具有方案新穎、結構簡單、操作方便、性能可靠,在慣性制導、船用陀螺、衛星安全、多軸振動臺模擬等領域有著廣闊的應用前景。

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