基于DSP的高频三相大功率电源设计

基于DSP 的高频三相大功率电源设计
万晓春,杨麟祥,岳继光
(同济大学电子与信息工程学院　上海　201804)
摘　要:高频三相大功率高精度电源是仿真研究中不可缺少的核心装置。

对基于DSP 芯片TI TMS320L F2407A 的高频三相大功率高精度电源进行设计和研究。

系统阐述DSP 处理器与高速D/A 转换器生成高频三相正弦波信号,功率放大,以及对电源输出进行检测反馈等设计细节与优化过程。

最后总结了本电源系统设计的优点与不足,并展望了此类电源广阔的应用前景。

关键词:DSP 信号发生器;功率放大;反馈控制;高速D/A 转换器
中图分类号:TN86 文献标识码:B 文章编号:10042373X (2007)242007203
Three Phase Large Pow er and High Frequency Pow er B ased on DSP
WAN Xiaochun ,YAN G Lingxiang ,YU E Jiguang
(School of Elect ronic and Information Engineering ,Tongji University ,Shanghai ,201804,China )
Abstract :Three phase large power ,high f requency and high precision power based on DSP (TI TMS320L F2407A )is pres 2ented.Through hardware and software ,the design and optimizing process is illustrated.Three phase sine wave is generated by DSP and high speed D/A.This small sine wave is amplified by power ing feedback ,this power can get better per 2formance.This power is of much practical and application value in many fields.
K eywords :DSP ;signal generator ;power amplifier ;feedback control ;high speed D/A converter
收稿日期:2007206201
随着国防科学技术的发展和航天事业的需要,飞行器姿态控制以及振动实验的需求逐渐增多。

在地面搭建模拟仿真平台,是航天领域研究的惯例。

他可以从经济上降低资金的投入量,从实验研究上增加重复性和可观测性。

本文介绍的基于DSP 的三相大功率高精度高频电源是仿真研究中不可缺少的核心装置。

便捷、高效、灵活、安全的三相大功率高频电源已成为研究重点之一。

研制高精度、低失真、高可靠、低成本的三相大功率高频电源具有重要的意义。

1　方案设计
本电源系统具体性能指标如下:三相正弦信号准确度为1%;波形失真度为0.5%;输出电压连续可调;电源频率在0～200Hz 时,步进为0.1Hz ;在200～1000Hz 时,步进为1Hz ;三相正弦信号之间相位角120°±1°。

三相正弦波信号发生模块是本电源系统的核心模块。

整个电源系统的性能指标基本上是由这个模块的性能决定的。

传统的交流信号发生器利用自激振荡和选频网络来产生特定频率的正弦信号。

信号的频率与L ,C,R 等参数有关,当温度变化时会影响频率的稳定度,而且用传统的方法很难保证三相正弦波信号之间120°夹角关系。

可
见传统的交流信号发生器是无法达到上面提出的设计要求。

采用正弦波调制加低通滤波器的方法也可以产生可调的高频三相正弦信号,但是由于低通滤波器的加入会带来相角的偏移,影响到三相正弦波信号相角之间120°的关系,从而达不到系统性能指标要求。

本文提出的采用DSP2407加高速DA TLV5639产生三相正弦信号的方案既可以避免传统交流信号发生器的缺点,也可以避免由于低通滤波器的引入导致三相正弦波信号间相角关系达不到要求的缺点,完全能够达到设计所要求的性能指标。

生成的三相正弦信号由均流型功率放大模块进行线性放大,并通过对系统输出的三相电压和电流进行检测引入负反馈,进而构成一个闭环电源系统,从而进一步提高电源的稳定性。

整个电源系统结构图如图
1所示
:
图1　电源系统结构图
7
《现代电子技术》2007年第24期总第263期 新型元器件
2　系统硬件框图及原理
系统的硬件框图如图2所示
:
图2　系统硬件框图
2.1　三相正弦信号发生模块
三相正弦信号发生模块主要由2个器件构成,即DSP 处理器和高速D/A 转换器。

由于每相正弦信号最高频率为1k Hz ,且每周由
1000个点合成,故对处理器速度和D/A 转换器速度要求
较高。

美国TI 公司推出的新型高性能16定点数字信号处理器TMS320L F2407A [1]
是专为数字控制而设计,集DSP 的高速信号处理能力及适用于控制的优化外围电路于一体,在数字控制系统中得到了广泛的应用。

TMS320L F2407A 具有的优良性能:主频40M Hz ,3.3V 低电压CPU ;提供对外的16位数据总线和地址总线,可以非常方便地进行外部扩展;看门狗定时器和中断定时器,均为8位增量计数器,前者用于监视系统软件和硬件工作,在CPU 出错时产生复位信号,后者用来产生周期性的中断请求。

本系统采用TI 的TLV5639[2]
作为高速D/A 转换器。

TLV5639是12位并行接口电压输出型数模转换器,具有1μs 或3.5μs 快慢2个转换速度,且能与TMS320DSP 良
好兼容。

但因其输出电压是单极性,不满足后续功率放大模块要求,故需要添加从单极性到双极性的变换电路。

运放输出电压的计算过程如下:DA3_OU T1=2REF13D/
0X1000,故DA3_OU T1的取值范围为0～2REF1。

而SIN3_1=DA3_OU T1-REF1,故SIN3_1的取值范围为-REF1～REF1。

从上面的计算过程可以看出,此变换电
路的确将单极性电压变换为双极性电压。

其中REF1是
D/A 转换器内部输出的参考信号,D 是D/A 转换器要转
换的数据。

电路原理图如图3所示。

2.2　功率放大模块
功率放大模块采用无输出电容的功率放大电路(OCL 电路)[3]。

为了克服输出电压波形的交越失真,采用克服交越失真的电路设置合适的静态工作点,使对管静态时均处于临界导通或微导通的状态。

若负载需要较大的工作
电流,可以通过增添对管的方式扩大放大模块输出的电流值。

此时需要注意增添对管后,必须调节克服交越失真的电路,使每个管子静态时都处于临界导通状态。

由于管子特性不可能完全对称加上其他因素影响,输出波形很容易产生非线性失真,故在模块中引入交流负反馈改善输出正弦波形。

本模块使用对管TIP35C 和TIP36C
作为功率晶体管。

图3　高速DA 转换器和单双极性变换电路图
2.3　三相电压电流检测模块
因本电源系统输出的电压和电流信号均是高频信号,采用A/D 转换器无法检测电压和电流信号。

真有效值转换芯片为设计提供了一种解决问题的方法,他可以直接得到电压和电流的真有效值(具体工作原理可以参考芯片手册)。

再通过DSP 内部集成的A/D 转换器,DSP 可以直接得到电压和电流的实时值。

若某种因素造成电压和电流偏离正常值,DSP 可以通过内部算法进行调节来抑制电压和电流波动。

Analog Devices 公司的真有效值转换芯片
AD736
[4]
适合应用在本系统的三相电压和电流检测模块
中。

具体电路图见图4所示,其中模拟选择开关4051输出为AD736输入,
对电压和电流的6路信号起到分时选择作用。

图4　三相电压电流检测模块
2.4　键盘接口和液晶屏接口模块
键盘和液晶屏接口模块虽然十分简单,但他是整个电源系统中不可缺少的一部分,好的键盘和液晶屏模块解决方案能够方便用户使用本系统。

前面介绍的模块已经使用DSP 产生三相正弦波并对电压和电流进行检测,因此
DSP 内部资源消耗很大,已不可能再用来控制人机对话,
对键盘和液晶屏模块进行管理。

故本系统中采用89C52单片机作为辅助微处理器,对键盘和液晶屏模块进行管理。

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元器件与应用万晓春等:基于DSP 的高频三相大功率电源设计
3　系统软件设计与实现
本电源系统软件部分采用模块化设计方法。

将系统软件按照功能的不同分成多个功能模块,然后分别进行对其进行独立设计、编程、测试,最终将各个功能模块在主模块的调度之下形成一个完整的软件系统。

本系统所有代码均采用C语言编写,89C52代码采用KEIL软件开发, DSP代码采用TI的CCS集成开发环境开发。

对本电源系统而言,功能模块主要有以下几个部分:键盘管理和液晶屏显示模块;89C52与DSP通信模块; DSP发波模块;三相电压电流采样模块。

在各个功能模块中,最重要的模块是DSP产生三相正弦波的模块。

为了便于阐述发波的机理,这里只介绍频率为1k Hz,每周1000点的三相正弦波产生过程。

其他频率和每周其他点数正弦波发波过程是完全相同的。

现详细阐述DSP发波过程:将A相第一个点放入RAM第一个位置,将B相与A相第一个点差120°的点放RAM第二个位置,将C相的与B相第一个点差120°的点放在RAM第三个位置,以此循环将1000个点全部放在RAM中。

DSP每中断一次将RAM中数据送到不同D/A 转换器中去,以此循环,3个D/A便可以同时产生相位角差120°的三相正弦波。

为了便于在软件流程图中描述具体的DSP发波过程,流程图中只显示单相正弦波产生过程。

软件流程图如图5所示。

4　结　语
本电源系统采用DSP2407与高速D/A转换器产生三相正弦波,方案简单,所生成的三相正弦波达到设计要求。

采用89C52作为辅助处理器,通过液晶屏实时显示波形的幅值和频率,在键盘设计上充分考虑用户操作上的方便,具有良好的人机对话功能。

通过对三相电源的电压和电流信号进行检测,引入负反馈,克服负载变化及其他干扰因素对电源造成影响,大幅提高电源系统的稳定性。

可见本系统具有方案新颖、结构简单、操作方便、性能可靠,在惯性制导、船用陀螺、卫星安全、多轴振动台模拟等领域有
着广阔的应用前景。

图5　软件流程图
参　考　文　献
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作者简介　万晓春　男,1983年出生,安徽人,硕士。

主要从事控制理论与控制工程方面的研究工作。

(上接第6页)
通过分析和仿真结果可以看出,自适应谱线增强器即使阶数比Remez算法设计的FIR滤波器阶数小,他的滤波效果还是比后者好。

参　考　文　献
[1]张田仓,罗锐.FIR数字滤波优化技术及在罗兰C信号处理
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[5][美]恩格尔,[美]普罗克斯.数字信号处理———使用Matlab
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《现代电子技术》2007年第24期总第263期 新型元器件。