基于DSP的高頻三相大功率電源設(shè)計(jì)
隨著國防科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和航天事業(yè)的需要，飛行器姿態(tài)控制以及振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的需求逐漸增多。在地面搭建模擬仿真平臺(tái)，是航天領(lǐng)域研究的慣例。他可以從經(jīng)濟(jì)上降低資金的投入量，從實(shí)驗(yàn)研究上增加重復(fù)性和可觀測(cè)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(diǎn)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(shè)計(jì)
本電源系統(tǒng)具體性能指標(biāo)如下：三相正弦信號(hào)準(zhǔn)確度為1％；波形失真度為O．5％；輸出電壓連續(xù)可調(diào)；電源頻率在O～200 Hz時(shí)，步進(jìn)為O．1 Hz；在200～1 000 Hz時(shí)，步進(jìn)為l Hz；三相正弦信號(hào)之間相位角120±1。。
三相正弦波信號(hào)發(fā)生模塊是本電源系統(tǒng)的核心模塊。整個(gè)電源系統(tǒng)的性能指標(biāo)基本上是由這個(gè)模塊的性能決定的。傳統(tǒng)的交流信號(hào)發(fā)生器利用自激振蕩和選頻網(wǎng)絡(luò)來產(chǎn)生特定頻率的正弦信號(hào)。信號(hào)的頻率與L，C，R等參數(shù)有關(guān)，當(dāng)溫度變化時(shí)會(huì)影響頻率的穩(wěn)定度，而且用傳統(tǒng)的方法很難保證三相正弦波信號(hào)之間120。夾角關(guān)系?？梢妭鹘y(tǒng)的交流信號(hào)發(fā)生器是無法達(dá)到上面提出的設(shè)計(jì)要求。
采用正弦波調(diào)制加低通濾波器的方法也可以產(chǎn)生可調(diào)的高頻三相正弦信號(hào)，但是由于低通濾波器的加入會(huì)帶來相角的偏移，影響到三相正弦波信號(hào)相角之間120。的關(guān)系，從而達(dá)不到系統(tǒng)性能指標(biāo)要求。
本文提出的采用DSP2407加高速DA TL/V5639產(chǎn)生三相正弦信號(hào)的方案既可以避免傳統(tǒng)交流信號(hào)發(fā)生器的缺點(diǎn)，也可以避免由于低通濾波器的引入導(dǎo)致三相正弦波信號(hào)間相角關(guān)系達(dá)不到要求的缺點(diǎn)，完全能夠達(dá)到設(shè)計(jì)所要求的性能指標(biāo)。生成的三相正弦信號(hào)由均流型功率放大模塊進(jìn)行線性放大，并通過對(duì)系統(tǒng)輸出的三相電壓和電流進(jìn)行檢測(cè)引入負(fù)反饋，進(jìn)而構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)電源系統(tǒng)，從而進(jìn)一步提高電源的穩(wěn)定性。整個(gè)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：
2 系統(tǒng)硬件框圖及原理
系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示：
2．1 三相正弦信號(hào)發(fā)生模塊
三相正弦信號(hào)發(fā)生模塊主要由2個(gè)器件構(gòu)成，即dSp處理器和高速D／A轉(zhuǎn)換器。
由于每相正弦信號(hào)最高頻率為1 kHz，且每周由1 000個(gè)點(diǎn)合成，故對(duì)處理器速度和D／A轉(zhuǎn)換器速度要求較高。美國TI公司推出的新型高性能16定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407A［1］專為數(shù)字控制而設(shè)計(jì)，集r)SP的高速信號(hào)處理能力及適用于控制的優(yōu)化外圍電路于一體，在數(shù)字控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。TMS320LF2407A具有的優(yōu)良性能：主頻40 MHz，3．3 V低電壓CPU；提供對(duì)外的16位數(shù)據(jù)總線和地址總線，可以非常方便地進(jìn)行外部擴(kuò)展；看門狗定時(shí)器和中斷定時(shí)器，均為8位增量計(jì)數(shù)器，前者用于監(jiān)視系統(tǒng)軟件和硬件工作，在cPU出錯(cuò)時(shí)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，后者用來產(chǎn)生周期性的中斷請(qǐng)求。
本系統(tǒng)采用TI的TLV5639［2］作為高速D／A轉(zhuǎn)換器。TI，V5639是12位并行接口電壓輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換器，具有1μλ或3．5μs快慢2個(gè)轉(zhuǎn)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(xù)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(yùn)放輸出電壓的計(jì)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(jì)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(zhuǎn)換器內(nèi)部輸出的參考信號(hào)，D是D／A轉(zhuǎn)換器要轉(zhuǎn)
換的數(shù)據(jù)。電路原理圖如圖3所示。
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(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，使對(duì)管靜態(tài)時(shí)均處于臨界導(dǎo)通或微導(dǎo)通的狀態(tài)。若負(fù)載需要較大的工作電流，可以通過增添對(duì)管的方式擴(kuò)大放大模塊輸出的電流值。此時(shí)需要注意增添對(duì)管后，必須調(diào)節(jié)克服交越失真的電路，使每個(gè)管子靜態(tài)時(shí)都處于臨界導(dǎo)通狀態(tài)。由于管子特性不可能完全對(duì)稱加上其他因素影響，輸出波形很容易產(chǎn)生非線性失真，故在模塊中引入交流負(fù)反饋改善輸出正弦波形。本模塊使用對(duì)管TIP35C和TIP36C作為功率晶體管。
2．3三相電壓電流檢測(cè)模塊
因本電源系統(tǒng)輸出的電壓和電流信號(hào)均是高頻信號(hào)，采用A／D轉(zhuǎn)換器無法檢測(cè)電壓和電流信號(hào)。真有效值轉(zhuǎn)換芯片為設(shè)計(jì)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(cè))。再通過DSP內(nèi)部集成的A／D轉(zhuǎn)換器，DSP可以直接得到電壓和電流的實(shí)時(shí)值。若某種因素造成電壓和電流偏離正常值，DSP可以通過內(nèi)部算法進(jìn)行調(diào)節(jié)來抑制電壓和電流波動(dòng)。Analog Devices公司的真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD736［4］適合應(yīng)用在本系統(tǒng)的三相電壓和電流檢測(cè)模塊中。具體電路圖見圖4所示，其中模擬選擇開關(guān)4051輸出為AD736輸入，對(duì)電壓和電流的6路信號(hào)起到分時(shí)選擇作用。
鍵盤和液晶屏接口模塊雖然十分簡單，但他是整個(gè)電源系統(tǒng)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(tǒng)。前面介紹的模塊已經(jīng)使用DSP產(chǎn)生三相正弦波并對(duì)電壓和電流進(jìn)行檢測(cè)，因此DSP內(nèi)部資源消耗很大，已不可能再用來控制人機(jī)對(duì)話，對(duì)鍵盤和液晶屏模塊進(jìn)行管理。故本系統(tǒng)中采用89C52單片機(jī)作為輔助微處理器，對(duì)鍵盤和液晶屏模塊進(jìn)行管理。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
本電源系統(tǒng)軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)方法。將系統(tǒng)軟件按照功能的不同分成多個(gè)功能模塊，然后分別進(jìn)行對(duì)其進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)、編程、測(cè)試，最終將各個(gè)功能模塊在主模塊的調(diào)度之下形成一個(gè)完整的軟件系統(tǒng)。本系統(tǒng)所有代碼均采用C語言編寫，89C52代碼采用KEIL軟件開發(fā)，DSP代碼采用TI的CCS集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)。
對(duì)本電源系統(tǒng)而言，功能模塊主要有以下幾個(gè)部分：
鍵盤管理和液晶屏顯示模塊；89C52與DSP通信模塊；
DSP發(fā)波模塊；三相電壓電流采樣模塊。
在各個(gè)功能模塊中，最重要的模塊是DSP產(chǎn)生三相正弦波的模塊。為了便于闡述發(fā)波的機(jī)理，這里只介紹頻率為1 kHz，每周1 000點(diǎn)的三相正弦波產(chǎn)生過程。其他頻率和每周其他點(diǎn)數(shù)正弦波發(fā)波過程是完全相同的。
現(xiàn)詳細(xì)闡述DSP發(fā)波過程：將A相第一個(gè)點(diǎn)放人RAM第一個(gè)位置，將B相與A相第一個(gè)點(diǎn)差120。的點(diǎn)放RAM第二個(gè)位置，將C相的與B相第一個(gè)點(diǎn)差120~的點(diǎn)放在RAM第三個(gè)位置，以此循環(huán)將1 000個(gè)點(diǎn)全部放在RAM中。DSP每中斷一次將RAM中數(shù)據(jù)送到不同D／A轉(zhuǎn)換器中去，以此循環(huán)，3個(gè)D／A便可以同時(shí)產(chǎn)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’發(fā)波過程，流程圖中只顯示單相正弦波產(chǎn)生過程。軟件流程圖如圖5所示。
本電源系統(tǒng)采用DSP2407與高速D／A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生三相正弦波，方案簡單，所生成的三相正弦波達(dá)到設(shè)計(jì)要求。采用89C52作為輔助處理器，通過液晶屏實(shí)時(shí)顯示波形的幅值和頻率，在鍵盤設(shè)計(jì)上充分考慮用戶操作上的方便，具有良好的人機(jī)對(duì)話功能。通過對(duì)三相電源的電壓和電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，引入負(fù)反饋，克服負(fù)載變化及其他干擾因素對(duì)電源造成影響，大幅提高電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性?？梢姳鞠到y(tǒng)具有方案新穎、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、性能可靠，在慣性制導(dǎo)、船用陀螺、衛(wèi)星安全、多軸振動(dòng)臺(tái)模擬等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
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