電力電子裝置控制系統(tǒng)的DSP設(shè)計(jì)方案

摘 要 以TI公司的電機(jī)控制專用芯片TMS320LF2407aDSP為例，介紹電力電子裝置中控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案。包括DSP的電平轉(zhuǎn)換、時(shí)鐘、復(fù)位、譯碼、片外存儲(chǔ)、鍵盤、液晶顯示和E2PROM電路與必要的外圍電路。
關(guān)鍵詞 DSP 硬件設(shè)計(jì) 電力電子裝置 PCB
引言
在現(xiàn)代高性能電力電子和交流電機(jī)控制系統(tǒng)中，DSP已經(jīng)取代了微控制器成為控制器的核心。其快速?gòu)?qiáng)大的運(yùn)算和處理能力以及并行運(yùn)行的能力，滿足了電力電子裝置控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性和處理算法復(fù)雜性的要求，并為不斷發(fā)展的新理論和新算法的應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

C240x系列DSP是面向數(shù)字控制系統(tǒng)的新一代數(shù)字信號(hào)處理器。該控制器集實(shí)時(shí)處理能力和控制器設(shè)計(jì)功能于一身，為控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了一個(gè)理想的解決方案。其內(nèi)部的哈佛結(jié)構(gòu)使數(shù)據(jù)空間和程序空間分離，獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線和程序總線允許程序數(shù)據(jù)同時(shí)操作；專用的硬件乘法器極大提高了運(yùn)算速度；具有獨(dú)特的逆尋址方式，能高效地進(jìn)行快速傅里葉變換運(yùn)算；指令系統(tǒng)采用流水線操作，減小了指令周期；采用內(nèi)存映射方式管理I／0，能靈活方便地?cái)U(kuò)充外圍電路。

1 主電路硬件設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
一般電力電子裝置控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。詳細(xì)介紹各單元的功能與硬件電路。

1.2電平轉(zhuǎn)換
TMS320LF2407a（以下簡(jiǎn)稱2407a）采用3.3V電，減小了芯片功耗；但常用直流電源為5V，因此必須考慮電平轉(zhuǎn)換問題。一種方法是直接采用可調(diào)直流電源獲得3.3V電壓，但這樣很難保證電源電壓的穩(wěn)定性，影響DSP的正常運(yùn)行。另一種方法是采用專門的電源芯片，將5 V電壓降為3．3 v。TPS76833、TPS76HD318、MAX604為常用的電平轉(zhuǎn)換芯片。圖2為采用MAX604實(shí)現(xiàn)電子轉(zhuǎn)換的電路。并聯(lián)于電源與地之間的電容起穩(wěn)壓作用。

1.3 時(shí) 鐘
與一般微處理器不同，C240x系列DSP利用掛接在片內(nèi)外設(shè)總線上的鎖相環(huán)時(shí)鐘模塊(PLL)合成系統(tǒng)需要的各種時(shí)鐘信號(hào)(CPU時(shí)鐘、系統(tǒng)時(shí)鐘、模擬時(shí)鐘和看門狗時(shí)鐘)。外部時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)PLL倍頻后合成系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。如圖3所示，外部時(shí)鐘信號(hào)由lO MHz晶振提供，通過系統(tǒng)控制和狀態(tài)寄存器(SCSR1)設(shè)置4倍頻因子后，2407a DSP以最大時(shí)鐘頻率(40MHz)工作。通過檢查DSP時(shí)鐘輸出引腳(CLK0UT)的頻率，可以判斷DSP芯片是否已開始正常工作。PLL模塊使用外部濾波器回路來(lái)抑制信號(hào)抖動(dòng)和電磁干擾。濾波器回路由PLL接在濾波器輸入引腳PLLF和PLLF2之間的電阻Rl和電容Cl、C2組成。電容Cl、C2必須為無(wú)極性電容。在不同的振蕩器頻率下，R1、Cl、C2的取值不同，常用的參數(shù)組合如表l所列。PLL模塊的電源引腳PLLVCCA分別通過磁珠和0.1μF的電容與數(shù)字電源引腳VDD和數(shù)字地引腳VSS連接，構(gòu)成低通濾波電路，保證時(shí)鐘模塊的可靠供電。

1.4 片外存儲(chǔ)器
2407aDSP可以訪問的程序存儲(chǔ)空間為64K字，根據(jù)MP／MC引腳的電子決定其配置方式。當(dāng)MP／MC為低電平時(shí)，片內(nèi)Flash存儲(chǔ)空間使能，地址范圍是0000h~7FFFFh，8000h~FFFFh的地址留給外部程序存儲(chǔ)器。當(dāng)MP／MC為高電平時(shí)，片內(nèi)Flash被禁止，64 K字存儲(chǔ)空間全部位于外部程序存儲(chǔ)器中，即只能從片外存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)，使得仿真調(diào)試時(shí)通過仿真器對(duì)程序修改比較容易。2407a DSP有64K的16位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間，32 K字的內(nèi)部存儲(chǔ)器地址范圍是0000h~7FFFh，包括存儲(chǔ)器映射寄存器、DARAM和外設(shè)映射寄存器。另外，地址范圍是8000h~FFFPh的32 K字留給外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間。片外存儲(chǔ)器的選擇主要考慮電壓、容量、速度等指標(biāo)。本文采用工作電壓3.3 V，容量64K×16位，訪問時(shí)間15 ns的高速靜態(tài)RAM，IS6lLV6416-15T作為片外存儲(chǔ)器。如圖4所示，片外存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)、地址線分別與DSP對(duì)應(yīng)相連；輸出使能引腳OE和輸入使能引腳WE分別與DSP的讀選通DSPRD相連。仿真調(diào)試時(shí)，用跳線把片選引腳DSPWE與DSP的程序空間選通引腳CE相連，當(dāng)外部程序存儲(chǔ)器用。程序燒寫到片內(nèi)Flash后，把片選引腳CE與DSP的數(shù)據(jù)空間選通引腳DSPDS相連，當(dāng)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用。

1.5 譯碼電路
GAL器件是在PAL器件基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的邏輯器件。作為一種可電改寫、可重復(fù)編程、可加密的新型可編程邏輯器件，它具有速度快、容量大、功耗低而且設(shè)計(jì)靈活的優(yōu)點(diǎn)。本文采用GAL16V8D作為譯碼芯片，輸入信號(hào)有DSP讀使能、寫使能、數(shù)據(jù)空間選通、程序空間選通、I／O空間選通和高5位地址線，通過邏輯組合后，輸出A／D等外圍器件的片選信號(hào)。

1.6 復(fù)位電路
2407aDSP有兩種復(fù)位源，外部復(fù)位引腳復(fù)位和程序監(jiān)視定時(shí)器(看門狗)復(fù)位．復(fù)位引腳(133)是一個(gè)I／O腳，正常狀態(tài)通過上拉電阻接電源。當(dāng)有內(nèi)部復(fù)位事件發(fā)生時(shí)，該引腳被驅(qū)動(dòng)為低電平輸出方式，給系統(tǒng)中其他芯片提供復(fù)位信號(hào)；當(dāng)有外部復(fù)位事件發(fā)生(手動(dòng)復(fù)位、上電復(fù)位、欠電壓復(fù)位等)時(shí)，該引腳為輸入方式，同時(shí)將復(fù)位中斷向量0000H加載到程序計(jì)數(shù)器PC中，使程序重新開始執(zhí)行。TL7705A具有處理上電復(fù)位、欠電壓檢測(cè)復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位的功能．本文用它來(lái)實(shí)現(xiàn)外部復(fù)位信號(hào)管理功能，其復(fù)位信號(hào)輸出引腳與DSP的復(fù)位引腳相連，電路如圖5所示。

1.7 串行E2PROM
由于被燒寫到片內(nèi)程序Flash中的程序在運(yùn)行時(shí)不能被改寫，而實(shí)際工作狀態(tài)中又要根據(jù)需要對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，因此，為控制系統(tǒng)擴(kuò)展了一塊型號(hào)為X5043PI-2.7，存儲(chǔ)容量為4K的串行E2PROM，與DSP的串行外設(shè)接口模塊(SPI)連接實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、存儲(chǔ)功能，如圖6所示。

SPICLK為SPI單元的時(shí)鐘信號(hào)輸出引腳，為X5043PI-2.7提供時(shí)鐘信號(hào)。SPISIMO為從動(dòng)輸入、主動(dòng)輸出引腳，與X5043 PI-2.7的從動(dòng)輸入引腳相連；SPISOMI為從動(dòng)輸出、主動(dòng)輸入引腳，與X5043 PI-2.7的從動(dòng)輸出引腳相連。SPISTE作為一般I／O口使用，為X5043PI-2.7提供片選信號(hào)。

2 外圍硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 信號(hào)調(diào)理與A／D轉(zhuǎn)換
電力系統(tǒng)中的電壓電流信號(hào)一般不能直接送到A／D器件的輸入端供轉(zhuǎn)換，而要先經(jīng)PT、CT將電壓電流降低，再經(jīng)過互感器、信號(hào)調(diào)理等預(yù)處理后供A／D轉(zhuǎn)換。圖中反饋電阻R2和R3用來(lái)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的大小。電容C2及可調(diào)電阻R1用來(lái)補(bǔ)償互感器的固有相移。電容Cl和C5是400~l000pF的小電容，用來(lái)去耦和濾波。兩個(gè)反接的二極管用來(lái)保護(hù)運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大器視精度要求而定，常用精度和穩(wěn)定性良好的OP07。運(yùn)算放大器電源電壓通常取±15V或±12V。運(yùn)放LT084接成射極跟隨的形式，起到阻抗匹配的作用。

A／D轉(zhuǎn)換是控制系統(tǒng)中的必備重要環(huán)節(jié)，其轉(zhuǎn)換精度決定了整個(gè)控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。雖然2407aDSP內(nèi)置10位高速A／D模塊，但該模塊存在以下缺點(diǎn)；只能接收0~3.3V的單極性信號(hào)輸入，對(duì)于交流信號(hào)需要另外設(shè)計(jì)限幅抬壓電路；同一排序器內(nèi)各通道串?dāng)_嚴(yán)重；10位的轉(zhuǎn)換精度難以滿足高性能系統(tǒng)的要求。本文選用Maxim公司的14位高速A／D芯片MAXl25作為外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其輸入信號(hào)范圍±5 V，通道最大承受過壓可達(dá)±17V，簡(jiǎn)化了信號(hào)調(diào)理電路；單路轉(zhuǎn)換時(shí)間3μs；擁有A、B兩組信號(hào)輸入端，每組四個(gè)輸入通道，內(nèi)置四路采樣保持器。MAXl25可以和DSP并行工作，從而減輕了DSP的工作負(fù)擔(dān)。MAXl25數(shù)據(jù)、地址線通過總線隔離驅(qū)動(dòng)芯片74HC245與2407aDSP的數(shù)據(jù)線連接，片選信號(hào)由GAL提供，電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.2 鍵盤與液晶顯示
2407a DSP有多達(dá)41個(gè)通用、雙向的數(shù)字I／O引腳，其中大多數(shù)都是基本功能和一般I／O功能復(fù)用。將IOPF0~IOPF5六個(gè)端口設(shè)置為一般I／O口輸入方式，實(shí)現(xiàn)鍵盤輸入功能。液晶顯示器采用內(nèi)藏T6963C控制驅(qū)動(dòng)器圖形液晶顯示模塊。T6963C是大規(guī)模點(diǎn)陣式圖形液晶顯示控制器，通過8位并行數(shù)據(jù)總線和一組控制總線進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)傳遞。采用間接控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶顯示模塊的控制，即DSP的IOPE0~IOPE7與T6963C的數(shù)據(jù)線相連，IOPB4~IOPB7分別與T6963C的寫選通信號(hào)、讀選通信號(hào)、片選信號(hào)和通道選擇信號(hào)相連，實(shí)現(xiàn)控制功能。與直接訪問方式相比，間接方式減輕了總線負(fù)擔(dān)。鍵盤與液晶顯示電路結(jié)構(gòu)如圖8所示。

2.3 同步電路設(shè)計(jì)
裝置中，功率器件的控制信號(hào)都必須以某時(shí)間基準(zhǔn)為參考，因此同步信號(hào)相位的準(zhǔn)確性直接影響電力電子裝置的性能。通常同步信號(hào)取至系統(tǒng)電源電壓。圖9為同步信號(hào)采集電路，一次側(cè)電壓經(jīng)PT降壓后，經(jīng)通帶中心頻率為50Hz的硬件帶通濾波器濾波后，比較器LM311將交流正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻同相方波信號(hào)，再通過與門整形后用光耦4N25實(shí)現(xiàn)隔離與電平轉(zhuǎn)換，輸出信號(hào)送入DSP的捕獲引腳，供捕獲單元上跳沿中斷。通過合理配置Rl、Cl、R2、C2的參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)50Hz的有效信號(hào)不相移的濾波環(huán)節(jié)，從而避免了采集電路帶來(lái)的附加相移。

3 制作PCB板注意事項(xiàng)
①控制器的PCB板最好制成四層板(即除了頂層和底層外，添加了電源層和地層，用內(nèi)層分割技術(shù)可以把3.3V和5V放在一層，模擬地和數(shù)字地放在一層)，可明顯提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾性能。一般情況下，四層板比兩層板的噪聲低20 dB。四層板效果雖好，但制作費(fèi)用高，且不易查錯(cuò)。雙面板最好在頂層和底層都鋪銅，分別與系統(tǒng)數(shù)字地線和電源線連接，也可起到很好的抗干擾效果。

②銅膜線寬的最小值取決于流過它的電流大小，一般不宜小于O.2 mm。只要電路板面積無(wú)特殊限制，線寬和間距最好選用0.3mm。通常情況下，l~1.5mm的線寬允許流過2 A的電流。地線和電源線寬度最好不小于l mm。

③Protel 99 SE沒有提供2407a的封裝，需要依據(jù)原文資料提供的尺寸自行創(chuàng)建。用Prote1 99 SE的向?qū)ё詣?dòng)生成封裝既方便，精度又高．因?yàn)?407a為貼片式封裝，引腳細(xì)小，間距窄。建議把引腳設(shè)為長(zhǎng)1.50mm，寬0.35mm，引腳間距0.50mm．這樣容易焊接，不易造成短路。

④所有連接DSP時(shí)鐘模塊的導(dǎo)線必須盡可能短。當(dāng)連接PLL引腳時(shí)，應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：使用短引線連接PLLVCCA引腳到低通濾波器；使旁路電容最近連接到PLLVCCA和VSS間；使這些導(dǎo)線、芯片和旁路電容形成的環(huán)路面積最小。面積越大則電磁干擾越大。

⑤PCB板上的數(shù)字地與模擬地應(yīng)分開布線，通過電感或磁珠單點(diǎn)連接，避免互相干擾。因?yàn)橐话銛?shù)字電路的抗干擾能力強(qiáng)，TTL電路的噪聲容限為0.4~0.6V，CMOS數(shù)字電路的噪聲容限為電源電壓的O.3~0.45倍；而模擬電路部分只要有微伏級(jí)的噪聲，就足以使其工作不能正常。

⑥在DSP和其他芯片的電源與地之間就近跨接0.Ol~0.1μF的去耦電容，以提供和吸收芯片通斷電瞬間的充放電電能，且能旁路芯片產(chǎn)生的高頻噪聲。

4 結(jié) 論
基于TMS320LF2407aDSP的電力電子裝置控制器，具有通用性。通過在有源電力濾波器裝置中使用，證明該控制系統(tǒng)各單元工作可靠，整體配合良好。對(duì)從事相關(guān)硬件設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員，有一定的參考價(jià)值。