基于DSP的單相精密電源硬件設(shè)計(jì)

摘  要：以TMS320V33為核心作為信號(hào)生成和處理元件，配以相應(yīng)的外圍電路完成幅度、頻率、相位的控制、報(bào)警、顯示等一系列功能。由此設(shè)計(jì)的高精度電源具有精度高、速度快、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：DSP; 單相精密電源; 硬件

1.引言

各種電源在現(xiàn)代用電設(shè)備中正得到越來(lái)越多的應(yīng)用，對(duì)精度的要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)在有些領(lǐng)域很大程度上已不能滿足人們的需求。DSP 軟件編程靈活，自由度大，實(shí)時(shí)運(yùn)算速度,數(shù)據(jù)處理能力高。本文以TMS320VC33 DSP為核心，設(shè)計(jì)一種處理速度和準(zhǔn)確度都較高的單相精密電源，以滿足人們的實(shí)際需要。

2．電源信號(hào)的生成及控制

    電源信號(hào)分為電壓信號(hào)和電流信號(hào)兩個(gè)，都是正弦波信號(hào)。同一時(shí)刻具有相同的頻率，不一定有相同的相位和幅度。我們首先設(shè)計(jì)電壓正弦波信號(hào)的生成。

    離散正弦波的生成是通過(guò)每一個(gè)離散周期取得對(duì)應(yīng)時(shí)刻改正弦波的幅值并輸出獲得的。第二種方法是讓函數(shù)y=sin(nT)把n從0到N-1的值都計(jì)算出來(lái)，在程序存儲(chǔ)器中建立一個(gè)表來(lái)存入這些數(shù)據(jù)。電流正弦波的生成原理和生成過(guò)程與電壓正弦波完全相同，只是因?yàn)橄辔辉蚨谕粫r(shí)刻取表的值不同而已。

TMS320C3X的事件管理器有兩個(gè)32位通用的定時(shí)器模塊。每個(gè)定時(shí)器有兩種操作方式和內(nèi)部和外部時(shí)鐘?？梢允褂枚〞r(shí)器模塊在指定的時(shí)間間隔向C3X或外部發(fā)信號(hào)或者記錄外部事件。它們可以作為獨(dú)立的時(shí)基工作，定時(shí)器中斷是一個(gè)內(nèi)部中斷。其用途包括控制系統(tǒng)中捕獲周期的發(fā)生；為正交編碼器電路脈沖電路和捕捉單元的操作提供時(shí)間基準(zhǔn)。為全比較單元和單比較單元及相關(guān)的PWM電路產(chǎn)生比較輸出等。每個(gè)通用定時(shí)器內(nèi)核心部分是32位計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)范圍為0~4294967296個(gè)脈沖。計(jì)數(shù)脈沖可以由內(nèi)部時(shí)鐘經(jīng)過(guò)分頻產(chǎn)生，可由外部引腳提供時(shí)鐘。由于本產(chǎn)品的頻率是可調(diào)的，可以用定時(shí)器來(lái)在一定的時(shí)間在ROM中取出各個(gè)點(diǎn)的正弦波值，也可以用外接器件來(lái)改變頻率。在這里我們采用后一種方法。原理是用8253的兩個(gè)計(jì)數(shù)通道來(lái)改變頻率，方框圖如圖1所示：由MC14060產(chǎn)生180HZ的時(shí)鐘，經(jīng)過(guò)分頻后產(chǎn)生Nf的時(shí)鐘。由于要求的頻率要有精確到兩位小數(shù)，則8253的通道2的記數(shù)值設(shè)定為100。在本系統(tǒng)中我們?nèi)∶恐芷陔x散點(diǎn)N=720，但是系統(tǒng)要求的相角精度為0.0 ，所以將兩個(gè)離散點(diǎn)之間的取數(shù)間隔定為5個(gè)計(jì)數(shù)周期。設(shè)期望正弦波頻率為f ,由8253的通道1作為反饋來(lái)得到精確的頻率值。在通道1記數(shù)完成的時(shí)候向DSP發(fā)出一個(gè)中斷信號(hào)，收到中斷后，DSP發(fā)送數(shù)據(jù)到電壓和電流的A/D轉(zhuǎn)換器，完成一個(gè)離散點(diǎn)的值。當(dāng)通過(guò)鍵盤改變頻率時(shí)，只需要通過(guò)程序計(jì)算出一定的數(shù)值寫入8253的通道0的記數(shù)即可達(dá)到改變頻率的目的。

圖1  頻率通道的方框圖

  TMS320C33與其外圍芯片的接口。其指令可以對(duì)片內(nèi)I/O寄存器和外部I/O端口進(jìn)行訪問(wèn)，使用地址線的4位來(lái)訪問(wèn)I/O外圍芯片。I/O空間的地址分配可以借助于譯碼器件。74154是一個(gè)4到16位的譯碼器，由DSP的高地址作為輸入，DSP的I/O空間使能引腳控制譯碼器的使能引腳。其輸出作為DSP外圍芯片外圍引腳的使能端輸入。輸出與外圍芯片的片選相連，達(dá)到分配I/O空間的目的。

3. D/A轉(zhuǎn)換的硬件組成

   用DSP生成并輸出的正弦波是離散的數(shù)字信號(hào)，要把它變成連續(xù)的模擬信號(hào)則需要經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換；要實(shí)現(xiàn)正弦電源信號(hào)的幅度可控，必須通過(guò)DSP改變D/A的參考電壓，參考電壓由DSP提供。本系統(tǒng)我們選用DAC083 D/A轉(zhuǎn)換器，由于DAC0832有兩個(gè)8位寄存器和一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器，而DSP輸出信號(hào)為16位。所以需要兩片DAC0832并聯(lián)。

電壓轉(zhuǎn)換包括電流D/A轉(zhuǎn)換的參考電壓D/A轉(zhuǎn)換與電壓D/A轉(zhuǎn)換的參考電壓D/A轉(zhuǎn)換，輸出電壓D/A轉(zhuǎn)換，電流D/A轉(zhuǎn)換的參考電壓D/A轉(zhuǎn)換與電壓D/A轉(zhuǎn)換的參考電壓D/A轉(zhuǎn)換基本相同，輸出電壓的D/A轉(zhuǎn)換和輸出電流的D/A轉(zhuǎn)換，他們的電路圖基本上是一致，只有寄存器的使能信號(hào)不相同。限于篇幅，在此只給出如圖3所示電源輸出的D/A轉(zhuǎn)換電路圖。DAC0832的數(shù)據(jù)線和DSP的數(shù)據(jù)限制接相連，當(dāng)譯碼器選中 時(shí)，政弦波電壓信號(hào)輸入電壓D/A轉(zhuǎn)換器的輸入寄存器，接著譯碼器選中 ，正弦波電流信號(hào)輸入電流D/A轉(zhuǎn)換器的輸入寄存器，然后譯碼器選中 ，電壓D/A轉(zhuǎn)換器和電流D/A轉(zhuǎn)換器的輸入寄存器同時(shí)把數(shù)據(jù)送入DAC寄存器，同時(shí)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。

圖3  電源輸出的D/A轉(zhuǎn)換電路

4. 電源信號(hào)的輸出與檢測(cè)

電源信號(hào)經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換和濾波后，再經(jīng)過(guò)前饋、反饋、PI調(diào)節(jié)器的電路后輸出電壓已經(jīng)達(dá)到很高的精度和穩(wěn)定度，再經(jīng)過(guò)功放后，進(jìn)入系統(tǒng)輸出部分。在輸出部分，我們還要檢測(cè)電源信號(hào)來(lái)用于反饋補(bǔ)償。

4.1 電壓信號(hào)的輸出與檢測(cè)

電路如圖4，A點(diǎn)為運(yùn)算放大器的輸出端，經(jīng)過(guò)多抽頭電流互感器可以分別得到380V、220V、60V的輸出電壓，電路互感器的三個(gè)抽頭分別用三個(gè)繼電器J380V、J220V、J60V與輸出端      

相連，繼電器的閉合由DSP控制，即從鍵盤輸入命令，電壓輸出端即可輸出相應(yīng)級(jí)別的電壓。

圖4  電壓信號(hào)的輸出與檢測(cè)

4.2 電流信號(hào)的輸出和檢測(cè)

電路如圖5，和電壓輸出的電路一樣，A點(diǎn)為功率放大器的輸出端，基于取得檢測(cè)信號(hào)Urf相同的原理，獲得檢測(cè)信號(hào)Irf，只是置位電阻阻值為0.15歐。通過(guò)電流互感器得到電流輸出，電流輸出再通過(guò)另一個(gè)電流互感器得到檢測(cè)信號(hào)。兩個(gè)電流互感器均為三個(gè)抽頭。三對(duì)抽頭分別經(jīng)過(guò)三個(gè)繼電器J1A、J5A、J10A連接，用于檢測(cè)的電流互感器的公共端即為電流輸出端。

圖5電流檢測(cè)補(bǔ)償電路

5 反饋放大和報(bào)警電路

   為了保證電源輸出的精度，所以在D/A轉(zhuǎn)換和輸出之間設(shè)計(jì)了一個(gè)反饋和放大電路。同時(shí)在產(chǎn)品中，電源的輸出中不能出現(xiàn)電壓電路短路和電流電路開路的情況。所以應(yīng)該在電路添加

圖6 反饋放大、報(bào)警電路

報(bào)警電路，。報(bào)警電路要包括光報(bào)警和聲音報(bào)警。如圖6所示，電路分為三個(gè)部分：放大電路、報(bào)警電路和反饋電路。經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換和濾波后的連續(xù)平滑正弦波電源信號(hào)作為前饋信號(hào)的同時(shí)，經(jīng)過(guò)跟隨器與檢測(cè)信號(hào)Uwf（Iwf）經(jīng)反向跟其后的信號(hào)相加，它們的和通過(guò)一個(gè)PID調(diào)節(jié)器之后與前饋信號(hào)Un，檢測(cè)信號(hào)Urf（Irf）相加后輸入PI調(diào)節(jié)器，得到的值即為輸入放大電路的 U0。其中檢測(cè)信號(hào)Urf（Irf）經(jīng)過(guò)反向跟隨器后，得到輸入DSP的A/D轉(zhuǎn)換電路的信號(hào)。在電路中，需要檢測(cè)輸出電壓和電流來(lái)作為反饋信號(hào)，用來(lái)輸入DSP，來(lái)顯示幅度的。其原理圖如圖7所示：模擬開關(guān)CD4051控制信號(hào)XF1的控制下不斷得對(duì)反饋回來(lái)的電壓和電流

圖7  電壓和電流反饋電路方框圖

進(jìn)行采樣，在相臨的兩個(gè)周期分別向AD7135輸入電壓和電流信號(hào)。模擬量輸入AD7135轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，轉(zhuǎn)換完畢后，數(shù)據(jù)分5次輸出，共5位BCD碼即D5-D1與其對(duì)應(yīng)，每當(dāng)AD7135轉(zhuǎn)換完成的時(shí)候，向C33發(fā)送一個(gè)中斷脈沖，C33中斷一次，讀入一位BCD碼數(shù)據(jù)，在第五次中斷時(shí)，即最后一次數(shù)據(jù)采集完后，停止AD轉(zhuǎn)換。AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)經(jīng)鎖存器后進(jìn)入DSP，并且在顯示器中分別顯示出來(lái)電壓和電流的值。

此外，為了分擔(dān)DSP的分析、管理等方面的任務(wù)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)專門負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信的串行異步通信口也作了相應(yīng)的擴(kuò)展；為便于人機(jī)對(duì)話，還有振蕩器方式的時(shí)鐘電路，MAX811與DSP的接口的復(fù)位電路，鍵盤顯示電路等設(shè)計(jì)，限于篇幅，均略去。

6．結(jié)論

設(shè)計(jì)的單相高精度電源采用TMS320V33作為其信號(hào)生成和處理元件，并完成幅度、頻率、相位的控制、報(bào)警顯示等一系列任務(wù)。選用DAC0832作為D/A轉(zhuǎn)換模塊，分別把離散的DSP正弦輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的模擬電壓信號(hào)和模擬電流信號(hào)，并使用PA03作為功率放大器件。由鍵盤和顯示器組成人機(jī)對(duì)話窗口。電源信號(hào)幅度、頻率、相位要求均通過(guò)鍵盤控制達(dá)成，頻率和相位完全由DSP產(chǎn)生的離散正弦信號(hào)控制，幅度值則由DSP控制，D/A轉(zhuǎn)換的參考電壓幅值和繼電器的閉合來(lái)達(dá)到要求。輸出電源信號(hào)的速度和精度除依賴于DSP的性能外，還與外圍器件存儲(chǔ)器、D/A轉(zhuǎn)換器、功率放大器和其它阻容模擬開關(guān)電路有關(guān)。用兩片ADC0832擴(kuò)展成16位并行D/A轉(zhuǎn)換以提高速度。采用低失調(diào)，小溫漂，寬輸入的OP07作為運(yùn)算放大器，采用高精度、大功率、功耗小的PA03作為功率放大器。還設(shè)計(jì)了電流補(bǔ)償電路、PI調(diào)節(jié)電路以保證精度。應(yīng)用該設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)出的電源在實(shí)際應(yīng)用中具有精度高、速度快、穩(wěn)定性高特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]   TMS320C3x User`s Guide  Texas Instruments  1998
[2]   全能OrCAD電路圖設(shè)計(jì)Capture V9 張義和編著 中國(guó)鐵道出版社
[3]   全能OrCAD電路板設(shè)計(jì)Layout Plus V9 張義和編著 中國(guó)鐵道出版社
[4]   電能計(jì)量基礎(chǔ)  中國(guó)計(jì)量出版社 張有順等編著