基于DSP的高頻三相大功率電源設計

　　隨著(zhù)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)驗的需求逐漸增多。在地面搭建模擬仿真平臺，是航天領(lǐng)域研究的慣例。他可以從經(jīng)濟上降低資金的投入量，從實(shí)驗研究上增加重復性和可觀(guān)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(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方案設計本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(shí)，步進(jìn)為O.1 Hz;在200～1 000 Hz時(shí)，步進(jìn)為l Hz;三相正弦信號之間相位角120±1。。

　　三相正弦波信號發(fā)生模塊是本電源系統的核心模塊。整個(gè)電源系統的性能指標基本上是由這個(gè)模塊的性能決定的。傳統的交流信號發(fā)生器利用自激振蕩和選頻網(wǎng)絡(luò )來(lái)產(chǎn)生特定頻率的正弦信號。信號的頻率與L，C，R等參數有關(guān)，當溫度變化時(shí)會(huì )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(guān)系?？梢?jiàn)傳統的交流信號發(fā)生器是無(wú)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(chǎn)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(huì )帶來(lái)相角的偏移，影響到三相正弦波信號相角之間120。的關(guān)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(chǎn)生三相正弦信號的方案既可以避免傳統交流信號發(fā)生器的缺點(diǎn)，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(guān)系達不到要求的缺點(diǎn)，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(jìn)行線(xiàn)性放大，并通過(guò)對系統輸出的三相電壓和電流進(jìn)行檢測引入負反饋，進(jìn)而構成一個(gè)閉環(huán)電源系統，從而進(jìn)一步提高電源的穩定性。整個(gè)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(fā)生模塊

　　三相正弦信號發(fā)生模塊主要由2個(gè)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(gè)點(diǎn)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(diǎn)數字信號處理器TMS320LF2407A[1]專(zhuān)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(yōu)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(yōu)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(xiàn)和地址總線(xiàn)，可以非常方便地進(jìn)行外部擴展;看門(mén)狗定時(shí)器和中斷定時(shí)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(shí)產(chǎn)生復位信號，后者用來(lái)產(chǎn)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(gè)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(mǎn)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(guò)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(guò)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(wú)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(tài)工作點(diǎn)，使對管靜態(tài)時(shí)均處于臨界導通或微導通的狀態(tài)。若負載需要較大的工作電流，可以通過(guò)增添對管的方式擴大放大模塊輸出的電流值。此時(shí)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(gè)管子靜態(tài)時(shí)都處于臨界導通狀態(tài)。由于管子特性不可能完全對稱(chēng)加上其他因素影響，輸出波形很容易產(chǎn)生非線(xiàn)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(wú)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(wèn)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(guò)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(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(guò)內部算法進(jìn)行調節來(lái)抑制電壓和電流波動(dòng)。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(jiàn)圖4所示，其中模擬選擇開(kāi)關(guān)4051輸出為AD736輸入，對電壓和電流的6路信號起到分時(shí)選擇作用。

　　2.4鍵盤(pán)接口和液晶屏接口模塊

　　鍵盤(pán)和液晶屏接口模塊雖然十分簡(jiǎn)單，但他是整個(gè)電源系統中不可缺少的一部分，好的鍵盤(pán)和液晶屏模塊解決方案能夠方便用戶(hù)使用本系統。前面介紹的模塊已經(jīng)使用DSP產(chǎn)生三相正弦波并對電壓和電流進(jìn)行檢測，因此DSP內部資源消耗很大，已不可能再用來(lái)控制人機對話(huà)，對鍵盤(pán)和液晶屏模塊進(jìn)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(pán)和液晶屏模塊進(jìn)行管理。

　　3 系統軟件設計與實(shí)現

　　本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(gè)功能模塊，然后分別進(jìn)行對其進(jìn)行獨立設計、編程、測試，最終將各個(gè)功能模塊在主模塊的調度之下形成一個(gè)完整的軟件系統。本系統所有代碼均采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，89C52代碼采用KEIL軟件開(kāi)發(fā)，DSP代碼采用TI的CCS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)。

　　對本電源系統而言，功能模塊主要有以下幾個(gè)部分：

　　鍵盤(pán)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(guò)程。其他頻率和每周其他點(diǎn)數正弦波發(fā)波過(guò)程是完全相同的。

　　現詳細闡述DSP發(fā)波過(guò)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中數據送到不同D/A轉換器中去，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(guò)程，流程圖中只顯示單相正弦波產(chǎn)生過(guò)程。軟件流程圖如圖5所示。

　　4結 語(yǔ)

　　本電源系統采用DSP2407與高速D/A轉換器產(chǎn)生三相正弦波，方案簡(jiǎn)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(guò)液晶屏實(shí)時(shí)顯示波形的幅值和頻率，在鍵盤(pán)設計上充分考慮用戶(hù)操作上的方便，具有良好的人機對話(huà)功能。通過(guò)對三相電源的電壓和電流信號進(jìn)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?？梢?jiàn)本系統具有方案新穎、結構簡(jiǎn)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(dòng)臺模擬等領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的應用前景。