電力電子裝置控制系統(tǒng)的DSP設(shè)計(jì)方案

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(mǎn)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(xiàn)和程序總線(xiàn)允許程序數(shù)據(jù)同時(shí)操作；專(zhuān)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(xiàn)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(chēng)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(wèn)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(zhuān)門(mén)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(xiàn)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(mén)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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(fǎng)問(wèn)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(guò)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(fǎng)問(wèn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiě)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。