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          基于TMS320F2812的變頻調(diào)壓功率信號源設(shè)計

          作者: 時間:2007-09-27 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          摘要:研究了一種數(shù)字控制的交流電源,應(yīng)用控制DC/DC和DC/AC兩級,通過兩級聯(lián)合調(diào)節(jié)實現(xiàn)高精度的寬范圍交流電源。給出了方案、參數(shù)和實驗結(jié)果。
          關(guān)鍵詞:DSP控制::交流電源

          0 引言
          本文介紹應(yīng)用于儀器和設(shè)備測試的高精度寬頻率。傳統(tǒng)的一般采用線性電源或模擬控制的開關(guān)變換電源。隨著高性能DSP控制器的出現(xiàn),使采用數(shù)字化控制的功率開關(guān)變換電源作為功率成為可能,這有利于提高系統(tǒng)的集成化水平和控制功能。本文介紹的功率信號源采用工作頻率為150MHz的DSP 控制。并且采用DC/DC和DC/AC兩級聯(lián)合調(diào)節(jié)實現(xiàn)。

          l 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)
          本文介紹的功率信號源可提供輸出電壓從2~100V可變,頻牢從20~l000Hz可變,并且可以在50Hz基頻的情況下疊加基波幅值0~30%的直流分量與2~9次的各次諧波分量。輸出電壓幅值最小可調(diào)步長和分辨率為O.1V,輸出電壓頻率最小可調(diào)步長和分辨率在20~100Hz時為O.1 Hz,在100~l 000Hz時,為1Hz。在額定工作條件下,在2~100V范圍內(nèi),應(yīng)能連續(xù)輸出0.5A的電流,即最大輸出50VA的功率。

          為了滿足系統(tǒng)的高精度及輸出電壓和頻率均可變的要求,系統(tǒng)椎圖如圖l所示,整個系統(tǒng)由AC/DC、DC/DC和DC/AC三部分組成。由于對輸出功率的要求比較小,所以采用了反激式直流變換電路。DC/AC級采用全橋逆變電路。整個系統(tǒng)的控制是TT公司的DSP TMS320F2812。DC/DC環(huán)節(jié)采用INFINEON公司的ICES2AS01控制,其給定信號Vnf由DSP根據(jù)控制要求產(chǎn)生,從而獲得可調(diào)的直流電壓Vdc。CC/AC環(huán)節(jié)由DSP直接進(jìn)行PWM控制,從而產(chǎn)生所需的功率信號波形。

          DSP TMS320F2812的幾個特點:
          (1)速度方面 TMS320F2812最高工作頻率為150MHz(30MHz的品振經(jīng)過倍頻而得到);
          (2)AD精度 TMS320F2812的AD采樣精度可以達(dá)到12位:
          (3)運算方面 TMS320C2812是32位的定點DSP,可以方便地運行32位與32位的乘法,能滿足高精度與快速計算的要求。


          2 控制方案及參數(shù)設(shè)計
          2.1 逆變器建模與控制方案設(shè)計
          單相全橋逆變器及其雙環(huán)控制的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所不,Vdc為輸入直流電壓,S1~S4是功率MOSFET管.L為輸出濾波電感,C為輸出濾波電容。其控制環(huán)節(jié)采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)PID控制。采用輸出電壓與給定電壓進(jìn)行比較得到誤差電壓,誤差電壓經(jīng)過PI環(huán)后成為電流環(huán)的給定,與電流采樣值再進(jìn)行比較.再經(jīng)過P環(huán)節(jié),蛀后由DSP的PWM環(huán)節(jié)產(chǎn)生控制信號。由于電感電流等于電容電流和負(fù)載電流之和,其中電容電流為輸出電壓的微分,對電感電流進(jìn)行控制相當(dāng)于使系統(tǒng)能超前對輸出電壓進(jìn)行控制,因此能得到更好的動態(tài)性能。另外電感電流包含了負(fù)載電流,所以又可以對負(fù)載起到限流作用。

          逆變器輸出電壓的采樣為差分采樣模式,電感電流采樣采用電流霍爾器件。電壓采樣系數(shù)為0.0109,則采樣精度為小于0.lV,(其中,3V是DSP采樣的最大電壓值)滿足系統(tǒng)要求。

          根據(jù)逆變器的結(jié)構(gòu)框圖可以得到逆變器系統(tǒng)的控制框圖,如圖3所示。其中,是電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)的傳遞函數(shù);K1為電流環(huán)P調(diào)節(jié)參數(shù);Km為PWM環(huán)節(jié)的有效增益;K1為內(nèi)環(huán)電流環(huán)的增益;K2為電壓外環(huán)的增益;HSH(S)為零階保持環(huán)節(jié),為由于開關(guān)頻率fs較高,即Ts較小,所以近似為

          2.1.1 電流內(nèi)環(huán)的參數(shù)設(shè)計
          為了達(dá)到較高的精度,在程序設(shè)計時將采樣值做Q18的變化,(在DSP里只能進(jìn)行定點數(shù)的計算,Q18是把浮點數(shù)轉(zhuǎn)換為定點數(shù)的一個過程)即在原來的基礎(chǔ)上乘以218,在設(shè)計參數(shù)的時候應(yīng)該考慮該系數(shù)。內(nèi)環(huán)電流環(huán)的增益為K1=(1/6)218=43691,交越頻率取1/5的開關(guān)頻率,取開關(guān)頻率為100kHz,Vdc取200V計算,則



          2.1.2 電壓外環(huán)的參數(shù)設(shè)計

          同樣的,外環(huán)電壓環(huán)的增益為K2=O.0109218=2857;
          取Kvp=O.1,Kvi=3140,即取PI環(huán)節(jié)補(bǔ)償頻率為5kHz。取開關(guān)頻率為100kHz。其離散波特圖如圖4所示。從圖4中可得,系統(tǒng)相位裕量為60,滿足穩(wěn)定性要求。

          2.2 DC/DC級控制給定設(shè)計
          本文采用DC/DC和DC/AC兩級聯(lián)合凋節(jié),以達(dá)到功率信號源的高精度要求。DC/AC級采用雙極性的逆變器凋壓方式,幅度調(diào)制比為m=Usm/Ucm
          式中:Usm為正弦調(diào)制波的幅值;
          Ucm為三角載波的幅值。
          在雙極極性SPWM調(diào)壓方法中,逆變橋的直流母線電壓的利用率為



          在深度調(diào)制,即m值較小的情況下,uc和u8的交點貼近橫軸,輸出電壓每個載波周期的寬度近于相等,即接近于方波,其輸出諧波的幅值較高,會影響輸出電壓的精度,所以,m值越高越好。同時,為避免由于PWM控制脈波過窄和死區(qū)等因素使PWM脈波丟失,m值不宜取的太高。一般情況m取O.9。

          當(dāng)m一定時,根據(jù)該式和所要求的功率信號輸出電壓值可計算出DC/AC級的輸入電壓值,并由此給出DC/DC級輸出電壓的給定值。由于在基頻50Hz的情況下,有時需要疊加0~30%的直流分量或者與2~9次的各次諧波,所以輸出電壓幅值作為參考。在不需要疊加的時候,當(dāng)輸出電壓Vo已給定,則輸出電壓幅值Vom也相應(yīng)給定,輸入電壓由公式確定,取m=0.9,則在疊加直流分量與諧波的時候,當(dāng)輸出基頻的電壓幅值與所疊加的直流分量或諧波的次數(shù)與幅值都給定后,則得到一個輸出電壓的幅值Vom,考慮功率MOSFET的通態(tài)壓降等因索,輸入電壓給予一定的裕量,對上述公式進(jìn)行一定的修正:
          考慮輸出電壓的穩(wěn)定性,設(shè)置了一個Vdc的最小值,即當(dāng)Vom>8V(這里的Vom包括不疊加的與疊加后的)時,Vdc=Vom/0.8,而當(dāng)Vom8V時,取Vdc=10V。需要說明的是,當(dāng)疊加不同次的諧波時,其幅值的變化各有不同,所以在計算疊加后的幅值時,做了不同的處理。當(dāng)輸出基頻電壓幅值100V疊加30%電壓幅值的直流分量時,其輸出電壓幅伉達(dá)到按照上述公式,此時的輸入電壓為230V。所以在設(shè)計DC/DC級時輸出電壓范圍應(yīng)為10~230V。

          2.3 程序流程圖設(shè)計及開關(guān)頻率設(shè)置
          程序流程圖如圖5所示。由圖5可知,主流程包括仞始化、開中斷、變頻設(shè)置、Vref設(shè)置等,而電壓和電流采樣、電壓PI環(huán)、電流P環(huán)計算、PWM設(shè)置等在中斷中完成。當(dāng)輸出電壓值改變時,則調(diào)用變壓子程序,包括麗部分,一部分是改變逆變器輸出電壓的給定值,另一部分是計算出DC/DC輸出電壓的給定值。

          在DSP里,逆變器輸出電壓的給定值是以一個單位正弦表(Q15)乘以一個給定值(Q10)的形式給出的,最終與逆變器輸出電壓的采樣值比較的數(shù)是一個Q25的數(shù)(即單位正弦表里的數(shù)乘以系數(shù)225).所以輸出電壓最小可調(diào)步長為


          滿足系統(tǒng)要求。

          當(dāng)輸出頻率改變時則調(diào)用變頻子程序。由于輸出電壓頻率從20~1000Hz可變,為了達(dá)到一定的精度要求,希望開關(guān)管的開關(guān)頻率盡量高,在這里,采取分段的方式來進(jìn)行設(shè)置,如圖6所示。

          采取分段方式設(shè)置開關(guān)頻率的目的是為了在整個頻率范圍內(nèi)都有一個較高的開關(guān)頻率,以提高精度并易于輸出濾波。表l中給出了不同頻率范圍段的相位精度及最小可調(diào)步長。在20~100Hz情況下,最小可調(diào)步長小于O.1 Hz滿足系統(tǒng)要求,在100Hz以上最小可調(diào)步長小于1 Hz也滿足系統(tǒng)要求。這樣,保證了在輸出電壓頻率范圍變化較大的情況下,開關(guān)頻率的變化范圍大概從60~126kHz,取L=1mH,C=0.47μF,截止頻率約為73kHz,對上述開關(guān)頻率的范圍都可以達(dá)到較好的濾波效果。

          3 實驗結(jié)果
          實驗結(jié)果如圖7~圖12所示。

          4 結(jié)語
          本文提出了變頻調(diào)壓功率信號源的設(shè)計方案.通過TMS320F2812對DC/DC和DC/AC兩級聯(lián)合調(diào)節(jié),實現(xiàn)了高精度的寬范圍變頻調(diào)壓交流電源。



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