采用TMS320F2812變頻電源的交流采樣系統(tǒng)設計方案

概述：本文介紹利用HCNR200及TMS320F2812內(nèi)置ADC采集交流電壓和負載電流信號的系統(tǒng)設計。HCNR200是一款專門用于模擬信號隔離采樣的高精度線性光耦。它的使用能有效地將主電路與控制電路進行隔離，并具有較高的線性度，檢測誤差小。DSP內(nèi)置ADC為12位轉(zhuǎn)換器，具有轉(zhuǎn)換精度高，轉(zhuǎn)換時間短(12．5 MSPS)，設計簡單等優(yōu)點。

在三相變頻電源設計中，需要采樣交流電壓及負載電流，用以實現(xiàn)雙閉環(huán)控制和保護，因此交流電壓、電流采集系統(tǒng)的設計直接關(guān)系到變頻電源的性能。三相變頻電源以TMS320F2812(簡稱F2812)為控制芯片，該芯片內(nèi)置16通道的12位ADC。采用F2812內(nèi)置ADC進行交流采樣時，避免了復雜的硬件設計，并降低了成本。電源要求輸出線電壓為380 V，輸出功率為3 kW。要采集該交流電壓、電流信號并送到DSP芯片，必須設計隔離電路，用以防止高電壓、強電流串入控制系統(tǒng)，燒壞低壓器件。HCNR200是一款用于模擬信號隔離的專用高精度線性光耦。本文詳細介紹了利用F2812的內(nèi)置ADC，并結(jié)合HCNR200進行交流電壓、電流的采樣。

1 TMS320F2812內(nèi)置ADC簡介
TMS320F2812芯片系TI公司于2003年底推出的32位定點DSP，是一款高性能、滿足電機實時性控制要求的控制器，工作頻率最高可達150 MHz，其內(nèi)置了16通道，12位ADC，含兩路采樣保持器，一個轉(zhuǎn)換單元，可實現(xiàn)雙通道同步采樣，最小轉(zhuǎn)換時間為80 ns。內(nèi)置ADC的外設內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

模擬量由16個通道輸入，被分為A，B兩組，ADCINA0～7為A組，ADCINBO～7為B組，每組都有一個完全獨立的多路選擇器和采樣保持器，共用一個12位ADC。整個轉(zhuǎn)換時序和轉(zhuǎn)換過程都由ADC時序控制自動機完成，不需要DSP中央處理單元的干預。編程時只需要配置寄存器，設定合適的值，自動機就會按照設定的順序和模式自動地實現(xiàn)多通道ADC，并將其結(jié)果寫入到16 Word的轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器中。結(jié)果寄存器為雙緩沖結(jié)構(gòu)，這就保證對于結(jié)果寄存器、自動機的寫操作和中央處理單元的讀操作不會產(chǎn)生時序沖突，大大提高了DSP的并行運行能力。輸入管腳ADCSOC是ADC的外部觸發(fā)輸入，用于要求嚴格同步觸發(fā)采樣的場合。ADC的時序基準頻率由處理器的主頻分頻提供，可以通過改動相關(guān)配置寄存器的值來設定分頻系數(shù)，從而改變ADC的轉(zhuǎn)換速率。TMS320F2812的ADC有4種工作模式：觸發(fā)順序模式、觸發(fā)同步模式、周期順序模式和周期同步模式。
通道的模擬電壓容許輸入范圍在0～3 V之間。對于交流采樣系統(tǒng)，必須為前級的運放電路提供電平偏置和保護。

2 HCNR200簡介及其工作原理
HCNR200光電耦合器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，LED為發(fā)光二極管；PD1，PD2是兩個相鄰匹配的光敏二極管。光敏二極管的PN結(jié)在反向偏置狀態(tài)下運行，它的反向電流與光照強度成正比，這種封裝結(jié)構(gòu)決定了每個光敏二極管都能從LED得到近似相等的光強，從而消除了LED的非線性和偏差特性所帶來的誤差。當電流If流過LED時，LED發(fā)出的光被耦合到PD1和PD2，在器件輸出端產(chǎn)生與光強成正比的輸出電流IPDI和IPD2。PD1用來調(diào)節(jié)If，以補償LED的非線性和漂移特性；IPD2與PD1發(fā)出的伺服光通量成線性比例。其中。If，IPD1和IPD2滿足以下關(guān)系：

式中：K1，K2分別為輸入／輸出光電二極管的電流傳輸比，其典型值均在0．05％左右，K為傳輸增益。當一只HCNR200被制造出來后，其輸出側(cè)光電流IPD2和輸入側(cè)光電流IPD1之比是一個恒定值K，K在1±O．15之間。

這種先進的光電二極管調(diào)整設計確保了光電耦合器HCNR200的高線性度和穩(wěn)定性，可以較好地實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的隔離。

3 硬件電路設計
假設三相變頻電源接三角形負載，則在三相負載的每相上串一精密小電阻，通過檢測小電阻的端電壓就可以由DSP中斷程序計算出所需的電壓、電流值。由HCNR200構(gòu)成的電壓采集電路如圖3所示。電路由反饋電路、隔離電路、電流電壓轉(zhuǎn)換電路、限幅電路等幾部分構(gòu)成。兩個運放接在不同的工作電源和地上，實現(xiàn)了隔離。運放選擇高精度運放CA3130A，該運放采用15 V單電源供電，最大共模輸入電壓為15 V，最大輸出電壓為13．3 V，負載為2 kΩ。

圖3中，U1構(gòu)成反饋電路。利用PD1檢測LED的光輸出量，并自動調(diào)整通過LED的電流，以補償LED光輸出的變化及任何其他原因引起的非線性，因此該反饋放大器主要用于穩(wěn)定LED的光輸出，并使其線性化。輸入信號Vin是被測量，由采樣電阻兩端的交流電壓經(jīng)二極管整流得到，其范圍取在O～5 V之間。U2組成輸出電路。進行電流與電壓之間的轉(zhuǎn)換，用以將輸出光敏二極管PD2輸出的穩(wěn)定、線性變化的電流轉(zhuǎn)換成電壓信號并輸出。
If的范圍為1～20 mA。根據(jù)運放最大輸出電壓為13．3 V，結(jié)合IPD1=0．005If，R3不宜過大，取200 Ω。光電二極管PD1的電流為：

由于IPD1的取值一般小于50μA，且實驗發(fā)現(xiàn)，在選用R2時，實際值比理論計算值要大一些，這樣才能取得更好的隔離效果，故選取R2=200 kΩ。

在實際工程中，選用R4=470 kΩ的電位器，用以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。
在輸出端加一個二極管限幅電路，限制Vout在O～3 V以內(nèi)。

4 軟件設計
運用TMS320F2812內(nèi)置ADC進行數(shù)據(jù)采集時，程序首先對ADC進行初始化，當ADC非常忙時，啟動ADC通道進行轉(zhuǎn)換，主程序進入死循環(huán)；當ADC正常轉(zhuǎn)換完畢后，進入中斷服務子程序。中斷服務程序?qū)DC轉(zhuǎn)換結(jié)果讀入存儲器中，進行必要數(shù)字濾波、補償?shù)忍幚?，然后再次啟動A／D通道進行轉(zhuǎn)換，如此循環(huán)往復。程序設計使用C語言編寫源程序，主程序流程圖如圖4所示。

5 結(jié) 語
實踐證明，利用TMS320F2812內(nèi)置ADC，并結(jié)合模擬信號隔離用高精度線性光耦HCNR200構(gòu)成的交流信號采集電路，具有硬件電路及軟件設計簡單、高精度、高線性度、抗干擾能力強等優(yōu)點，有效地解決了模擬信號與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)隔離的問題。在電流、電壓雙閉環(huán)控制的變頻電源設計中發(fā)揮了重要的作用。