基于ADMC331的數(shù)字化逆變電源設(shè)計(jì)

1 引言
　　隨著信息技術(shù)的發(fā)展，逆變電源越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用于通信、軍事、航空、航天等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的逆變電源多為模擬控制或者模擬與數(shù)字相結(jié)合的控制系統(tǒng)，其可靠性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本偏高且不利于產(chǎn)品更新?lián)Q代?，F(xiàn)代的逆變電源正朝著全數(shù)字化、智能化及網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。隨著高性能的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的出現(xiàn)， 逆變電源全數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)成為可能。本文在對(duì)ADMC331進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，介紹了ADMC331控制器在全數(shù)字化逆變電源中的具體應(yīng)用。

　　2 ADMC331的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　ADMC331是美國(guó)模擬器件公司（ADI）推出的基于DSP技術(shù)的電機(jī)控制器，它在內(nèi)部集成了一個(gè)26MIPS（每秒百萬(wàn)條指令）的定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器內(nèi)核，同時(shí)內(nèi)部還包括整套電機(jī)控制外圍線路，從而為用戶快速、高效地開(kāi)發(fā)電機(jī)控制器創(chuàng)造了十分有利的條件。ADMC331的功能框圖如圖1所示，其主要特性如下：

　　●采用16位定點(diǎn)ADSP—2171作為內(nèi)核，與ADSP－2100數(shù)字信號(hào)處理系列的代碼完全兼容；它具有三個(gè)獨(dú)立的全功能計(jì)算單元，即： 一個(gè)16位算術(shù)/邏輯單元（ALU）、一個(gè)32位乘法累加器（MAC）和一個(gè)32位桶形移位器（SHIFTER）；同時(shí)具有兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)地址發(fā)生器 （DAGs）和一個(gè)強(qiáng)大的程序時(shí)序器。由于該器件的體系結(jié)構(gòu)為并行結(jié)構(gòu)，因而可加快程序的執(zhí)行。

●單周期指令執(zhí)行時(shí)間為38.5ns（外接13MHz晶振），可實(shí)現(xiàn)：產(chǎn)生下一個(gè)程序地址、取下一條指令、執(zhí)行一個(gè)或兩個(gè)數(shù)據(jù)移動(dòng)操作、更新一個(gè)或兩個(gè)數(shù)據(jù)地址指針、執(zhí)行一個(gè)計(jì)算操作等功能。

　　●內(nèi)置有2k×24位程序存儲(chǔ)器ROM，2k×24位程序存儲(chǔ)器RAM和1k×16位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM。

　　●具有一個(gè)三相16位基于中點(diǎn)的脈寬調(diào)制（PWM）發(fā)生器，能夠靈活編程產(chǎn)生具有處理器最小開(kāi)銷的高精度PWM信號(hào)。

　　●帶有2路8位輔助脈寬調(diào)制（AUXPWM）通道，頻率可編程。

　　●具有七路Σ－Δ型A/D變換通道，最高分辨率為12位，最大采樣頻率可達(dá)32.5kHz。

　　●具有24個(gè)可編程數(shù)字輸入輸出（PIO）口，可單獨(dú)設(shè)置成輸入或輸出，支持狀態(tài)變化中斷。

　　●提供了2個(gè)雙緩沖同步串行口（SPORT0，SPORT1），可完成串行通訊和多處理器間的通信。

　　●帶有實(shí)時(shí)中斷的16位看門狗定時(shí)器。

　　●內(nèi)部程序存儲(chǔ)器ROM固化了一些實(shí)用程序，方便了系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)，減少了數(shù)字控制系統(tǒng)的程序計(jì)算時(shí)間。

　　3 應(yīng)用舉例

　　用ADMC331構(gòu)成全數(shù)字化逆變電源的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3.1 PWM信號(hào)的形成

　　一般的全數(shù)字化逆變電源必須產(chǎn)生4路精確的PWM定時(shí)信號(hào)以驅(qū)動(dòng)IGBT逆變橋，與此同時(shí)，驅(qū)動(dòng)每對(duì)功率管的PWM信號(hào)必須有一段的導(dǎo)通延時(shí)，以防止上下 橋臂功率開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通毀壞系統(tǒng)。PWM信號(hào)的產(chǎn)生是由ADMC331內(nèi)的PWM控制器來(lái)完成的，而ADMC331中PWM發(fā)生單元的靈活性和可編程性完全 能夠滿足不同方式的數(shù)字PWM的方法的要求。圖3為ADMC331三相PWM控制器的功能框圖。

　　ADMC331的PWM單元是建立在一個(gè)獨(dú)立的三相定時(shí)器基礎(chǔ)上，它可由三個(gè)確定的周期寄存器來(lái)控制，每個(gè)周期寄存器控制一對(duì)PWM輸出?？刂扑璧?DSP程序可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的要求以及所需要的PWM方案來(lái)編制。圖中PWMPOL可依據(jù)門極驅(qū)動(dòng)電路的邏輯和結(jié)構(gòu)來(lái)選擇PWM輸出的極性，輸出的每一路 PWM信號(hào)都能通過(guò)獨(dú)立的使能寄存器PWMSEG來(lái)決定輸出使能或禁止。PWMTRIP是硬件保護(hù)電路，當(dāng)這個(gè)引腳為低電平時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)被無(wú)條件復(fù)位以對(duì) 整個(gè)電路進(jìn)行保護(hù)。此外還有時(shí)鐘輸出信號(hào)CLKOUT和PWM的同步信號(hào)PWMSYNC等。

3.2 模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換接口電路

　　ADMC331內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器由7個(gè)模擬輸入通道和比較器等電路組成，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是通過(guò)判斷模擬輸入量與片內(nèi)高穩(wěn)定度鋸齒波的交點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。考慮到A/D 轉(zhuǎn)換器能接受的電平范圍為0～＋5V，因此必須將電壓互感器檢測(cè)的電壓和電流傳感器檢測(cè)的電流（轉(zhuǎn)換為電壓量）按照一定比例轉(zhuǎn)換到這個(gè)范圍內(nèi)。輸出電壓和 電流檢測(cè)接口電路分別如圖4和圖5所示，這部分電路的輸入阻抗應(yīng)比較大，以盡量減少對(duì)設(shè)備信號(hào)的影響，并且輸出阻抗應(yīng)同A/D轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗相匹配。

3.3 保護(hù)措施

　　為了保證IGBT模塊的正常安全運(yùn)行，防止異?，F(xiàn)象造成器件損壞和系統(tǒng)崩潰，一定要有完善的保護(hù)措施。全數(shù)字化逆變電源保護(hù)電路采用一片GAL芯片來(lái)對(duì)主 電路傳送來(lái)的系統(tǒng)過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、異常等故障信號(hào)進(jìn)行封鎖。當(dāng)出現(xiàn)任何一種上述故障時(shí)，保護(hù)電路產(chǎn)生的信號(hào)可通過(guò)硬件方式直接封鎖逆變橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸 出，這樣既保證了系統(tǒng)對(duì)故障響應(yīng)的快速性和可靠性，同時(shí)保護(hù)信號(hào)也可通過(guò)數(shù)字PIO口送入ADMC331以供軟件查詢，并由此判斷系統(tǒng)是否有故障產(chǎn)生以及 故障的類型，以便系統(tǒng)能夠提供相應(yīng)的故障處理程序和報(bào)警顯示。

　　另外，ADMC331還外接了一個(gè)存儲(chǔ)有程序執(zhí)行指令機(jī)器碼的E2PROM，這些指令可在上電后通過(guò)串行口程序自行導(dǎo)入，并且采用MAX232芯片作為TTL與RS232的電平轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)ADMC331與外界的通訊。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　隨著對(duì)綠色家用電器要求的不斷增強(qiáng)，開(kāi)發(fā)環(huán)保無(wú)污染的電源已是當(dāng)務(wù)之急。采用高性能嵌入式DSP電機(jī)控制器ADMC331設(shè)計(jì)的綠色環(huán)保逆變電源，可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的全數(shù)字化控制，它不僅提高了控制電路的集成度，更重要的是提高了控制電路乃至整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和可塑性。