毕业设计(论文)-基于DSP的变频电源的设计.doc
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1、安徽理工大学毕业设计 i 目 录 摘要I ABSTRACT.II 1 绪论 1 1.1 本文主要内容 1 1.2 控制芯片概述 1 1.2.1DSP 芯片1 1.2.2 电源设计 4 1.3 数字变频电源的分类及优点 6 2 单相 SPWM 变频电源工作原理 .7 2.1 整流技术 7 2.1.1 变频电源的工作原理 7 2.2.2 滤波器10 2.3SPWM 基本原理 .13 2.4 数字控制系统设计 .16 2.4.1PI 调节器16 2.4.2PID 调节器.17 2.4.3 控制方案18 3 单相 SPWM 方式变频电源系统组成 22 3.1 主电路 .22 3.2 驱动电路 .22
2、3.3 检测电路 .23 3.3.1 电压检测23 3.3.2 电流检测24 4 数字控制的实现方法 .25 4.1 主电路流程图 .25 4.2 中断程序流程图 .26 4.3PI 调节流程图 .27 4.4 本章小结 .28 5 系统参数设计 .29 安徽理工大学毕业设计 ii 5.1 参数设计 .29 5.1.1 中频变压器 TR .29 5.1.2 串联谐振电容31 6 总结 .32 参考文献.33 附图:系统总电路图.34 附录:系统源程序.36 致谢.52 安徽理工大学毕业设计 I 基于 DSP 的变频电源的设计 摘要 随着新型电力电子器件和数字信号处理器的飞速发展,数字控制的逆变
3、电源应 用日益广泛。因为数字控制相对于模拟控制有着显著的优点:简化了硬件电路设计, 克服了模拟电路中参数温度漂移的问题,控制灵活且易实现先进控制等,使得所设 计的电源产品不仅性能可靠,且易于大批量生产,从而降低了开发周期。因此,数 字化控制电源已成为当今开关电源产品设计的潮流。本文采用 Ti 公司的 TMS320LF2407A 的控制芯片和 IGBT 为核心来设计数字式逆变电源调节器,以取代 现有的以晶闸管为功率元件的模拟控制的逆变电源调节器。 本设计论文介绍了一种基于 DSP 芯片的全数字控制单相变频电源的设计,随着 变频调速技术的不断发展,变频器的应用越来越广泛,变频器除了具有卓越的调速
4、性能之外,还有显著的节能作用,是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。 本论文提出了一种数字控制的单相逆变器结构,详细论述了系统的参数设计,整流 工作的基本工作原理,逆变的基本原理及 SPWM 正弦脉冲宽度调制。 基于 DSP 的 数字控制技术能大大改善产品的一致性,同时增加了控制的柔性,提高了整个系统 的稳定性和可靠性。 关键词:数字控制,DSP,SPWM 调制 安徽理工大学毕业设计 II Abstract With the rapid development of the new power electronic devices and the digital signal proce
5、ssors, digital control inverters are widely used. Because it has significant advantages compared with the analog control. Simplify hardware circuits design, overcome the parameters of temperature drift in the analog circuits, flexibly control and easily realize the advanced control and so on. It mak
6、es power products designed not only reliable but also easy to make the mass production, and reduces the development cycle. Therefore, digital control power has become the trend of switching power product design from now on. The paper designs a digital control system of the single-phase inverter base
7、d on sine width modulate with Ti company TMS320LF2407 control chips and the IGBT switches. This design paper introduced one kind based on the DSP chip entire numerical control single-phase frequency changer design, along with the frequency conversion velocity modulation technology unceasing developm
8、ent, the frequency changer application is more and more widespread, the frequency changer besides has the remarkable velocity modulation performance, but also has the remarkable energy conservation function, is the enterprise technological transformations and the product renewal ideal speeder. The p
9、resent paper proposed one kind of numerical control single-phase inversion structure, in detail elaborated the system parameter design, the rectification work basic principle of work, the contravariant basic principle and the SPWM sine pulse width modulation. Can greatly improve the product based on
10、 the DSP numerical control technology the uniformity, simultaneously increased the control flexibility, enhanced the overall system stability and the reliability. KEYWARDS: EntirEntir numericalnumerical control,control, DSP,PWMDSP,PWM sinesine pulsepulse widthwidth modulationmodulation 安徽理工大学毕业设计 1
11、1 绪论 变频器是运动控制系统中的功率变换器。当今的运动控制系统包含多种学 科的技术领域,总的发展趋势是:驱动的交流化,功率变换器的高频化,控制 的数字化、智能化和网络化。因此,变频器作为系统的重要功率变换部件,提 供可控的高性能变压变频的交流电源而得到迅猛发展。 变频节电器是近几年发展起来的一种新型节能产品,对于各种交流电机设 备,配备专用的变频器后,可以使原电机的能源利用率大大提高,从而达到节 电之目的。在能源日益紧张的今天,变频器作为交流调速的一种主要手段,以 其极强的可靠性和抗干扰能力,在工业生产中得到了越来越广泛的应用,具有 广阔的市场潜力。因此,研究本课题具有很强的现实可行性。本文
12、就变频器的 原理作了简单的介绍。 1.1 本文主要内容 近年来,通信网络、计算机、过程控制系统和自动化生产线得到了广泛地 使用,这就大大地增加了人们对全数字变频电源的需求。故选取全数字变频电 源作为毕业设计有一定的实用意义。本文所研究的是全数字单相变频电源要求 将三相380V,频率为50Hz的交流电变为输出为电压频率可变的交流电源。正常 工作时,若负载发生变化,该变频电源具有自动调节输出电压和频率使其维持 不变的功能。本次毕业设计输入端接入三相380V频率为50Hz的交流电,通过整 流,逆变,变频,变压器的降压变为30250V频率范围为40Hz1000Hz交流电, 并采用了闭环调节技术,可以对
13、电压和频率进行调节。本系统除了主电路外, 还采用了许多附属电路,本文着重分析了驱动和检测电路的工作原理。 1.2 控制芯片概述 1.2.1DSP 芯片 采用高性能静态氧化物半导体技术,使得供电电压降为 3.3V,减少了功耗; 基于 TMS320C2xxDSP 的 CPU 核,保证与 TMS320 系列 DSP 代码兼容。 1. DSP 内核 CPU 中具有 32 位 CALU、32 位 ACC、16*16 位并行乘法器可 产生 32 位乘积、8 个辅助寄存器 ARX,CPU 时钟高达 20MHZ,指令周期为 20MIPS。 2. 内部存储器为 544*16 位片内 RAM、16K*16 位片内
14、 Flash Memory、224K*16 位最大寻址范围;程序控制为四级流水线操作、八级硬件堆 栈和 3 个 XINT、PDPINT、RESET、NMI 等六个外部中断。 安徽理工大学毕业设计 2 3. 事件管理器的能力为:3 个通用 16 位硬件定时器,具有六种工作模式; 12 路比较/PWM 通道,包括三相六路 SPWM 口,可实现空间矢量控制;3 个带 死区功能的全比较单元,死区时间可编程;3 个单比较单元;4 个捕捉单元/正 交解码脉冲单元(CAP/QEP 单元) 。 4. 外围功能模块为:两路 8 通道 A/D 转换器、基于 PLL 的时钟单元、 Watchdog 单元、SCI 和
15、 SPI 通讯接口、28 个可编程多路复用 I/O 口;可扩展的 外部存储器总共 192K 字空间;64K 字程序存储器空间;64K 字数据存储器空 间;64K 字 I/O 寻址空间。需要说明的是 TMS320LF240x DSP 是定点 l6 位芯片, 存储数据的最小单位是 16 位的字,每个地址(包括程序地址、数据地址及 IO 地址)所存的数据都是 16 位。 DSP 采用程序空间和数据空间完全分开的哈佛(Havard)结构,允许同时取 指令和操作数,而且允许在程序空间和数据空间之间相互传递数据,即改进的 哈佛结构。TMS320LF240x DSP 的 CPU 核心具有独立的内部数据和程序
16、总线结 构。数据和程序总线分为 6 条 l6 位的总线,分别为:PAB,程序地址总线,为 读写程序空间提供地址;DRAB,数据读地址总线,为读数据空间提地址; DWAB,数据写地址总线,为写数据空间提供地址;PRDB,从程序空间向 CPU 传送代码、立即操作数和表信息的程序读总线;DRDB,从数据空间向中 央算术逻辑单元(CALU)和辅助寄存器算术单元(ARAU)传送数据的数据读总线; DWEB,可以传送数据到程序空间和数据空间的数据写总线。数据读地址总线 (DRAB)和数据写地址总线(DWAB)是相互独立的地址总线,CPU 在相同的机器 周期内可以同时进行数据读写操作。 TMS320LF24
17、0x DSP 流水线具有四个独立的阶段:取指令、指令译码、取 操作数以及指令执行。一般情况下,取指令占用 PAB 和 PRDB;指令译码不占 用任何程序和数据总线;取操作数占用 DRAB 和 DRDB;指令执行包括将执行 结果写回数据存储器,将占用 DWAB 和 DWEB。可见,TMS320LF240x DSP 独特的总线结构大大减少了流水线冲突,极大提高了指令的运行速度。 安徽理工大学毕业设计 3 图 1-1 芯片总体结构图 图 1-1 是芯片总体结构图。DSP 总体结构有许多独特的地方:一是采用多 组总线结构实现并行处理机制,允许 CPU 同时进行程序指令和存储数据的访问; 二是采用独立的
18、累加器和硬件乘法器,使得复杂的乘法运算能快速进行;三是 累加器和乘法器分别连接了比例移位器,使得许多复杂运算或者运算后的定标 能在一条指令中完成;四是有丰富的寻址方式,可方便灵活地编程:五是有完 善的片内外设,可以构成完整的单片系统。其总体结构包括总线结构、中央处 理单元、存储器与 I/O 空间以及片内外设。 由于拥有上述优越的特点,使DSP芯片具有快速的计算速度和完善的控制 能力,能够实现各种不同类型的复杂控制算法,从而达到很好的性能要求。本 设计采用的控制器为TI公司的DSP芯片TMS320LF2407,其产生PWM信号的原 理为:由单独的定时器产生载波周期,当前需调制的数值与最大的调制数
19、值相 减,其差作为比较对象,不断地与定时器的计数器的值进行比较。当两个值匹 配时,相关的输出就发生跳变(从低到高或从高到低)。这样就产生了输出脉 冲,它的开启(或关闭)时间与被调制的数值成正比,改变调制数值,相关引 脚上输出的脉冲信号的宽度也随之改变。 安徽理工大学毕业设计 4 1.2.2 电源设计 TMS320LF2407A 工作电压是 3.3V,而系统中许多常用外围器件主要工作 电压通常是 5V,因此以 TMS320LF2407A 为核心构成应用系统必然是一个混合 电压系统。系统中不仅要求有 3.3V 电源,还要求有 5V 电源。设计目标就是减 少所需电源数目,并减少产生这些电源电压所需器
20、件数目。为了减少多电源所 需额外器件数目,不少厂家提供了产生多种电压芯片。同时,随着技术不断进 步,将会出现更多低电压器件,从而逐渐消除对多电源要求和产生这些电源花 费和复杂性。对于 TMS320LF2407A 应用系统而言,首先要解决就是 3.3V 电源 问题。解决 3.3V 电源通常有以下几种方案。 1. 电阻分压 利用电阻分压方法,其原理如图 1-2 所示。其成本比较低并且结构简单, 可以作为一种应急方案。但是,该电路实际输出电压显然要小于 3.3V,并且随 着负载变化,输出电压也会产生波动。此外,这种电路无功功耗也比较大。 图 1-2 电阻分压 2. 直接采用电源模块 考虑到开关电源设
21、计复杂性,一些公司推出了基于开关电源技术低电压输 出电源模块。这些模块可靠性和效率都很高,电磁辐射小,而且许多模块还可 以实现电源隔离。这些电源模块使用方便,只需增加很少外围元件,但是价格 比较昂贵。 3. 利用线性稳压电源转换芯片 线性稳压芯片是一种最简单电源转换芯片,基本上不需要外围元件。但是 传统线性稳压器,如 LM317,要求输入电压比输出电压高 2V 或者更大,否则 就不能够正常工作。因此对于 5V 输入,输出并不能够达到 3.3V。面对低压电 源需求,许多电源芯片公司推出了低压差线性稳压器(LDO)。这种电源芯片压 R1 1K R2 1KC1 22uf C2 0.1uf D 1 +
22、5V V out=3.3V 安徽理工大学毕业设计 5 差只有 1.3V0.2V,可以实现 5V 转 3.3V 要求。LDO 所需外围器件数目少、使 用方便、成本较低、纹波小、无电磁干扰。例如,TI 公司 TPS73xx 系列就是 TI 公司为配合 DSP 而设计电源转换芯片,其输出电流可以达到 500mA,且接口电 路非常简单,只需接上必要外围电阻,就可以实现电源转换。该系列分为固定 电压输出芯片和可调电压输出芯片,但这种芯片通常效率不是很高。 综合几种电源优缺点,DSP 系统采用 LDO 芯片 TPS7333。此芯片是 TI 公 司专门为 3.3V 低压系统设计,它是固定输出 3.3V,且有
23、上电产生 DSP 系统复 位所需信号。此外它输出电流可达几百毫安,输出功率完全能够满足系统所需。 具体电路如图 1-3 所示。 图 1-3 产生 3.3V 电源电路 其中+5V 的电压是有 H7805AE 三端稳压 IC 产生,它的正向输出电压 +5V,电压误差范围(“A”表示正负误差 3%) ,即 4.505.005.15V。电路图如 1-4 所示。 图 1-4 H7805AE 应用电路 IN 4 IN 3 EN 2 GND 1 OUT 5 OUT 6 SENSE 7 RESET 8 U1 TPS7333 +5V R1 250K C1 10u C2 0.1u VCC D 1 ZD18.2V
24、D ? D IO D E C1 C2C3 R1 RL SCR 13 2 VV G ND IN O UT U 1 H 7805A E R2 220V +5V 安徽理工大学毕业设计 6 1.3 数字变频电源的分类及优点 根据有无直流环节而将高压变频器分为两大类: 1.无直流环节的变频电源,即交交变频电源; 2.有直流环节的变频器称为交直交变频电源,其中直流环节采用大电 感以抑制电流脉动的变频器称为电流源型变频器;直流环节采用大电容以抑制 电压波动的变频器则称为电压源型变频器。 电流源型变频器又可以分为:器(LCI) ; 采用自关断器件(GTO 或 SGCT)的变频电源。 电压源型变频器则可以分为:
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