dsp硬件電路的設(shè)計(jì)精

1、5 DSP控制及硬件電路的設(shè)計(jì)5.1 DSP 控制 y目前市面上流行的主控制器包括:51單片機(jī)系列、DSP系列和FPGA。在這中間：雖然51單片機(jī)有著成本低廉,體積小的優(yōu)勢(shì)；但因其計(jì)算能力弱，和外設(shè)FPGA又稱現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，其時(shí)序脈沖較少的缺陷，無(wú)法滿足本系統(tǒng)的需要。準(zhǔn)確，運(yùn)算速度快，在需要進(jìn)行大量重復(fù)運(yùn)算的工程項(xiàng)目中得到了廣泛應(yīng)用。但FPGA以并行運(yùn)算為主，并需要使用硬件描述語(yǔ)言（verilog或VHDL ）來(lái)實(shí)現(xiàn)電 路設(shè)計(jì)，相比較單片機(jī)有很大不同，這造成開發(fā)難度較大，門檻較高。DSP是近幾年得到快速發(fā)展的控制器，其外設(shè)豐富，運(yùn)算速度快，能滿足實(shí)時(shí)性要求較高的 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)；尤其適用于控制算

2、法復(fù)雜，計(jì)算量大的工程項(xiàng)目。綜合以上分析，本文礦用光伏供電系統(tǒng)選擇 DSP芯片TMS320LF2407作為最終的控制芯片。TMS320LF2407芯片集成度高，運(yùn)算速度快，外設(shè)豐富，價(jià)格適中，作為本設(shè)計(jì)的控制器，擁有其他芯片所不具備的優(yōu)勢(shì)。5.1.1 TMS320LF2407 的技術(shù)參數(shù)（1）TMS320LF2407供電電壓為3.3V，供電電壓低，通態(tài)損耗小。最高工作 頻率40MHZ，指令周期短，指令周期為25ns,能夠滿足較大載波頻率時(shí)的計(jì)算 需求，具備實(shí)時(shí)控制能力。（2） TMS320LF2407擁有豐富的存儲(chǔ)器資源：包括 32K字程序閃存空間，1.5K字的數(shù)據(jù)/程序隨機(jī)存儲(chǔ)器,544字的

3、雙口隨機(jī)存儲(chǔ)器和2k 字的單口 RAM。除此之外，TMS320LF2407片內(nèi)還集成有64K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間以及64K程序存儲(chǔ)器空間；其I/O尋址空間達(dá)64K，能有效滿足使用需要；TMS320LF2407可用于擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器達(dá)到 192K字。（3） TMS320LF2407擁有兩個(gè)事件管理器模塊 EV A和EVB。每個(gè)事件管理 器模塊上均集成有以下資源：兩個(gè)16位通用定時(shí)器（通過(guò)倍頻器可以達(dá)到很高的 工作頻率）和8個(gè)16位PWM波生成通道；為檢測(cè)上升下降脈沖，片上集成有 3個(gè)PWM通道片內(nèi)光電編碼器接口電路，停止發(fā)出捕獲單元。每個(gè)模塊還可實(shí)現(xiàn)以下功能：可編程的PWM死區(qū)控制功能，防止上下 橋臂

4、同接收觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)導(dǎo)通；輸出A、B、C三相對(duì)稱和非對(duì)稱觸發(fā)信號(hào)；當(dāng) 接受低電平外部中斷信號(hào)時(shí)，關(guān)閉 觸發(fā)信號(hào);A/D轉(zhuǎn)換功能。最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為375ns,A/D轉(zhuǎn)換器擁有獨(dú)立和級(jí)EV A、EVB來(lái)實(shí)現(xiàn)觸發(fā)。（4）擁有10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器, 連兩種工作方式，使用事件管理器（5）擁有16位串行外設(shè)接口模塊（SPI ）,和串行通訊接口模塊（SCI）（6）擁有5個(gè)外部中斷資源，除復(fù)位中斷外，還擁有兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)保護(hù)中 斷，和兩個(gè)可屏蔽中斷。（7）除高性能模式外，電源管理還包括低功耗模式，在運(yùn)算量小的時(shí)候，能有效降低器件的損耗。（8）看門狗定時(shí)器模塊（WDT5.1.2 DSP控制系統(tǒng)的端口資源分配由于DSP片

5、內(nèi)集成有豐富的硬件資源和具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，包括A/D轉(zhuǎn)換運(yùn)算，觸發(fā)脈沖的計(jì)算均可由 DSP完成。只需添加相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集模塊和功 率驅(qū)動(dòng)模塊等，就可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能，因而整個(gè)控制系統(tǒng)的外圍電路相對(duì)簡(jiǎn) 單，系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性較高。DSP控制框圖如圖5.1所示:KEY1KEY2KEY3變換器圖5.1 DSP控制系統(tǒng)框圖Fig.5.1 Diagram of DSP con trolsystem變換器獨(dú)立光伏系統(tǒng)中采用了光伏電池組，蓄電池，交流電網(wǎng)3種電源供電。當(dāng)光照充足時(shí)，光伏陣列產(chǎn)生的電能經(jīng) Boost升壓電路產(chǎn)生400V直流電壓,再經(jīng)濾波環(huán)節(jié)，逆變環(huán)節(jié)與礦燈電網(wǎng)相連，滿足負(fù) 載的照明需

6、求；電池組產(chǎn)生的富余電能經(jīng)過(guò)雙向全橋 DC/DC變換器向蓄電池充電；當(dāng)日照不足，礦燈用電量大于太陽(yáng)能光伏陣列發(fā)電量時(shí)，蓄電池放電。經(jīng)雙向 全橋DC/DC變換器升壓，得到400V直流電壓,再經(jīng)逆變器，濾波環(huán)節(jié)與井下礦燈 電網(wǎng)相連;當(dāng)日照匱乏，且蓄電池電能不足時(shí)，礦燈充電架切換為電網(wǎng)供電，以保 障供電的可靠性。光伏供電系統(tǒng)控制系統(tǒng)由信號(hào)采樣模塊，DSP信號(hào)處理模塊，功率驅(qū)動(dòng)模塊，以及故障檢測(cè)及保護(hù)模塊等組成。為實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，需采樣光伏電池組的實(shí)時(shí) 輸出電壓和輸出電流,通過(guò)增量電導(dǎo)法控制策略，DSP產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào),控制Boost電路的開通關(guān)斷；采樣直流母線電壓、電流，根據(jù)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，產(chǎn)生

7、和繼電器將電網(wǎng)與礦燈充電架相連為其供PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)DC/DC變換器，控制蓄電池的充放電。當(dāng) DSP檢測(cè)到光伏電池組 產(chǎn)生的電能小于礦燈用電網(wǎng)絡(luò)的用電量時(shí)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，將礦燈電網(wǎng)與交流電網(wǎng) 相連，通過(guò)電網(wǎng)供電；當(dāng)光伏供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，DSP不再發(fā)出PWM信號(hào),使光 伏發(fā)電系統(tǒng)停止工作，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，電；在故障解除，系統(tǒng)恢復(fù)正常工作后， 供電，并切斷電網(wǎng)與礦用燈網(wǎng)架的相連。DSP重新發(fā)出觸發(fā)脈沖，使光伏系統(tǒng)完成DSP的端口資源分配如表5.1所示：表5.1 DSP端口資源分配Table 5.1 Distribution for DSP ports1 B1 哂叫產(chǎn) 1 Htwit 世d胃 PW%

8、 G yI卩tt-Ms-nxrorf；:廣 q PU'X f ； U廠叫二】2坯器賂1;F叫M4 益 1 IMQPmi 7. T UiHi 1 怛盤打iflr“ 'LED?嘰網(wǎng)戰(zhàn):電模式撲RdPWM2/K屮加LA IMPl.EPl沖，史料swj1社冏就電嚥型匚ADUNIJO:帥 M；気 FTADCINIMJtiKM列迫值丸沖(1 K0( nOPEO牡講KEY；11胡底就嘰電用式CAKRXyiOlX?勺苗KEYJUMf曲刊沖.也HCAP2/QHP2/IOPA+扌匚講KEY II小DEPWHOPCI我咆溜SW(1代泵純At覽冊(cè)破門；ADC INI闋電弘:V1迪知臨俺狛電1用打ADC

9、JN9也仏耶1出器it eW冰，叩叫品-i' 1 rEX'INIOADCINI2訓(xùn) 1, IH I- -Jn，訂丸叩Ft創(chuàng)卜5.2輔助電路的設(shè)計(jì) 由于TMS320LF2407內(nèi)部集成有A/D轉(zhuǎn)換模塊，PWM脈沖生成模塊，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，方便了外圍硬件電路的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)對(duì)采樣電路，驅(qū)動(dòng)電路等幾種外圍電路進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。521采樣電路的設(shè)計(jì)由于光伏陣列輸出電壓、電流較大，不能直接進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換，為解決這一問(wèn) 題，加入采樣電路，使得其在有較好線性度的同時(shí)降低輸出電壓，電流，使之小于TMS320LF2407端口最大輸入電壓3.6V。在光伏陣列中，由于輸出的電壓電流反 映了當(dāng)前光伏陣列的

10、輸出功率，隨著日照的變換而不斷變化。對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣， 是實(shí)現(xiàn)光伏陣列最大功率跟蹤控制的重要依據(jù)。考慮到其是直流成分，采用霍爾元 件對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，來(lái)實(shí)現(xiàn)主電路部分與控制系統(tǒng)的隔離。逆變器交流側(cè)的電壓電 流，和電網(wǎng)上的電壓為交流量，出于成本考慮，采用電流、電壓互感器對(duì)其進(jìn)行采 樣。(1)直流量的采樣采樣電路如圖5.2所示J為光伏電池組輸出端口，經(jīng)霍爾元件采樣后與Boost 電路相連，R3為2K/1W限流電阻，DID4為3.3V箝位電路，限制采樣電路的輸出電 壓，以防對(duì)DSP造成損害。本系統(tǒng)中所用電壓霍爾型號(hào)為 VSM025A，電流傳感 器型號(hào)是CSM025AY ,器件的供應(yīng)商分別為深圳賽爾通科技

11、有限公司和西安新敏電子科技有限公司。ADCIN01圖5.2直流電壓、電流采樣電路Fig 5.2 Samp li ng circuit of DC voltage and curre nt(2交流量的采樣交流信號(hào)采樣電路如圖5.3所示,采集量包括逆變器輸出側(cè)電壓，電流信號(hào)和電網(wǎng)電壓信號(hào)。選用的電流互感器原邊匝數(shù)為1,副邊匝數(shù)為100；電壓互感器參數(shù)為:220V/5V。為防止采樣電壓過(guò)高損壞 DSP芯片，采樣模塊末端接穩(wěn)壓管，將電壓箝位在3.3V 。交流電壓Fig 5.3 Sam pli ng Circuit of AC voltage and curre nt522電源的設(shè)計(jì)（1）供電電路的設(shè)計(jì)

12、在控制系統(tǒng)中TMS320LF2407需3.3V電壓供電，其余模塊需要5V電源供 電，故電源模塊需提供兩路直流供電。為滿足 DSP的供電要求，采用AMS1117作 為穩(wěn)壓芯片，為DSP提供3.3V工作電壓。采用LM1085穩(wěn)壓芯片為其它模塊提供 5V工作電壓。由于其他模塊對(duì)供電電源電壓質(zhì)量要求不高，且LM1085轉(zhuǎn)換效率高，電阻損耗小，因而在本次設(shè)計(jì)中采用非常適宜。為濾除高次諧波對(duì)電壓的影 響，減小輸出電壓的紋波，提高電源質(zhì)量，保證電壓的穩(wěn)定性。在穩(wěn)壓芯片電源輸 出端口并聯(lián)多個(gè)10uf陶瓷電容，以保證電源的供電穩(wěn)定性，防止電壓的劇烈波 動(dòng)。C4圖5.4供電電路Fig 5.4 Po wer sup

13、ply circuit(2)電壓轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)由于DSP的端口輸出電壓僅為3.3V，輸出功率小，而其他模塊端口輸入高電平為5V，DSP無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)其他模塊的驅(qū)動(dòng)。因而需要增加3.3V 5V電平轉(zhuǎn)換電路，以保障其他模塊的正常工作?？紤]到 DSP輸出信號(hào)中包含有PWW觸發(fā)信 號(hào)，其工作頻率可達(dá)50KHZ，因而所選擇的電壓轉(zhuǎn)換電路，應(yīng)具備轉(zhuǎn)換速率快， 電壓上升時(shí)間短的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用日本東芝公司的6N137高速光耦器芯片。其轉(zhuǎn)換速率達(dá)10MBit/s，電源最大輸出電壓5.5V，最大允許低電平電壓0.8V，最大上升時(shí)間75ns,最大下降時(shí)間75ns,其中90%電壓上升時(shí)間僅為1ns。其綜合性能能滿足系統(tǒng)

14、的要求。6N137GND圖5.5電壓轉(zhuǎn)換電路Fig 5.5 Voltage Con versi on Circuit5.2.3驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)考慮到DSP的輸出電壓、電流有限，驅(qū)動(dòng)能力不足，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)各功率管的 直接觸發(fā)、驅(qū)動(dòng)。因此要在 DSP輸出端口外加驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)行隔離的同時(shí)，實(shí)現(xiàn) 功率放大功能，使DSP能控制功率管的開通與關(guān)斷。本系統(tǒng)所選用東芝公司功率驅(qū) 動(dòng)模塊TLP250,該模塊集成有一個(gè)光發(fā)射二極管和一個(gè)光探測(cè)器。驅(qū)動(dòng)模塊高低 電平轉(zhuǎn)換時(shí)間約0.5us,能滿足系統(tǒng)對(duì)PWM波頻率的要求。TLP250是8腳雙列封裝功率驅(qū)動(dòng)模塊，適用于IGBT、MOSFETTL，和晶閘 管變流器的驅(qū)動(dòng)。本文

15、選用TLP250作為驅(qū)動(dòng)模塊，其主要電氣參數(shù)如下：，輸入 閾值電流IF (ON ) =10mA，隔離電壓2500V ,前向電流lf=20mA，節(jié)點(diǎn)溫度 Tj=125 °，工作頻率f=25KHz，輸出電壓V o=2435 °，最大輸出電流lo=1.5A(max。根據(jù) TLP250 的運(yùn)行特性，選取 Vo=15V,R1=3.3K Q ,R2=2.4K Q考慮到Rg值的大小對(duì)IGBT開關(guān)速度的影響及自身的功率的損 耗，取Rg= 30 Q隔離驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖 5.6所示：TLP250 +5V R1 1 2 3 4 Q1 5 6 7 8 +VD Rg T1 u R2 PWM -VD

16、 圖 5.6 信號(hào)隔離與驅(qū)動(dòng)電路 Fig5.6 Circuit of Segregation and Driving Signal 5.2.4轉(zhuǎn)換開關(guān)的設(shè)計(jì)在整個(gè)系統(tǒng)中，存在著多種工作狀態(tài)，為實(shí)現(xiàn)不同狀 態(tài)間的靈活切換，需要設(shè)計(jì)多個(gè)三相開關(guān)，將光伏電池組與DC/DC變換電路、三相逆變器橋與外部電網(wǎng)相連。根據(jù)控制信號(hào)的不同，完成供電電源的切換，以確保供電可靠性和供電環(huán)保型的有機(jī)組 合。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，系統(tǒng)中添加兩個(gè)轉(zhuǎn) 換開關(guān)模塊，完成對(duì)電 路開關(guān)的控制。為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)和光伏逆變器之間的切換，使用交流繼電器將其 與礦用燈電網(wǎng)相連。由于光伏電池組的輸出電壓為100V左右，且輸出電壓信號(hào)為直流電壓，在主電路上添加直流繼電器，實(shí)現(xiàn)蓄電池和逆變器之間的切換控制。 在上述兩處均使用一個(gè)繼電器， 利用常開 常閉觸點(diǎn)，以達(dá)到控制切換的目的。 本設(shè)計(jì)采用固態(tài)繼電器作為開關(guān)元件，