dsp硬件電路的設計

1、5 DSP控制及硬件電路的設計5.1 DSP控制目前市面上流行的主控制器包括：51單片機系列、DSP系列和FPGA。在這中間：雖然51單片機有著成本低廉，體積小的優(yōu)勢；但因其計算能力弱，和外設較少的缺陷，無法滿足本系統(tǒng)的需要。FPGA又稱現場可編程門陣列，其時序脈沖準確，運算速度快，在需要進行大量重復運算的工程項目中得到了廣泛應用。但FPGA以并行運算為主，并需要使用硬件描述語言（verilog或VHDL）來實現電路設計，相比較單片機有很大不同，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，其外設豐富，運算速度快，能滿足實時性要求較高的工業(yè)現場；尤其適用于控制算法復雜，計算

2、量大的工程項目。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，運算速度快，外設豐富，價格適中，作為本設計的控制器，擁有其他芯片所不具備的優(yōu)勢。5.1.1 TMS320LF2407的技術參數（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的計算需求，具備實時控制能力。（2）TMS320LF2407擁有豐富的存儲器資源：包括32K字程序閃存空間, 1.5K字的數據/程序隨機存儲器,544字的雙口隨機存儲器和2k字

3、的單口RAM。除此之外，TMS320LF2407片內還集成有64K數據存儲器空間以及 64K程序存儲器空間; 其I/O尋址空間達64K，能有效滿足使用需要; TMS320LF2407可用于擴展的外部存儲器達到192K字。（3）TMS320LF2407擁有兩個事件管理器模塊EVA和EVB。每個事件管理器模塊上均集成有以下資源：兩個16位通用定時器（通過倍頻器可以達到很高的工作頻率）和8個16位PWM波生成通道; 為檢測上升下降脈沖，片上集成有3個捕獲單元。每個模塊還可實現以下功能: 可編程的PWM死區(qū)控制功能，防止上下橋臂同接收觸發(fā)信號，同時導通; 輸出A、B、C三相對稱和非對稱觸發(fā)信號;當接受

4、低電平外部中斷信號時，關閉PWM通道片內光電編碼器接口電路，停止發(fā)出觸發(fā)信號; A/D轉換功能。（4）擁有10位模數轉換器，最小轉換時間為375ns,A/D轉換器擁有獨立和級連兩種工作方式，使用事件管理器EVA、EVB來實現觸發(fā)。（5）擁有16位串行外設接口模塊（SPI），和串行通訊接口模塊（SCI）（6）擁有5個外部中斷資源，除復位中斷外，還擁有兩個電機驅動保護中斷，和兩個可屏蔽中斷。（7）除高性能模式外，電源管理還包括低功耗模式，在運算量小的時候，能有效降低器件的損耗。（8）看門狗定時器模塊(WDT)5.1.2 DSP控制系統(tǒng)的端口資源分配由于DSP片內集成有豐富的硬件資源和具備強大的數據

5、處理能力，包括A/D轉換運算，觸發(fā)脈沖的計算均可由DSP完成。只需添加相應的數據采集模塊和功率驅動模塊等,就可實現系統(tǒng)的控制功能，因而整個控制系統(tǒng)的外圍電路相對簡單，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： 獨立光伏系統(tǒng)中采用了光伏電池組，蓄電池，交流電網3種電源供電。當光照充足時，光伏陣列產生的電能經Boost升壓電路產生400V直流電壓,再經濾波環(huán)節(jié)，逆變環(huán)節(jié)與礦燈電網相連，滿足負載的照明需求;電池組產生的富余電能經過雙向全橋DC/DC變換器向蓄電池充電；當日照不足，礦燈用電量大于太陽能光伏陣列發(fā)電量時，蓄電池放電。經雙向全橋DC/DC變換器升壓，得到400V直流電壓,再

6、經逆變器，濾波環(huán)節(jié)與井下礦燈電網相連;當日照匱乏，且蓄電池電能不足時,礦燈充電架切換為電網供電，以保障供電的可靠性。光伏供電系統(tǒng)控制系統(tǒng)由信號采樣模塊，DSP信號處理模塊，功率驅動模塊,以及故障檢測及保護模塊等組成。為實現最大功率跟蹤，需采樣光伏電池組的實時輸出電壓和輸出電流,通過增量電導法控制策略，DSP產生PWM驅動信號,控制Boost電路的開通關斷;采樣直流母線電壓、電流,根據當前的運行狀態(tài)，產生PWM信號驅動DC/DC變換器，控制蓄電池的充放電。當DSP檢測到光伏電池組產生的電能小于礦燈用電網絡的用電量時，通過驅動電路，將礦燈電網與交流電網相連，通過電網供電;當光伏供電系統(tǒng)發(fā)生故障時,

7、DSP不再發(fā)出PWM信號,使光伏發(fā)電系統(tǒng)停止工作，并通過驅動電路，和繼電器將電網與礦燈充電架相連為其供電;在故障解除，系統(tǒng)恢復正常工作后，DSP重新發(fā)出觸發(fā)脈沖，使光伏系統(tǒng)完成供電，并切斷電網與礦用燈網架的相連。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 ports連接對象PWM12/IOPE6產生PWM信號產生Boost電路PWM信號PWM8-11/IOPE2-5產生逆變器PWM信號PWM4-7，13-16/IOPB0-7PWM3/IOPE1LED3電網供電模式指示信號PWM2/IOPA7LED2光伏供電模式信

8、號PWM1/IOPA6LED1DSP啟動信號TCLKNB/IOPF5繼電器SW2電網供電驅動信號ADCIN00電壓霍爾傳感器光伏陣列電壓采樣ADCIN01電流霍爾傳感器光伏陣列電流采樣CLKOUT/IOPEO按鍵KEY2啟動光伏供電模式CANRX/IOPC7按鍵KEY3啟動電網供電模式CAP2/QEP2/IOPA4按鍵KEY1啟動DSP/BIO/IOPC1繼電器SW1光伏系統(tǒng)供電驅動信號ADCIN08電壓型互感器逆變器輸出電壓采樣ADCIN9電流型互感器ADCIN10電壓霍爾傳感器蓄電池電壓采樣ADCIN12Boost直流母線電壓5.2 輔助電路的設計由于TMS320LF2407內部集成有A/

9、D轉換模塊，PWM脈沖生成模塊，使得系統(tǒng)結構簡化，方便了外圍硬件電路的設計?，F對采樣電路，驅動電路等幾種外圍電路進行簡單的介紹。5.2.1 采樣電路的設計由于光伏陣列輸出電壓、電流較大，不能直接進行A/D轉換，為解決這一問題，加入采樣電路，使得其在有較好線性度的同時降低輸出電壓，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前光伏陣列的輸出功率，隨著日照的變換而不斷變化。對其進行實時采樣，是實現光伏陣列最大功率跟蹤控制的重要依據?？紤]到其是直流成分，采用霍爾元件對其進行測量，來實現主電路部分與控制系統(tǒng)的隔離。逆變器交流側的電壓電流，和電

10、網上的電壓為交流量，出于成本考慮，采用電流、電壓互感器對其進行采樣。（1）直流量的采樣采樣電路如圖5.2所示,Jl為光伏電池組輸出端口,經霍爾元件采樣后與Boost電路相連,R3為2K/1W限流電阻，DlD4為3.3V箝位電路,限制采樣電路的輸出電壓，以防對DSP造成損害。本系統(tǒng)中所用電壓霍爾型號為VSM025A，電流傳感器型號是CSM025AY,器件的供應商分別為深圳賽爾通科技有限公司和西安新敏電子科技有限公司。 (2)交流量的采樣交流信號采樣電路如圖5.3所示,采集量包括逆變器輸出側電壓，電流信號和電網電壓信號。選用的電流互感器原邊匝數為1，副邊匝數為100；電壓互感器參數為:220V/5

11、V。為防止采樣電壓過高損壞DSP芯片，采樣模塊末端接穩(wěn)壓管，將電壓箝位在3.3V。電源的設計（1）供電電路的設計在控制系統(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。由于其他模塊對供電電源電壓質量要求不高，且LM1085轉換效率高，電阻損耗小，因而在本次設計中采用非常適宜。為濾除高次諧波對電壓的影響，減小輸出電壓的紋波，提高電源質量，保證電壓的穩(wěn)定性。在穩(wěn)壓芯片電源輸出端口并聯多個10uf陶瓷電容，以

12、保證電源的供電穩(wěn)定性，防止電壓的劇烈波動。（2）電壓轉換電路的設計由于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無法實現對其他模塊的驅動。因而需要增加3.3V5V電平轉換電路，以保障其他模塊的正常工作?？紤]到DSP輸出信號中包含有PWW觸發(fā)信號，其工作頻率可達50KHz，因而所選擇的電壓轉換電路，應具備轉換速率快，電壓上升時間短的特點。本設計采用日本東芝公司的6N137高速光耦器芯片。其轉換速率達10MBit/s，電源最大輸出電壓5.5V，最大允許低電平電壓0.8V，最大上升時間75ns，最大下降時間75ns，其中90電壓上升時間僅為1ns。其綜合性能

13、能滿足系統(tǒng)的要求。5.2.3 驅動電路的設計考慮到DSP的輸出電壓、電流有限，驅動能力不足，無法實現對各功率管的直接觸發(fā)、驅動。因此要在DSP輸出端口外加驅動電路，進行隔離的同時，實現功率放大功能,使DSP能控制功率管的開通與關斷。本系統(tǒng)所選用東芝公司功率驅動模塊TLP250,該模塊集成有一個光發(fā)射二極管和一個光探測器。驅動模塊高低電平轉換時間約0.5us,能滿足系統(tǒng)對PWM波頻率的要求。 TLP250是8腳雙列封裝功率驅動模塊，適用于IGBT、MOSFETTL，和晶閘管變流器的驅動。本文選用TLP250作為驅動模塊，其主要電氣參數如下：，輸入閾值電流IF（ON）=10mA ,隔離電壓2500

14、V,前向電流If=20mA，節(jié)點溫度Tj=125°C，工作頻率f=25KHz，輸出電壓Vo=2435°C，最大輸出電流Io=1.5A(max)。根據TLP250的運行特性,選取Vo=15V,R1=3.3K,R2=2.4K?？紤]到Rg值的大小對IGBT開關速度的影響及自身的功率的損耗,取Rg= 30 。隔離驅動電路原理圖如圖5.6所示：5.2.4 轉換開關的設計在整個系統(tǒng)中，存在著多種工作狀態(tài)，為實現不同狀態(tài)間的靈活切換，需要設計多個三相開關，將光伏電池組與DC/DC變換電路、三相逆變器橋與外部電網相連。根據控制信號的不同，完成供電電源的切換，以確保供電可靠性和供電環(huán)保型的有機組合。為實現這個目標，系統(tǒng)中添加兩個轉換開關模塊，完成對電路開關的控制。為實現電網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相連。由于光伏電池組的輸出電壓