dsp硬件電路的設(shè)計(jì)

1、5 dsp控制及硬件電路的設(shè)計(jì)5.1 dsp控制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)較少的缺陷，無(wú)法滿足本系統(tǒng)的需要。fpga又稱現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，其時(shí)序脈沖準(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(kāi)發(fā)難度較大，門(mén)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)；尤其適用于控制算法復(fù)雜，計(jì)算

2、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字的雙口隨機(jī)存儲(chǔ)器和2k字

3、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eva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)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

4、低電平外部中斷信號(hào)時(shí)，關(guān)閉pwm通道片內(nèi)光電編碼器接口電路，停止發(fā)出觸發(fā)信號(hào); a/d轉(zhuǎn)換功能。（4）擁有10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為375ns,a/d轉(zhuǎn)換器擁有獨(dú)立和級(jí)連兩種工作方式，使用事件管理器eva、evb來(lái)實(shí)現(xiàn)觸發(fā)。（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(mén)狗定時(shí)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(nèi)集成有豐富的硬件資源和具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)

5、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： 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

6、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(kāi)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),

7、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，和繼電器將電網(wǎng)與礦燈充電架相連為其供電;在故障解除，系統(tǒng)恢復(fù)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(wǎng)與礦用燈網(wǎng)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(duì)象pwm12/iope6產(chǎn)生pwm信號(hào)產(chǎn)生boost電路pwm信號(hào)pwm8-11/iope2-5產(chǎn)生逆變器pwm信號(hào)pwm4-7，13-16/iopb0-7pwm3/iope1led3電網(wǎng)供電模式指示信號(hào)pwm2/iopa7led2光伏供電模式信

8、號(hào)pwm1/iopa6led1dsp啟動(dòng)信號(hào)tclknb/iopf5繼電器sw2電網(wǎng)供電驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(dòng)光伏供電模式canrx/iopc7按鍵key3啟動(dòng)電網(wǎng)供電模式cap2/qep2/iopa4按鍵key1啟動(dòng)dsp/bio/iopc1繼電器sw1光伏系統(tǒng)供電驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(shè)計(jì)由于tms320lf2407內(nèi)部集成有a/

9、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。5.2.1 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)?？紤]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

10、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,jl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，dld4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(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/5

11、v。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。5.2.2電源的設(shè)計(jì)（1）供電電路的設(shè)計(jì)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

12、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)。（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3.3v5v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。

13、其綜合性能能滿足系統(tǒng)的要求。5.2.3 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(kāi)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

14、壓2500v,前向電流if=20ma，節(jié)點(diǎn)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(jù)tlp250的運(yùn)行特性,選取vo=15v,r1=3.3k,r2=2.4k?？紤]到rg值的大小對(duì)igbt開(kāi)關(guān)速度的影響及自身的功率的損耗,取rg= 30 。隔離驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖5.6所示：5.2.4 轉(zhuǎn)換開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)模塊，完成對(duì)電路開(kāi)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