基于DSP和FPGA的数字化开关电源的实用化研究_图文

成都理工大学 硕士学位论文 基于DSP和FPGA的数字化开关电源的实用化研究 姓名:李夕红 申请学位级别:硕士 专业:通信与信息系统 指导教师:祝忠明 20080501

摘要

基于DSP和FPGA的数字化开关电源的实用化研究
作者简介:李夕红,男,1982年1月生,师从成都理工大学祝忠明副教授 2008年06月毕业于成都理工大学通信与信息系统专业,获得工学硕士学位。

摘要
文章开篇提出了开发背景。认为现在所广泛应用的开关电源都是基于传统的 分立元件组成的。它的特点是频率范围窄、电力小、功能少、器件多、成本较高、

精度低,对不同的客户要求来“量身定做”不同的产品,同时几乎没有通用性和
可移植性。在电子技术飞速发展的今天,这种传统的模拟丌关电源已经很难跟上 时代的发展步伐。 随着DSP、Aslc等电子器件的小型化、高速化,开关电源的控制部分正在 向数字化方向发展。由于数字化,使开关电源的控制部分的智能化、零件的共通 化、电源的动作状态的远距离监测成为了可能,同时由于它的智能化、零件的共 通化使得它能够灵活地应对不同客户的需求,这就降低了开发周期和成本。依靠 现代数字化控制和数字信号处理新技术,数字化开关电源有着广阔的发展空间。

在数字化领域的今天,最后一个没有数字化的堡垒就是电源领域。近年来,
数字电源的研究势头与日俱增,成果也越来越多。虽然目前中国制造的开关电源 占了世界市场的80%以上,但都是传统的比较低端的模拟电源。高端市场上几乎 没有我们份额。 本论文研究的主要内容是在传统开关电源模拟调节器的基础上,提出了一种 新的数字化调节器方案,即基于DsP和FPGA的数字化PID调节器。论文对系

统方案和电路进行了较为具体的设计,并通过测试取得了预期结果。测试证明该
方案能够适合本行业时代发展的步伐,使系统电路更简单,精度更高,通用性更 强。同时该方案也可用于相关领域。 本文首先分析了国内外开关电源发展的现状,以及研究数字化开关电源的意

义。然后提出了数字化开关电源的总体设计框图和实现方案,并与传统的开关电
源做了较为详细的比较。本论文的设计方案是采用DSP技术和FPGA技术来做 数字化PID调节,通过数字化PID算法产生PwM波来控制斩波器,控制主回路。 从而取代传统的模拟PID调节器,使电路更简单,精度更高,通用性更强。传统

的模拟开关电源是将电流电压反馈信号做PID调节后——分立元器件构成,采用
专用脉宽调制芯片实现PwM控制。电流反馈信号来自主回路的电流取样,电压
反馈信号来自主回路的电压采样。再将这两个信号分别送至电流调节器和电压调

成都理工大学硕士学位论文

节器的反相输入端,用来实现闭环控制。同时用来保证系统的稳定性及实现系统
的过流过压保护、电流和电压值的显示。电压、电流的给定信号则由单片机或电 位器提供。

再次,文章对各个模块从理论和实际的上都做了仔细的分析和设计,并给 出了具体的电路图,同时写出了软件流程图以及设计中应该注意的地方。整个系 统由DsP板和ADc板组成。DsP板完成PwM生成、PID运算、环境开关量检 测、环境开关量生成以及本地控制。ADc板主要完成前馈电压信号采集、负载 电压信号采集、负载电流信号采集、以及对信号的一阶数字低通滤波。由于整个
系统是闭环控制系统,要求采样速率相当高。本系统采用FPGA来控制ADc,

这样就避免了高速采样占用系统资源的问题,减轻了DsP的负担。DsP可以将
读到的ADC信号做PID调节,从而产生PwM波来控制逆变桥的开关速率,从 而达到闭环控制的目的。 最后,对数字化开关电源和模拟开关电源做了对比测试,得出了预期结论。

同时也提出了一些需要改进的地方,认为该方案在其他相关行业中可以广泛地应
用。模拟控制电路因为使用许多零件而需要很大空间,这些零件的参数值还会随

着使用时间、温度和其它环境条件的改变而变动并对系统稳定性和响应能力造成 负面影响。数字电源则刚好相反,同时数字控制还能让硬件频繁重复使用、加快
上市时间以及减少开发成本与风险。在当前对产品要求体积小、智能化、共通化、

精度高和稳定度好等前提条件下,数字化开关电源有着广阔的发展空间。本系统
来基本上达到了设计要求。能够满足较高精度的设计要求。但对于高精度数字化 电源,系统还有值得改进的地方,比如改进主控器,提高参考电压的精度,提高 采样器件的精度等,都可以提高系统的精度。

本系统涉及电子、通信和测控等技术领域,将数字PID算法与电力电子技术、 通信技术等有机地结合了起来。本系统的设计方案不仅可以用在电源控制器上,
只要是相关的领域都可以采用。

关键词:数字化开关电源

PID

DSP

FPGA

Abstr甚ct

The practicaI research of the digital switching power
supply based
on

DSP&FPGA

Int∞duction of t王le au抽or:Xihon乎Li,male,was bom in妇n,l 982Ⅵ,hOse tⅡtor

拙ology证conununication
Master Degree in June’2008.

was

Professor

Zhon留rIling-zhu. and

He伊aduated

nDm

chengdu

U11iverSity

of

jnfo玎n撕on

syst嘲m《or

and was铲anted如e

Abstract 1两s pap盯pr{esents
the deVelopment ofbackground,w11ich hold the idea that the now
arc

widely used sw娃cbing power supply
n is charac【eIjzedby cost,low accufac孔

b鑫sod曲the lraditional foml

ofdiscfeIe c。mpon跖ts.

mrrow f}equalcy range,small

to南塌l the diffL盯朗t requiremems of娜slomers with diff矗ent

power,lcss劬ctional,multi-dcvice,11igh p川ucts,
the rap证devejopm∞t
has becIl

at the Same time,it almost has not commoD a玎d

p雠ability.Today,in

of electrollic techn0109y,this lnditjonal analog switching power

dimcult

to

k唧

upwithtkpaceofthed“elopmellt ofthetimes. With
the

smaller锄d hi曲er speed of DsP,ASIC,and
to

other small electro戚c vinIle of

devic%

the swiIchiIlg powcr supply contro】is move

tlle

d塘ita】directioⅡ.iIl

di画tal,it’s

possib重e to make the sw矗ching power supply inteJligent,tbe con擎onent commoIl’powe『 Ⅱ埘vesiIllott他of托motemoIlitoringinvinueof digital,andbecause common pans

ofttshnelli鐾ent,and岫

mking il

me nexibility

to

r嚣pond
on

to

dema们of

diffcrem cllstomers,wldch

reduced the devclopment cycle and co缸.Rely

mod髓1 d蝤tal conlfol锄d出gild si韶al


processing tcchnology,digjtal switcKng powcr supply has

broad space for dcvelopment.
no

b t11e di西tal壬ield of today,the power矗dd is抽e 1ast
曲udy of digital powef and

digilize 111 recent years,the

re辄lts

arc

more and

more。舢though,C珏珏a懈de powcr swnch嚣

occupy morc than 80 percents of the world market,tlley are rdatiVely low—end traditional analog

pow盯.we

have notlling in


Hi曲一end market, d画tal regIllator纠an
basis

This paper introdIlced

new

n8mely DsP and FPGA-bas甜di西lal

P【D regulator’wJlich was on the regIllalort lll tllis expect。d

of the traditioml analog sw“ching powcr suppJy

pap啦t沁ci心uits

and the system solutions that the

we抟sPec主&desi辨ed,粕d got



resmt恤_ou曲some tests.T啾s出owed

systern蹦“ons
6elds.

can keep pace of

lhe deVelopmellt of the industry,it

also咖de

the circuils simpler,higher accuracy,mom

unjversal.b

a醐jtion,瓶s pJan can

also be

us甜i玎rclaled

Firstly,the paper analyzed Ihe development of domestic and intenlational stahJs quo of the swilching power supply,and the signincance of studying the djgital switching power

supply,th∞b五ng

up the

d画tal

swi重ching power supply

desj辨diagram


and the

8chi“锄ent
desi驴plan
chopper

of Ihe plan were introduced,in the m鼬ntime it made

detailed

comparison betwe饥the

t翔dnional switching p。w盯and the digi{8l switching power supply.This Paper’s is using DSP and FPGA把chnology
lo

do djgitaJ PID reg啊atof,controI
】Il



waVe

PWM

成都理_【大学硕士学位论文
and thc

mill ch℃血throu曲digital PⅢalgorithm

so

that

can

r印lace traditional analog PⅡ)

re昱:ulator,make tlle circIlit more simple,more precision,more unjVersal.The tradnional

amlog switclling pow盯supply is nlade
feedback sj印al to control,The

up of discrcte componellts aR盯the regIllation of

cun蜘t

and voltage,using special pulse regLlJator cllip to aclli“e PWM

currcnt

feedback signal come丘Dm the

mill

circIIit of the

c㈣t∞mplitl&

v01tage f曲dback then s即t to the

si印als come舶m the main circuit v01tage samplin晷The two si驴als werc cun蜘t rcglllator and voltage rcgIllator ofthe RP-jnput,to acllieve closed-lo叩
can e11surc

contr01.At the same time it ov目--v01tage and

the stability oftlle

syst锄,realize the pmtection

ofthc

over-cun即t,and

show the vaJue of voltage锄d
or

curr蜘t The百v吼voltage

and cu丌℃m sj印als were

o脏rby


the SCM

polentiaL

Thirdly,lhe paper made theordical and practical,

carefmly analysis and desigIling in various modules f而m the


gaVe

specific circuit,and wrote some software flow chafts a11d

desi印p】aces

in which should beell paid atteIllion to.The eIlIire system is composed 0f DSP

board and ADC board.nle DSP board completed PWM generation,PID cofnputing,lhe detoction of enviromnent switch,the envirollIllent switch gI:ncration and locaJ contr01.The ADC board mainly achieved lhe acqujsition of the main fced Voltagc signal,load Voltage

si印al,J0ad

current

si印al

and lhe缶stIow-pass nlter wilh

si印a1,S访ce 1li曲.The

the entire

syst铷is a
to

closed一100p control system,the sampljng rate must be quite con仃ollhe A】Dc
so

system used FPGA

lhat it avoided lhe problem of

K911-speed锄pling occupying the systelll
call

resources,reduced the burden of DSP.The DSP regulation
so

read the ADC si印al锄d d0
rate,as


PD

t11at the PWM wave to contr01 the inVerter b—dge switching

result,the

c10sed?lO叩can contr01.
Finall y'the dig“al switchiIlg power and analog

swit咖ng

power supply w盯e tested by pOinted Out∞me places

some comparisOns,and血%got which nced
to



e)畔cted result.In conclusiOn,it

impmve,and showed that n缸s plan could widcly apply m the reIated nelds.

Analog control circuit need much space bccause of usillg many components,these paramet盯 of pans wil】be altercd with the change of conditions,and make


time,telllperatLlre and 0ther

e11Viro衄ental

negative impacI to the stability and i砌1uence of systern.Digital

power is exactly the oppositc,simullalleously,digjtal control can丹equently r印eated using

hardware,accelerate the time?to-market and reduce the developmellt the
current

requirements of the small in

size,iIltelligeIlce,co㈣n,high


costs

and risks.Under accumcy and

stability f打good,the djgital switching power supply has Basical】y the system reached thc

broad space for development. meet Ihe lliglI accuracy
as

desi印requirement卸d
such

desi印

requirements.But also had many improVed aspects

improVing the masIcr,the

accuracy of reference v01tage and the accuracy 0f sampling devices,a¨abOVe can improve

the accuracy,
T|lis system involved electronics,coInmunicatjons and moIlitoring nelds,it cOmbined the digiIal PID

algorit№,the power of electronjc technology and cornmunicalions techn0109y.
can

The systeIIl design

be used

not omy

in the power contmlleL but also in the related neld.

KeywOrds:digital switclling power supply

Pm

DSP

FPGA

独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的
研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其

他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得盛壑理王太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何
贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

学位论文作者签名:季歹≯

妒g年}另乒未B

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解盛都堡兰太堂有关保留、使用学位论文的规定, 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛酆堡王太堂可以将学位论文的全部或部分内容编八有关数 据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
(保密的学位论文在解密后适用本授权书)

学位论文作者签名.孑多p
学位敝作者别磁辄蕾营一111
趾D矿年

产月止t

F1

第1章引言

第1章
1.1背景知识

引言

在电源行业内,电源的种类可分为线性电源和开关电源。 线性电源是先将交流市电经过变压器变压,再经过整流电路整流滤波得到未

稳定的直流电压,然后经过三端稳压器件或者电压反馈电路得到高稳定度的直流
电压。这种电源具有纹波小、干扰弱和低噪音的优点。但是它有极大的缺点:需 要庞大而笨重的变压器、所需的滤波电容的体积和重量大、电压反馈电路上的调

整管上有一定的电压降,在输出较大工作电流时,致使调整管的功耗太大,转换 效率低,必须安装很大的散热片才能工作。同时一般的线性电源设计要求交流供
电的变化范围窄,但是许多偏远山区的交流供电电压变化范围相当宽,达不到通 用线性电源的输入范围等等。在我国目前能源紧缺,幅员辽阔的前提下,电源业 作为一个与能源消耗密切相关的行业,这种电源己不适合国民经济的发展要求。 势必被一种更好的电源所取代。 开关电源是将交流电先整流成直流电,再将直流逆变成交流电,再整流输出 成所需要的直流电压。于是开关电源就省去了线性电源中的三端稳压器,这样它 具有很多优点:体积小、重量轻(体积和重量只有线性电源的20~30%)、效率 高(一般为60~70%,而线性电源只有30~40%)、自身抗干扰性强、输入输 出电压范围宽、模块化、功耗低等等。开关电源已经广泛深入地应用于国民经 济的各个领域,开关电源的技术也取得了很大的提高,为社会的发展做出了极大 的贡献。

1.2研究意义
现在所广泛应用的开关电源都是基于传统的分立元件组成的,可以简单地称
之为模拟开关电源。它的特点是频率范围窄、电力小、功能少、器件多、成本

较高、精度低,对不同的客户要求来“量身定做”不同的产品,同时几乎没有
通用性和可移植性。在电子技术飞速发展的今天,这种传统的模拟丌关电源已

经很难跟上时代的发展步伐。开发人员正在寻找一种新的设计模式,来满足各
种需求。

随着DsP、AsIc等电子器件的小型化、高速化,开关电源的控制部分诈在
向数字化方向发展。由于数字化,使丌关电源的控制部分的智能化、零件的共通

化、电源的动作状态的远距离监测成为了可能,同时由于它的智能化、零件的共

成都理工大学硕+学位论文

通化使得它能够灵活地应对不同客户的需求,这就降低了丌发周期和成本。依靠 现代数字化控制和数字信号处理新技术,数字化开关电源有着广阔的发展空间。

1.3国内外发展状况
在数字化领域的今天,最后一个没有数字化的堡垒就是电源领域。近年来,
数字电源的研究势头与同俱增,成果也越来越多。虽然目前中国制造的开关电源

占了世界市场的80%以上,但都是传统的比较低端的模拟电源。高端市场上几乎 没有我们份额。目前在国内,也没有几家公司能够开发出符合国际标准的数字化 开关电源出来。在美国,日本、瑞士等发达国家,对数字化电源的研究J下如火如
荼。走在前面的公司有1rI和Microchip即德州仪器公司和微芯国际公司。TI公 司既有数字信号处理(DSP)方面的技术优势,又兼并了PwM IC顶级的专业制造 商UNITRODE公司,所以它们合并在一起最具有技术实力。1rI公司已经用DSP

的1MS320C28F10制成了通讯用的48v输出大功率电源模块。其中PFC和PWM
部分完全为数字式控制。现在,Tl公司已经研发出了多款数字式PwM控制芯 片。目前主要是ucD7000系列、uCD8000系列和UCD9000系列,它们将成 为下一代数字电源的探路者。 众所周知,当前电源行业的前进方向便是数字化领域。

1_4本文主要研究的内容
本论文是在对当前电源行业充分认识的基础之上,提出一种能跟上时代发展 的新的解决方案,即引进DSP技术和FPGA技术,通过P1D算法产生PwM波

来控制斩波器,控制主回路,形成数字化PID调节器,从而取代传统的模拟PID 调节器,使电路更简单,精度更高,通用性更强。

1.5本文的主要成果
本文所涉及的解决方案目前在国内处于领先地位。并且己经将该方案用于实 际的产品设计中,通过对相关产品的测试表明该方案具有极大的实用性和合理 性。

第2章系统框架

第2章系统框架
本论文主要研究的是采用DSP技术和FPGA技术来做数字化Pm调节,通过数
字化PID算法产生PwM波来控制斩波器,控制主回路。从而取代传统的模拟PID

调节器,使电路更简单,精度更高,通用性更强。
图2.1是传统模拟电压、电流调节器(PID调节)及PwM框图。

1电压反馈一 1电压给定一

龟流反馈+?

龟流给定?,

图2.1

模拟PID调节器

其基本工作原理是:将电流电压反馈信号做PID调节后——分立元器件构
成,采用专用脉宽调制芯片实现PwM控制(见图2.1)。电流反馈信号来自主回 路的电流取样,电压反馈信号来自主回路的电压取样。再将这两个信号分别送至 电流调节器和电压调节器的反相输入端,用来实现闭环控制。同时用来保证系统 的稳定性及实现系统的过流过压保护、电流和电压值的显示。电压、电流的给定 信号则由单片机或电位器提供。 数字化电源主要是将电压、电流调节器数字化。即控制部分的数字化。采用 DSP和FPGA相结合的构架来实现。 图2.2为传统模拟电源框图。图2.3为数字化电源框图。



成都理工大学硕士学位论文

L…~I…‘‘……。’………………
图2.2传统模拟电源框图

图2.3数字化电源框图

DsP是整个系统的核心部分,完成PID算法的处理、PwM信号的给出、发 同步信号给FPGA、以及程序的调度等等。 山于整个系统是闭环控制系统,要求采样速率相当高。本系统采用FPGA来控 制ADC,这样就避免了高速采样占用系统资源的问题,减轻了DsP的负担。DSP 可以将读到的ADC信号做PID调节,从而产生PwM波来控制逆变桥的丌关速 率,从而达到闭环控制的目的。 控制部分的硬件主要由两部分构成。DSP板和ADc板。DsP板完成PwM 生成、P】D运算、环境丌关量检测、环境丌关量牛成以及本地控制。ADC板主



第2章系统框架

要完成前馈电压信号采集、负载电压信号采集、负载电流信号采集、以及对信号
的一阶数字低通滤波。图2.4是整个控制部分硬件系统结构框图。

围2.4

数字化电源控制部分整体框图

成都理丁大学硕十学位论文

第3章DSP2407控制部分
图3.1是整个DSP控制回路结构框图。



图3.1

DsP控制回路结构框图

3.1

DsP简介
DSP(D诤tal s培nal Processor),即数字信号处理器,是在数字信号处理的基

础理论、计算机技术和大规模集成电路得到飞速发展的基础之上出现的一种新型
电子器件,是用数字信号来处理大量信息的器件,是一种特别适合于实现各种数 字信号处理运算的微处理器。 由于DSP技术的飞速发展,为数字信号处理的研究及应用打丌了新局面, 造就了一大批新型电子器件,推动了新的理论和新的应用领域的发展。由于DSP 具有丰富的硬件资源、改进的哈佛结构、高速的数据处理能力和功能强大的指令 系统,它己成为世界半导体产业中紧随微处理器与微控制器(单片机)之后的又 一个热点。现在随着理论和实践的进一步发展,数字信号处理技术已被广泛的应 用到信息处理、通讯、多媒体、图像处理、声音处理、综合网络、控制、消费类 电子、医疗设备、测试仪器等众多领域。



第3章DsP2407控制部分

DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构,具有专门的硬件乘法器, 广泛采用流水线操作,提供特殊的DSP指令,可以用来快速地实现各种数字信 号处理算法。根据数字信号处理的要求,DsP芯片一般具有如下的一些主要特
点:

(1)在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法:
(2)程序空间和数据空间分开,可以同时访问指令和数据; (3)片内具有快速RAM,通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问;

(4)具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持;
(5)快速的中断处理和硬件I/O支持; (6)具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器; (7)可以并行执行多个操作; (8)支持流水线操作,使取指、译码和执行等操作可以重叠执行; (9)对不同领域具有不同的器件。

3.2

DSP2407A特点
在众多的DsP厂商中,美国TI公司是当今世界最大的DsP厂商,其产品可

分为定点DsP、浮点DsP、多处理器DsP和专用DSP等:从用法上又可分为控 制类、图形信号处理类、图像视频类等。1rI公司推出的TMS320系列DSP是目 前世界上最有影响力的主流DSP产品,是应用于测控领域的最佳16位定点DSP。 其中最具革命性的产品为u屯407A,是当今世界集成度最高、性能最强的运动

控制DSP芯片,处理速度可达40MIPs。1Ms320c2407A内部不但有高性能的
C2xxCPU内核,配置有高速数字信号处理的结构,且有单片机电机控制的外设。 TMs320C2407A采用诸如自适应控制、卡尔曼滤波和控制等先进的控制算法,

支持多项式的高速实时算法,因而可减少力矩纹波、降低功耗和减少振动,从而
延长被控设备的寿命,为各种被控系统提供了高速、高级和全变速的先进控制技 术。 TMS320c2407A采用4级流水线结构与改进的哈佛结构,片内外设主要资 源如下: (1)16路的10位A/D转换器;

(2)41个可独立编程的多路复用加引脚;
(3)两个事件管理器EvA、EvB,适用于控制各种类型的电机,为工业自
动化方面的应用奠定了基础。两个事件管理器EvA、EvB包括有如下资源:


2个16位的通用定时器: 8个16位的PwM通道;



成都理工大学硕士学位论文

c对外部事件进行定时捕捉的3个捕捉单元,其中两个具有直接与光耦编 码器输出脉冲相连接的能力;

d防止击穿故障的可编程PwM死区控制。
(5)串行通信接口(SCI)模块: (6)串行外设接口(SPI)模块;

(7)带锁相环(PLL)时钟模块;
(8)5个外部中断; (9)CAN2.O模块;

(10)看门狗(wD)定时器模块;
(11)可扩展的192K字的空间,分别为64K字的程序存储器空间、64K字 的数据存储器空间和64K字的I/O空间; (12)用于仿真用的JTAG接口。

3.3

DSP2407的PWM波
PwM信号(脉冲宽度调制信号)是根据某一寄存器内的值的变化而变化的

脉冲序列,这些脉冲序列在一系列固定周期内展丌,以确保每个周期内有一个脉 冲。这些固定周期被称为PwM载波周期,其倒数叫做PwM载波频率。PwM 脉冲的宽度是根据调制信号的一系列预定值来决定和调制的。本系统是通过改变 PwM波的占空比输出来调节IGBT的通断频率,从而控制输出电压电流值。PwM

波输出框图如图3.2所示。

圆—1寸匝亟)—]
图3.2

PWM波捧静l框图

3.3.1

PWM信号的产生

为了产生一个PwM信号,需要一个合适的定时器重复产生一个与PwM周 期相同的计数周期,一个比较寄存器保持调制值,比较寄存器的值不断地和定时 器的值比较。当比较匹配时,在相应的输出引脚上产生一个跳变;当产生第二次

匹配或定时器的剧期结束时,在相应的引脚又产生一个跳变,通过这种方法,所
产生的输出脉冲的开关时问就会和比较寄存器的值成比例,在每个定时器周期, 这个过程会重复,但每次比较寄存器罩的调制值可以是不同的,因此,都会在相 应的输出引脚上产生一个PwM信号。 用事件管理器产生的PwM波形发生器的特性可概括为如下: (1)5个独立的PwM波输出,其中3个由比较单元产生,2个由通用定时

第3章DSP2407控制部分

器产生,此外,3个比较单元的PwM波形输出还会产生3个附加的PwM输出;
(2)3个比较单元相对应的PwM输出对,带可编程死区: (3)最小的死区时间宽度为一个CPU时钟周期: (4)PwM的最大分辨率为16位;

(5)最小的PwM脉冲宽度和脉宽的增减量为一个cPu时钟周期;
(6)PwM载波频率的快速变换; (7)PwM脉宽的快速变换; (8)功率驱动保护中断: (9)由于比较和周期寄存器重载,使CPu的负担最小: (10)能够产生可编程的非对称、对称和空间向量PwM波形。 图3.4是PwM波形产生电路。

COMCONA【1l~13】

cOMcONA【9】

比较n波形发生器
匹配I
6PTl

L——一

标志l

三峰乖■坠胖
DB00NA ATcItA

攀㈣H同志而
死区定时器 全比较动作 控制,寄存器

A1IcRA【12巧】

榨制寄存器

图3-4

PwM波形产生电路

由上图可知,PwM电路包括如下功能单元:
(1) (2) (3) (4)

对称/非对称的波形发生器; 可编程的死区单元: 输出逻辑; 空间向量(SV)PwM状念机。

比较单元的PwM波形发生器和相关PwM电路受以下控制器控制:T1CON、 COCONA、ACTRA和DBTCONA。

PwM波产生的寄存器设置配置过程需要以下步骤:
(1)

设置和装载ACTRx:



成都理一大学硕士学位论文 (2) (3) (4) (5) (6)

如需死区,则设置和装载DBTCONx寄存器; 初始化cMPRx; 设置和装载cOMc0Nx寄存器;
设置和装载TxCON寄存器,来启动比较操作;

更新CMPRx寄存器的值。

对称PwM波 对称PwM波形的特点是其调制脉冲是关于每个PWM周期中心对称的。对

称PwM波形与非对称PwM波形相比,优点在于它有两个相同长度的无效区:
分别位于每个PWM周期的开始和结束。

因为比较寄存器是带映象的,所以可以在一个周期的任意时刻向其中写入新 的值。同样,新的值可以在一个周期的任意时刻写入周期寄存器和动作寄存器,
以改变PWM周期或者强迫改变PwM输出极性。

3_3.2

PwM信号缓冲器

缓冲器采用74HC2“,主要作用就是对输入输出信号起缓冲作用,方便与
下一级电路接口。具体电路如图3—5。

D lJ D

PwM’

PwⅢ



19委 一

瓣i

l o=


=}


SlK

0000
图3.5

M M m

5lK 5】K 5lK



PwM信0缓冲IU路

313.3

PwM信号隔离与驱动

采用高速光耦隔离器件TLP250。
TLP250传输速度快、输入电流小、电压范围宽、输出电流大,可以直接驱动

第3章DsP2407控制部分

IGBT。并且输出端为推挽输出,当脉冲为低电平时,光耦输出为一负脉冲,能
够及时地关断IGBT的导通,很好地保护了IGBT,同时也提高了脉冲的精度。

图3.6是11j250的内部结构图,图3.7是nJ250的外围电路图。

围3.6珊250的内部结构图

圈3.7

肿250的外围电路

图中将vCcl接正电压,vEEl接负电压。

3.4SCI串行控制
本地控制SCI串行口(与上位机通信)。 SCI模块包括以下主要功能器件
(1)

两个10引脚,接收数据引脚(SCIRxD),发送数据引脚(SCITxD);

(2)通过对一个16位波特率选择寄存器编程,可得到65535种不同的波特率;

(3)1墙位的可编程数据长度:
(4)1位或2位的可编程停止位;

成都理工大学硕十学位论文

(5)内部产生的串行时钟: (6)4个错误检测标志; (7)两种唤醒多处理模式;

(8)半双工或全双工操作;
(9)双缓冲的接收和发送功能; (10)发送和接收操作均可以通过中断或查询操作进行。 Sa串行口编程步骤: (1)一个发送器(Tx)及主要寄存器 发送器数据缓冲寄存器(SCITxBUF),存放等待发送的数据(由CPu载入)。

发送器移位寄存器(TxsHF),从SClTXBuF载入数据,并每次一位地将数

据移位至Scm(D引脚。
(2)一个接收器(RXSCIRXD)及主要寄存器

接收移位寄存器(RxSHF),每次一位地将SIRxD引脚上的数据移入。
接收器数据缓冲寄存器(ScIRxBUF),存放将由CPu读取的数据。来自远 端处理器的数据,先载入接收器移位寄存器(RxsHF),然后装入接收数据缓冲 寄存器(SClRxBuF)和接收仿真缓冲寄存器(SCIRxEMU)。 (3)一个可编程的波特率发生器。

(4)数据存储器映射的控制和状态寄存器。
SCJ的波特率可由如下公式计算: SCI异步波特率=CLKOUr/(BRR+1)+8 BRR=(CLKOuT/SCI异步波特率+8).1

上式适用于1<BRR<65535的情况,如果BRR=O,则波特率的计算公式如下
SCI异步波特率=CLKOUT/16

图3.8

scI串行控制电路

第3章DSP2407控制部分

3.5

SPI同步通信控制
与AD板的同步通信。

串行外设接口SPI是一个高速、同步串行的I/O口,通常应用于DsP外部控 制器或DsP控制器与其他控制器之间的通信。

sPI可以工作在主机模式或从机模式,通过位MASTE刚SLwE
(SPlCⅡ:2SPl)来选择操作模式和SPICu(信号的来源。
本设计采用主机模式。

在主机模式下(MASTER/SLWE=1),串行外设接口SPICLK引脚提供了整
个串行通信网络的串行时钟。数据从SPISlMO引脚输出并在sPISOMI引脚锁存。 SPI波特率设置寄存器(SPIBRR)决定了网络发送和接收的位传输速率, SPI可选择126种不同的数据传输率。

写入SPInAT或SPITXBIJF寄存器的数据自动在SPISIM02引脚上的数据发
送,先发送最高有效位,同时,接收到的数据通过SPlSOMI引脚移入sPID—口 的最低位。当指定位数的数据位发送完时,整个数据发送完毕。接收到的数据将 被送到sPIRxBuF(接收缓冲器),并右对齐以供cPu读取。 波特率的设定 对于SPlBRR=3~127 sPJ波特率=cu(OUT/(sPIBRR+1) 对于SPIBRR=O、1、2 sPI波特率=CLKourll/4;

式中CLKOUTPu为器件的时钟频率;SPlBRR为主串行外设接口器件中
SPIBRR内容。 SPI编程操作步骤:

系统复位时强制sPl模块进入下列默认设置。
(1) (2)

该单元被配置成从模式(MAsTE剐sI.—蚺僵=0);
发送功能被禁止(TALK=O);

(3)在sPJcLK信号的下降沿输入数据被锁存; (4)字符长度为一位; (5)禁止SPI中断; (6)SPIDAr中的数据复位为OooOH; (7)SPl的四个引脚被配置成通用I/O。 初始化SPI步骤: (1)将sPl sw REsET位(SPIccR.7)清零使SPI进入复位状态;

(2)初始化SPJ的配置、数掘格式、波特率和引脚功能;

成都理工人学硕士学位论文

(3)置SPISW
(4)

RESET位为1,将SPI从复位状态释放;

写数据到SPIDAT或SPⅨBuF寄存器;
Rx

(5)数据传送完后(sPIsTs.6=1),读sPI
据。 使用sPI sw

BuF寄存器来确定收到的数

REsET位对SPl进行复位时,为了保证复位后的SPI初始 sw
REsET位(sPIccR.7),初始化完成后再

化能顺利进行,应该清除sPI
将该位置1)。

注意在sPI通信时,不要改变串行外设借口的配置。 DsP的sPI接口如图3.9。

图3.9

sPl接口原理图

SPISIMO: SPISOMI:
SPICLK: SPICS:

主机输出,从机输入 主机输入,从机输出 时钟信号: 片选信号。

3.6

DsP环境开关量的输入与输出
环境丌关量是通过DsP的GPIO(通用IO口)来控制整个电源系统的丌始

运行、停止运行、报警等等。下图是环境丌关量的输入输出框图。

—1至[卜_—匝一输出
图3.10环境开关量的输入输出框图
14

第3章DsP2407控制部分

3.7

DSP集成开发环境ccs3.0
软件开发平台,也叫代码生成工具,是DSP系统开发中必不可少的工具,

它对用户程序进行管理,经过编译连接后产生真正可以在DSP上运行的程序。 本产品采用当前流行的开发环境CCS。该开发平台主要包括含有DSP代码生成 过程中所必须的C编译器、汇编器和连接器。

CCS开发平台的工程文件由以下文件组成
(1).pjt文件。CCS工程文件; (2).1ib文件。CCS运行支持库; (3).h文件。头文件;

(4).c文件。C原文件。C语言编写的程序代码;
(5).asm文件。汇编语言源文件; (6).cIIld文件。链接命令文件; (7).obj文件。目标文件,cOFF格式; (8).out文件。可执行文件。 在这些文件当中,丌发人员要自己编写.h、.c、 .asm和.cmd文件,其中.h

文件和其他基于C语言的开发环境中基本相同,但是.h文件中通常要包含DsP 片内控制寄存器的定义。.asm文件和.cmd文件分别定义了DsP的中断向量和存 储器分配,对应应用相同DSP型号的不同的应用系统,可以在该DSP型号已有 可用的文件基础上按照应用系统的要求改写。 控制开发语言的选择: DSP集成开发环境支持三种开发语言:c语言、汇编语言和C语言与汇编

语言的混合编程。本设计采用c语言与汇编语言的混合编程的方法实现。.弱m
文件采用汇编语言,源文件采用c语言编程。

3.8DSP软件部分
DsP的软件是整个系统的核心。可以从整体上将软件部分分为功能层和驱动 层。

3.8.1系统软件功能层
包括多个模块:两个通信协议、PID算法、ADC的数据处理、PwM波形生 成。 PID算法 处理内部和外部ADC数据,将算法结果通知应用层。该算法

成都理T大学硕士学位论文

要求具备对负载的自适应能力,同时算法参数允许外部设定。
PWM波

支持半桥、全桥、H桥,全桥软开关和斩波器模式,PwM的 轮询8个IO输入,作相应告警,分闸等操作。

频率和死区宽度可调 I/0口的管理

3.8.2系统软件驱动层
包括同步和异步通信,外部ADc的读写。
通信协议 包括DSP与ADC通信和与上位机通信,与上位机通信主要完成电 流电压的设置,PID参数的下载和反馈信号的传输。

外部^Dc

支持外部ADc设备的读写操作,采用外部硬件实现。

3.9小结
将DSP技术引入系统,且作为整个系统的核心.部分,一方面利用了DsP

器件的优势——高速性、实时性、丰富的片上资源以及特殊的指令集,另一方面
符合产品的发展需求,跟上了时代的步伐。

第4章ADC采样

第4章ADC采样
4.1

ADC芯片AD7678及外围电路
AD7678是18位、100kSPS、电荷分配的完全差分逐次逼近型模数转换器。

它由单一的5v电源供电,内含一个高速18位采样ADC,一个内部转换时钟, 一个内部参考缓存,纠错电路以及串行和并行系统接口。是一款速度快、功耗低、 精度高的逐次逼近结构的模数转换器。AD7678的线性度和动态范围类似于或优 于很多的△.S型ADC。由于逐次逼近结构易用于多路技术和可用低电源等优点, 所以它在应用上比一般的△.S型的ADC有很多优势。AD7678逐次逼近型ADC

由于不存在传输延迟,所以是用于多通道技术的理想ADC器件。AD7678可以
由5V的单电源供电,同时可以与5V或3V的数字逻辑电平兼容。它的48脚LQFP

封装和48脚LFCSP封装既节省了空间又可以提供串行和并行两种接口,且其配
置更加灵活,AD7678与AD7674,AD7676,AD7679引脚兼容。工作温度为一
40℃一+85℃。

AD7678的主要特点有: (1)无误码的18位精度分辨率; (2)无传输延迟的逐次逼近型结构; (3)差分输入范围:±VREF(vREF最大为5 v); (4)高采样率:100kSPS; (5)积分非线性:最大±2.5LSB,(满量程±9.5 ppm); (6)动态范围为103 dB(VREF=5Ⅵ;

(7)带有并行(18,16或8位总线)和串行5、,/3v接口;

(8)SP∞SPl/MICROwIRE仍SP兼容;
(9)具有板上参考缓存; (10)具有低功耗:100kSPS时为18 mw,1kSPS时180“w工作原理。 下图是其内部结构框图

17

成都理下大学硕+学位论文

PDBUF

REF REFGND

{莹

ll=№
∞ 艇SET
CHVSr

=箩罢ll



图4-1

AD7678内部结构囤

4.1.1

AD7678的电压参考

不管有没有内部参考电压缓冲器,AD7678都允许使用外部参考电压。本设 计采用外部参考电压。采用TLv431作为参考电源。TLⅣ431是一宽低压差精密 可调的分流稳压器。输出范围】.2v—6v。AD7678采用5v的电压作参考,电路
图如下:

图4.2电压参考电路图

4.1.2

AD7678的供电电源

AD7678有三组供电电源:模拟5V电压源(AVDD),数字5 V电压源(DVDD) 以及数字输出接口电源(OVDD)。OVDD电源定义输出逻辑电平,允许与任意工

作在2.7v和DvDD

0.3

v之问的逻辑电平直接接口。如图4.3所示,为了减少

电源的个数,数字电压源可直接由模拟电压源通过一个简单的山磁珠和电容构成

第4章ADc采样

的Ⅱ型滤波器得到。只要OVDD电压大小不超过DvDD以上O.3v,AD7678就

具有独立的电源供电顺序,这样就不会出现电压源的感应闭锁。而且,它在整个 频带内受电源电压变化影响很小。

C48

圈争3

蠡宇与模拟电源转报闰

4。113模拟信号输入
图44为AD7678一个简单的模拟输入电路。图中的二极管用来保护输入引 瓣所带柬的静电。必须注意输入值一定不能超过所允许的最大输入范围,这些二 极管可承受的最大前置电流为120111A。

啪+

瀚一

围4-4

AD7674简单的模拟输入电路

19

成都理L大学硕士学位论文

在模拟信号采集阶段,AD7678的功能类似一个单极性的RC滤波器,采 R+、R,和cs组成,R+和R.的值均为1020。Cs的值为60pF,构成AD转换器 的采样电容。在26MHz频率的一3dB处的单擞性滤波器可以潲除来自输入端的噪 声和不希望有的干扰。 由于AD7678的输入阻抗比较大,因此此芯片可以由无增益误差且阻抗低的 器件来驱动。这样就允许用户在放大器输岛端和ADC的模拟输入端连接一个荦 极性RC滤波器(如图4.4所示),用来提高AD7678模拟输入端抗干扰能力。然 面,阻挠的值也不能过大,因为它影响着模拟电流的性能,尤其是对总谐波失真 (THD)有很大影响。最大阻抗值取决于THD所能承受的最大值,而THD又 随着阻抗源和最大输入频率的变化而变化。
4.1.4 AD转换控制

图4,5所示为AD转换过程时序图。西丽信号控制声J)7678转换的丌l始
一旦转换丌始就不能被放弃或重掰丌始,直到转换完成。而cNVsT信号与CS
和RD互不干扰。

曩i7爵

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上爿厂一


采集

X转卖…妻……亲集一~
圈4.5 AD转换}蛙序



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X转换

NsvT信号是数字信号,要求夜良好的边缘特性。箍sNR是一个临界值, cNvsT信号要求有很小的抖动,可采用一个专门的振荡器来产生cNvsT信号, 或者采爝高频率低抖动的时钟束产生。
在Impulse模式中,可以自动,1:启转换。当BUSY信号变为低电平而CNVsT 信号缳持低电平时,AD7678控制数掘采集阶段,弗自动癌动一个新的转换。当

cNvST一直保持低电平时,AD7678将自动保持转换过程。值得注意的是,当

第4章ADc采样

BUSY信号变为低电平时,模拟信号被输入。同样,当上电时,CNvST被置为

低电平以开启转换过程。

4.1.5数字接口
AD7678具有一个多功能数字接口,它既可以利用串口也可以利用并口实现与主机系统 的连接。串口是复用并口数据总线得到的。通过简单的将AD7678的0vDD电压引脚直接 接到主机系统数字电压源引脚可以使AD7678数字接口提供3v和5v两种逻辑电平。

当MODE0和MODEl都为1时,AD7678将被配置成串口。包括:
ScLK: SDOUT:

时钟信号; 数据信号; 启动转换信号: 转换完成信号。

CNVST: BuSY:

18位数据从SDOuT引脚阻高位在前的形式输出,且与SCLK引脚所提供
时钟的18个脉冲同步,输出数据时钟在上升沿和下降沿都有效。本设计采用串 口工作方式。

4.1.6

PCB布板走线注意事项

1、在印制电路板中,模拟地和数字地最终是要连在一个点上的,此点最好在 AD7678下方或者尽可能的靠近AD7678。如果AD7678是在一个多器件的系统

中时,模拟地和数字地也要连在一点上,这点也要尽可能的靠近芯片本身。 2、要避免让数字线在芯片下方穿过,否则会产生耦合噪声。而模拟地则允许
从AD7678下方穿过,来避免耦合噪声。而像cNvsT和时钟这样的快速变化的

信号要与数字地隔离开,避免由于辐射对电路板的其他部分造成影响,同时也要 远离模拟信号通道。要尽量避免数字信号线与模拟信号线的交叉。电路板上的不
同线路要走直角,以减小反馈的影响。 3、AD7678的电源线要使用尽可能粗的线,以达到低阻抗并能减少短时脉冲 对电源的干扰。良好的退耦装置对AD7678也是很重要的,退耦陶瓷电容一般为 100nF,且放到距离电源输入引脚(AVDD、DvDD和OvDD)尽可能近的地方, 以达到良好的退耦效果。另外,低ESR电容(10uF)应放到离ADC近的地方, 进一步减小低频信号的影响。 4、AD7678的数字电源DvDD可以单独供电,或由模拟电源AvDD供电, 还可以由接口数字电源OVDD供电。当系统的数字电源有噪声干扰,或存在快 速变化的数字信号,如果没有独立的电源可用时,设计者可以将DvDD通过一

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个RC滤波器与AVDD相连。当DvDD由系统供电时,可以再插入一个磁珠, 可以进一步的减小高频信号的干扰。 5、AD7678具有四种不同的地:REF(ND、AGND、DGND和0GND。REFGND
指向电压基准,由于它负载电流脉冲,因此对电压基准来’说应是低阻抗的。AGND

是内部大多数ADC信号的地,此地必须与最小的电阻相连并连接到模拟地上。 DGND根据配置的不同而与模拟地或数字地相连。OGND与系统的数字地相连。
6、电压基准的退耦装置也是非常重要的,退耦电容应该离ADC尽可能的近,

并用短而粗的线连接,以减少寄生电感。

4.2

ADC控制单元
对ADC的控制,本系统采用Altem公司的Cvclone家族中的FPGA——

EPIC3T1“C8。CvcloⅡe系列FPGA是目前市场上性价比最优且价格最低的
FPGA之一,应用市场包括消费类、工业类、汽车业、计算机和通信类。 该系列器件是基于成本优化的全铜1.5V SRAM工艺,容量从2910至20060 个逻辑单元,具有多达294912bit嵌入RAM,
Cyclone

FPGA支持各种单端I/O

标准,如LvlTL、LvCMOS、PCI和SSTL一2/3,通过I。VDS和RS嘶标准提供多达129 个通道的差分I/O支持,每个LVDS通道高达640Mbps。Cyclone器件具有双数据 速率(DDR)SDRAM和FCRAM的专用电路。Cyclone FPGA中有一到两个锁相环 (PLLs),提供六个输出层次的时钟结构,以及复杂设计的时钟管理电路。这些 在业界具有最高效架构特性的组合使得FPGA系列成为AsIc最灵活和最合算的替 代方案。 EPIc3的主要特点: (1)逻辑单元(LE)29lO个,相当于8力_多个逻辑门电路: (2)M4KRAM块(4Kbit+奇偶校验):13个; (3)RAM总量59.904; (4)PLLSf锁相环1: 1个;

(5)最大用户I/O数104: (6)差分通道34; (7)满足工业和汽车温度(一40~125)。

4.2.1

EPIC3的配置芯片

出于EPLC3内部是RAM块,系统掉电后,程序会丢失。ALIera公司专门 为浚系列芯片配置了FLASH存储器。把程序烧入到FLASH罩,当下次上电后, 程序从FLASH自动倒入到主控芯片罩去,保证了系统程序掉电不丢失。本系统

第4章^Dc采样

采用配訾芯片l鼎胬1。



胥4‘

照1电路田

程序下载支持臌G和国『te瑚a咖川。
J强G主要是在线仿真,Byte】弧ast。lⅡ是下载程序到配置芯片里去.

2●6 B O

可一.

啊4{班.Le3的JTAO原理田

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4。2.3时钟及P王工
FPGA的时钟电路如下图所示:

圈4.9

FPGA的时钟lb路幽

z1为10M有源品体,C53,C54,cz3构成Ⅱ型滤波器,减少晶体电源受外 界的于扰,保证墓可靠性。R18魑一个阻尼电阻,阻止信号的反射。
为了减少干扰,我们采用FPGA内部的PLL将时钟倍频到100M。FPGA片 内嵌入式锁惆环PLL可以与输入的时钟信号同步,并以其作为参考信号实现锁

相。从而输出一到多个同步倍频或分频的片内时钟,以供逻辑系统使用。与直接 来自外部的时钟相比,这种片内时钟可以减少时钟延时和时钟畸变,减少片内干
扰,可以改善时钟的建立时闻和保持时闯。

4.2.4磁隔离器件S18442
S18442是高速磁隔离器件si844x系列的一种,信号传输延迟小j二10ns,电 压输入范围宽,线性度婷。该隔离器件利用标准全cMOs技术制造多组芯片缴
变压器。能够提供整合度最高的4通道隔离功能,体积只有其它光耦合解决方案

的1/3,Si84叙的数据传输速率比现有数字隔离器件的传输速率快50%,每个趣 道在100Mbps速率F耗电量不到12mA,适合交换式电源供应、以太网络和cAN 网络以及隔离式模拟数据撷取等应用。相较于采用多颗离教零件的其它隔离技
术,Si844x单芯片解决方案可以大幅简化电路布局设计。Si844x是以一套专利

架构为撼础,其所独家采用的射频编码和译码机制不需要特别考虑或初始设定就
能提供强同可靠的黼离数据路径。传统隔离方法的逑度通常极馒,操作特性也会

随着温度和时间改变,si844X器件的速度最多可比其它隔离技术快1500倍,操

24

第4章ADc采样

作特性龟不会随着温度、供应电压或时闭而任意改交。

^l

BI 雎 懿 M

勉 船 M 爨l



曝4-10磁隔离器件Si8442的电气圈

4.2.5

FPC遗与AD7678之闫的接口

采用SPI方式,FPGA为主机,AD7678为从机,速率为60K:

锄l铡睨
FPGA

磁隔离器件s18442

AD7678

图4.1l

FPGA与AD7678的电气接口瞬

4.2.6

FPGA同步采样

由于系统电源是大功率开关电源,信号会周期地出现开关脉冲。对于一个高 精度的系统,如果采样点在脉冲之上,则会对系统产生很大的影响,整个系统将 会出现振荡,为了解决采样点的问题,可以通过同步信号采样的方法来采得理想 值。由予开关脉冲信号是DsP给出,所以可以让DsP在给出开关脉冲的同时, 给出一个同步信号给FPGA,作适当的延时,等信号中的尖峰脉冲消失艏,FPGA 孬给ADc发开始采样命令,这样采强的信号就不会因为开关脉冲的存在丽出现
振荡。

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4.2.7零磁通毫流传感器
在电力电子系统中,主要有如下几种取样器件;精密电阻、分流爨、霍尔 传感器和零磁通等。对于小电流极其比较襁糙的开环检测控制系统而寿,采用精 密电阻和分流器基本上可以满足要求。对于大电流来说,精密电阻和分流器的温 漂就会越大,当然误差也就越大了。霍尔传感器能够在大电流系统中较好地运爝, 也能够解决系统的隔离问题,但是对于存在有正负信号的测量控制系统,霍尔的
零点通常不会对称,存在漂移闻题,在高精度的闳环控制系统中便不菇适合。对 于以上问题,零磁通基本能够解决。 零磁通指互感器的铁芯没有磁通(理论上)。电流互感器的误差是由提供磁

通的交变励磁电流产生,若把它降为零取消它,互感嚣就没有误差了。零磁通电
流互感器就是磁通为零的互感器。理论零磁通电流互感器是没有误差的,但是由 于不可能真币的傲到零磁通,及分布电容漏感等原因,零磁通电流互感器还是存

误差的,但比一般的互感器的精度已提高了至少~个数量级,所以可以很好地应 用到高糟度检测环境中。
4.2.8

FPGA的集成开发环境

Altera公司的QuanusII设计软件提供了完整的多平台设计环境,能够满足特
定设计需要,为可编程系统(SOPC)芯片提供全碡的设汁环境。C}ua娃usIl豹程 序设计流程如下:

图4-12

FPGA开发流程

第4章ADC采样

本设计采用文本输入方式进行编程和仿真。 具体步骤如下: (1)在开发环境下创建工程,采用文本(hdl)输入方式; (2)编写目标代码;
(3)

目标代码编写完毕后,对目标芯片进行设置;

(4)编译目标代码; (5)仿真; (6)锁定引脚; (7)下载验证。下载pof文件到目标芯片。

4.2.9嵌入式逻辑分析仪S咖al TapII
随着逻辑设计复杂性的不断增加,在计算机上进行仿真测试变得非常耗费时 间,且不断需要重复进行的硬件系统测试同样很困难。为了解决这些问题,舢tem 公司推出了一种将高效的硬件测试手段和传统的系统测试方法相结合的新的仿 真工具,它就是Si驴al TapⅡ,它可以随设计文档一并下载到目标芯片中,用以 捕捉目标芯片内部、设计者感兴趣的信号节点处的信息,而不影响硬件系统的正 常工作。 Si盟al 分析。
Tap

II将测得的样本信号暂存于目标器件中的嵌入式RAM,然后通过

器件的J研婚端口或者ByteBl鼬terII下载电缆将采得的信号传出来,送入计算机 图4.13是其设计界面。

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图4?13

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4.3

FPGA软件部分
FPGA的软件部分分为两部分:一是FPGA控制ADc采样,另外一个是

11PGA与DSP通信。

4.3.1

FPGA控制ADc采样软件流程图
下图是FPGA控制ADc信号采样软件流程框图。

图4.14

数据采样流程图

4.3.2

FPGA与DsP通信软件流程图

下图是FPGA获取DSP中断信号流程图。

需 9罱 离
图4.15

FPGA中断流程图

第4章ADc采样

4.4小结
FPGA技术作为一种新型电子技术,它灵活的可编程特性使系统的设计上了 一个新的高度。采用FPGA来控制ADc,提高了采样速度,不再担心采样速度
过高而占有CPU的时间资源而无法处理其他事件。同时FPGA的高速采样,并 将数据做处理后再传给主控器提高了系统的稳定性和精度。

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第5章PID算法
5.1

PID控制算法简介
PID控制问世至今已有近70年历史,它以结构简单、稳定性好、工作可靠、

调整方便成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能被人完全 掌握,或得不到精确的数学模型时,丽控制理论的其它技术又难以采用时,系统
控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最

为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不能透过有效的测量手段 来获得系统参数时,最适合用PlD控制技术。
PlD应用如此广泛、又长久不衰的原因是PlD解决了自动控制理论所要解

决的最基本问题,既系统的稳定性、快速性和准确性。调节PlD的参数,可实现 在系统稳定的前提下,兼顾系统的带载能力和抗扰能力。同时,在PID调节器中 引入积分项,系统增加了一个零积点,馒之成为一阶或一阶以上的系统,这样系
统阶跃响应的稳态误差就为零。

磊静,PID控制及其控制器或智慧PID控制器(仪表)已经很多,产品己强 工程实际中得到了广泛的应用,有各种各样的PID控制器产品,各大公司均开发 了具有壬,1D参数翻整定功能的智能调节器(jntellige嗽regulaIor),其中PID控制器 参数的自动调整跫通过智慧化调整或自校难、自适应算法来实现。有秘用P1D控
制实现的压力、温度、流量、液位控制器等,能实现P!D控制功能的有可编程控

制器fPLC),还有可实现PID控制的Pc系统等等。

5.2

PlD原理
P囝凋节器出比例调节器(P)、积分调节器(1)和微分调节器(D)构成,它通过

对偏差值的比例、积分和微分运算后,用计算所得的控制量来控制被控对象。下 图所示为PID控制系统框图。

国5.1

PID控制系统框图

第5章PⅢ算法

图中:R一设定的期望值,y一控制变量,s一实际输出值,e一控制偏差 (g=旯一s)。 PID调节嚣按其调节规律可分为比例调节、比例积分调节和比倒积分微分调 节等。下面分别来阐述它们各自的调节作用。
5.2.1比例调节

比例调节是数字控制中最蓠攀的一种调节方法。其特点是调节器豹输出与 控制偏差e成线性比例关系,控制规律为:
y一趸,‘e+y。

(5一1)

式中,K一比例系数,儿一偏差,P为零时调节器的输出值,当输出值s
与设定豹期望值R闻产生偏差时,比傍j调节器会自动调节控制变量y,控制变量 y的大小会朝着减小偏差8的方向变化,比例系数x。的大小决定了比例调节器调 节的快慢程度,置,越大调节器调节的速度快,但K。过大会使控制系统出现超

调或振荡现象,鬣,建汾调节器调节的速度越慢,但甏,过小又起不至I调节作用,
另外,虽然比例调节器控制规律简单,控制参数易于整定,但缺点是它只能在一

种负载情况下实现无静差值的调节,当负载变化时,除非重新调整相应yn的值
的大小,否则控制系统将会产生无法消除的静差值。 比例调节特点:

1.调节作用快,系统一出现偏差,调节器立即将偏差放大1/P倍输出。 2。系统存在余差比例带越大,避渡过程越平稳,但余差越大,比例带越小, 过渡过程易振荡,比例带太小时,就可能出现发散振荡。

5.2.2比例积分调节
比例调节器的主要缺点是存在无法消除的静差值,影响了调节精度,为了消 除静差值,在比例调节器的基础上并入一个积分调节器构成比例积分调节器,其 调节规律可用下到式表示
y;K

PQ+睾蠢8dt)+yo

i5—2)

式中:Z为积分常数,它的物理意义是当调节器积分调节作用与比例调节作

成都瑶工大学硕十学位论文

毙的输出相等时所需的调节时闽称为积分常数。积分常数霉的大小决定了积分 作用强弱程度。Z选择的越小,积分的调节作用越强,但系统振荡的衰减速度就 越慢,当互过小时,甚至会造成系统的持续振荡,使调节器的输出波动不定, 给生产过程带来严重的危害。相反地当Z选择得越大。积分的调节作用就越弱。 虽然过渡过程中不容易出现振荡现象。但消除偏差e的时间却很长,因此,积分 常数互大小的选择要得当。由于积分调节对偏差有累积作用,所以,只要有偏差g 存在,积分的调节作用就会不断地增强,直至消除比例调节器无法消除的静差值。 积分调节作用的输出变化与输入偏差的积分成难比,积分调节作用的输出不
仅取决于与偏差信号的大小,还取决于偏差存在的时间,只要有偏差存在,尽管

偏差可能很小,但它存在的时问越长,输出信号就越大,只有消除偏差,输出才 停止变化。 在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自 动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差
的或简称有差系统(systcm
wilh Sfcady—state

Errof)。为了消除稳态误差,在控制

器中必须引入“秘分顼”。积分项对误差的大小取决于时间的积分,随着时|’Hj的

增加,积分项会增大。这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大, 它推动控制器的输出增大使稳态误差迸一步减小,赢到等于零。 因此,比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进入稳奁后消除稳态误差。

5.2.2比例积分微分调节
加入积分调节后,虽可消除羚差,使控制系统静态特性得以改善,但由予 积分调节器输出值的大小是与偏差值e的持续时问成诈比的,这样就会使系统消 除静差的调节过程变慢,由此带来的是系统豹动态性能变差。尤其是当积分常数
n很大时,情况更为严重。另外,当系统受到冲激式偏差冲击时,由于偏差的

变化率很大,而Pl调节器的调节速度又很慢,这样势必会造成系统的振荡,给生
产过程带来很大的危害。改善的方法是在}匕例积分调节的基础上再加入微分调节.

构成比例积分微分调节器(PID)。其调节规律可用(3)式表示。

y喝¨瓤础+乃塞)氓

(s_3)

式中?尉为微分常数,它的物理意义是当调节器微分调节作用与比例调节作用
的输出相等时所需的调节时nU称为微分常数。加入微分调节后,当偏差e瞬f、日j波

第5章PID算法

动过快时,微分调节器会立即产生冲激式响应来抑制偏差的变化。而且偏差变化
越快,微分调节的作用就越大。从而使系统更趋于稳定,避免振荡现象的发生, 改善了系统的动态性能。微分调节的输出是与被调量的变化率成正比。在比例微

分调节作用下,有时尽管偏差很小,但其变化速度很快,则微分调节器就有一个
较大的输出。 在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成 正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其 原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后组件,具有抑制误差的作用, 其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差作用的变化“超前”, 即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零。这就是说,在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加

的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势,这样,具有比例+微分的控制器,就
能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重 超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分(PD)控制器能改善系统 在调节过程中的动态特性。

5.3

PID算法公式推导
PID算法是将描述连续过程的微分方程通过拉普拉斯变换转化为差分方程,

然后根据差分方程编制计算机程序来进行控制计算的。整个过程可以分为以下几
个步骤: (1)根据系统中各个环节的物理规律,列写该环节动态过程的微分方程; (2)求出各环节的传递函数; (3)组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数; (4)根据传递函数求出差分方程; (5)根据负载测试比例系数、积分系数和微分系数。

在计算机控制过程中,整个计算过程采用的是数值计算方法,当采样周期足
够小时,这种数值近似计算相当准确,使离散的被控过程与连续过程相当接近。 下图是PJD算法在本系统中的应用框图。

图5.2

PID算法在电源电路中的应用

成都理1二大学硕士学位论文

另外在PID控制中,由于PID算式选择的不同,最终所得到的控制效果是不

同的。标准PID算法有两种,即位置式PID算法和增量式PID算法,下面分别对两
种算法进行分析讨论。 首先分析位置式P ID的控制算法。 如前所述P ID调节的微分方程为:

y;巧。+瓤础+乃鲁)+蜘
将此微分方程写成对应的差分方程形式

(5—4)




只桃+撸仉乃毕批
一第H次采样周期内所获得的偏差信号

(5-5)

厶一,一第H一1次采样周期内所获得的偏差信号 r—采样周期


一调节器第H次控制变量的输出

为了编写计算机程序的方便,现将算式写成下列形式:
yn

2群巳+K乏巳+蚝盹一巳一t)+),。

(5—6)



K。;竿t;孚

cs吲

因为采样周期r,积分常数巧和微分常数乃选定后皆为常数,因此K及民 必为常数,当调整参数改善控制性能时,也只须调整K。、K和K的大小即可。
在位置式P lD控制算法中,每次的输出和控制偏差P都与过去整个变化过程

相关,这样由于偏差的累加作用很容易产生较大的积累偏差,使控制系统出现不
良的超调现象。 由算式(5—6)可以得出:

%,=髟(%+考薹伊吲毕))+y。

(s叫

第5章PID算法

用(5—6).(5—8),可以得到增量式PⅢ算式

△n=砗(包一巳一,)+}+巳+等瓴一抛。+巳一:))
其中 △只=n一只.1

(5—9)

(5—10)

为了方便程序编写,将上式改为
△)_暑爿4P.+口+巳-l+C+巳一2

(5—11)

其中:

爿=巧(1+}+争)曰一群(1+等)

c-巧+争

(5一?z)

从增量式PID的算式中可知,只要知道了现时以前的三次采样周期内的偏差信号 巳,巳.1,巳一:即可算出本次采样周期内的控制变量y的增量△y。。 当执行机构需要的不是控制变量的绝对值而是增量时,这样增量式PID的算
式恰好满足要求,即使执行机构需要的是控制变量的绝对值而不是增量时,仍然 可采用增量式PlD算式进行计算,输出则采用位置式PlD的输出形式,这样也使

计算变得简单多了,其计算公式为:
),。=_)’。一1+△n
(5—13)

通过以上对数字P ID控制算法的分析与研究,可得出位最式P ID算法和增 量式P lD算法的优缺点如下: (1)位置式PID算法每次输出都与控制偏差e过去整个变化过程相关,这 样容易产生较大的累积偏差,特别是当计算机发生故障时,由于调节器是全量输 出,控制变量y可能会发生大幅振荡,给生产带来严重危害。而在增量式P ID算 法中,由于计算机只输出控制变量的增量△只,发生故障时只影响本次增量的 大小,故影响较小。 (2)系统从手动切换到自动时,位置式PID算法需将调节器的输出置为‰, 这样才可能实现无冲击切换,而增量式PID算法中,由于公式中没有y。项,所以

易于实现手动到自动的无冲击切换。

(3)位置式PID算法要求计算累加和(罗气),故运算量大.,而增量式PID 算法不需计算累加和(罗吼),故运算量小。
(4)位置式PID算法中,由于差分公式中有对偏差的累加计算,所以,容 易产生积分饱和现象,造成系统失控。而在增量式P ID算法中,由于差分公式中

不存在有对偏差的累加计算,所以不会产生积分失控现象,避免了系统的超调和

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振荡现象的发生。但增量式P ID算法有产生比例和微分失控现象的可能,使系统
的动态性能变坏。

5.4

PID参数的整定
PlD参数整定是本系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID

控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID参数整定的方法概括起来 有两大类:一是理论计算整定法,它主要是依据系统的数学模型,经过理论计算 确定控制参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用,还必须通过工程实 践进行调整和修改;二是工程整定法,它主要依赖工程经验,直接在控制系统的
试验中进行。 P1D参数的整定基本原则

a.在输出不振荡时,增大比例增益常数K。。
b.在输出不振荡时,减小积分时间常数Z。 c.在输出不振荡时,增大微分时间常数L。 本设计按如下方法求得PlD控制器参数: (1)确定比例增益K.

确定比例增益K。时,首先去掉PID的积分项和微分项,令王=0、乃=0,使
PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%~70%,由0逐渐加大比

例增益K。,直至系统出现振荡;再反过来,从此时的比例增益K。逐渐减小,直
至系统振荡消失,记录此时的比例增益K。,设定PlD的比例增益足。为当前值的 60%一70%。比例增益K。调试完成。 (2)确定积分时间常数Z

比例增益K。确定后,设定一个较大的积分时间常数Z的初值,然后逐渐减 小Z,直至系统出现振荡,之后在反过来,逐渐加大Z,直至系统振荡消失。记
录此时的Z,设定PID的积分时间常数Z为当前值的150%~180%。积分时间常数 Z调试完成。 (3)确定积分时问常数£

积分时间常数乃一般不用设定,为0即可。若要设定,与确定K。和l的方法
相同,取不振荡时的30%。 (4)系统空载、带载联调,再埘PID参数进行微调,直至满足要求。 总之,在整定时不能1止系统出现发散振荡。如出现发散振荡,应立即切为手 动,等系统稳定后增大比例、积分时问或减小微分时间,重新切换到自动。

第5章PID算法

比例带越大,过渡过程越平稳,但余差越大。比例带越小,过渡过程容易发 生振荡。积分时间越小,消除余差就越快,但系统振荡会较大,积分时间越大,
系统消除余差的速度较慢。微分时间太大,系统振荡次数增加,调节时间增加, 微分太小,系统调节缓慢。

5.5

PID控制算法的软件流程图
增量式PID控制算法的程序流程图如下:


图5.4 PID算法程序流程图

5.6小结
通过对PlD算法的分析和公式的推导,采用增量式PID算法能够更好地将算 法和实际系统结合起来。

系统负载性质的灵活性反应了PID参数的灵活性,即不同的系统负载,则

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PID参数也就不同。 总之,PID算法作为一种经典的控制算法已经广泛地应用于各行各业中。将 该算法引进到电源控制行业体现了PID算法的优越性。

第6章通信协议

第6章通信协议
在本系统中,涉及两个通信,一是DsP板与上位机的通傣,另一个是DsP
板与ADC板的通信。

6.1与上位机通信
DSP与上位橇通信采用的是RS232近距离通信方式。控制器通过电缆连接
本地PC,用于监控、系统参数配置、故障诊断和DSP软件的现场调试。 RS一232蜀采用DB.9 M,管脚定义为:

表6_l

RS.232接口定义

名称

信号方向(以控 制器为基准)

说明

l 2 3 4 5 6 7 8 9

NC RS-232RX RS,232 TX NC GND NC NC NC NC lN 0UT RS-232 data jnput

RS之32 da恤oupHI

为保证信号的准确性,本系统采用如下的通信格式。 上位机与下位机采用字符串翡形式通信,~个字符串由8个字节构成。 上位机发送数据祯格式:

引字}j誓嚣l蓑磊严位R R霄
1 2

J高8位I低8位l









字头1为数据0XAA: 字头1为数耀OX55;

校验位=(字头1+字头2+数据高8位+数据低8位)lIoxooFF
字尾1为数据OxFF;

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字尾2为数据Ox55: 字尾3为数据0)(FF: 下位机发送数据祯格式:

l字头


字头

数据 高8位

数据
低8位

校验位

字尾


字尾


字尾


字头1为数据Ox55; 字头1为数据0xAA;

校验位=(字头1+字头2+数据高8位+数据低8位)IIoxooFF
字尾1为数据0x55;
字尾2为数据OxFF: 字尾3为数据OX55;

6.2控制板间通信
控制板间通信即DsP板与ADc板f'日J通信。ADc板将采得的信号经过一阶
数字滤波后发给DsP。

采用sPI方式,FPGA为主机,AD7678为从机,通信速率为60K;

第7章系统初步测试

第7章系统初步测试
本系统所设计电源为5A25V规格。 l测试条件: (1)测试设备:4位半的数字表、6位半数字表(带存储功能)、100M的数 字示波器。 (2)测试环境:常温条件。 (3)测试平台:半桥5A25v数字电源,半桥5A25v模拟电源。 2测试目的: 电源预热30分钟后全面测试数字化电源的实际性能与模拟电源的实际性 能。 3测试方法 (1)全量程电压精度一电阻负载; 测试电压范围从OV~25V全范围内任意抽取10个点比较。模拟电源反馈

值采用4位半数字表测试,数字电源反馈值直接从上位机读出,量纲对应为:
2.5V~25V。测试结果如下表。

表7.1

模拟电源与数字电源精度比较表

I设定值(v)
O.1 O.2 013 12.0 12.5 13.O 23.O 23.5 24.0 24.5

数辛电源实际输出值(v)
O.0884 O.1987 0.2955 12.002 12.497 13.011 23.002 23.505 24.060 24.506

旅抽^电源实际输出值(v)
O.0000 O.1325 0.2882 12.064 12.552 13.045 23.353 23.557 24.082 24.540

测试所取的点分布在三段,低电压、中问电压和高电压。从表中可以看出, 对数字电源而言,全范围精度在万分之五内,高端和低端都比较线性;对于模拟

电源而言,低端和高端比较差,中间段较好,精度在千分之一内。
(2)电压稳定度测试一电阻负载; 在常规条件下,对数字电源和模拟电源用6位半带存储功能的数字表做稳定
41

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性测试。测试时间12小时,每1秒取一个采样点。将采样值转化为曲线。如图
7.1。 麓嚣曩互盈互图墨滋曩盟露臻嚣裁翳翳缀黧鬻黧缀荔缀鬈荔鬃缀缀缓i%滋荔,茏。繇÷缓。om兰』
£c. :4’Z.?f t,p。}t%?i÷rt}h1托扛-t*r∞怫,B?:,

壤羔璺j。二j

蠢二心兰兰j:二』一。,…墨
l………,。

隧箍鍪塾薹藿数壁釜酗!!曼!业!£’==:::]:L i——一
蜘z驰j

”∞嘶



:£

i≯0j ji~…?另囝c。 图7.1

数字电源与模拟电源稳定性曲线图

图中绿色曲线为数字电源曲线,蓝色为模拟电源曲线。从图中可以看出,数 字电源稳定性比较好,模拟电源经常出现尖峰。 (3)模拟电网扰动后稳定度一电阻负载; 对输入端用调压器模拟电网扰动,用6位半带存储功能的数字表做稳定性测 试。测试时间12小时,每1秒取一个采样点。将采样值转化为曲线。如图7.2。
匦墨口囵盈墨田窿暖口重墨弱墨掘墨整蔼鏊荭霞鳖餮鬣鬣瀣缨戮琵缀笏缓§荔豢嚣荔麓荔缓缓荔纛藏;到到
F..e

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■:

图7.2

数字电源与模拟电源电网扰动稳定性曲线图

图中黄色曲线为数字电源曲线,绿色为模拟电源曲线。从图中可以看出,
42

第7章系统初步测试

数字电源相对模拟电源来.既,扰动比较小。 (4)模块替换测试; 模块替换测试即:对数字电源,将DSP板和AD板取出放入另外一台同

规格的半桥5A25V电源主回路中;对模拟电源,将模拟调节板取出放入另外
一台同规格的半桥5A25V电源主回路中。测试电压范围从0V~25V全范围内 任意抽取10个点比较。模拟电源反馈值采用4位半数字表测试,数字电源反 馈值直接从上位机读出,量纲对应为:2.5、k25v。测试结果如下表。

裹7-2

模拟电源与数字电源兼容性精度比较表

设定值(v)
0.1
0.2 0.3 12.0 12.5 13.0 23.0 23.5 24.O 24.5

教荦电源实际输出值(v)
0.0882
O.1981 O.2935 12.099

髑日H也源实际输出值(v)
O.0000
O.0000

0.0000
10.754 11.556 11.837 21.55l 22.057 22.056 23.842

12.490
13.012 23.008

23.511
24.015 24.521

从上表可以看出:数字电源有非常好的替换性,而模拟电源几乎没有替 换性,换主回路后,即需要重新调节参数。

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结论
奉设计方案已经用于输出功率为500瓦内的电源系统中。从前章对5A25V 电源系统初步测试可以得出,无论从精度、稳定度还是替换性等方面,数字电源 都明显优于模拟电源,表现在: (】)精度测试。在整个范暖内,数字电源的精度都在万分之一以上:而模 拟电源在低端部分(Ov一5v)和高端部分(20V一25V)精度==1i到千分之一,只有 中间部分(10v一20v)电惩精度才这至4千分之一。 (2)长期稳定性测试,输出电压10v。在12小时的对数字电源和模拟电
源长期稳定性测试后,

从凿线可以看出,数字电源几乎没有尖蜂,没有髟b交;

模拟电源的线性度较差,且经常有尖峰出现,跳变大。 (3)电网电压波动测试。对于开关电源来说,在网压波动的情况下测试稳 定度是…个重要的环节。从测试曲线可以看出,在网压波动时,数字电源跳动的 峰.峰幅度较模拟电源的峰.峰幅度要小。 (4)模块替换测试。对于攒遂产品而言,产品的模块能够相互蛰换是根重
要的一环。对于数字电源,负载决定PID调节器的参数,只要是相同的负载,

PID参数是相同的,对于不同的负载,系统也很容易调整参数。而模拟电源,只 要元件定了,参数也就定了。对于相同负载的批量产品,数字电源就可以替换,
而模拟电源则需要重新调整参数。

从几组测试的结果说明,模拟调节器的精度和稳定度主要依靠的是分立元件 的参数,但是分立元件的参数值会随着使用时间、温度和其它环境条件的改变而 变动并对系统稳定性和响应能力造成负面影响。 数字电源列刚好相反,调节器采用的是PlD控制算法,系统的精度和稳定度 不再依赖分立元件,依靠的是PJD参数,PID参数的整定是由负载决定的。同时 P国算法在稳定性和精度方面有很好的优越性。 对于高精度数字化电源来说(精度为万分之一以上),系统还有值得改进的
地方:

(1)主控器DsP2407的主频最高为40M,可将DsP2407改为同系列的 DsP2812,DsP2812的主频可达到150M。在此基础上,可以提高采样频率,提
高PwM波周期。同时DSP2812是32位的DSP,这样可以保涯系统更稳定,精 度更高。 (2)对于ADC板上的AD7678的电压参考源,TLV43l是一般普通的电源

参考器件,精度为干分之一内。将TLv431改为精度为百万分之一和温漂更小的 专用电源参考芯片,这样肯定会进一步提高精度和稳定度。
(3)本系统的印制叛做的是域面板。对于高精度的系绞,印制板做鲤层以 t可以更好的消除干扰,屏蔽噪声。

结论

本系统涉及电子、通信和测控等技术领域,将数字PID算法与电力电子技术、 通信技术和测控技术等有机地结合了起来。本系统的设计方案不仅可以用在电源
控制器上,而且还可以用在测控和数据处理等领域。

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致谢
回蓠三年来的求学经历,酋先我要恕对我精心指导的祝忠明老师致以最真 诚的感谢。 研究生学习期间,祝老师以他渊博的知识、严谨的治学态度、诲人不倦的指 导、崇离的敬业精神、朴实的工作作风给我树立了学习的榜样。祝老师理论实践 扎实且教学实践丰富,在学习中给了我很大的帮助。在毕业论文阶段,从选题、 材料准备及修改、直至定稿,都是在祝老师的指导下完成的。 在我三年的学习期间,谢兴红老师和林凡强老师给了我很多帮助。我的实践 能力得益于二位老烬的糟心指导。在这里,让我对二位老师表示我最诚挚的谢意。 感谢邹彬老师在实践上给我的大力帮助。 感谢成都大搏电气有限责任公司及其全体员工,他们为我的毕业论文提供了 硬件条件。没有他们,我的毕业论文是完不成的。 感谢在我读研究生期问本校所有的任课老师,我从他们那罩吸收了丰富的知
识营养和分析、解决问题的思路翻方法。 感谢成都理工大学对我的培养,衷心祝愿母校明天更辉煌。

感谢我的家人,他们默然的为我奉献。在此祝我的家人身体健壤,生活幸福。

参考文献

参考文献
【1】王茂飞等.TMS320C2000 DSP技术与应用开发.清华大学出版社.2007 【2】刘和平等.DsP原理及电机控制应用一基于1Ms320u砣40x系列.北京航空航天大学出 版社.2006 【3】汪安民.DsP应用开发实用子程序人民邮电出版杜~2005.

【4】张毅刚等.1MS320LF240)(系列DsP原理、开发与应用
社.2006 【5】高有堂.EDA技术及应用实践 清华大学出版社.2006 机械T业出版社.2007

哈尔滨工业大学出版

【6】姜雪松等.vHDL设计实例与仿真

【7】叶淦华.FPGA嵌入式应用系统开发典型实例 【8】徐光辉.基于FPGA的嵌入式开发与应用

中国电力出版社.2005 电子工业出版社.2006 设计电子工业出版社.2006 科学山版社.2004

【9】李洪伟.基于QI『A砌1ls II的FPGA/CPIJDl
【10】群芏著.PROTELDxP电路设计白金教程 【1l】唐清善.PR盯rELDxP高级实例教程 【12】【美】BENJAMIN c.KuO白动控制系统: 【13】胡贞控制J:科基础

中国水利水电出版社.2004 翻译版高等教育山版社.2004

国防J:业山版社.2006 电子丁业出版社2002

【14】尹勇等.DsP集成开发环境Ocs开发指南, 【15】历风满.数字PlD控制算法的研究, 【16】炅宏鑫.PID控制的应用与理论依据, 【17】刘道兴.PlD控制及程序实现方法, 【18】陈施华.PID控制器参数的自动整定,

辽。j1大学学报自然科学版.2005.4 控制T程.2003.1 内江师范学院学报.2005。12 雷达与对抗.20053

【19】史增树.1Ms320f2812在全数字开关电源中的廊用,现代电子技术.2006.13
【20】符晓玲.基丁DSP的数字PID控制器设计. 现代电子技术2007.7 电源技术.2002.8

【21】陈雷.锂离子蓄电池充电的数字比例积分调_|了算法, 【22】TMs320u鬯407A data manual 【23】ad7678 f24J s18“2 【25】s18442
data manual dafa manuaJ data manuaJ

【26】http:/~v、m ti.com
【27】http:/,WwWatme】.com
【28】hIIp:伽n^w
21ic.com

129】http:伽n^nⅣ.icbase.com 【30】http://w、v、Matmel.com

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