基于DSP2812的电源数字控制研究-电气工程

摘 要微电子集成技术的发展为电力电子控制技术提供了新的思路，由六十年代的分立元件发展到后来的集成电路、大规模集成电路、微处理器等，为功率变换的控制带来了极大的方便。由此产生的数字控制方法因其可重复性强、耐用性强、适应性强等优点，越来越受到人们的重视。本文采用数字信号处理器 DSP 建立数字控制平台，将开关电源的控制数字化，取得了良好的控制效果。本文的主体由三个部分组成，分别在第二、三、四章进行阐述。第二章介绍了 DSP 芯片的产生发展，对不同生产厂家生产的 DSP 芯片性能做了详细的介绍。本文主要使用了两种 DSP 芯片，分别为 Motorola 公司的DSP56F8323 和 TI 公司的 TMS320LF2407A。第二章在介绍过芯片性能之后，又分别就两种芯片的外围电路设计做了详细的介绍。最后对两种芯片的性能做了分析对比。第三章主要介绍单相功率因数校正的数字控制方法。首先简单总结了谐波污染对电网的危害，指出了功率因数校正的必要性，并且介绍了目前常用的功率因数校正控制方法。其次对单相功率因数校正功率电路中的主要元器件参数进行了设计和选择。最后建立了单相 Boost PFC 电路的数学模型，介绍了数字调节器的设计方法，并进行了仿真和实验验证。第四章主要介绍三电平逆变器的数字控制方法。首先，分析介绍了空间矢量控制在三相三电平逆变器控制中的应用，采用了一种简单的空间矢量算法，简化了实时计算。然后分析了不同空间矢量对直流电容电压的影响，提出了一种直流侧电容电压平衡的方法。最后对提出的算法进行了仿真验证。第一章为绪论，主要介绍了电力电子技术，电源控制技术，以及数字控制技术的发展情况，介绍了课题的研究背景和研究目的。第五章为全文小结，总结了整个课题的研究内容，并提出课题的沿继研究工作设想。关键词：数字控制，数字信号处理器，功率因数校正，三电平逆变器，空间矢量控制摘 要IIAbstractThe development of microprocessor provides a new method for switching mode power supply control digital control. Digital control has many advantages such as repeatability, durability, adaptability and so on. This thesis focuses on the study, implementation and improvement of a DSP based digital controller.This thesis mainly includes three parts, which are described in detail in chapter 2, chapter 3, and chapter 4 respectively.Chapter 2 introduces the development of DSP chips. There are two kinds of DSP chip used in this thesis Motorolas DSP56F8323 and TIs TMS320LF2407A. The hardware design of these two DSP chips is described in this chapter and the performance of these two DSP chips is compared at the end of this chapter.Chapter 3 focuses on the digital control of Power Factor Corrector (PFC). First, the damages of low power factor and the importance of PFC are presented. Secondly, the main parts of the hardware are designed and selected. Last, the control-to-output transfer function of Boost PFC converter is found. The parameters of digital adjuster are calculated. Simulink and experiment results prove the correction of the design.Chapter 4 focuses on the theory of Voltage Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM) and its control strategy. A fast space vector modulation algorithm for 3-level 3-phase converter is also described in this chapter. Simulink results prove the correction of the control strategy.Keywords: digital control, Digital Signal Processor, PFC, 3-level inverter, Space Vector ModulationIII目 录第一章 绪论 .11.1 电力电子技术概述 .11.2 数字信号处理概述 .21.3 课题背景和研究目的 .21.4 本文研究的主要内容 .3第二章 数字控制器的原理及硬件构成 .52.1 引言 .52.2 DSP 芯片的概述 .52.3 DSP56F8323 芯片及其外围电路设计 .72.3.1 DSP56F8323 芯片介绍 .72.3.2 DSP56F8323 外围电路设计 .92.3.2.1 供电电路 .92.3.2.2 BDM 调试工具 .102.3.2.3 复位电路 .112.3.2.4 串口电路 .112.4 TMS320LF2407A 芯片及其外围电路设计 .112.4.1 TMS320LF2407A 芯片介绍 .112.4.2 TMS320LF2407A 外围电路设计 .132.4.2.1 供电电路 .142.4.2.2 时钟电路 .142.4.2.3 存储器接口电路 .152.5 本章小结 .15第三章 数字功率因数校正 .193.1 引言 .193.2 功率因数和功率因数校正（PFC） .203.3 BOOST PFC 电路的控制方法 .213.4 数字 PFC 硬件电路设计 .233.4.1 PFC 主功率电路的拓朴结构 .233.4.2 主功率电路元件参数设计与选择 .243.4.2.1 设计要求 .243.4.2.2 升压电感设计 .243.4.2.3 输出电容选择 .25目 录IV3.4.2.4 功率管开关管和二极管的选择 .253.4.3 数字控制器硬件资源分配 .263.5 BOOST PFC 数字控制器设计 .273.5.1 电压环设计 .283.5.1.1 设计目标 .283.5.1.2 电压环功率级的数学模型 .293.5.1.3 电压环数学模型的离散化 .313.5.2 前馈电压 Vff 的计算 .323.5.3 电流环设计 .343.5.3.1 电流环功率级数学模型 .353.5.3.2 电流环数学模型的离散化 .353.5.4 数字 PI 调节器 .363.5.5 软件方案设计 .393.6 仿真与实验 .413.6.1 MATLAB 仿真 .413.6.2 系统实验 .433.7 本章小结 .46第四章 三电平逆变器的数字控制 .474.1 引言 .474.2 空间矢量三电平逆变器的控制方法 .484.2.1 三电平逆变器的工作模式 .484.2.2 空间矢量调制 .524.3 直流侧电压平衡 .564.4 硬件设计 .594.4.1 逆变桥主电路设计 .594.4.2 箝位二极管的选择 .604.4.3 输出滤波器设计 .604.4.4 功率模块驱动隔离电路 .614.5 仿真及试验结果 .614.6 本章小结 .63第五章 结束语 .655.1 全文小结 .655.2 进一步工作展望 .65参考文献 .67攻读硕士期间发表的论文 .70致谢 .71南京航空航天大学硕士学位论文1第一章 绪论1.1 电力电子技术概述 1,2,3电力电子技术（Power Electronics）是二十一世纪重要的关键技术之一。美国电气和电子工程师协会（IEEE ）对电力电子技术的阐述是：“ 有效地使用电力半导体器件，应用电路和设计理论以及分析开发工具，实现对电能的高效能变换和控制的一门技术，它包括电压、电流、频率和波形等方面的变换。 ”1电力电子技术的基本特点之一是能以小信号输入控制很大的功率输出，放大倍数极大，这就是电力电子设备成为强、弱电之间接口的基础。微电子和计算机技术的新成就，可以通过这一接口移植到传统工业产品，可以促使传统产品的更新换代。当今机电产品技术上的突破主要在于电子化。电力电子器件的另一个基本特点是工作于开关状态，正向压降低而反向漏电流小，从而在理论上保证了各类电力电子设备所共有的节能性能。我国缺电严重，另一方面却用电严重浪费，矛盾十分尖锐。电力电子技术的应用正是解决这一矛盾的有力措施 2。电力电子器件是电力电子技术的基础，电力电子技术是随着电力半导体器件的发展而发展的。从 1957 年以晶闸管为核心的传统电力电子技术阶段开始，到 70 年代后期可关断晶闸管、电力晶体管及其模块的问世，期间伴随着微电子技术和电力电子技术的发展与结合。其后出现的功率场控晶体管、绝缘门极晶体管等形成了一个新的全控型器件大家族。这些器件正沿着功率化、快速化、模块化和智能化的方向发展。在高电压大电流的应用中（如高压直流输电、无功补偿等） ，目前晶闸管仍占主导地位，在中小容量的电力电子设备中，IGBT 和 MOSFET 应用则比较广泛。电力电子器件和电力电子电路之间的关系十分密切，新器件的出现会促使电路达到新的水平，新的电路设计又反过来对器件提出新的要求。随着电力电子器件的功率化、高速化，电力电子电路的容量水平和工作频率不断提高，电能变换的质量也越来越好 1。应用电力电子技术构成的变流装置，按功能可分为以下几种类型 2：可控整流器 把交流电压变换成固定或可调的直流电压；逆变器 把直流电变换成频率固定或可调的交流电；交流调压器 把固定或变化的交流电压变换成可调或固定的交流电压；斩波器 把固定或变化的直流电压变换成可调或恒定的直流电压。电力电子技术是重要的支撑科技，据美国总统科学和技术顾问委员会提出，国家关键性的科技领域有七个方面：能源、环保、资讯与通信、生命科学、材料和交基于 DSP 的电源数字控制研究2通，每一领域无一不和电力电子有关。电力电子技术应用广泛，有着深远的美好前景 3。1.2 数字信号处理概述 4数字信号处理（Digital Signal Processing，简称 DSP）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20 世纪 60 年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、交换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。数字信号处理的实现方法一般有以下几种：1在通用的计算机（如 PC 机）上用软件（如 Fortran、C 语言）实现；2在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现；3用通用的单片机（如 MCS-51、96 系列等）实现，这种方法可用于一些不太复杂的数字信号处理；4用通用的可编程 DSP 芯片实现。与单片机相比，DSP 芯片具有更加适合于数字信号处理的软件和硬件资源，可用于复杂的数字信号处理算法；5用专用 DSP 芯片实现。在一些特殊的场合，要求的数字信号处理速度极高，用通用 DSP 芯片很难实现，例如专用于 FFT、数字滤波、卷积、相关等算法 DSP芯片，这种芯片将相应的信号处理算法在芯片内部用硬件实现，无法进行编程。在上述几种方法中，第 1 种方法的缺点是速度较慢，一般可用于 DSP 算法的模拟；第 2 种和第 5 种方法专用性强，应用受到很大的限制，第 2 种方法也不便于系统的独立运行；第 3 种方法只适用于实现简单 DSP 算法；只有第 4 种方法才使数字信号处理的应用打开了新的局面。DSP 芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时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 芯片一般具有以下主要特点： 在一个指令周期内可完成一次乘法和加法； 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； 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； 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； 快速的中断处理和硬件 I/O 支持； 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； 可以并行执行多个操作； 支持流水线操作，使取址、译码和执行等操作可以重叠执行。南京航空航天大学硕士学位论文31.3 课题背景和研究目的 4,5,6随着工业和科学技术的发展，用户对电能质量的要求越来越高。包括市电在内的所有原始电能可能满足不了用户的要求，必须经过处理后才能使用，电力电子技术在这种处理中起到了重要的作用。传统的开关电源控制多为模拟控制或模拟与数字相结合的控制系统，其缺点为：1控制电路的元器件比较多，体积庞大，结构复杂；2灵活性不够，硬件电路一旦设计完成，控制策略就不能改变；3调试比较麻烦，由于元器件特性的差异，致使电源一致性差，且模拟器件的工作点漂移，会导致系统参数的漂移，从而给调试带来不便。 因此，传统的控制方案在许多场合已不适应新的要求。 随着高速、廉价的数字信号处理器（DSPDigital Signal Processor）的问世，于是便出现了数字电源（DPSDigital Power Supply），其优点有:1数字化更容易实现数字芯片的处理和控制，避免模拟信号传递的畸变、失真，减少杂散信号的干扰；2便于系统调试，尝试各种不同的控制方法；3如果将网络通迅和电源软件调试技术相结合，可实现远程遥感、遥测、遥调。随着数字信号处理（DSP）技术的成熟和普遍，新一代的数字信号处理器(DSP)采用哈佛结构、流水线操作，即程序、数据存储器彼此相互独立，在每一时钟周期中能完成取指、译码、读数据以及执行指令等多个操作从而大大减少指令执行周期。另外，由于其特有的寄存器结构，功能强大的寻址方式，灵活的指令系统及其强大的浮点运算能力，使得 DSP 不仅运算能力较单片机有了较大地提高，而且在该处理器上更容易实现高级语言。正是由于其特殊的结构设计和超强的数据运算能力，使得 DSP 能用软件实现以前需用硬件才能实现的功能，也同样使数字信号处理中的一些理论和算法可以实时实现。数字控制由于其控制理论与实施手段的不断完善，且因为其具有高度集成化控制电路、精确的控制精度、以及稳定的工作性能，如今已成为功率电子学的一个重要研究方向，而且数字控制也是最终实现电源模块化、集成化、数字化、绿色化的有效手段。本文研究的内容是基于 DSP 的数字化开关电源研究，将数字化控制应用到AC/DC、DC/DC、DC/AC 等电能变换领域，验证了不同开关电源的控制都可以通过数字控制来实现，使得硬件平台具有更加广泛的通用性。控制技术研究的进展是推动开关电源性能和技术水平不断提高的基本因素之一，通过数字控制可以在同样的硬件环境下采用不同的控制策略，满足不同情况下的不同需要。 “小、轻、薄 ”是当今开关电源发展的主要趋势，数字控制的应用大大简化了基于 DSP 的电源数字控制研究4控制电路，因此也成为未来开关电源的发展方向之一。1.4 本文研究的主要内容针对本文研究的内容，对 TI 以及 Motorola 的 DSP 进行了详细的介绍以及功能的比较；设计了两个公司不同型号 DSP 的外围硬件电路；深入研究了平均电流型PFC 控制方案，将其算法数字化，并移植到 DSP 进行数字控制；设计了 Boost-PFC主电路，提出了电路器件的设计方案；深入研究了 SVPWM 控制三电平逆变器控制方法，对算法进行了仿真；设计并调试完成三电平逆变器的硬件电路及其控制软件。本文第二章阐述了 DSP 芯片的特点及其在电力电子领域的应用。其主要内容包括：1.DSP 芯片的结构特点及应用领域；2.TMS320LF2407A 的性能特点及其外围电路设计；3.DSP56F8323 的性能特点及其外围电路设计；4.对不同型号 DSP 的优缺点进行总结，对其性能进行比较。本文第三章阐述了 DSP 在 AC/DC 领域的应用，详细介绍了基于 DSP56F8323的 Boost-PFC 电路硬件及软件设计。其主要内容包括：1.Boost-PFC 硬件电路设计；2.Boost-PFC 电压调节器，电流调节器的设计； 3.Boost-PFC 软件结构设计以及资源规划；4.试验结果及总结。本文第四章阐述了 DSP 在 DC/AC 领域的应用，详细介绍了基于TMS320LF2407A 的三电平逆变器硬件及软件设计。其主要内容包括：1.三电平逆变器的硬件电路设计；2.SVPWM 控制三电平逆变器的控制思路及其算法，并且用MATLAB 进行仿真。本文第五章对全文进行了总结，并对进一步的研究工作进行了展望。南京航空航天大学硕士学位论文5第二章 数字控制器的原理及硬件构成2.1 引言随着控制策略与控制实现手段的不断发展和完善，尤其是数字信号处理技术的飞速发展，功率电子学的数字控制技术有了更广阔的发展空间，实践证明，采取数字控制技术不仅是实现功率电源模块化、集成化、小型化的必然手段，同时还具有控制精确、工作可靠稳定、损耗低效率高等优点，因此是目前电力电子发展的一个主流方向。在本文后述的 AC/DC，DC/AC 变换器中，都将 DSP 作为系统的控制核心，验证了 DSP 在电力电子领域的广泛应用，当被控系统发生变化时，只要设计好功率电路与控制电路的接口，无需更改控制板，只需要在 DSP 中装入新的程序即可，例如在 Boost-PFC 电路中使用的控制板与其后级 DC/DC 电路的控制板就是完全一样的，可以互换使用。另一方面，对于同样的功率电路，如果希望变化控制策略，只要编写新的程序，硬件方面根本不需要改动。2.2 DSP 芯片的概述 4,7,8数字信号处理系统具有如下优点：(1) 接口方便。DSP 系统与其它以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的；(2) 编程方便。DSP 系统中的可编程DSP 芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级；(3) 稳定性好。DSP 系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小，可靠性高；(4) 精度高。一个简单的 16 位数字系统可以达到 10-5 的精度；(5) 可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化影响比较大，而数字系统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产；(6)集成方便。DSP 系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。 4DSP 芯片与普通 CPU 的区别在于： 7基于 DSP 的电源数字控制研究61普通 CPU 做乘法和加法都要调用相应的乘法、加法函数；做循环时要有循环变量，每次循环变量加 1 后再判断是否已经循环了 n 次这一过程是比较慢的。而DSP 则在硬件设计上针对这类计算采取了一些独特的设计，以求最快的运算速度，以至于趋于模拟电路的延迟时间。DSP 能在一个时钟周期内完成加法和乘法运算。在乘法的指令执行方式上，DSP 的小数乘法在算法上分定点算法 DSP 和浮点算法 DSP。在定点类 DSP 中小数点的位置是固定的，不论定点的还是浮点的 DSP，乘法器都是用硬件逻辑完成的，乘法可以在一个指令周期内完成。在循环方面，DSP 有诸如重复 n 次（repeat n）或循环 n 次（do loop n）等指令，使 DSP 能迅速完成 n 次循环，而不必每次都检查是不是已经循环了 n 次了。2DSP 采用哈佛结构，而传统 CPU 多采用冯诺曼结构（Von Neuman） 。冯诺曼结构指的是将程序与数据统一编址，不区分存储器的程序空间和数据空间；而哈佛结构是将程序空间与数据空间分开编址，这样在 DSP 处理数据空间运算与数据传输的同时可以并行地从程序空间