（通信与信息系统专业论文）基于dsp和fpga的数字化开关电源的实用化研究.pdf

摘要 基于d s p 和f p g a 的数字化开关电源的实用化研究 作者简介：李夕红，男，1 9 8 2 年1 月生，师从成都理工大学祝忠明副教授 2 0 0 8 年0 6 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d s p 、a s l c 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8 0 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d s p 和f p g a 的数字化p i d 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d s p 技术和f p g a 技术来做 数字化p i d 调节，通过数字化p i d 算法产生p w m 波来控制斩波器，控制主回路。 从而取代传统的模拟p i d 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p i d 调节后分立元器件构成，采用 专用脉宽调制芯片实现p w m 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d s p 板和a d c 板组成。d s p 板完成p w m 生成、p i d 运算、环境开关量检 测、环境开关量生成以及本地控制。a d c 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f p g a 来控制a d c ， 这样就避免了高速采样占用系统资源的问题，减轻了d s p 的负担。d s p 可以将 读到的a d c 信号做p i d 调节，从而产生p w m 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p i d 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 p i dd s pf p g a a b s t r 甚c t t h e p r a c t i c a ir e s e a r c ho f t h ed i g i t a ls w i t c h i n gp o w e r s u p p l yb a s e do nd s p & f p g a i n t d u c t i o no ft 王l ea u 抽o r ：x i h o n 乎l i ，m a l e ，w a sb o mi n 妇n ，l9 8 2 ，h o s et t o r w a sp r o f e s s o r z h o n 留r i l i n g - z h u h e 伊a d u a t e dn d mc h e n g d uu 1 1 i v e r s i t yo f 拙o l o g y 证c o n u n u n i c a t i o na n dj n f o 玎n 撕o ns y s t 嘲m o ra n dw a s 铲a n t e d 如e m a s t e rd e g r e ei nj u n e 2 0 0 8 a b s t r a c t 1 两sp a p 盯p r e s e n t st h ed e v e l o p m e n to f b a c k g r o u n d ，w 1 1 i c hh o l dt h ei d e at h a tt h en o w w i d e l yu s e ds w 娃c b i n gp o w e rs u p p l ya r cb 鑫s o d 曲t h el r a d i t i o n a lf o m lo f d i s c f e i ec 。m p o n 跖t s ni sc h a r a c 【e i j z e d b ym r r o wf e q u a l c yr a n g e ，s m a l lp o w e r ，l c s s 劬c t i o n a l ，m u l t i - d c v i c e ，1 1 i g h c o s t ，l o wa c c u f a c 孔 t o 南塌lt h ed i f f l 盯朗tr e q u i r e m e m so f 娜s l o m e r sw i t hd i f f 矗e n tp 川u c t s ， a tt h es a m et i m e ，i ta l m o s th a sn o tc o m m o da 玎dp 雠a b i l i t y t o d a y ，i nt h er a p 证d e v e j o p m t o fe l e c t r o l l i ct e c h n 0 1 0 9 y ，t h i sl n d i t j o n a la n a l o gs w i t c h i n gp o w e rh a sb e c i ld i m c u l tt ok 唧 u p w i t h t k p a c e o f t h e d “e l o p m e l l to f t h e t i m e s w i t ht h es m a l l e r 锄dh i 曲e rs p e e do fd s p ，a s i c ，a n do t h e rs m a l le l e c t r o 戚cd e v i c t h es w i i c h i i l gp o w c rs u p p l yc o n t r o 】i sm o v et ot l l ed 塘i t a 】d i r e c t i o i i lv i n i l eo fd i 画t a l ，i t s p o s s i b 重et om a k et h es w 矗c h i n gp o w e rs u p p l yi n t e j l i g e n t ，t b ec o n 擎o n e n tc o m m o i l p o w e 埘v e s i i l l o t t 他o f 托m o t e m o i l i t o r i n g i n v i n u e o fd i g i t a l ，a n d b e c a u s eo f t t s h n e l l i 鐾e n t ，a n d 岫 c o m m o np a n sm k i n gi lm en e x i b i l i t yt or 嚣p o n dt od e m a 们o fd i f f c r e mc l l s t o m e r s ，w l d c h r e d u c e dt h ed e v c l o p m e n tc y c l ea n dc o 缸r e l yo nm o d 髓1d 蝤t a lc o n l f o l 锄d 出g i l ds i 韶a l p r o c e s s i n gt c c h n o l o g y ，d i g j t a ls w i t c k n gp o w c rs u p p l yh a sab r o a ds p a c ef o rd c v e l o p m e n t bt 1 1 ed i 西t a l 壬i e l do ft o d a y ，t h ep o w e r 矗d di s 抽e1 a s tn od i g i l i z e1 1 1r e c e n ty e a r s ，t h e 曲u d yo fd i g i t a lp o w e fa n dr e 辄l t sa r cm o r ea n dm o r e 。舢t h o u g h ，c 珏珏a 懈d ep o w c rs w n c h 嚣 o c c u p ym o r ct h a n8 0p e r c e n t so ft h ew o r l dm a r k e t ，t l l e ya r er d a t i v e l yl o w e n dt r a d i t i o n a l a n a l o gp o w 盯w eh a v en o t l l i n gi nh i 曲一e n dm a r k e t ， t h i sp a p e ri n t r o d i l c e dan e wd 画t a lr e g i l l a t o r 纠a nn 8 m e l yd s pa n df p g a - b a s 甜d i 西l a l p 【dr e g u l a t o r w j l i c hw a so nt h eb a s i so ft h et r a d i t i o m la n a l o gs w “c h i n gp o w c rs u p p j y r e g i l l a l o r tl l lt l l i sp a p 啦t 沁c i 心u i t sa n dt h es y s t e ms o l u t i o n sw e 抟s p e c 主d e s i 辨e d ，粕dg o ta e x p e c t 。dr e s m t 恤_ o u 曲s o m et e s t s t 啾s 出o w e dt h a tt h es y s t e r n 蹦“o n sc a nk e e pp a c eo f l h ed e v e l o p m e l l to ft h ei n d u s t r y ，i ta l s o 咖d et h ec i r c u i l ss i m p l e r ，h i g h e ra c c u r a c y ，m o m u n j v e r s a l ba 醐j t i o n ，瓶sp j a nc a na l s ob eu s 甜i 玎r c l a l e d6 e l d s f i r s t l y ，t h ep a p e ra n a l y z e di h ed e v e l o p m e n to fd o m e s t i ca n di n t e n l a t i o n a ls t a h j sq u o o ft h es w i l c h i n gp o w e rs u p p l y ，a n dt h es i g n i n c a n c eo fs t u d y i n gt h ed j g i t a ls w i t c h i n gp o w e r s u p p l y ，t h b 五n gu pt h ed 画t a ls w i 重c h i n gp o w e rs u p p l yd e s j 辨d i a g r a ma n dt h e8 c h i “锄e n t o fi h ep l a nw e r ei n t r o d u c e d ，i nt h em 鼬n t i m ei tm a d ead e t a i l e dc o m p a r i s o nb e t w e 饥t h e t 翔d n i o n a ls w i t c h i n gp 。w 盯a n dt h ed i g i 8 ls w i t c h i n gp o w e rs u p p l y t h i sp a p e r sd e s i 驴p l a n i su s i n gd s pa n df p g a 把c h n o l o g yl od od j g i t a jp i dr e g 啊a t o f ，c o n t r o iaw a v ep w m c h o p p e r 】i l 成都理_ 【大学硕士学位论文 a n dt h cm i l lc h 血t h r o u 曲d i g i t a lp a l g o r i t h ms ot h a tc a nr 印l a c et r a d i t i o n a la n a l o gp ) r e 昱：u l a t o r ，m a k et l l e c i r c i l i tm o r es i m p l e ，m o r ep r e c i s i o n ，m o r eu n j v e r s a l t h et r a d n i o n a l a m l o gs w i t c l l i n gp o w 盯s u p p l yi s n l a d eu po fd i s c r c t ec o m p o n e l l t sa r 盯t h er e g i l l a t i o no f f e e d b a c ks j 印a lt oc u n 蜘ta n dv o l t a g e ，u s i n gs p e c i a lp u l s er e g l l j a t o rc l l i pt oa c l l i “ep w m c o n t r o l ，t h ec u r r c n tf e e d b a c ks i g n a lc o m e 丘d mt h em i l lc i r c i i i to ft h ec t m p l i t l v 0 1 t a g ef 曲d b a c ks i 印a l sc o m e 舶mt h em a i nc i r c u i tv 0 1 t a g es a m p l i n 晷t h et w os i 驴a l sw e r c t h e ns 即tt ot h ec u n 蜘tr c g l l l a t o ra n dv o l t a g er c g i l l a t o ro f t h er p - j n p u t ，t oa c l l i e v ec l o s e d - l o 叩 c o n t r 0 1 a tt h es a m et i m ei tc a ne 1 1 s u r ct h es t a b i l i t yo f t l l es y s t 锄，r e a l i z et h ep m t e c t i o no f t h c o v 目- - v 0 1 t a g ea n do v e r - c u n 即t ，a n ds h o wt h ev a j u eo fv o l t a g e 锄dc u r r 蜘tt h e 百v 吼v o l t a g e a n dc u 丌ms j 印a l sw e r eo 脏r b yt h es c mo rp o l e n t i a l t h i r d l y ，l h ep a p e rm a d eac a r e f m l ya n a l y s i sa n dd e s i g i l i n gi nv a r i o u sm o d u l e sf 而mt h e t h e o r d i c a la n dp r a c t i c a l ， g a v eas p e c i f i cc i r c u i t ，a n dw r o t es o m es o f t w a r ef l o wc h a f t sa 1 1 d d e s i 印p 】a c e si nw h i c hs h o u l db e e l lp a i da t t e i l l i o nt o t h ee i l i i r es y s t e mi sc o m p o s e d0 fd s p b o a r da n da d cb o a r d n l ed s pb o a r dc o m p l e t e dp w mg e n e r a t i o n ，p i dc o f n p u t i n g ，l h e d e t o c t i o no fe n v i r o m n e n ts w i t c h ，t h ee n v i r o l l i l l e n ts w i t c hg i ：n c r a t i o na n dl o c a jc o n t r 0 1 t h e a d cb o a r dm a i n l ya c h i e v e dl h ea c q u j s i t i o no ft h em a i nf c e dv o l t a g cs i g n a l ，l o a dv o l t a g e s i 印a l ，j 0 a dc u r r e n ts i 印a la n dl h e 缶s t i o w - p a s sn l t e rw i l hs i 印a 1 ，s 访c et h ee n t i r es y s t 铷i sa c l o s e d 一1 0 0 pc o n t r o ls y s t e m ，t h es a m p l j n gr a t em u s tb eq u i t e1 l i 曲t h es y s t e mu s e df p g at o c o n 仃o l l h ea 】d cs ol h a ti ta v o i d e dl h ep r o b l e mo fk 9 1 1 - s p e e d 锄p l i n go c c u p y i n gt h es y s t e l l l r e s o u r c e s ，r e d u c e dt h eb u r d e no fd s p t h ed s pc a l lr e a dt h ea d cs i 印a l 锄dd 0p d r e g u l a t i o ns ot 1 1 a tt h ep w m w a v et oc o n t r 0 1t h ei n v e r t e rb d g es w i t c h i n gr a t e ，a sar e s u l t ，t h e c 1 0 s e d l o 叩c a nc o n t r 0 1 f i n a l ly t h ed i g “a ls w i t c h i i l gp o w e ra n da n a l o gs w i t 咖n gp o w e rs u p p l yw 盯et e s t e db y s o m ec o m p a r i s o n s ，a n d 血g o tae ) 畔c t e dr e s u l t i nc o n c l u s i o n ，i tp o i n t e do u t m ep l a c e s w h i c hn c e dt oi m p m v e ，a n ds h o w e dt h a tn 缸sp l a nc o u l dw i d c l ya p p l ymt h er e i a t e dn e l d s a n a l o gc o n t r o lc i r c u i tn e e dm u c hs p a c eb c c a u s eo fu s i l l gm a n yc o m p o n e n t s ，t h e s ep a r a m e t 盯 o fp a n sw i l 】b ea l t e r c dw i t ht h ec h a n g eo f t i m e ，t e l l l p e r a t l l r ea n d0 t h e re 1 1 v i r o 衄e n t a l c o n d i t i o n s ，a n dm a k ean e g a t i v ei m p a c it ot h es t a b i l i t ya n di 砌1 u e n c eo fs y s t e r n d i g i t a l p o w e ri se x a c t l yt h eo p p o s i t c ，s i m u l l a l l e o u s l y ，d i g j t a lc o n t r o lc a n 丹e q u e n t l yr 印e a t e du s i n g h a r d w a r e ，a c c e l e r a t et h et i m e t o - m a r k e ta n dr e d u c et h ed e v e l o p m e l l tc o s t sa n dr i s k s u n d e r t h ec u r r e n tr e q u i r e m e n t so ft h es m a l li ns i z e ，i i l t e l l i g e i l c e ，c o n ，h i g ha c c u m c ya n d s t a b i l i t yf 打g o o d ，t h ed j g i t a ls w i t c h i n gp o w e rs u p p l yh a sab r o a ds p a c ef o rd e v e l o p m e n t b a s i c a l 】yt h es y s t e mr e a c h e d t h cd e s i 印r e q u i r e m e n t 卸dm e e ti h el l i g l i a c c u r a c yd e s i 印 r e q u i r e m e n t s b u ta l s oh a dm a n yi m p r o v e da s p e c t ss u c ha si m p r o v i n gt h em a s i c r ，t h e a c c u r a c yo fr e f e r e n c ev 0 1 t a g ea n dt h ea c c u r a c y0 fs a m p l i n gd e v i c e s ，a a b o v ec a ni m p r o v e t h ea c c u r a c y ， t | l i ss y s t e mi n v o l v e de l e c t r o n i c s ，c o i n m u n i c a t j o n sa n dm o i l i t o r i n gn e l d s ，i tc o m b i n e d t h ed i g i i a lp i da l g o r i t ，t h ep o w e ro fe l e c t r o n j ct e c h n o l o g ya n dc o r n m u n i c a l i o n st e c h n 0 1 0 9 y t h es y s t e i i ld e s i g nc a nb eu s e dn o to m yi nt h ep o w e rc o n t m l l e lb u ta l s oi nt h er e l a t e dn e l d k e y w o r d s ：d i g i t a ls w i t c l l i n gp o w e rs u p p l y p md s pf p g a 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一1 1 1 趾d 矿年产月止tf 1 第1 章引言 1 1 背景知识 第1 章引言 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2 0 3 0 ) 、效率 高( 一般为6 0 7 0 ，而线性电源只有3 0 4 0 ) 、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d s p 、a s i c 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8 0 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1 r i 和m i c r o c h i p 即德州仪器公司和微芯国际公司。t i 公 司既有数字信号处理( d s p ) 方面的技术优势，又兼并了p w mi c 顶级的专业制造 商u n i t r o d e 公司，所以它们合并在一起最具有技术实力。1 r i 公司已经用d s p 的1 m s 3 2 0 c 2 8 f 1 0 制成了通讯用的4 8 v 输出大功率电源模块。其中p f c 和p w m 部分完全为数字式控制。现在，t l 公司已经研发出了多款数字式p w m 控制芯 片。目前主要是u c d 7 0 0 0 系列、u c d 8 0 0 0 系列和u c d 9 0 0 0 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d s p 技术和f p g a 技术，通过p 1 d 算法产生p w m 波 来控制斩波器，控制主回路，形成数字化p i d 调节器，从而取代传统的模拟p i d 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d s p 技术和f p g a 技术来做数字化p m 调节，通过数 字化p i d 算法产生p w m 波来控制斩波器，控制主回路。从而取代传统的模拟p i d 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( p i d 调节) 及p w m 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p i d 调节器 其基本工作原理是：将电流电压反馈信号做p i d 调节后分立元器件构 成，采用专用脉宽调制芯片实现p w m 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 d s p 和f p g a 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。 3 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 d s p 是整个系统的核心部分，完成p i d 算法的处理、p w m 信号的给出、发 同步信号给f p g a 、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f p g a 来控 制a d c ，这样就避免了高速采样占用系统资源的问题，减轻了d s p 的负担。d s p 可以将读到的a d c 信号做p i d 调节，从而产生p w m 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。d s p 板和a d c 板。d s p 板完成p w m 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。a d c 板主 4 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d s p 2 4 0 7 控制部分 图3 1 是整个d s p 控制回路结构框图。 开 3 1d s p 简介 图3 1d s p 控制回路结构框图 d s p ( d 诤t a ls 培n a lp r o c e s s o r ) ，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d s p 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d s p 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。 6 第3 章d s p 2 4 0 7 控制部分 d s p 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d s p 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，d s p 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r a m ，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 2d s p 2 4 0 7 a 特点 在众多的d s p 厂商中，美国t i 公司是当今世界最大的d s p 厂商，其产品可 分为定点d s p 、浮点d s p 、多处理器d s p 和专用d s p 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。1 r i 公司推出的t m s 3 2 0 系列d s p 是目 前世界上最有影响力的主流d s p 产品，是应用于测控领域的最佳1 6 位定点d s p 。 其中最具革命性的产品为u 屯4 0 7 a ，是当今世界集成度最高、性能最强的运动 控制d s p 芯片，处理速度可达4 0 m i p s 。1 m s 3 2 0 c 2 4 0 7 a 内部不但有高性能的 c 2 x x c p u 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。 t m s 3 2 0 c 2 4 0 7 a 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。 t m s 3 2 0 c 2 4 0 7 a 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 ) 1 6 路的1 0 位a d 转换器； ( 2 ) 4 1 个可独立编程的多路复用加引脚； ( 3 ) 两个事件管理器e v a 、e v b ，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e v a 、e v b 包括有如下资源： a2 个1 6 位的通用定时器： b8 个1 6 位的p w m 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p w m 死区控制。 ( 5 ) 串行通信接口( s c i ) 模块： ( 6 ) 串行外设接口( s p i ) 模块； ( 7 ) 带锁相环( p l l ) 时钟模块； ( 8 ) 5 个外部中断； ( 9 ) c a n 2 o 模块； ( 1 0 ) 看门狗( w d ) 定时器模块； ( 1 1 ) 可扩展的1 9 2 k 字的空间，分别为6 4 k 字的程序存储器空间、6 4 k 字 的数据存储器空间和6 4 k 字的i o 空间； ( 1 2 ) 用于仿真用的j t a g 接口。 3 3d s p 2 4 0 7 的p w m 波 p w m 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p w m 载波周期，其倒数叫做p w m 载波频率。p w m 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 p w m 波的占空比输出来调节i g b t 的通断频率，从而控制输出电压电流值。p w m 波输出框图如图3 2 所示。 圆1 寸匝亟) 图3 2p w m 波捧静l 框图 3 3 1p w m 信号的产生 为了产生一个p w m 信号，需要一个合适的定时器重复产生一个与p w m 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p w m 信号。 用事件管理器产生的p w m 波形发生器的特性可概括为如下： ( 1 ) 5 个独立的p w m 波输出，其中3 个由比较单元产生，2 个由通用定时 第3 章d s p 2 4 0 7 控制部分 器产生，此外，3 个比较单元的p w m 波形输出还会产生3 个附加的p w m 输出； ( 2 ) 3 个比较单元相对应的p w m 输出对，带可编程死区： ( 3 ) 最小的死区时间宽度为一个c p u 时钟周期： ( 4 ) p w m 的最大分辨率为1 6 位； ( 5 ) 最小的p w m 脉冲宽度和脉宽的增减量为一个c p u 时钟周期； ( 6 ) p w m 载波频率的快速变换； ( 7 ) p w m 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c p u 的负担最小： ( 1 0 ) 能够产生可编程的非对称、对称和空间向量p w m 波形。 图3 4 是p w m 波形产生电路。 c o m c o n a 【1 l 1 3 】 比较n 波形发生器 匹配il 一 6 p t l 标志l c o m c o n a 【9 】 三峰乖坠胖 攀h 同志而 a 1 i c r a 【1 2 巧】 d b 0 0 n a 死区定时器 榨制寄存器 图3 - 4p w m 波形产生电路 a t c i t a 全比较动作 控制，寄存器 由上图可知，p w m 电路包括如下功能单元： ( 1 )对称非对称的波形发生器； ( 2 ) 可编程的死区单元： ( 3 )输出逻辑； ( 4 )空间向量( s v ) p w m 状念机。 比较单元的p w m 波形发生器和相关p w m 电路受以下控制器控制：t 1 c o n 、 c o c o n a 、a c t r a 和d b t c o n a 。 p w m 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a c t r x ： 9 成都理一大学硕士学位论文 ( 2 )如需死区，则设置和装载d b t c o n