（通信与信息系统专业论文）基于dsp的交流恒流源的仿真与实现.pdf

硕士论文基于d sp 的交流值流源的仿真与实 现 abs tract withthe rapidds v e l o pment ofpower ei e c t r o ni csan d the mcreasing re q u irem e ntfor the perfon 旧 a n c e ofeq山 p m e n t c o n tr d l s y s t e mine v 曰 守w a lk ofli fe ， the d e iy 妞 叮 d s tod e c t 万 c p wer are 吨 汕d itsposi ti onatel e c tl o ni c eq滋 p m ent is卜 沁 o m in g m o r e and m o r e u n po比 劝 t . c o nseq 此ntiy，th e 伽rtherre se 田 rc htoel e c tric po叭 七 r b asm u c bm e 别 田 口 gand p 献u 口】 i tyv a l u e . 几e s p wmai g o n t 加 mus . d inp re se n t m v e 晓 姆m o d u l ationw a s di s cusse d ino urst u d y ， 胡 dthe al gori t b mwass i m ul a l ed 妙 5 如u l 劝 改kit inmatlab. t h j s p al ” r p r e sentsthe 加p l e m e n ta l i o no f a cc o 理 难 川 t c u 幻 限 泊 t s o ur c e b as edo n d sp. u s ing the aigo ri 血nof m 司ul ati叽 a n . m e r 川 1 0 nofs i ne fi l” 比叽 r e al t 如e别 ” n p i 吨 c ycle ， vol tage 别 叮 p li 抚 日 e 9 。口 成 e比 a l t 如es p wm w a v e s ， 由 即 即 c essin gln l e l li gentp o 叭 爬 江m o d u l (ip娜 a 6 er amnli斤 吨 the p w 丫w ave to， ” u p l e c u 盯 e ntsi gda 】 w i th6 ber o p t l c c 理 rr ent se n 0 胡 d 皿因币 呢the a dmodule tor e 即l ate 玩ordertop r o v idethe co n tr o l for o u t p utc u n 笼 泊 t an d 面e l l i 邵 拍 t c o n tr o l s y st e mofcons 加 口 t c 侧 rr e n t . t 七 e so l utions s 往 u c tt 廿 e was s 如p 】 e 即 d the b asic加 n 比。 nin te ri h c e sare com p l ete，。 始 yto e x te n d .t hi ssc h e m e花 nects the 址 gh-台 e q u en c y，di gi tal 七 ， t i o 氏m o dular iz e d ofinve 州 贻 r power so urce the de si 即 e d power s u p p l y was a p p 1 i e d tothe p r 0 t ec t i o n re lay 协 st 盯 s t e m . k eyw o rds:s p w mc o m p u t at i on，p e rmane nic urre niso urce ， emul ati叽 t ms 3 2 0 f 2 8 1 2 ， ipm 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知，在 本学位论文中，除了加以 标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己 在论文中作了明确的说明。 研 究 生 签 名 : 多 勿 ;， 司 年 7 月 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容， 可以向 有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。 对 于保密论文，技保密的有关规定和程序处理。 研究生签名: .含 叙踌 ) 间年7 月 日 硕士论文 基于d s p 的交流值流源的仿真与实现 1 绪论 随着电力电 子技术的飞速发展和各行各业对电 气设备控制性能要求的提高， 对电 源的要求越来越高。许多行业的用电设备都不是直接使用电网提供的交流电作为电 源， 而是通过各种形式对电网交流电 进行变换， 从而得到各自 所需要的电能形式。目 前， 电 源正 朝着高效率，高稳定度， 高功率密度， 低污染， 模块化发展. 在电 源的发 展中，逆变技术起着重要的作用。 逆变电源产品的基本要求包括: ( 1) 电 气性能: 输出 频率稳定， 输出电 压稳定， 输出 正弦波失真度小， 效率高， 良 好的动态性能，电 磁干扰( e m d 低。 (2) 使用性能:可靠性高， 产品 成本低， 维护方便， 体积小， 重量轻。 对于 输 出电 压和频率 可变的逆变电 源则要求在各种电 压和频率的 组合上都满足以 上要求。 为了 满足输出电 压和频率可变的逆变电 源的基本指标， 调制方式上各种新颖的调 制技术不断涌现， 控制上各种适合于不同要求的逆变器的控制方案被提了出来， 实现 手 段上 随 着 数 字 信 号 处理 技 术 口s p) 的 成熟 和 普 遍， 加 速了 逆 变 器的 全 数 字 化 进 程 22l。 1. 1 概述 逆变器是用来实现d c 一c 变换的电力电子装置。 其作用是通过半导体功率开关器 件 ( 如s c 凡 g t o 刀 t 民 i g b t 和功率 m o s f e t 模 块等 ) 的开 通和关断 作用， 把直 流电 能 变 换成交流电能， 因此是一种电能变换装置。 随着s p wm 逆变技术日 益成熟， 逆变器的 性能 大大提高， 并得到了 广泛的应用和发展， 也使正弦逆变技术达到了 一个新的高 度。 此后， 各种不同的 p w m技术的相继出现， 例如注入三次谐波的p wm、 空间矢量调制 (s v p w m ) 、 随 机 p w m 、电 流 滞 环 p w m 等， 成 为 高 速器 件 逆 变 器的 主 导 控 制 方 式。 一般认为，逆变技术的发展可以分成如下两个阶段: 1 956 1 950 年为传统发展阶段。这个阶段的特点是，开关器件以 低速器件为主， 逆变器的开关频率较低， 波形改善以多重叠加法为主，体积重量较大，逆变效率低， 正弦波逆变器开始出现。 19 8 0 年至现在为高频化新技术阶段。 这个阶段的 特点是， 开关器件以 高速器件为 主， 逆变器的开关频率较高， 波形改善以 p w m法为主。 体积重量较小， 逆变效率高， 正弦波逆变器技术发展日 趋完善。 软开关逆变技术也就是将软开关技术引进到p w m逆变器中，使它既能保持原来 的优点，又能实现软开关工作。为此，必须把lc与开关器件组成一个谐振网络， 使 p w 1 逆变器只有在开关转换过程中 才产生谐振， 实现软开关转换， 平时不谐振，以 l 硕士论文基于d s p 的交流恒流源的仿真与实现 保持p wm逆变器的特点。 p w m软开关逆变技术是当今电力电子学领域最活跃的研究 内容之一， 是实现电力电子技术高频化的最佳途径。 它的研究对于逆变器性能的提高 和进一步推广， 以及对电力电子技术的发展， 都具有十分重要的意义， 是当前逆变器 的发展方向之一。 但软开关并不是没有损耗， 它只是把开关器件本身的一部分开关损 耗转移到了 为实现软开关而附加的谐振电路的谐振元件上。 l z 逆变技术国内外研究状况 随着逆变器控制技术的发展，电压型逆变器出现了许多的变压、变频控制方法。 目 前采用较多的是脉宽调制技术即p wm 控制技术， 即利用控制输出电压的脉冲宽度， 将直流电压调制成等幅宽度可变的系列交流输出电压脉冲，来控制输出电压的有效 值、 控制输出电 压谐波的分布和抑制谐波。 由 于p w m技术可以 迅速地控制输出电 压， 及其有效地进行谐波抑制，因而它的动态响应好， 在输出电压质量、 效率诸方面有着 明 显的 优点1221。 根据形成p w m波原理的不同，大致可以分为以下几种:矩形波p w m、正弦 p w m(s p w m ) 、 空间矢量p w m (s vpwm ) 、 特定谐波消除p w m、电 流滞环p w m等。 这五类p wm 波各有优缺点， 因而适用于不同的场合。 本文主要讨论正弦波逆变方式， 因 此主 要讨论s p w m 正 弦脉宽 调 制 法(s muso id 一 w m ) 0 spw 材正弦脉宽调制法是调制波为正弦波、 载波为三角波或锯齿波的一 种脉宽调 制 法， 它是19 64年由 a.s c h o n ung 和h.s t e 蒯 间er 把通讯系统的调制技术应用到逆变器而 产生的。 后来由 b ri stol 大学的5. 凡 b o wer 等于19 75年对该技术正式进行了 推广应用。 这 项技术的特点是原理简单， 通用性强， 控制和调节性能好， 具有消除谐波、 调节和稳 定 输出电 压的多 种作用， 是一种比 较好的 波形改善法。 它的出 现为中小型逆变器的 发 展起了重要的推动作用。 目 前随着工业用的高速数 字 信号处 理器 (ds p) 的发展， 正 弦波 逆变器的 控制技 术 方案也由 传统的模拟控制向 现代数字化控制的方向发展。 采用数字化控制， 不仅可以 大大降低控制电 路的复杂程度， 提高电 源设计和制造的灵活性， 而且可以 采用更先进 的控制方法，从而提高逆变电 源系统输出波形的质量和可靠性。 计算机仿真技术作为研究交流调速系统的工具， 随着交流调速系统结构的复杂程 度的不断增加， 越来越多的显示出了 它的重要性和优越性。 仿真既可以 对交流调速系 统的运行特性进行分析， 又可以研究新型调速方案的可行性， 探讨结构的合理性和参 数对系统暂、 稳态特性的影响， 从而实现优化设计， 缩短了开发周期， 减少了开发费 用。 在通用计算机仿真软件进入市场前， 控制系统设计人员大多用f o r t r a n 或c 语 言开发 各种软件， 其缺点是使用面窄、 接口 简陋、 程序结构不开放、 没有标准的基库 2 硕士论文基于d s p 的交流恒流源的仿真与实现 以及易造成数值不稳定、 计算结果容易出 错， 很难适应各学科的发展， 因而难以推广。 目 前以 数字仿真为主的仿真技术发展很快， 通用仿真软件已成为设计人员首选工具， 出现了众多界面友好的仿真软件。在控制系统通用计算机仿真软件中，v l 到 目 5 加u la t i on公司的 vis s 如和m ath wo r ks 的 m a t l a b 软件使用最为方便。 综上所述， 变频技术和许多技术的发展密切相关， 涉及到电动机制造、电力电子 器件、 变换器电路、 电子信号处理技术、 经典和现代控制理论、 计算机辅助设计等众 多学科领域。 1 3课题研究背景及意义 本系统主要用于过流保护器的测试。 当电网中发生短路故障时， 电流会突然增大， 电压突然下降， 过流保护器就是要在电 流增大到一定量时切断电路， 起到保护生产设 备的作用。 为检测过流保护器的性能， 需要对其输入恒定的交流电， 以 检测过流保护 器的通断，因此需要用交流恒流源来输入恒定电流。 l 4 论文结构安 排 本文的任务是设计一个基于d sp系统的交流恒流源， 主要进行了主电路、 d s p 系 统、 智能功率模块部分的硬件电 路设计， 并对基于 d s p 系统的s p w m算法进行了 软件 设计。 本文正文各章节的内容安排如下: 第一章绪论。 主要说明了 本文的 研究背景和意义， 介绍了 相关内 容在国内 外的发 展状况和本课题的来源。 第二章s p w m算法及仿真。 深入研究了 spw m算法的理论基础， 并用m 田 l ab软件 对其进行了仿真。 第三 章总体设计方案。 对系统的 性能指标进行分析， 在此基础上提出了系统的总 体设计方案。 第四 章系 统硬件设计。 主要规 划了 系统硬件的功能单元， 并对各个功能 单元的具 体电路进行了设计。 第五章系统软 件设计。 详细介绍d s p 系统软 件的开发流程， 基于模块化设计的思 想对软件各个模块的开发流程进行了介绍。 第六章系统调试。主要介绍系统硬件和软件的调试过程。 硕士论文基于d s p 的交流 恒流源的仿真与实现 z s p wm算法及仿真 2. i s p wm控制技术的原理 在采样理论中有一个重要的结论: 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的 环节上时， 其效果基本相同。 冲量即指窄脉冲的面积。 这里所说的效果相同， 指环节 的输出响应波形基本相同。 如将各输出 波形用傅立叶变换分析， 则其低频段特性非常 接近， 仅在高频段略有差异。 例如图 2 . 1 . l a) 、 b) 、 c) 所示的三个窄脉冲形状不同， a) 为 矩形 脉冲， b) 为 三角形脉冲， c) 为 正弦半 波脉冲， 但它们的 面积 ( 即 冲量 ) 都 等 于1 ， 那么， 当它们分别加在具有惯性的同一个环节上时， 其输出响应基本相同。 脉冲越窄， 其输出的差异越小。当窄脉冲变为图 2 . 1 . l d) 的单位脉冲函数占 (t)时， 环节的响应即为 该环节的脉冲过渡函数。 f ( t )f ( t ) f ( t )f ( t ) 8( t ) 图 2 . l l形状不同而冲量相同的窄脉冲 上述结论是p w m控制的重要理论基础。下面来分析一下如何用一系列等幅而不 等宽的脉冲代替一个正弦波13 刃 。 把图 2 . 1 2 a) 所示的正弦半 波 波形分成 n 等 份， 就 可把正弦半 波看成由 n 个彼此相 连的脉冲所组成的波形。 这些脉冲宽度相等，都等于剧n，但幅值不等，且脉冲顶 部不是水平直线， 而是曲 线， n 个脉冲的幅 值按正 弦规律变化。 如果把上述脉冲序列 用同样数量的等幅不等宽的矩形脉冲序列代替， 使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的 中点重合， 且使矩形脉冲和相应正弦部分面积( 冲量) 相等， 就得到图 2. 1 .zb)所示的 脉 冲序列，这就是p w m波形。可以 看出，各脉冲的宽度是按正弦规律变化的。 根据冲 量相等效果相同的原理， p w m波形和正弦半波是等效的。 对于正弦波的负半周，也 可以 用同 样的方法得到 p w m波形。 像这种脉冲的宽 度按正弦规律变化而和正弦波等 效的p wm波形，也称为s p w m。 硕士论文 基于d s p 的交流恒流源的仿真与实现 图 2 . 1 2 p w m控制的 基本原理示意图 2. 2 s p wm采样方法分析 近年来，正弦脉宽调制(s p w m 技术以 其优良 的传输 特性成为电 力电 子装置中 调 制技术的基本方式。 采样实现s p wm调制方式可分为自 然采样法、 对称规则采样法和不对称规则采样 法三 种. 下 面 对这几种方法作简要的 分 析1241: ( 1) 自 然采样法 自 然采样法原理如图 2 :21 所示， 用一个基波正弦波与一个三角载波相比较， 由两 者的交点确定逆变器开关模式。 图2. 2. 1自 然采样法 图 2. 2 . 1 中 ， 不 为 三角 波的 周 期， 认为 三 角 波的 幅 值， 正弦 波 为认sin“， t. 称为 采 样 周 期， 兀 = 不 /2，tl 及几 为正 弦 波 与 三 角 波两 个 相 邻交 点的 时 刻。 硕士论文基于d s p 的交流恒流潭的仿真与实现 由图2. 2 . 1 可知 兮 (l 一 m sin 叫 知 、 m sin 叫 号 (，+ m gin 鸭 ) :忍 0 一 m sin 、 ) ( 2 . 2 . 1 ) 式(2 .2.1)中 ， m为 调 制 度， m= 认/ 认 ( 即 为 正 弦 波 幅值 与 三 角 波 幅 值 之比 ) ， 0 m uc 时， 叹导 通， 叹 关 断 ，uo= 巧; 当 阵 二 。 时， 给叮和叹 以 导 通 信号， 给叹和叹以 关断 信 号. 若10 。 ， 则叮和叹 导 通: 若10 。 ， 则叽 和不 认导 通 ， 巩= 矶. 同 理， 当u. 气 时， 给叹和叹以 导 通 信 号 ， 给叮和叹 以 关 断 信 号 . 若10 。 ， 则叽 和叽 导 通 ， uo= - 佑。 (3 ) 单极性和双极性调制比 较 单极性调制sp环 明 了与双极性调制sp开 挑 了 相比，载波为全三角波的单极性调制 sp环 仇 f 波形的优点是开关频率是载波频率的两倍( 双极性则 相等) ， 即 有倍频的作用， 易于滤波， 并且每次开关管开通或关断时， 电压跳动幅度减小为双极性调制sp环 场 了 的 一半。本系统采用的是单极性sp环 ，m波算法。 2. 4 调制方式研究 在 p 服生 成电 路中， 载 波频 率关 与 调制 波 频率f 之比n 二 关 j f 称为 载 波比 。 具 体 处理方法有以下三种141 : ( 1) 同步调制 载波比 n 等于常数， 并在变频时使载波信号和调制信号保持同步的调制方式称为 同 步调制。 在基本同步调制方式中， 调制信号频率变化时 载波比 n 不变。 调制信号的 半个周期内 输出 脉冲的 个数是固定的， 脉冲相位也是固定的。 在三相p w m 逆变电 路 中，通常公用一个三角载波信号，且取载波比 n 为3 的倍数，以使三相输出波形严格 对称，同时，为了使一相波形正负半周镜像对称， n 应取为奇数。 当逆变电路输出频率较低时， 因为在半周期内的脉冲数目 是固定的， 所以由 p w m 调 制 而 产生的厂 附 近的 载 波 频 率 也 相 应的 降 低. 这 种 频率 降 低的 谐 波不 容易 滤除 ， 如 果负载为电机， 就会产生较大的转矩脉冲和噪声， 给电动机的正常工作带来不利的影 响。 如果为了降低谐波而提高载波比， 那么逆变器输出频率较高时， 逆变器功率开关 器件的工作频率会较高，对某些器件会有较大的开关损耗. (2) 异步调制 载波信号和调制信号不保持同步关系的调制方式称为异步调制。 在异步调制方式 中 ， 调 制信 号 频 率f 变 化时 ， 通 常 保 持 载 波厂 固 定 不 变， 因 而 载 波比 n 是 变 化的 。 这 样， 在调制信号的半个周期内， 输出 脉冲个数不固 定， 脉冲的 相位也不固定， 正负半 周的脉冲不对称，同时，半周期内前后1 /4 周期的脉冲也不对称。 当调制信号频率较低时， 载波比 n 比 较大， 半周期内的脉冲数较多，正负半周期 1 l 硕士论文基于d s p 的交流恒流源的仿真与实现 脉冲不对称和半周期内前后不对称影响都较小， 输出波形接近正弦波。 当调制信号频 率增高时， 载波比 n 就减小，半周期内脉冲数就减小，输出脉冲的不对称性影响就变 大， 还会出现脉冲的跳动，同时， 输出波形和正弦波的差异也变大。 因此， 在采用异 步调制方式时， 希望尽量提高载波频率， 以使在调制信号频率较高时仍能保持较大的 载波比，改善输出特性。 (3) 分段同步调制 为克服上述缺点， 通常都采用分段同步调制的方法， 即把逆变电路的输出频率范 围分成若干个频段， 每个频段内都保持载波比 n 为恒定，不同频段的载波比不同。 在 输出 频率的高频段采用较低的载波比， 以使载波频率不致过高， 在功率开关器件所允 许的频段范围内。 在输出频率的低频段采用较高的载波比， 以使载波频率不致过低而 对负载产生不利影响。 各频段的 载波比 都取3 的 倍数且为奇数。 分段同步调制的优点明显， 虽然麻烦一点， 用微机来实现也不困难， 但要注意载 波比切换点处设置滞环区，以防止可能出现的振荡和电压突变。 综上所述，本系统采用以 不对称规则采样法为基础实现的单极性s p w m波算法， 并采用分段同步调制方式。 2. 5系统仿真 2 . 5 . i ma t la h 介绍 m atlab 是一 种科学计算软 件. m a t l ab 是 m at d x l a ber a l o 叮( 矩阵实 验室) 的 缩写， 这是一种以 矩阵为基础的交互式程序计算语言。 早期的m 人 n曰a b 主要用于解决科学和 工程的复杂数学计算问题。由于它使用方便、 输入便捷、 运算高效、 适合科技入员的 思维方式， 并且有绘图 功能， 有用户自 行扩展的 空间， 因此特别受到用户的 欢迎， 使 它成为在科技界广为使用的软件， 也是国内 外高 校教学和科学研究的常用软 件121 。 ma t l ab由美国 m a thworks公司于1 9 84年开始推出，历经升级，到2 0 01年已 经有了 6. 0 版， 现在m atlab6 . 1 、 6. 5 、 7. 0 、 7 . 1 版都已 相继面世。 早期的 m atlab在d o s 环境下运 行，1 990 年推出了 w 铂 d o w s 版本。 它的功能越来越强大， 在科技和工 程界广为 传播， 是各种科学计算软 件中 使用频率最高的软 件。 1 993 年出现了5 如u l in k ，这是基于框图的仿真平台，5 加ulink挂接在m a t l ab环境 上，以matlab的强大计算功能为基础，以直观的模块框图进行仿真和计算。5 汕ul in k 提供了各种仿真工具， 尤其是它不断扩展的、 内容丰富的模块库， 为系统的仿真提供 了 极大便利。 在5 加u l il 永 平台上， 拖拉和连接典型 模块就可以绘制仿真对象的模型框 图，并对模型进行仿真。 在5 加ul ink平台上， 仿真 模型的可读性很强，这就避免了 在 m at l ab窗口 使用m 户 口 工 a b 命令和函数仿真时， 需要熟悉记忆大量m函数的麻烦， 对广 大工程技术人员来说，这无疑是最好的福音。 l 2 硕士论文基于d s p 的交流恒流源的仿真与实现 5 加ul ink原本就是为控制系统的仿真而建立的工具箱， 在使用中易编程、 易拓展， 并且可以解决matlab不易解决的非线性、 变系数等问 题。 它能支持连续系统和离散系 统的仿真， 支持连续离散混合系统的仿真， 也支持线性和非线性系统的仿真， 并且支 持多种采样频率系统的仿真， 也就是不同的系统能以 不同的采样频率组合， 这样就可 以 仿真较大、 较复杂的系统。 因 此， 各科学领域根据自 己 的仿真需要，以 m at l ab为基 础，开发了大量的专用仿真程序，并把这些程序以 模块的形式都放入5 而ul ink中， 形 成模块库，5 如ul l nk的模块库实际上就是用n 口 汀 l a b 基本语句编写的子程序集。 2. 5. 2 系统仿真工具si m u link 介绍 在m at l ab 6 .5 中， 打 开5 加u l 让 改 li b r 哪 b rowar， 可以 找到 s in 企 o wer s ys t e m 电 力系 统设计库。 5 1 找 lp sys 怡 m 可以 分为以 下几个模块: c onn c c t o rs 连接模块库， 是设计电 路时 专门 用来起连接作用的。 它的几个子模块 分别实现总线、连接点、地和中线点几个功能: e l e c 衍c alsourc e 模块库， 用它来模拟实际电路中的电 源。 它的几个子模块分别模 拟三相可编程电源、 三相电 压电流源、 交流电 压电 流源、 受控电压电流源和直流电压 源: el eme n t s 模块库， 提供电路设计中需要的 各种元器件， 包括电 机在内的各种负载、 三相串并联r 工 c 分支以及其它一些相关的元件; e x tl .l ib ra 仃模块库，包括a 的ti 。 回 m ac h 山 e s ，c o n tr o lbi oc ks 肠义 r e t e m eas切 m m e n ts .d i s c 理 t e c o n tl 习 i b lo cks，m e as ur e m e n ls 尸 ha 即 r l i b r al 丫 f 恤 优li b r 娜等 几 个子模块库，这些子模块库里的元件对以上一个模块库起着补充的作用; m a c 恤es 模块库， 提供各种类型的电 机以 及电 机测量中 需要的模块: m e as 砚 re m e ni s 模块库， 提供电 路中电 压电 流的 测量以 及其它一些量测量 所需要的 模块; p o wer el ec t ro ul cs 模块， 提供电 路设计中 常用的实现整流、 逆变功能所需要的二 极管、三极管以及其它一些功率开关管。 2. 5 3仿真结果及其分析 2 .s 3 .l仿真模型 三相电 压源型s p w m逆变器是在通用变频器中 使用最多的， 用5 如ul ink模块仿真 三 相电 压源型 s p w m 逆变器 很方 便， 使用模型 库的 多 功能 桥模型 ( u in v 自 佗 . i b ri d ge) 和p wm脉冲发生器 ( p wmg .e ra to r ) 就能实现。 三相电压源型s p wm逆变器的仿真 模型如图 2 一 11 所示: 硕士论文基于d sp的交流恒流源的仿真与实现 3 总体设计方案 东 1 系统性能指标 恒流源是用来提供稳定的电流， 现在通用的恒流源大多为直流恒流源， 本系统要 设计的是交流恒流源，具体性能指标如下: 输入电 压:三相380v士1 弱 输入功率: 15 k w 输出波形:三相正弦波 输出电 压:( 40v 输出电 流: 0 50a 输出 频率:50士 0 . 1 112 3 2总体设计方案 3. 2. i s p w卜 1 的实现方法 在恒流源等电 力电子设备中， 控制方法是核心技术。 早期的控制方法使得输出为 矩形波， 谐波含量较高， 滤波困难。 s p w m 技术较好的克服了 这些缺点。目 前s p w m 的产生方法很多: ( 1)利用分立元件， 采用模拟、 数字混合电路生成spwm 波。 此方法电路复杂， 实现困难且不易改进; ( 2 )由s p wm专用芯片系列s a 8 28与微处理器直接连接生成s p w m波.s a 4828 是m 】 t e l 公司近年来推出的三相spwm电 机矢量控制大规模数字集成芯片， 可以实现 全数字化三相逆变器所需要的 六路spw m控制信号， 基准正弦是存储在s a 8 28内 部的 r o m正弦表， 当写完初始化数据后， 立即生成00一9 00的正弦波， 通过相位与控制逻 辑拓展组成， 得到互相差1 2 0 0 、 幅值相等的三相六路spw m信号。 属于双边调制规则 采样的s p wm波形，相对谐波较大且无法实现闭环控制，价格也比较昂贵; ( 3 ) 利用c p l d( 复杂可编程器件) 设计，实现数字式s p wm发生器; ( 4 ) 基于单片机实现s p w m。 此方法控制电 路可靠， 利用软件产生s p w m波， 减轻了 对硬件的要求， 且成本低， 受外界干扰小。 而当 今单片机的 应用己 经从单纯依 赖于51系列单片机向其它多种单片机发展，尤其以嵌入式pi c 单片机的发展应用更为 广泛。 pi c 单片机含具有p w m功能的 外围 功能 模块 ( c cp) ， 利用此模块更容易通过 软件实 现s p w m， 且具有较快的执行速度。 但受硬件计算速度和算法的影响， 无法兼 顾计算的精度和速度: 1 7 硕士论文基于d s p 的交流恒流源的仿真与实现 (5) 基于 d s p 实现spw m。 t m s 3 20 x240 x 系列芯片都至少有一个事件管理器模 块， 用于电机数字化控制应用. 其中的p w m波形产生单元包含可编程死区控制，可 输出非对称p wm 波形、对称p wm波形或空间矢量p w m波形。具有可编程的死区控 制性能，以防止桥式驱动主电路的上下桥臂短路。同时d s p 还具有强大的运算能力， 因 此用d s p 实现s p w m 功能更强， 编程更灵活，且较单片机有更快的 执行速度; (6) 基于fpg a 设计实现s p wm。 d sp在s p w m控制领域得到了广泛应用， 但是 使用d s p 单核心的控制方法仍然存在一些缺陷: 基于软件的d s p 在实现s p w m触发信 号时需要较长的时钟周期;微处理器中不确定的中断响应会导致p wm脉冲的相位抖 动。用fpo a 设计实现s p w m能很好的解决这一问题， 使其性能更加优越。 综合考虑工程实际需要及成本要求， 采用d s p 来实现s p w m。 t m s 3 2 o f28 x x 是目 前为止用于数字控制领域性能最好的d s p 芯片。 这种芯片采 用32位的定点d s p 核，最高速度可达4 00mip s ，可以在单个指令周期内 完成32x 32位 的乘法/ 累加运算，具有增强的电 机控制外设、高性能的模/ 数转换能力和改进的通信 接口， 具有s g b 的线性地址空间， 采用低电 压供电 ( 3 3 v 外设电压，1 .s v 内核电 压) ， 与 t m s 3 2 0c2 4 x x 的源代码兼容，是t m s 3 20c 2 4 x x 的 很好的替代品。 3 2 )系统总体框图 上一小节分析了 产生s p wm的几种方法， 经过比 较后我们最终采用护n 竹 5 3 20f 2 8 12 来产生s p wm波形。 本系统主要产生可调、 稳定的交流恒流源， 总体方框图如图 3 .2.2. 1 所示: 图 1 2. 2. 1 系统 总体框图 本电 源系统构成如图 3 .2.2 ， 1 所示， 采用主从式 a c 一 d c 一c 的间接s p wm 变频方式， 三相交流信号经过整流电 路， 转变为直流信号， 然后进入逆变系统， 在逆变系统中 把 直流转变为要求的一定频率、 电压幅值的三相交流正弦输出 信号， 实现交流电源的既 l 日 硕士论文 基于d sp 的交流恒流源的仿真与实现 定功能。在逆变系统中，主要是基于d s p 的 p w m控制系统根据输出指标要求，产生 相应的s p w m控制信号， 驱动内 含i g b t 的 护 m 智能功率模块， 输出 本电 源系统要求的 输出信号。 同时， 系统中会有一系列的检测、 保护、 故障处理电 路，以 保证本电 源的安全稳 定。 控制系统由 d s p 、电流采样组成， 与以单片机为核心的控制系统相比大大简化了 系统组成。 d s p 根据电流反馈量和给定值在d s p 内 部完成复杂的 算术逻辑运算， 输出 适当宽度的p wm脉冲信号， 经隔离驱动放大后用于i g b t 栅级驱动，以控制电 源的输 出电压，实现逆变系统的控制。 ( 1) 电流反馈 由于口仆i s 32o f 2 8 12的习d 输入信号范围是 0 一3 v ，因此，必须把主电路中的 交流 电流转变成一定比例的直流电， 经过电阻转变为电压信号， 再经放大、 滤波、 隔离后 进入凡 心转换通道。 ( 2 ) p wm输出和功率驱动 t ms320f2812 的p w m发生电 路可产生12路具有可编程死区和可变输出极性的 p wm信号，可以避免产生短路而击穿功率器件， (3) 保护功能 为了 保证系统中功率转换电 路及栅级驱动电路安全可靠地工作， 护n “ 5 犯0 f 2 8 12 提供了 p d p 困ta引脚， 利用它可方便地实 现控制系统的过流保护功能。 故障信号经 隔离后输入到p d p int a 引脚， 有故障状态出现时p d p 创ta引脚被拉为低电平，此时 d sp内定时器立即停止计数， 所有p wm输出引脚全部呈高阻状态，及时产生中断信 号， 通知c p u 有异常情况发生。 整个过程不需要程序干预， 全部自 动完成， 这对实现 各种故障状态的快速处理非常有用。 运用d s p 可以从以下各个方面改善了 变频电源控制系统的技术指标: ( 1) 设计方面 传统逆变电 源控制系统其组成元器件较多， 元器件易受损， 从而增加了 维修和维 护的 工作量; 而基于d s p 的逆变电 源数字化控制系统元器件显著减少。 ( 2 )速度方面 基于 d s p 的电 源数字化控制系统充分发挥d s p 的 优势， 从而大大提高了 控制系统 的实时性。 ( 3 ) 精度、稳定性方面 t m s32 0 f 2 81 2 为 3 2 位定点 d s p ， 可以 达 到1 0-1。 的 精 度。 消除了 模 拟 系 统中 参 数的 容差、漂移导致的控制器参数的变化， 稳定性提高。 ( 4 ) 灵活性方面 l 9 硕士论文荃于d s p 的交流恒流源的仿真与实现 基于d s p 的控制系统灵活性好， 参数容易改变， 便于升级。 设计工作主要集中 在 软件上，通过编程可用同一块控制板实现不同的电源系统。 ( 5 ) 控制算法实现方面 基于d s p 的逆变电源数字化控制系统有望突破经典控制方法， 而采用更为先进的 现代控制技术. d s p 技术的高速发展和d s p 应用的 普及， 为逆变电 源控制系统的设计提供了 一 个 好的选择.就目前的技术现状，以d s p 为核心，负责参数反馈运算和p wm波形的产 生，是一种较好的解决方案。 由 于d s p 微处理器数据处理能力强， 用d sp实现， 可以 通过编程， 采用各种控制 算法，实现最优化p w m控制，容易升级换代，可以建立具有较强通用性的变频及逆 变电源技术平台。 3 3本章小结 本章主要简要介绍了系统的性能指标，通过算法多种实现方式的比较，选择了 t m s 3 2 0 f 2 812 作为核心控制器件， 在此基础上对系统的总体方案进行了设计， 为下一 步系统软硬件的实现提供了设计依据。 硕士论文 基于ds p的交流恒流源的仿真与实现 4 系统硬件设计 4 i t ms32 0 f28 1 2芯片概述 4 . 1 . 1 芯片的主要特点1 ， 1 d sp芯片 是专门 为快速实现各 种数字信号处理算法而设计的、 具有 特殊结构的微 处理器. 随着信息技术革命的深入和计算机技术的飞速发展， 数字信号处理技术己经 逐渐发展成为一门关 键的技术学科. 在当 今数字 化时 代背景下， d s p 己 成为通信、 计 算机、 控制器类产品等领域的 基础器件，己 成为信息社会革命的标志. 在国 外， d s p 芯片已 经被广 泛地应 用于当今技术革 命的 各个领域: 在国内 ， d s p 技术也 正以 极快的 速度应用在 通信、自 动控制、 军事、 医疗器 械等 许多 领域中。 因此基于 d s p 技术的开 发应用正成为数字时代的应用技术潮流。 1 979 年功 t e l 公司推出第一块脱离了 通用微处理器结构的d s p 芯片功 记 u 92o 以 来， n e c 、 n、 m o t o 拍 la 、 a d 等公司竞相研发 d s p 。 从目 前市 场占 有率来看， 美国 n公司 的t m s 3 20系列 d s p 独占鳌头。 根据指令 集的 不同， t m s 3 20系列d s p 可分为三大系 列: 用于优化控制的低价位d s p 一 1 ， m s 320cz ooo ，广泛应用于通讯领域的节能型 d s p-t ms320c 5000和适宜于图像处理的高性能高速d s p 一 1 ， ms32 0c 600 00 t ms 3 2 0 x28 x 数字信号控制器家族 包括c28 1 0 ， c 2 8 l l ， c 2 8 1 2 ， f 2 8 0 1 ， f28 0 6 ， f 2 8 0 8 ， f 2810 ， f2811 ， f2812 共九个代码兼容的器件. c 2 8x家族的大多数产品均可提供高达 1 50瀚p s 的 性能。 t ms 320 f 2 812 是美国德 州仪器公司n最 新研制的 数字 信号处理器， 面向自 动控制、 工业自 动化、 最优网络的 第一款有片内 f l a s 玫工作频率达到巧 o m的 犯位d s p 。 t m s 32o f 2 812 最高主频巧o m 妇 比 ， 保证了处理信号的快速性和实时 性，高 速的信号可以提供实时的位置信息，保证控制信号响应的快速性。和许多其它种类 d s p 一 样， t m s 3 2 o f 2 812 采用 经典的 哈佛总线结构 利用多总 线在存储器、 外围 模块和 c p u 之间转移数 据。 程序读总 线有22根地址线和犯 根数据 线， 数据读写数据线 都是32 位， 这 种多 总线结构使得它可以 在一个周期内 并行完成取指令、 读数据和写数 据， 同 时它也 采用了 指令流水线技术， 使得信号的 处理速度明 显提高. 单个的t m s 3 20 f28 12 芯片有1 8 kr a m， 1 2 8 k f la s h ， 1 6 通道的 p w m ， 1 6 通道1 2 位a 刀 c ， 3 个定时器， 串 行口 有 c a n ， m c b s p ， s p l z 个s c i ，充分 保证t 通讯的方便。 本 节针对 t m s 32o f 2 812 及其具体应 用， 简单地介绍它的下 述主要 特点: ( 1 )高性能静态c m os技术 .1 5 0 姗2 ( 时钟周期6 . 6 7 n s ) ; . 低功耗( 核 心电压1 . s v ， 1 /0端口 电 压3 . 3 v); 2 l 硕士论文 基于ds p的交流恒流源的仿真与实现 .f l a s h 编程电压3 . 3 v 。 ( 2 )高性能的32位中央处理器 .16 位x l 6 位和32位x 32位的乘和累加操作; .双1 6 位x1 6 位的乘加单元 ( mac) ; . 哈佛总线结构; .强大的操作能力; .迅速的终端响应和处理能力; .统一的存储器编程模式; .可达4 m 字的线性程序/ 数据地址; .代码效率高 ( 兼容c /c+或者汇编语言); .与 t ms320f24x /lf 240 x处理器的 源代码兼容。 ( 3 ) 片上存储器 .多达1 2 8 k xl 6 位f las h 存储器 ( 4 个s k xl 6 位和6 个1 6 k xl 6 位的扇区); .ikxl 6 位的 o pt型只读存储器; .两个4 k x1 6 位的单口随机存储器 ( s a r a m ):l o 和l i ; .一块s k x1 6 位s a r 胡:h o ; .两块i k x1 6 位s a r a 知 :m o 和m i 。 “)支持事件启动的双12位的a oc，提供1 6 路模拟量输入通道 . 2 个8 通道的输入多路转换器; . 两个采样保持器; .单个/ 双路同步采样; . 高速通道转换速率: s o ns/ 12. 5 邓ps。 ( 5 )最多提供56个独立的可编程、多用途通用输入/ 输出(gpio)引脚 ( 6 ) 丰富的串口 外围设 备 .串 行外围接口( s p i ) ; . 两个串 行通信 接口( s c i ) ， 标准的 u a r t ; .改进的局域网络 (e c an) : .多通道 缓冲串 行接口伽 cbs p)和串 行外围接口 模式。 ( 7 ) 功能