（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的电源数字控制研究.pdf

摘要 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fm i c r o p r o c e s s o rp r o v i d e san e wm e t h o df o rs w i t c h i n gm o d e p o w e rs u p p l yc o n t r o l d i g i t a lc o n t r 0 1 d i g i t a l c o n t r o lh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha s r e p e a t a b i l i t y , d u r a b i l i t y , a d a p t a b i l i t y a n ds oo n t h i st h e s i sf o c u s e so nt h e s t u d y , i m p l e m e n t a t i o na n di m p r o v e m e n t o f ad s pb a s e d d i g i t a lc o n t r o l l e r t h i st h e s i sm a i n l yi n c l u d e st h r e ep a r t s ，w h i c ha r ed e s c r i b e di nd e t a i li nc h a p t e r2 ， c h a p t e r3 ，a n dc h a p t e r 4 r e s p e c t i v e l y c h a p t e r 2i n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fd s p c h i p s t h e r ea r et w o k i n d so fd s p c h i p u s e di nt h i st h e s i s m o t o r o l a sd s p 5 6 f 8 3 2 3a n dt i st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a t h eh a r d w a r e d e s i g no ft h e s et w od s pc h i p si sd e s c r i b e di nt h i sc h a p t e ra n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h e s e t w od s p c h i p si sc o m p a r e d a tt h ee n do f t h i sc h a p t e r c h a p t e r3f o c u s e so nt h ed i g i t a lc o n t r 0 1o fp o w e rf a c t o rc o r r e c t o r ( p f c ) f i r s t t h e d a m a g e s o f l o w p o w e r f a c t o ra n dt h ei m p o r t a n c eo f p f ca r ep r e s e n t e d s e c o n d l y , t h em a i n p a r t s o ft h eh a r d w a r ea r e d e s i g n e da n ds e l e c t e d l a s lt h ec o n t r 0 1 t o o u t p u tt r a n s f c r f u n c t i o no f b o o s tp f cc o n v e n e ri sf o u n d t h ep a r a m e t e r s o f d i g i t a la d j u s t e ra r ec a l c u l a t e d s i m u l i n ka n d e x p e r i m e n tr e s u l t sp r o v e t h ec o r r e c t i o no f t h e d e s i g n c h a p t e r4f o c u s e so nt h et h e o r yo fv o l t a g es p a c ev e c t o rp u l s e 、i d mm o d u l a t i o n ( s v p w m ) a n d i t sc o n t r o ls t r a t e g y af a s ts p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n a l g o r i t h mf o r3 - l e v e l 3 - p h a s ec o n v e r t e ri sa l s od e s c r i b e di nt h i sc h a p t e r s i m u l i n kr e s u l t sp r o v et h ec o r r e c t i o no f t h ec o n t r 0 1s t r a t e g y k e y w o r d s ：d i g i t a lc o n t r o l ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r p f c ，3 - l e v e li n v e r t e r , s p a c ev e c t o r m o d u l a t i o n i i 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1电力电子技术概述，1 2 1 ，【3 】 电力电子技术( p o w e re l e c t r o n i c s ) 是二十世纪重要的关键技术之一。美国电 气和电子工程师协会( i e e e ) 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。”【l 】 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1 9 5 7 年以晶闸管为核心的传统电力电子技术阶段开始，到7 0 年代后 期可关断晶闸管、电力晶体管及其模块的闯世，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，i g b t 和m o s f e t 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【l 】。 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 】。 基于d s p 的电源数字控制研究 1 2 数字信号处理概述【4 】 数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，简称d s p ) 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。2 0 世纪6 0 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p c 机) 上用软件( 如f o r t r a n 、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m c s 5 1 、9 6 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d s p 芯片实现。与单片机相比，d s p 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d s p 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d s p 芯片很难实现，例如专用于f f t 、数字滤波、卷积、相关等算法d s p 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d s p 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d s p 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。 d s p 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，d s p 芯片一般具有以下主要特点： 一在一个指令周期内可完成一次乘法和加法； 一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r a m ，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m 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； 一支持流水线操作，使取址、译码和执行等操作可以重叠执行。 1 3 课题背景和研究目的 4 1 ，【5 】，f 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 2 南京航空航天大学硕士学位论文 _ _ _ 一一一 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( d s p _ d i g i t a is i g n a lp r o c e s s o r ) 的问世， 于是便出现了数字电源( d p s d 谤t a lp o w e rs u p p l y ) ，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( d s p ) 技术的成熟和普遍，新一代的数字信号处理器( d s p ) 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d s p 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d s p 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d s p 的数字化开关电源研究，将数字化控制应用到 a c d c 、d c d c 、d c a c 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t i 以及m o t o r o l a 的d s p 进行了详细的介绍以及功能的 3 基于d s p 的电源数字控制研究 比较：设计了两个公司不同型号d s p 的外围硬件电路；深入研究了平均电流型p f c 控制方案，将其算法数字化，并移植到d s p 进行数字控制；设计了b o o s t - p f c 主电 路，提出了电路器件的设计方案；深入研究了s v p w m 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d s p 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 d s p 芯片的结构特点及应用领域；2 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的性能特点及其外围电 路设计；3 d s p 5 6 f 8 3 2 3 的性能特点及其外围电路设计；4 对不同型号d s p 的优缺点 进行总结，对其性能进行比较。 本文第三章阐述了d s p 在a c d c 领域的应用，详细介绍了基于d s p 5 6 f 8 3 2 3 的 b o o s t p f c 电路硬件及软件设计。其主要内容包括：1 b o o s t p f c 硬件电路设计； 2 b o o s t p f c 电压调节器，电流调节器的设计；3 b o o s t p f c 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d s p 在d c a c 领域的应用，详细介绍了基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 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 s v p w m 控制三电平逆变器的控制思路及其算法，并且用m a t l a b 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 2 , 1 引言 第二章数字控制器的原理及硬件构成 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a c d c ，d c a c 变换器中，都将d s p 作为系统的控制核心，验证 了d s p 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d s p 中装入新的程序即可，例如在 b o o s t p f c 电路中使用的控制板与其后级d c d c 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 2d s p 芯片的概述【4 l 删8 】 数字信号处理系统具有如下优点：( 1 ) 接口方便。d s p 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。d s p 系统中的可编程d s p 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。 d s p 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 1 精度 高。一个简单的1 6 位数字系统可以达到1 0 弓的精度；( 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。d s p 系统中的数字部件有高度的规范性， 便于大规模集成。1 4 d s p 芯片与普通c p u 的区另u 在于：1 7 1 普通c p u 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刀次这一过程是比较慢的。而d s p 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。 d s p 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，d s p 的小数乘法在算法上分定点算法d s p 和浮点算法d s p 。在定点类d s p 中小数点的位 置是固定的，不论定点的还是浮点的d s p ，乘法器都是用硬件逻辑完成的，乘法可以 在个指令周期内完成。 基于d s p 的电源数字控制研究 在循环方面，d s p 有诸如重复n 次( r e p e a tn ) 或循环n 次( d ol o o pn ) 等指令， 使d s p 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h 次了。 2 d s p 采用哈佛结构，而传统c p u 多采用冯诺曼结构( v o nn e u m a n ) 。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d s p 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读取下一条指令。采用哈佛结构，将程序空间与数据空 间分开编址的好处是速度快，读程序和读写数据可以同时进行。 3 d s p 在内核设计方面还有一个特点是采用多重流水线结构。流水线结构的层 次深度可以从3 级到6 级。程序的执行过程大致可分为读指令、指令译码、指令执行 等几个阶段。d s p 在第一个时钟周期内读第一条指令：在第二个时钟周期内在译码第 一条指令的同时读入第二条指令；在第三个时钟周期内执行第一条指令，译码第二条 指令，同时读如第三条指令。这样，虽然执行一条指令仍需要3 个周期，可是由于并 行的流水线处理，看起来好像每条指令都是在1 个周期内完成的。 在诸多d s p 生产产商中，最成功的当数美国德卅i 仪器公司( t e x a si n s m l m e n t s ， 简称t i ) ，如今，t i 公司的一系列d s p 产品已经成为当今世界上最有影响的d s p 芯 片，作为世界上最大的d s p 芯片供应商，其市场份额占全世界份额近5 0 。t i 公司 在1 9 8 2 年成功推出其第一代d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 及其系列产品t m s 3 2 0 1 1 、 t m s 3 2 0 c 1 0 c 1 4 c 1 5 c 1 6 c 1 7 等，之后相继推出了第二代d s p 芯片t m s 3 2 0 2 0 、 t m $ 3 2 0 c 2 5 c 2 6 c 2 8 ，第三代d s p 芯片t m $ 3 2 0 c 3 0 c 3 1 c 3 2 ，第四代d s p 芯片 1 m s 3 2 0 c 4 0 c 4 4 ，第五代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 5 x c 5 4 x ，第二代d s p 芯片的改进型 t m s 3 2 0 c 2 x x ，集多片d s p 芯片于一体的高性能d s p 芯片t m s 3 2 0 c 8 x 以及目前速 度最快的第六代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 2 ) ( c 6 7 x 等。t i 将常用的d s p 芯片归纳为三大 系列，即：t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 2 x c 2 x x ) 、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列( 包 括t m $ 3 2 0 c 5 x c 5 4 x c 5 5 x ) 、t m $ 3 2 0 c 6 0 0 0 系列( t m $ 3 2 0 c 6 2 x c 6 7 x ) 。 t m s 3 2 0 系列d s p 芯片的基本结构特点包括：( 1 ) 哈佛结构，其主要特点是将 程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的 存储器，每个存储器独立编址，独立访问，从而使数据的吞吐率提高了一倍；( 2 ) 流 水线操作，即取指、译码和执行操作可以独立地处理，这可使指令执行完全重叠，处 理器可以并行处理2 6 条指令，提高系统效率；( 3 ) 专用的硬件乘法器，d s p 芯片 因为内部设有专用的硬件乘法器，因此可在一个指令周期内完成乘法运算，这对于大 多数算法而言具有重大意义；( 4 ) 特殊的d s p 指令，针对常用算法共性特征，d s p 特有一些诸如数据移位、乘累加等特殊指令，提高计算速度；( 5 ) 快速的指令周期。 t m s 3 2 0 系列处理器的指令周期已经从第一代的2 0 0 n s 降低至现在的2 0 n s 以下。快 速的指令周期使得d s p 芯片能够实时实现许多d s p 应用。这些特点使得t m s 3 2 0 系 列d s p 芯片可以实现快速的d s p 运算，并使大部分运算( 例如乘法) 能够在一个指 令周期内完成。由于t m s 3 2 0 系列d s p 芯片是软件可编程器件，因此具有通用微处 6 南京航空航天大学硕士学位论文 理器具有的方便灵活的特点。 与其他公司相比，m o t o r o l a 公司在推出d s p 芯片方面相对比较晚。1 9 8 6 年，该 公司推出了定点处理器m c 5 6 0 0 1 。1 9 9 0 年，推出了与i e e e 浮点格式兼容的浮点d s p 芯片m c 9 6 0 0 2 。 5 6 8 0 0 系列d s p 是m o t o r o l ad s p 产品中的低价位系列，以d s p 5 6 8 0 2 为例，批 量定货每片的价格已经降到了3 美元以下，5 6 8 0 0 系列的特点在于：( 1 ) 关键部分采 用双哈佛结构，支持并行处理；( 2 ) 在8 0 m h z 时钟频率下可达4 0 m i p s 的指令执行 速度；( 3 ) 支持1 5 种不同的寻址方式：( 4 ) 具有两个带有扩展位的3 6 位累加器：( 5 ) 支持1 6 位双向循环移位；( 6 ) 支持位操作：( 7 ) 支持硬件d o 和r e p 循环指令；( 8 ) 支持可由用户灵活定义的多级中断优先级；( 9 ) 具有3 条内部地址总线和1 条外部地 址总线。具有4 条内部数据总线和l 条外部数据总线；( 1 0 ) 支持d s p 和m c u 两种 功能风格的指令系统：( 1 1 ) 支持软件子程序，中断堆栈空间仅局限于存储器空间大 小。 2 3d s p 5 6 f 8 3 2 3 芯片及其外围电路设计 2 3 1d s p 5 6 f 8 3 2 3 芯片介绍 9 1 1 1 6 l d s p 5 6 f 8 3 2 3 是m o t o r o l a 公司最新的d s p 型号，基于增强型内核5 6 8 0 0 e ，程序地址 总线位数扩展至r 2 1 位，而数据地址总线位数扩展到2 4 位，主频可达6 0 m h z 。其内核 包括程序控制器( p r o g r a mc o n t r o l l e r ，p c ) 、算术逻辑单元( d a t aa r i t h m e t i cl o g i c u n i t ，a l u ) 和地址产生器( a d d r e s sg e n e r a t i o nu n i t ，a g u ) 。d s p 5 6 f 8 3 2 3 内部 有3 条地址总线和4 条数据总线，共7 条总线，而普通c p u 内部通常只有地址总线、数 据总线和控制总线3 条总线。增加的内部总线和增加的地址产生器是为了实现多指令 的并行处理，提高处理速度。 算术逻辑单元的内部寄存器如图2 1 所示。a l u 内部有3 个1 6 位的数据输入寄存器 x 0 、y 0 和y 1 ，其中y 0 和y l 可以看成是1 个3 2 位寄存器y 。有4 个3 2 位的累加寄存器a 、 b 、c 、d 。这4 个累加寄存器又可以分别看成2 个1 6 位寄存器。a 2 、b 2 、c 2 、d 2 是4 个4 位的扩展寄存器，可以分别将a 、b 、c 、d 扩展到3 6 位。至于a 、b 、c 、d 是当作 3 2 位寄存器还是当作3 6 位寄存器使用，由用户在应用程序中设定，即对程序控制器中 的运行模式寄存器o m r 中的c c 位编程，c c = i 时，为3 2 位处理方式，c c = o 时，为3 6 位处理方式。 算术逻辑单元中的乘，力日器m a c ( m u l t i p l i e r - a c c u m u l a t o r ) 在1 个周期内可以以并 行方式完成乘、加运算。a l u 中的累加移位器用于算术和逻辑左移、右移。 在地址产生单元a g u 中主要有6 个2 4 位通用地址寄存器r 0 - - r 5 ；1 个2 4 位堆栈指针 s p ：2 个地址偏移量寄存器n 、n 3 ，其中n 为2 4 位，还可以作为通用地址寄存器使用， 7 基于d s p 的电源数字控制研究 n 3 为1 6 位，只能作地址偏移量寄存器使用；1 个1 6 位地址域寄存器m 0 1 ；还为r o 、r 1 、 n 年i m 0 1 增加t 4 个影像寄存器。4 个影像寄存器用于中断的快速处理，在中断服务子 程序中，可以用1 条指令( s w a p ) 将4 个影像寄存器换出，用于中断服务子程序。 二二匠 v 1 5 o1 501 50 i 2a 1 a 0 i 髓b lb 0 i 晓c 1c 0 id 2d 1d 0 30 1 5 图2 。l 01 50 a l u 内部寄存器 a g u 的主要功能有： 给数据空间地址总线x a b l 提供地址，并能在指令执行之前或执行之后实现 自动加、减1 的地址操作。 _ 同时给x a b l 和x a b 2 提供两个不同的地址，指令执行后同时刷新这两个地 址。 为程序空间的存储器操作提供地址，并能在指令执行后自动完成刷新。 a g u 支持下列寻址方式： 立即数寻址； 短立即数寻址； 一绝对地址寻址； 一绝对短地址寻址； i o 短寻址： 寄存器直接寻址； 寄存器间接寻址： _ 带事后加、减1 的间接寻址： 事后加、减值在寄存器中的间接寻址： 一带6 位偏移量的间接寻址： _ 带1 6 位偏移量的间接寻址： 一偏移量在寄存器中的间接寻址。 d s p 5 6 f 8 3 2 3 不仅有功能强大的内核，还拥有十分丰富的外设资源。正是因为诸 多数字控制系统常用的硬件资源被集成到d s p 芯片中，才大大减小了控制板的面积， 只需要增加少量的外围电路，就可以完成d s p 控制系统的硬件设计。d s p 5 6 f 8 3 2 3 的 外设资源包括： _ 一个脉宽调制模块( p w m ) ：包括6 路p w m 输出口，3 路电流检测输入口，3 路故障信号输入口。有自动死区设置。 南京航空航天大学硕士学位论文 _ 一个模数转换模块( a d c ) ：包括8 路模数转换输入口，其中a n a 0 - a n a 3 共 用一个采样保持器，a n a 4 a n a 7 共用一个采样保持器。用户可以根据需要 只使用一个采样保持器对8 路模拟信号进行顺序采样：或者同时使用两路采 样保持器，对2 路模拟信号进行同时采样。 两个定时器单元( t m r ) ：包括t i m e r a 和t i m e rc 共8 个定时器。这些定时 器可以对内部或外部事件进行计数，也可以叫做计数器。除了t m r c 2 以外， 每一个定时器都对应着一个管脚。该管脚可以作为输入脚，对外部事件进行 计数或捕获，由此获得外部事件发生的次数以及间隔事件；该管脚还可以作 为输出脚，对外输出p w m 波。t m r c 2 的输入与p w m 模块相连，输出与a d c 模块相连，主要用于p w m 信号$ i a d c 之间的同步触发。 一三种通信模块：2 个异步串行通信接口模块s c i ，2 个同步串行外设接口模块 s p i 以及c a n 控制器局域网模块。通过这些通信模块，可以建立d s p 与d s p 之间，d s p 与外设之间，以及d s p 与p c 之间的联系，用于系统控制及状态显 示。 除了上述的功能模块之外，d s p 5 6 f 8 3 2 3 还具有2 7 个通用输入输出口( g p i o ) 、 片内的看门狗和片内晶振。 d s p 5 6 f 8 3 2 3 有1 6 k 程序存储f l a s h ，2 k 程序存储r a m ，4 k 数据存储f l a s h 和 4 k 数据存储r a m ，不提供片外拓展存储器的接口，但这样大的程序和数据空间对于 一般的应用而言已经足够了。 2 3 2 d s p 5 6 f 8 3 2 3 外围电路设计 正如上文所述，d s p 5 6 f 8 3 2 3 拥有非常丰富的外设资源，因此，其外围电路十分 简单，主要包括以下几个部分：供电电路，b d m ( b a c k g r o u n dd e b u gm o d e ) 调试工 具，复位电路，串口电路。 供电电路主要是把+ 5 v 的电压转换成为+ 3 3 v 的电压，给d s p 供电。 b d m 调试工具使用户可以通过j t a g ：1 以b d m 方式对d s p 进行调试，包括把 程序下载到f l a s h 中。 _ 复位电路就是产生一个低电平信号，用于系统复位。 一 串口电路可以把异步通信硬件电路的+ 3 3 v 电压转换成为r s 2 3 2 接受的信 号。 2 3 2 1 供电电路 d s p 5 6 f 8 3 2 3 是一款低功耗 勺d s p ，采m + 3 3 v 供电，为了保证供电电源的稳定与 正确，设计了产生+ 3 3 v 的供电电路。由外部的辅助电源产生一路+ 5 v 的电压，使 用m c 3 3 6 2 9 d t - 3 3 将+ 5 v 电压转换为+ 3 3 v 电压，该电压为输入输出口供电，再经过 9 基于d s p 的电源数字控制研究 简单滤波，为d s p 内核提供电源。图2 2 为供电电路的原理图。 p o w e r g o o dl e d 莲蓬一i 三当幕群出舛霸蓁等一 图2 2d s p 5 6 f 8 3 2 3 供电电路原理图 2 3 2 2b d m 调试工具 d s p 5 6 f 8 3 2 3 的硬件调试接口非常简单，不需要使用仿真器，d s p 的j 1 a g 口可以 直接连接p c 机的并行口。但是，由于p c 机的并口是t t l 电平，是用+ 5 v 供电的，而 d s p 5 6 f 8 3 2 3 是用+ 3 3 v 供电的，虽然d s p 5 6 f 8 3 2 3 的输入输出端口可以承受t t l 电平， 但是为了安全起见，还是用三态缓冲器隔离了一下。这样无论对d s p 还是p c 机都起到 了很好的保护作用。因此，d s p 5 6 f 8 3 2 3 的仿真电路在硬件上只是一个保护电路而已， 采用传统的7 4 h c 2 4 4 芯片即可。 这里使用了两片7 4 h c 2 4 4 ，一片用+ 3 3 v 供电，接d s p 端；一片采用t 1 l 电平供 电，接p c 端。这样输入d s p 的信号都不会超过+ 3 3 v ，而从d s p 输出的信号都转换为 t t l 电平才送至p c 机。由于+ 3 3 v 的t t l 电平与+ 5 v 的t t l 电平是兼容的，因此在这里 仅仅使用一片+ 3 3 v 供电的7 4 h c 2 4 4 也是可以的。并行j t a g i e i 与p c 机的并口直接相连 即可，图2 _ 3 为j t a g 口的接线原理图。 图2 3d s p 5 6 f 8 3 2 3j t a g 口电路原理图 j t a g 口的各引脚作用如下： 一t d i 为d s p 数据输入，t d o 为d s p 数据输出： 一t c k 为硬件仿真时钟输入，最大频率可达芯片主频的1 8 ( 1 8 x 6 0 m h z = 7 5 m h z ) ： _ n i s 为测试输入选择位： 南京航空航天大学硕士学位论文 亍丽是j 1 a g 口的复位引脚，在亍丽上加低电平时j 1 a g 口复位： 2 3 2 3 复位电路 d s p 5 6 f 8 3 2 3 有两个复位引脚，分别为i 瓦行和面丽亍。其中丽湎j t a g i 的 复位引脚，雨丽为d s p 芯片的复位引脚。为了保证系统的可靠复位，一般要求两 个复位信号同时作用如图2 4 所示，当通过手动复位按钮s 进行复位时，丽、 r e s e t 两个复位信号皆变低。 k 鎏节 萼罄 图2 4 d s p 5 6 f 8 3 2 3 复位电路原理图 2 3 2 4 串口电路 通过串口电路中的r s 一2 3 2 电平转换芯片，d s p 5 6 f 8 3 2 3 可以利用串行通信协议与 p c 机进行通信，r s 2 3 2 转换芯片可以把异步通信硬件电路的+ 3 3 v 电压转换为r s 2 3 2 可以接受的信号。图2 5 为串1 2 1 电路的原理图。 图2 5 d s p 5 6 f 8 3 2 3 串口电路原理图 2 4 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片及其外围电路设计 2 4 1 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片介绍f 1 7 】 【叫 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x d s p 的c p u 内核主要包括以下几个部分 基于d s p 的电源数字控制研究 输入定标移位器( i s c a l e ) t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 器件提供了一个输入定标移位器，该移位器将来自程序存储器或 数据存储器的1 6 位数据调整为3 2 位数据送到中央算术逻辑单元( c a l u ) 。输入定标 移位器作为从程序数据存储空间至j j c a l u 间数据传输路径的一部分，不会占用时钟开 销。 乘法器( m p y ) t m s 3 2 0 l f 2 4 0 xd s p 采用一个1 6 1 6 位的硬件乘法器，可以在单机器周期内产生 一个3 2 位结果的有符号或无符号数。 中央算术逻辑部分 中央算术逻辑部分主要由三部分组成：( 1 ) 中央算术逻辑单元( c a l u ) 。中央 算术逻辑单元( c a l u ) 实现许多算术和逻辑运算功能，且大多数的功能都只需要1 个时钟周期。这些运算功能包括：1 6 位加、1 6 位减、布尔运算、位测试以及移位和旋 转功能。( 2 ) 累加器( a c c ) 。一旦c a l u 中的运算完成，其结果就被送至累加器， 并在累加器中执行单个的移位或循环操作。累加器的高位字和低位字中的任意一个可 以被送至输出数据定标移位器，在此移位后，又可被存至数据存储器。( 3 ) 输出数据 定标移位器( 0 s c a l e ) 。输出数据定标移位器将按照存储指令中指定的位数将累加 器输出的内容左移0 7 位，然后用s a c h 或s a c l 指令将移位器的高位字或低位字存至 数据存储器中。在此过程中，累加器的内容保持不变。 辅助寄存器算术单元( 肌u ) c p u 中还包括辅助寄存器单元( a r a u ) ，该算术单元完全独立于中央算术逻辑 单元c a l u 。a r a u 的主要功能是在c a l u 操作的同时执行8 个辅助寄存器( a r 0 叫讯7 ) 上的算术运算。这8 个辅助寄存器提供了强大而灵活的间接寻址能力，利用包含在辅 助寄存器中的1 6 位地址可以访问6 4 k 数据空间中的任意单元。 a r a r j 可以执行的操作有：( 1 ) 通过执行任何i 条支持间接寻址的指令将辅助寄 存器值增加或减少1 ，也可以增加或减少1 个变址值。( 2 ) 将1 个常数加至辅助寄存器 值( a d r k 指令) 或从辅助寄存器值中减去1 个常数( s b r k 指令) 。该常数取自指令 字的8 位最低有效位。( 3 ) 比较a r 0 和当前a r 的内容，然后将比较结果放至状态寄存 器s t l 中的测试控制位t c ( c m p r 指令) 。结果经由数据写总线d w e b 传至t c 。 状态寄存器s t o 和s t l t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 有两个状态寄存器s t 0 和s t l ，含有各种状态和控制位。 这两个寄存器可以被保存至数据存储器或从数据存储器加载，从而在子程序调用或进 入中断时实现c p u 各种状态的保存。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 指令集采用3 中基本的存储器寻址方式：立即寻址方式、直接寻 址方式和间接寻址方式。 在立即寻址中。指令中所需要的常数作为指令的操作数直接给出。立即寻址包括 短立即寻址和长立即寻址。在短立即寻址中，指令字包括一个8 、9 或1 3 位的操作数， 1 2 南京航空航天大学硕士学位论文 而长立即寻址采用1 6 位操作数。 当需要访问数据存储器时，用户可采用直接或间接寻址方式。直接寻址将指令字 的7 位与数据存储器页指针( d p ) 的9 位连接起来，形成1 6 位数据存储器地址。间接 寻址通过8 个1 6 位辅助寄存器访问数据存储器。 除此之外，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 xd s p 还含有丰富的外设资源，总的来说， t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x d s p 具有以下一些特点： _ 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减小了控制器的功耗； 4 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短至1 2 5 n s ( 4 0 m h z ) ，从而提高了控制器 的实时控制能力。 - 基于t m s 3 2 0 c 2 x xd s p 的c p u 核保证了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 代码和 t m s 3 2 0 c 2 x x 系列d s p 代码兼容。 一片内高达3 2 k 孚的f l a s h 程序存储器，高达2 5 k 字的数据，程序r a m ，5 4 4 字 双e i r a m ( d a r a m ) 和2 k 字的单口蝴( s a 洲) 。 _ 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括：两个1 6 位通用定时器：8 个1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道。它们能够实现：三相反相器控制；p w m 对称 和非对称波形；当外部引脚p d p i n t x 出现低电平时快速关闭p w m 通道；可 编程的p w m 死区控制可以防止上下桥臂同时输出触发脉冲；3 个捕获单元； 片内光电编码器接口电路：1 6 通道a d 转换器。事件管理器模块适用于控制 交流感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机、多级电机和逆变 器。 一总共可扩展1 9 2 k 字的外部存储器：6 4 k 字程序存储器：6 4 k 字数据存储器； 6 4 k 字i o 寻址空间。 一看门狗定时器模块( w d t ) 。 _ 1 0 位a d 转换器最小转换时间为5 0 0 n s ，可选择由两个事件管理器来触发两个 8 通道输入a d 转换器或一个1 6 通道输入的a d 转换器。 一控制器局域网( c a n ) 2 o b 模块。 一串行通信接口( s c i ) 。 1 6 位的串行外设接口模块( s p i ) 。 _ 基于锁相环的时钟发生器。 _ 高达4 0 个可单独编程或复用的通用输a 输出引脚( g p i o ) 。 _ 5 个外部中断( 电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断) 。 一 电源管理包括3 种低功耗模式，并且能独立将外设器件转入低功耗模式。 2 4 2 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 外围电路设计 由于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 内部集成有p w m 产生模块、模数转换器等数字控制必备外 1 3 基于d s p 的电源数字控制研究 设，因此，大大简化了其外围硬件电路的设计。其外围电路主要包括供电电路、时钟 电路、存储器接口电路等。 2 4 2 1 供电电路 t m s 3