（精密仪器及机械专业论文）高精度数控稳压电源的研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

国防科学技术人学研究生院学位论文 摘要 本文主要论述了基于d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的高精度数控直流稳压电源的设计原理 及实现方法。该稳压电源以开关直流稳压电源为基础电路，把开关直流稳压电源的高效率 性和d s p 系统的高精度数据采集能力和高速数据处理能力相结合，运用适当的控制算法对 电压源进行稳压和调整，实现电压源的微步进，输出精度高并具有系统自保护、智能风扇 控制方案和网络化仪器等功能。 文章介绍了系统的总体设计方案，详细阐述了基于d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的高精度 数控直流稳压电源的系统结构，论述了用改进的p i d 控制算法实现电源稳定的原理和仿真 结果，指出了提高其稳定度和精度的主要抗干扰措施。 文章最后对高精度数控直流稳压电源的主要性能参数进行了测定，证明该系统已达到 设计要求，并对其发展前景进行了展望。 关键词：数控直流稳压电源d s p 数据采集集成温度调理器 p i d 控制算法抗干扰 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a g t t h i s p a p e r n a r r a t e s t h e d e s i g nt h e o r y a n dr e a l i z a t i o no f h i g h p r e c i s i o n p r o g r a m m a b l e d i g i t a lp o w e rs u p p l y b a s e d o n t h e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 b a s e do nt h es w i t c hd i r e c tc u r r e n ts u p p l yc i r c u i t c o m b i n i n gt h e h i g h e f f i c i e n c yw i t h t h eh i g h p r e c i s i o nd a t ac o l l e c t i o n a b i l i t ya n dh i g hs p e e dd a t a p r o c e s sa b i l i t yo fd s ps y s t e m t h i sp a p e rt a k e so np r o p e rc o n t r 0 1a r i t h m e t i ct os t a b l i z e a n da d j u s tt h ep o w e rs u p p l ya n dr e a l i z et h em i n i s t e pi n c r e a s i n ga n dh i g hp r e c i s i o n o u t p u t t i n g f u r t h e rm o r e ，t h ep o w e rs u p p l yh a st h es e l f p r o t e c ta b i l i t y ，a r t i f i c i a lf a n c o n t r o ls c h e m ea n dn e t w o r ki n s t r u m e n ta b i l i t y ，e t c t h ep a p e ri n t r o d u c e st h e c o l l e c t i v i t yd e s i g ns c h e m e ，e x p l i c i t l ye x p a t i a t e st h e c o n s t r u c t i o no fh i g h e f f i c i e n c yd i r e c tc u r r e n t p o w e rs u p p l y b a s i n g o nt h ed s p t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 a n dt h ep a p e rp r e s e n t st h et h e o r yo fi m p r o v e dp i dc o n t r o la r i t h m e t i c a n dt h er e s u l to fe m u l a t i o n 。a n dt h ep a p e ri n t r o d u c et h em e a n st oi m p r o v et h es t a b i l i t y a n dp r e c i s i o n i nt h ee n d ，t h ep a p e rm e n s u r a t e st h e p r i m a r yp a r a m e t e ro fh i g h p r e c i s i o n p r o g r a m m a b l ed i g i t a lp o w e rs u p p l y a n di tc o n f i r m e dt h a tt h es y s t e mh a sr e a c h e dt h e a n t i c i p a t i n go b j e c t i v ea n df o r e c a s t st h ep r o s p e c t k e y w o r d ：p r o g r a m m a b l ep o w e rs u p p l y , d s p , d a t ac o l l e c t i o n ，i n t e g r a lt e m p e r a t u r e r e g u l a t i o n ，p i da r i t h m e t i c ，i n t e r f e r er e s i s t a n c e i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 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。 学位论文题目：直擅廑邀控整压鱼迸煎盈巍 学位论文作者签名：童馥盔 一 日期：扣f 年中月钞日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 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。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：直蕴廑熬控煎压电翌煎盈塞 学位论文作者签名：垄丝墓 作者指导教师签名： 2 趣 日期：五时年月矽日 日期：0 矽厂年月2 7 e t 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 概述 人类的经济活动已经到了工业经济时代，并正在转入高新技术产业迅猛发展的时期。 电源是位于市电( 单相或三相) 与负载之间，向负载提供优质电能的供电设备，是工业的 基础。目前电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科，它对现代通 讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效 率、高可靠性的电源起着关键作用。 众所周知，许多科学实验都离不开电源，并且在这些实验中经常会对通电时间、电压 高低、电流大小以及动态指标有着特殊的要求，然而目前实验所用的直流稳压电源大多输 出精度和稳定性不高；在测量上，传统的电源一般采用指针式或数码管来显示电压或电流， 搭配电位器来调整所要的电压及电流输出值；使用上若要调整精确的电压输出，须搭配精 确的显示仪表监测，又因电位器的阻值特性非线性，在调整时，需要花费一定的时间，况 且还要当心漂移，使用起来非常不方便。因此，如果直流稳压电源不仅具有良好的输出质 量而且还具有多功能以及一定的智能化，以精确的微机控制取代许多不精确的人为操作， 在实验开始之前就对一些参数进行预设，这将会给各个领域中的实验研究带来不同程度的 便捷与高效。因此，直流稳压电源今后的发展目标之一就是不仅要在性能上做到效率高、 噪声低、高次谐波低、既节能又不干扰环境，还要在功能上力求实现数控化、多功能化、 智能化、网络化。 本课题来源于外协项目，其目的是利用d s p 微处理器的高精度数据采集能力和高速数 据处理能力，实现直流电压源的稳定和微步迸，从而提高电压源的输出精度。 1 2 直流稳压电源的发展方向 1 2 1 直流稳压电源的发展方向 1 智能化 目前在研制高精度、高性能、多功能的测量控制仪表时，几乎没有不考虑采用微处理 器的。以微处理器为主体取代传统仪器仪表的常规电子线路，将计算机技术与测量控制技 术结合在一起，组成新一代的所谓“智能化测量控制仪表”。智能仪器解决了许多传统 仪表不能或不易解决的难题，同时还能简化系统电路，提高系统的可靠性，加快产品的丌 发速度。直流稳压电源一方面为仪器仪表提供电能量，是仪器仪表的“动力源”，另一面 它本身就是仪器仪表，因此，它有可能而且应当智能化。具体地说，智能化的直流稳压电 源电源应当具有以下功能特点： 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 操作自动化。系统的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动闭合、数据的 采集、传输与处理以及显示打印等都用微控制器来控制操作，实现测量过程的全部自动化。 具有自检测功能，包括自动调零、自动故障检测与状态检验、自动校准、自诊断及 量程自动转换等。系统能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。这种自测试可以在系统 启动时运行，同时也可在系统工作中运行，极大地方便了系统的维护。 具有友好的人机对话能力。智能化的直流稳压电源使用键盘代替传统直流稳压电源 中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量功能。与此周对，智 能直流稳压电源还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及测量数据的处理结果及时 告诉操作人员，使系统的操作更加方便直观。 网络管理能力。随着互联网技术应用日益普及和信息处理技术的不断发展，直流稳 压电源通过r s 2 3 2 接口实现与上位p c 机通信，从而使网络技术人员可以随时监视电源设 备运行状态、各项技术参数：网络技术人员可通过网络定时开关电源，实现远程开关机等 功能。 2 数字化 在传统直流稳压电源中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代， 电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是，现在数字式信号、数字电路显得越 来越重要，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点：便于计算机处理控 制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰( 提高抗干扰能力) 、便于软件包调试 和遥感遥测遥调，也便于自诊断、容错等技术的植入。所以，在八、九十年代，对于各类 电路和系统的设计来说，模拟技术还是有用的，特别是：诸如印制版的布图、电磁兼容( e m c ) 问题以及功率因数修正( p f c ) 等问题的解决，离不开模拟技术的知识，但是对于智能化的 直流稳压电源电源，需要用计算机控制时，数字化技术就离不开了。 3 模块化 电源的模块化“唷两方面的含义，其一是指功率器件的模块化；其二是指电源单元的 模块化。我们常见的器件模块含有一单元、两单元、六单元直至七单元，包括开关器件和 与之反并联的续流二极管，实质上都属于“标准”功率模块( s p m ) 。近年，有些公司把开 关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去，构成了“智能化”功率模块( i p m ) ，不但缩 小了整机的体积，更方便了整机的设计制造。实际上，由于频率的不断提高，致使引线寄 生电感、寄生电容的影响愈加严重，对器件造成更大的电应力( 表现为过电压、过电流毛 刺) 。为了提高系统的可靠性，有些制造商开发了“用户专用”功率模块( a s p m ) ，它把一 台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中，使元器件之间不再有传统的引 线连接，这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计，达到优化完美的境地。它 第2 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 类似于微电子中的用户专用集成电路( a s i c ) 。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯 片，再把整个模块固定在相应的散热器上，就构成一台新型的电源装置。由此可见，模块 化的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积，更重要的是取消传统连线，把寄生参数降到 最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高系统的可靠性。另外，大功率的电源，由 于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑，一般采用多个独立的模块单元并联 工作，采用均流技术，所有模块共同分担负载电流，一旦其中某个模块失效，其它模块再 平均分担负载电流。这样，不但提高了功率容量，在有限的器件容量的情况下满足了大电 流输出的要求，而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块，极大的提高系 统可靠性，即使万一出现单模块故障，也不会影响系统的正常工作，而且为修复提供充分 的时| 、日j 。 4 绿色化 电源系统的绿色化有两层含义：首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电 是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染；其次这些电源不能( 或 少) 对电网产生污染，国际电工委员会( i e c ) 对此制定了一系列标准，如i e c 5 5 5 、i e c 9 1 7 、 i e c l 0 0 0 等。事实上，许多功率电子节电设备，往往会变成对电网的污染源：向电网注入 严重的高次谐波电流，使电网电压耦合许多毛刺尖峰，甚至出现缺角和畸变。2 0 世纪末， 各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，为2 l 世纪批量生产各种绿色直流稳压电源产 品奠定了基础。 1 2 2 国内发展现状 在我国，以电力电子学为核心技术的电源产业，从二十世纪6 0 年代中期开始形成， 到了9 0 年代以来，电源产业进入快速发展时期。一方面，电源产业规模的发展在加快； 另一方面，在国家自然科学基金的资助下或创新意识指导下，我国电力电子技术的研究从 吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新，电源产业界涌现了一些技术难度较大， 具有国际先进水平的产品，而且还产生了一大批具有代表性的研究成果和产品；目前国内 还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。但是我国电源产业与发达国 家相比，存在着很大的差距和不足：在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、 工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为1 0 1 5 年，尤 其在实现直流稳压电源的智能化、网络化方面的研究不是很多。目前国内在这两方面研究 比较多的是成都电子科技大学和广州华南理工大学，主要是利用单片机和可编程系统器件 ( p s d ) 来控制开关直流稳压电源或数制化电压单元达到数控的目的，但和国外的比较起来， 效果不是很理想，还有很大的差距。目前，全国的电源及其配件的生产销售企业有4 0 0 0 家以上，产值有3 0 0 4 0 0 亿元，但国内企业( 著名的如北京大华、江苏绿扬等) 销售的数 第3 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 控直流稳压电源大多是代理日本和台湾的产品，国内厂家生产的直流稳压电源虽然也在向 数字化方向发展，但多限于对输出显示实现数码显示，或实现多组数值预置。总体说来， 国内直流稳压电源技术在实现智能化等方面相对落后，面对激烈的国际竞争，是个严重的 挑战。本课题研制的高精度数控直流稳压电源就是在直流稳压电源智能化方面一个小的探 索。 1 3 课题需要解决的主要内容及相关技术 1 3 。1 课题需要解决的主要内容 本课题需要解决的主要问题是： 1 如何实现对电源的输出控制 系统设计的目的是要用微处理器来替代传统直流稳压电源中手动旋转电位器，实现输 出电压的连续可调，精度要求高。实现的途径很多，可以用d a c 的模拟输出控制电源的基 准电压或分压电阻，或者用其它更有效的方法，因此如何选择简单有效的方法是本课题需 要解决的首要问题。 2 数控直流稳压电源功能的完备 数控直流稳压电源要实现电压的键盘化输出控制，同时要具备多路输出、过压过流及 过温保护、数组存贮与预置、能与微机通信实现仪器网络化。另外，根据厂商要求电源还 应该可以通过按键选择一些特殊的功能。如何有效的实现这些功能也是课题所需研究解决 的问题。 1 3 2 相关技术 整个设计、调试数控直流稳压电源的过程需要用到以下技术。 1 d s p 应用技术 2 数据采集处理技术 3 开关电源设计技术 4 仿真技术 5 软件设计 6 p i d 控制技术 1 3 3 论文的总体结构 第一章简要介绍课题的背景，综述课题研究的目的、意义，国内外的研究现状及相关 技术，介绍本文的主要研究内容及相关技术。 第二章提出了数控直流稳压电源的几种实现方案，从系统的性能指标及厂家要求出 第4 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 发，对这些方案的可行性进行比较分析，选择了种基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 系统的数控 直流稳压电源的方案，并对直流稳压电源的基本设计理论与方法进行了阐述。 第三章详细阐述了数控直流稳压电源的系统结构，包括数据采集电路、人机接口、智 能温控电路，系统与p c 机进行通信的硬件结构和软件流程。 第四章主要对系统用数字控制算法实现稳压和微步进的原理及实际算法进行了研究， 并对控制算法实现系统功能的效果进行了仿真分析。 第五章对数控直流稳压电源的抗于扰措施进行了介绍。 第六章对本数控直流稳压电源样机的性能参数进行测量与评估，给出了本仪器的测试 结论，并对其发展前景进行了展望。 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章高精度数控直流稳压电源的设计理论与总体方案 2 1 系统的功能和性能指标 2 1 1 系统功能 根据设计要求，数控直流稳压电源有如下功能特点： 1 利用微处理器控制的键盘和显示。键盘和显示是数控直流稳压电源区别于传统直流 稳压电源在面板设计上最突出的特点。由于采用美观方便的按键操作代替了传统的开关或 旋钮，避免了手动控制带来的人为误差；由于采用具有显示信息量大等优点的液晶显示器 l c d ，大大增强了操作者和微处理器之间的对话能力。 2 系统自保护功能。系统具有过电压、过电流、过温度保护功能，当输入电压过高、 输出电流过大时，系统能自动切断输入输出；如果系统温度过高，系统能够发出声音和字 幕滚动报警，并在限定时间内关断系统。 3 自检、自诊断功能。这是数控直流稳压电源区别于传统直流稳压电源的重要特征之 一。能够及时和准确地确知仪器故障发生的部位和特征，不仅大大方便了维修，而且保证 了输出的可靠性。 4 远地输入输出能力。仪器配有标准接口，可纳入自动测试系统中工作，具有网络化 仪器功能。 5 智能型风扇控制。系统采用新型温度调理器测量系统的温度，根据温度的高低来控 制风扇的运转，可以节约电能，减小音频噪声。 2 1 2 性能指标 输出电压：双路5 2 0 v ： 额定输出电流：2 a ； 电压调整率：o 0 5 + 5 m v ； 负载调整率：0 1 + 5 m v 纹波和噪声：4 5 m v r m s 电压分辨率：l o m v 设定准确度：4 0 0 5 + 5 m y 温度系数 响应时间 恢复时间： 1 2 0 p p m + 4 m v 电压上升时间( 1 0 9 0 ) ： 1 5 0 m s 电压下降时间( 9 0 1 0 ) ： 1 5 0 m s 3 m s ( 5 0 负载变化，最小负载0 5 a ) 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 2 数字控制技术 信号的处理过程是对信号的过滤和重构“1 ，以得到我们需要的特征，为实现这目的， 实际上就要构造信号到信号之间的传递函数，其实现方法分两种：模拟方式和数字方式。 模拟方式使用电阻、电容、运算放大器n 9 模拟器来实现滤波、和、乘和控制的功能，而数 字的方式是先将模拟量数字化，再进行数字处理，然后还原成模拟信号。 传统的电路控制采用的是模拟控制系统，经过多年的研究，模拟控制技术已经非常成 熟。然而，模拟控制系统有着固有的缺点：如需要大量的分立元件和电路板，器件数量多， 制造成本高等。模拟元器件的老化问题、难以补偿的温漂问题，以及易受环境( 如电磁噪 声、工作环境温度等) 干扰等因素都会影响控制系统的长期稳定性。 专用模拟控制集成芯片的使用大大简化了控制系统，能方便的实现一些电路的控制， 但其控制环路中的反馈控制网络仍需外接大量的电阻电容等模拟器件。这些元器件的误差 会直接影响控制环路的性能，而且元器件老化等模拟控制的缺点依然存在。此外，由于模 拟控制系统的功耗比较大，大规模集成困难，专用模拟控制芯片的集成度一般很难做高。 由于采用的是模拟控制方法，因此专用芯片的控制仍不够灵活，要实现复杂、先进的控制 算法很困难。 对于每一个采用模拟控制的电路装置，其控制系统都需要专门的设计。每一次产品的 更新换代，都需要重新设计、制造它们的控制系统。而且目前的模拟控制手段己经大大落 后于控制理论的发展。目前大多数的模拟控制回路，仍采用传统的p i d 调节”1 ，而很少采 用现代控制理论提供的方案和算法。对于模拟控制来说，监控性能也非常差，只通过模拟 的测量以及光、声信号来显示、报警。因此，随着电力电子技术及其控制技术的不断发发 展，模拟控制的局限性已经越束越明显。 为了改善电路系统的控制性能，微处理器在电力电子中开始进行应用。通过a d 转换 器将微处理器与系统相连，在微处理器中实现数字控制算法，然后通过 o 口或p w m 口发 出开关控制信号。微处理器还能将采集的功率变换装置的工作数据进行显示或传送至计算 机保存。一些控制中所用到的参考值可以存储在微处理器的存储器中，并对电路进行实时 监控。微处理器的使用在很大程序上提高了电路系统的性能，但由于微处型器的运算速度 的限制，在许多情况下，这种微处理器辅助的电路控制系统仍旧要用到运算放大器等模拟 控制元件。 t m s 3 2 0 c 2 4 x 处理器”1 具有和微控制器一样的优点，同时具有更快的速度，有能力实现 高密度计算控制算法，这样就可以降低系统的成本。芯片的高速运算能力归功于哈佛结构 的双总线和单周期的乘加指令。一条总线用于数据，另一条用于程序指令。这将大大减少 时间，因为每一条总线可以同时使用。以前d s p 的昂贵价格是它的主要缺点，但是随着数 第7 页 国防科学技术大学研究生院学何论文 字信号处理芯片工业的发展，高性能、低价格的芯片不断出理。人们完全可以使用d s p 芯 片代替传统的模拟控制方法。 基于d s p 的控制有以下一些特点： 通过快速傅立叶变换可以实现故障的诊断。通过获得系统变量的频谱，故障可以在 早期被发现。 可以利用d s p 芯片的高处理能力实现实时的，传统模拟方法不能实现的一些复杂控 制算法，如模糊控制、滑模控制、自适应控制等。这样能大大提高系统的性能。 减少了所需的查表的数，这就减少了对内存的需求。 系统采用软件控制，容易实现系统的升级。 2 3 总体方案选取 方案一如图2 - 1 所示，采用单片机+ 数字电位器方案。此方案就是把常用的电位器调 节电源中的机械式电位器用数字电位器代替。数字电位器是没有机械抽头，具有较小的震 动公差和较高的机械可靠性，且其可编能力允许可重复可靠地返回同一抽头位置，因此此 方案线路较为简单、可靠。但现有的数字电位器分辨率有限，常见的有3 2 抽头、6 4 抽头， 构成的分压电路精度有限，无法满足设计要求。 数字电位器 图2 - 1方案一 方案二如图2 一l 所示，此方案采用单片机+ 串联调整型稳压电源。单片机输出电压控 制数字量送至d a 转换器，经d a 转换器输出的模拟电压作为误差放大器的基准电压。由 于理想d a 转换器的输出量a 与输入量d 和r 的关系应为a = r d 。对一个确定的o a 转 换器，模拟基准电压r 往往是一个固定值，相当于一个比例系数。显然这里d a 转换器输 出的电量不能连续可调，而只能以所用d a 转换器的绝对分辨率为量化单位增减，所以d a 转换器实际上是准模拟量输出”1 。这样通过改变稳压电源的基准电压的方法就可使实现输 出的步进增加( 或减小) ，稳定性高，纹波小，可靠性高，调试容易。缺点是要求功率器件 一调整管严格工作在线性区，靠调整管之间的电压降来稳定输出，当输出电压较低时，稳 压电路的输入输出端压降太大，调整管静态损耗大，发热量大，使得电路总效率不高。 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 2 方粟二 方案三如图2 3 所示，采用微处理器+ d c - d c 变换器。此方案直接利用微处理器编程产 生p 张来控制d c d c 变换器的输出，用数字控制器来取代模拟控制器，电路简单可靠。一 般说来，单片机都能产生从几h z 到几十k h z 的p w m ，这样要控制一般d c - d c 变换器输出一 定数值的电压，完全可以满足要求。然而单片机的单周期指令执行时间为微秒级，如果要 输出几十k h z 的p w m ，则其指令执行时间就只有几个到几十个单周期指令执行时间，而要 使d c d c 变换器实现微步进输出，就要对每一步进输出值对应的p w m 的脉宽或频率进行精 确的计算和调节，在软件编程时就要有复杂的控制算法和大量的计算，这样一般的单片机 满足不了要求。但是，如果我们选用d s p ，情况就不一样了。d s p 内部采用程序空间与数 据空间分开的哈佛结构，允许同时取指令和取操作数，且许多d s p 芯片内部都采用多总线 结构，保证在一个机器周期内可以多次访问程序空间和数据空间，在执行一条指令过程中， 取指、译码、取操作数和执行这几个阶段是重叠的，再加上其内部有多处理单元及特殊的 d s p 执行指令，使得其执行指令周期短( 可短至l o n s ) ，运算精度高( 其字长已从8 位提高 到了4 0 位) ；新一代d s p 的接口功能愈来愈强，片内有串行口、主机接口( h p i ) 、d m a 控制 器、软件控制的等待状态产生器、锁相环时钟产生器以及实现在片仿真符合i e e e l l 4 9 1 标准的测试访问口，更易于完成系统设计o ，。因此，我们选用方案三。 图2 - 3 方案三 2 4 基本设计理论与方法 2 4 1引起稳定电源输出不稳的主要原因 稳定电源的输出电量( 电压或电流) ，是相对稳定而非绝对不变的，它只是变化很小， 小到可以在允许的范围之内。产生变化的原因是多方面的，主要有以下四个因素：一是电 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 网输入电压不稳定所致。电网供电有高峰期和低谷期，不可能始终稳定如初。二是由负载 变化形成的。如果负载短路，负载电流会很大，电源的输出电压会趋于接近于零，时间一 长还会烧坏电源；如果负载开路，没有电流流过负载，输出电压就会升高。即使不是这两 种极端情况，负载电阻有微小的变化也会引起稳定电源输出电量的变化。三是由稳定电源 本身条件促成的。构成稳定电源的元器件质量不好，参数有变化或完全失效时，就不可能 有效地调节前两种原因引起的波动。四是元器件因受温度、湿度等环境影响而改变性能也 会影碍句稳定电源的输出不稳。 一般地说，稳定电源电路的设计首先要考虑前两种因素，并针对这两种因素设计稳定 电源中放大器的放大量等。在选择元器件时，要重点考虑第三个因素。但在设计高精度稳 定电源时，必须要高度重视第四个因素。因为在高稳定电源中，温度系数和漂移这两个关 键的技术指标的好坏都是由这个因素所决定的。 2 4 2 串联开关变换器的设计 i 开关晶体管的选择 v o 图2 - 4 串联开关变换器原理图 图9 - 4 是串联开关变换器( 常称为b u c k 变换器) 原理图。晶体管导通时，开关稳压器 的负载电流以及滤波电容器的充电电流都通过开关调整管供给。因此，调整管的集电极额 定电流必须大于稳压器的输出负载电流。最大集电极电流根据下式计算： i v 。；= i o + 导t d f ( 2 1 ) 二1 0 式中t 。为开关管截止时涮，i 。为输出电流。 当开关调整管截止时，续流二极管导通，稳压电源的全部输入电压都加在开关调整管 集一射极的两端。因此，晶体管的耐压值v 。必须大于稳压电源的输入电压v 、，考虑到开关 瞬时间滤波电感所产生的浪涌电压，晶体管的集一射极电压一般应大于或等于输入电压的 1 5 倍。 开关管的功率损耗包括导通期间、截止期间、及开关转换过程中各项损耗。在导通期 间，虽然流过的电流较大，但是集一射饱和压降v 。很小，故导通期间损耗功率很小。在v t 国防科学技术大学研究生院学位论文 截止期间，虽然集一射极上承受的电压较高，但是流过集电极的漏电流i 。接近于零，故截 止期间损耗极小。在管子导通与截止的转换过程中，存在瞬间的高电压、大电流的重叠过 程，这就产生一定的损耗。经推导、计算，晶体管v t 损耗的功率为： p = 。v c t o f f + c k t o n + 1 眠+ 砜5 ) ( t ，+ t f ) 2 ) 式中，t 。为导通时间；t o r t 为截止时间；1 1 r 为上升时间，t ，为下降时间。实际设计时，开关 调整管的耗散功率应大于上式算出的数值。 2 续流二极管的选择 当开关调整管截止时，续流二极管导通，滤波电感l 内储存的磁场能量通过续流二极 管传输到负载。由此可知，续流二极管的正向额定电流必须等于晶体管的最大集电极电流， 即大于负载电流。当晶体管饱和时，集一射极电压可以忽略不计，这时，全部输入电压将 加在续流二极管的两端。因此，续流二极管的耐压值必须大干输入电压v 。 3 、滤波电感的计算 在开关稳压器的主回路中，开关调整管饱和时，有 v i * l 等 ( 2 1 3 ) 式中，a i l = i m ，一i l 】d i 口 由此可以得出 k 熹一v o ) ( 2 q ) 式中，a i c 为滤波电感l 中电流i l 的变化量即负载电流以i o 变化量，为使在最小负载电 流下仍保持电感电流连续，应取： i ls2 i 。h ( 2 - 5 ) 式中，i 为稳压器输出电流的最小值。 由上面可以推算出电感的最小值为 l 苫等k ( 2 6 ) 又由 t 粤(27)otvo v 。 最终可获得滤波电感l 的公式： 第1 i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 l = 瓦v o ( 1 - 4 。滤波电容c 的计算 根据所需的交流纹波输出量v 0 和其它给定的设计数据， f 式求出： ( 2 8 ) 滤波电容器c 的容量可以由 c ；阜f 1 旦)( 2 9 ) 8 l f 。v o v 滤波电感l 和滤波电容c 也可以由下式算出来： t + l c ：二二堕一 ( 2 一l o ) 8 , a v o 。 不过根据上式选择l c 的数值时，l 不能过小。若l 过小，l 内的电流脉动( i 。；i 。) 将会急剧增大，流过开关管的最大电流增加，将使其工作状态恶化。由此可知，电感l 除 了起滤波作用外，还有限制开关电流的作用。“。 2 4 3 电源的计算机仿真技术 根据实际电路( 或系统) 建立模型，通过对模型的计算机分析、研究和试验以达到研 制和开发实际电路( 或系统) 的目的，这一过程，称为计算机仿真( s i m u l a t i o n ) 。在一 个特定用途的电源研制过程中，为了使系统的性能最佳，必须反复进行设计、试制和调试， 但实物试制和调试是一项复杂和艰苦的工作，使得系统开发周期长，而且开发成本往往十 分昂贵。随着大规模集成电路和电子计算机的迅速发展，电源的计算机仿真技术“”彻底改 变了以往电源系统设计中依靠人工计算、电路实验、实物试制和调试的传统设计方法，将 现代仿真技术与计算机发展结合起来，通过建立系统的数学模型，以计算机为工具，以数 值计算为手段，对己存在的系统或设想中的不同设计方案进行模拟分析，从而优化元件参 数，提高系统质量，并减少了繁琐的人工分析，减轻了劳动强度，提高了分析和设计能力， 避免了因为解析法本身对较复杂或阶数较高的系统设计的不足，同时与实物试制和调试相 结合，最大限度地降低了设计成本，缩短了系统研制周期。 电源的计算机仿真主要用于设计方案的验证、系统性能的预测、新产品潜在问题的发 现以及解决问题方法的评价等。它需解决的基本问题是：( 1 ) 建立电路方程和仿真模型； ( 2 ) 求解电路方程的算法。此外，可视化电路录入、仿真结果的分析与处理以及波形分析 等问题也是计算机仿真必须解决的关建问题。 1 、仿真程序建立的基础 在进行电路分析时，通常对屯路图中的每一条支路电流都要指定参考方向，称为正方 第1 2 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 向，一般将支路电压正方向选得与电流方向一致。如果不考虑电路中各元件的特征，而将 电路中的所有元件用有向线段表示，线段的方向对应支路的正方向，这样得到的有向线段 图称为网络拓扑图，网络拓扑图描述了电路的拓扑结构。 任何集中参数网络都服从三条基本定律：基尔霍夫电压定律( k v l ) 、基尔霍夫电流定 律( k c l ) 和元件定律( 支路特性) 。k v l 和k c l 是网络中各支路电压、电流的约束。元件定律 通常指元件的伏安特性。根据这三条定律就可以建立求解网络的方程式。电源的计算机仿 真程序就是建立在网络拓扑分析基础上的。 2 电源仿真的方法 本质上说，凡是能够用于非线性时变电路的仿真方法都可用于电源的仿真。但是，由 于构成电源系统的基本元件和基本控制单元有其自身的特点，数据分析和处理也有其自身 的规律，故电源仿真在方法上有其特殊的要求。常用的仿真算法有以下五种：小信号分析 法、离散时域仿真法、等效电路法、l a p l a c e 变换法和周期时问序列分析法。 3 仿真软件 随着电源仿真技术的发展，各种适用于电源的计算机仿真软件近年来一直不断涌现， 并且软件版本不断升级，越来越好地满足对电源产品开发设计的需求，其中最常用的电路 仿真软件有p s p i c e ，m a t l a b 、s a b e r 等，这里对p s p i c e 和m a t l a b 进行简要介绍。 p s p i c e 3 是美国m i c r o s i m 公司开发的电子线路设计仿真的微机版e d a 软件，具有较高 的分析计算能力和精度，其主要功能有：1 ) 直流的工作点、直流小信号传输函数、直流转移 特性曲线分析；2 ) 交流小信号的频域分析、噪声分析；3 ) 非线性时域的瞬态特性分析、傅 里叶分析；4 ) 电路元器件参数变化所引起的输出量变化的灵敏度分析；5 ) 交流小信号灵敏 度分析：6 ) 计算元器件参数偏离标称值时电路输出特性的蒙特卡罗分析和最坏情况分析； 7 ) 温度特性分析：8 ) 优化设计。 该软件的元件库中设有大量的电器元件，为满足计算精度的要求，用户可以对其各项 技术参数进行修改。它可处理的电路元件有：电阻、电容、电感、互感、独立电压( 流) 源、四种受控源、传输线、二极管、双极型晶体管、j f e t 、m o s f e t 及6 a a s f e t 。 它可以处理无源元件的温度系数，独立电源的波形可定为下述五种形式之一：指数、 脉冲、分段线性、频率调制波及正弦波。受控源的受控方式可以是线性，也可以是非线性 的任意阶任意维多项式，各种元件还可以用各自允许的模式进行定义和描述。其图形后处 理功能就像扫描仪和示波器一样，测量电路的瞬态响应，画出相应的波形。用户在涉及电 路硬件之前，先对电路进行仿真，再根据仿真结果进行参数修改和电路优化设计，使用十 分方便，其优点是节省时间和设备，降低成本，缩短新产品生产周期。 m a t l a b 语言”“。”是目前国际上最为流行的软件之一，其在电源仿真中应用方法可分 第1 3 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 为：( i ) 运用m a t l a b 强大的计算功能求解电源变换器方程式；( 2 ) 运用m a t l a b 频域分析的 工具研究变换器系统的控制性能；( 3 ) 运用m a t l a b 的s i m u li n k 、t o o l b o x 工具仿真变换器 系统。s i m u li n k 是m a t l a b 软件包中最重要的功能模块之一，是交互式、模块化的建模和 仿真的动态分析系统。在电力电子领域，通常利用s i m u l i n k 建立电力电子装置的简化模 型( 如基频模型) 并连接成系统，即可直接进行控制器的设计和仿真。同时m a t l a b 在p o w e r s y s t e mb l o c k ( p c b ) 模块库中建立了专门用于电力电子仿真的器件模型，包括理想开关、 二极管、晶闸管、门极可关断晶闸管g t o 和功率场效应晶体管m o s f e t 等。借助于s i m u li n k 工具箱，使用m a t l a b 可以在s i m u l i n k 环境下，进行系统的仿真计算，可以实现复杂的控 制方法仿真，同时可以观察仿真的执行过程，仿真结果的后处理非常方便m a t l a b 这种灵 活的模块式输入方式、极快的仿真速度和强大的数据处理能力已经使其在电源仿真中取得 了显著的优势。 第1 4 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 第三章系统结构 3 1 系统硬件总体结构 数控直流稳压电源的整机框图如图3 一l 所示，它主要由键盘、显示、d s p 系统、a d 转换电路、直流稳压电路和d c d c 变换电路、保护电路和报警电路组成。另外，还有r s 2 3 2 接口电路。 d s p 数据处理系统是数控直流稳压电源的核心。它通过软件的运行来控制整个仪器的 工作，从而完成设定的功能操作。我们选用的d s p 为t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 。 d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 是整个系统的中枢，它接收来自键盘的信息，也接收来自保护电 路的中断信号。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 对输入的信息进行处理，从而确定仪器的工作状态及输出 电压的大小。如果发生过热现象，d s p 系统能驱动报警电路工作。此外，如果上位p c 机有 请求，能通过r s 2 3 2 与p c 机进行通信。 接口 l c d 显 示模块 r s 2 3 2 接口 报警 d s p 微 处 理 器 垄网 _ 叫二= = = f 。 整流 保护电路 肝 yli 。 一n 几i a d f 传感电路和 集成温度调理 器与智能风扇 i 璺| 3 1 整机系统框图 3 2 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 xd s p 的数据采集电路 3 2 i 芯片概述 t m s 3 2 0 l f x 2 4 0 xd s p 嘲啪有以下一些特点： 采用高性能静态c m o $ 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减小了控制器的功耗：3 0m i p s 的执行速度使得指令周期短到3 3 n s ( 3 0 m h z ) ，从而提高了控制器的实时控制能力。 片内有高达3 2 k 的f l a s h 程序存储器，高达1 5 k 字的数据程序r a m ，5 4 4 字双口 r a m ( d a r a m ) 和2 k 字的单口r a m ( s a r a m ) 。 两个事件管理模块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；三相反相控制；p w m 的对称和非对称波形；当外部引脚 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 p s p i n t 出现低电平时快速关闭p w m 通道；可编程的 死区控制以防止上下桥臂同时输，pwm 出触发脉冲；3 个捕捉单元；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 模块等。 可扩展的外部存储器( l f 2 4 0 7 ) 总共1 9 2 k 字空间：6 4 k 字程序存储器空间；6 4 k 字数 据存储器空间；6 4 k 字i 0 寻址空间。 看门狗定时器模块( w d t ) 1 0 位a o 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。 控制器局域网络( c a n ) 2 o b 模块。 串行通信接口( s c i ) 模块。 1 6 位的串行外设接口( s p i ) 模块。 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入输出引脚( g p i o ) 。 5 个外部中断 电源管理包括3 种低功耗模式，能独立地将外设器件转入低功耗工作模式。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d 0 d l a d c i n 0 2 1 2 7 1 3 0 a d c i n o 山 a d c i n 0 0 唑 i 。 p l n l i o p a 6 巴 1 0 k 1 | 1 1 0 k 9 2 4 l a u v w o s c l s b l l o v j 2 0 v 幽3 - 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的模数转换模块输入连接图 3 2 2 模数转换模块( a d c ) 1 模数转换模块( l f 2 4 0 7 ) 的特点 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的模数转换模块a d c 具有如下： 带内置采样保持的1 0 位模数转换模块： d 4 5 h b p w m + m b r 7 4 5 i j 1 1 0 0 ph 甜o 4 7 0 uf 二吐j o 1q r l 第1 6 页 hhhhhu=； 国防科学技术大学研究生院学位论文 多达1 6 个的模拟输入通道，具有自动排序能力。一次可执行最多1 6 个通道的“自 动转换”，而每次要转换的通道都可通过编程来实现 两个独立的最多可选择8 个模拟转换通道的排序器( s e q