【《高频电源控制系统软件设计案例》4800字】

高频电源控制系统软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u28582高频电源控制系统软件设计案例 1194711.1系统的采样时序 1303871.2软件程序的设计分析 3281251.3带死区PWM信号的产生 5161401.4采样时序和A/D转换 650331.5数字化PI控制 7145371.6软件软启动 9118251.7软件抗干扰设计 11静电除尘用高频电源表现一定的系统性特征，在设计过程中需要确保硬件电路满足要求基础上，对其中软件系统也合理的设计。具体分析可知这种系统的软件主要包括火花处理程序、多路采样程序、模数转换程序，以及相应的键盘扫描和信号发生程序。其中的控制芯片为TMS320LF。在编程时根据应用要求选择了汇编语言，相关的软件平台为CCS。下图1.15显示出上位机的功能设定相关情况。图1.15电源控制系统软件设计功能框图Fig.1.15Softwaredesignfunctiondiagramofpowercontrolsystem1.1系统的采样时序分析可知这种主控芯片的组成单元包括，通用定时器GPl和GP2。在运行过程中其中的GP1可实现功能包括提供PWM发生、采样的时间参数；GP2则提供电压控制环相关的参数。电流环和电压环的控制频率为20、10kHz。采样控制的时间为50μs、100μs，可以根据应用要求进行一定调节和设定。中断屏蔽寄存器IMR可满足GP1的下溢中断控制目的，并据此满足实现特定的调节功能。如图1.16所示，具体分析可知其中GP1和GP2下溢中断都出现情况下，先处理其中的T1UF中断，其原因在于中断优先级更高。在运行过程中接收到INT2中断条件下，根据设定的程序对其识别和处理。T1UF中断过程中，根据要求读出相应的A/D数据。接着进行第二次的模数转换操作，在此过程中需要应用到Tads时间。在转换过程中需要同时进行电流控制，后者所需要的时间为Tic。以上的操作结束后，接着恢复T1UF中断相关的信息，为其后的运行提供支持。退出T1UF程序后，对先前的T2UF中断进行处理，相应的流程和前一个的中断基本上相一致，不过在处理过程中需要的时间为Tcxtl2。图1.16控制系统软件的采样时序Fig.1.16SamplingsequenceofcontrolsystemsoftwareT2UF程序在处理过程中主要是确定出电压控制环，相应的时间为Tvcl，在此时间内没有处理结束后，T2UF中断挂起，在其后进行剩余计算操作，与此相关的时间为Tvc2。在运行过程中这些剩余时间内可以实现其他操作。通用定时器GP1的下溢导致全比较寄存器的值被技术的的更新，这样就使得PWM输出结果改变，可以据此起到相应的调节功能。GP1下溢中断CPU，则接着进行如下的操作：（1）读取下溢中断A/D转换结果，包括变压器原边交流电压、电流。（2）继续进行A/D转换，选取恰当通道和采样模式完成采样任务。（3）电流环控制算法，求解分析所得占空比，然后将其保存到对应的寄存器内，在其后的运行过程中定时器下溢情况下，对这些值进行一定的更新操作。（4）程序中返回。（5）程序跳到相应的服务程序，接着根据设定的程序进行电压控制运算，确定出所需要的电流参考值；然后进行一定返回操作。由此分析可知在运行过程中GP1中断服务程序执行时，才能达到电压控制相应标准。1.2软件程序的设计分析图1.17所示为软件程序流程图。图1.17控制系统软件程序流程图Fig.1.17Controlsystemsoftwareflowchart首先，寄存器进行设置，且根据要求进行一定初始化处理，然后起动定时器。进行显示，通讯相关的功能操作。而处理器中断INT2、INT3，对其中实时要求高的程序进行执行，主要如采样和控制等，从而满足总体应用性能相关要求。INT2的中断源相关情况如下图1.18，在运行过程中接收到中断信号情况下，先判断分析其类型，接着执行中断程序。具体分析可知通用定时器GP1中断处理过程中需要读取上一次两个A/D转换结果，且根据要求进行新的转换操作，同时执行逆变器对应的电流控制，对所得结果返回。图1.18GP1下溢中断程序框图Fig.1.18GP1overflowinterruptprogramblockdiagram图1.19GP2下溢中断子程序框图Fig.1.19GP2overflowinterruptsubroutineblockdiagramINT3的中断源相关情况如图1.19，分析此图结果可知在运行过程中处理器响应INT3中断情况下，开始处理通用定时器GP2，不过在处理前需要先进行现场保护。当GP1中断发生情况下，由于其优先级高，因而其中的GP2被挂起，前者在处理结束后进行恢复操作。接着程序禁止中断，其后根据要求中断处理后，返回，为可其后的操作提供支持。1.3带死区PWM信号的产生具体分析可知这种芯片中设置了三个比较单元，而全比较单元在运行过程中需要产生PWM波，以下对其产生占空比波的原理和过程进行简述：计数器1的工作模式设定后，在启动运行过程中从0开始持续的计数，在达到相应的阈值情况下，往下计数直到0，不断的循环进行这种计数操作。每个比较单元中设置了一定位数的比较寄存器，在对比分析发现值相一致情况下，则PWM输出电平，在各周期运行过程中都对PWM输出的脉冲宽度进行适当的调节，可以在此基础上控制开关时间在合理范围内，更好的满足实际应用要求。因为比较寄存器是透明的，这种情况下在处理过程中新数据可以方便的写入到影子寄存器，这也使得PWM输出脉宽发生大幅改变。因功率器件工作阶段会有一定关断时间，T1关断后，停留一段时间采开通T2，也就是同步导通情况下会导致损害问题。此外其中还设置了可编程的死区单元，在应用过程中可以在开断的间隔设置死区时间，防止直通问题出现。下图1.20显示出死区控制相关原理。DSP还可以实现驱动保护操作，在运行过程中引脚PDPFNT拉低情况下，可产生一定外部中断，可据此满足一定安全运行相关要求。而若PDPINT未被屏蔽，则拉低情况下，所有PWM输出高阻，即可关闭功率器件，达到对应保护功能要求。图1.20PWM波死区控制原理制Fig.1.20WaveofPWMdead-timecontrolprinciple1.4采样时序和A/D转换DSP芯片中设置了六个ADC，在运行过程中其转换时间最大值为500ns。设置的频率为20KHz条件下，开关周期为50μs，为提高采样性能，需要对其中的I1、U1参数进行合理设置，50μs里，其中的各开关周期都实现采样目的。图1.21控制系统的采样时序Fig.1.21Samplingsequenceofcontrolsystem运行过程中开关瞬间，会出现明显的纹波叠加到电压信号，这样会形成一定的干扰，而在传统采样模式下，需要通过阻容电路对这些信息化进行过滤，从而引发一定延时问题，也不满足总体稳定性要求。本文设计时考虑到这些因素而对采样时序进行一定优化，相关情况如图1.21。在进行采样时相邻的开关周期，PWM的脉宽保持一致，对应的电感电流的高频纹波已经损耗，这种条件下采集的波形非常纯净，可不需要考虑到纹波的干扰因而不需要滤波操作。此外分析可知此时间正好是功率器件导通到一半，因而相应的采样值为电感电流的平均值。根据以上分析可知通过这种方法进行采样过程中，不需要设置采样滤波电路，相应的延时明显的减少。A/D转换的值也是确定的，不必其后的处理。1.5数字化PI控制逆变系统在运行过程中可以对相应参考值进行调节，就可控制获得所需的输出结果。开环系统的输出存在一定的变化，无法起到相应的稳定作用，对各种逆变系统都不能满足要求，因而很有必要进行改进。在实际的控制过程中基本上都应用到闭环控制系统。PWM逆变系统可根据其信号类型进行划分，而分为电压型、电流型两种，二者各有一定的优缺点和适用范围，可以根据需要进行选择，图1.22显示出其结构组成情况。电压PWM控制系统在运行控制过程中单纯的电压信号，这样可以方便的进行控制调节，且运行的灵活性也较高。下图1.23显示出这种电压电流型PWM控制系统相关情况，不过在其中加入了电流内环，这样其响应速度和稳定性都显著改善，可更好的满足应用要求。在研究时为提高系统的动态响应性能，而设计了双闭环控制系统，其组成结构具体情况如下图。图1.22电压型PWM控制系统结构框图Fig.1.22StructurediagramofvoltagetypePWMcontrolsystem图1.23电压电流双闭环PWM控制系统结构框图Fig.1.23Structurediagramofvoltageandcurrentdoubleclosed-loopPWMcontrolsystemPID控制算法在不断的发展演化基础上，已经很成熟，目前其应用范围也不断扩大，可以很好的满足复杂对象的控制要求。而微处理器的发展也使得PID控制性能明显提高，同时算法也变得更复杂，适用性强，可满足非线性PID控制相关要求。一些新的算法如自适应PID控制算法也被研发出。本文在设计时对比分析选择了PI控制方法。PI调节器的形式可描述如下：（1.3）为满足PI的数字控制相关要求，需要对其进行一定转换处理，而改写成如下的模式：（1.4）为采样周期，取值为50μs，100μs。为实现以上的控制算法，在处理过程中还需要设定在一定区间内，避免出现失调问题，PI控制器在实现时可通过如下编程方式进行：（1.5）（1.6）（1.7）其中：当时，（1.8）当时，（1.9）否则，（1.10）为PI的输出。在DSP编程中可很方便的实现上述的等式，相应的框图情况如下图1.24。图1.24饱和PI调节器框图Fig.1.24BlockdiagramofsaturatedPIregulator1.6软件软启动根据相关程序控制原理可知，在这种启动过程中，如果参考电压Ucref为500V，则直接启动情况下，铁芯短时间内达到磁饱和区，容易导致过电流而影响到电路的启动。因而对这种类型变压器而言，不可直接起动，为此设置了软启动。其能量数值关断晶闸管一些半波，接着提高至放电电压0.8倍时，提高速度会逐渐变慢，直到达到临界值。而对后一种类型的火花，介质绝缘恢复时间较短，这样可不必进行关断处理，单纯的进行降压后慢慢的恢复，在实际运行控制过程中，为避免功率管过流问题，需要控制变压器偏磁。相应的处理方式就是在脉冲电压工作于变压器初级时，对脉冲宽度进行适当的控制，增加步长小于1μs，不断的增加一直到对应的占空比为50％的方波信号，这样就可起到安全保护目的[55]。如图1.25所示。图1.25控制系统软启动脉冲电压示意图Fig.1.25Controlsystemsoftstartpulsevoltagediagram当火花放电情况下，对应的火花检测电路会引发中断，然后根据设定的程序进行处理，相应的操作主要是记录放电时的二次电压、电流参数，计算出放电能量。在检测发现电流峰值达到较高数值情况下，可认为是高能量火花，反之则是低能量火花。前一类型可按照其能量数值关断晶闸管一些半波，接着提高至放电电压0.8倍时，提高速度会逐渐变慢，直到达到临界值。而对后一种类型的火花，介质绝缘恢复时间较短，这样可不必进行关断处理，单纯的进行降压后慢慢的恢复，火花处理对应的流程如下。图1.26火花处理程序流程框图Fig.1.26Flowchartofsparkprocessingprogram1.7软件抗干扰设计串入干扰，其频谱宽度大，且表现出明显的随机性特征，因而为避免其产生不良影响，需要采取硬件抗干扰措施，不过这种方法只可以对某频段的干扰进行处理，无法抑制所有的干扰。这样就需要同时设置软件抗干扰措施[60]。根据实际的经验可知噪声干扰，会使测量误差大幅提高，但噪声干扰本身有着随机性，能够利用软件滤除虚假信号。而对输入的数字信号，为有效的抑制相关的噪音，需要通过重复检测的方法对相关的虚假输入进行过滤，在受到干扰情况下，程序的输出口状态改变，为实现软滤波目的，可定期反复向这些端口定期重写控制字，这样就可使其状态保持在稳定水平。而在微控制器受到干扰情况下，则可能产生系统失控，引发的后果很严重。这种类型干扰可能导致计数器PC的状态出现变化，而使得程序跳转，出现跑飞或者“死循环”。为在出现干扰后系统恢复到控制状态，应该设置对应的自动恢复程序，在进行软件抗干扰过程中这种程序有重要的意义。本软件设计将选用“看门狗”技术和数字滤波方法。（1）“看门狗”如果记数器PC被干扰导致程序“跑飞”，将陷入“死循环”状态，此刻通过指令冗余、软件陷阱技术均无法脱离这种状态，为有