数字信号处理

题目*****************学生姓名:***学科专业:电气工程及其自动化指导教师:***摘要近年来，应用模电技术开发的电源在性能、质量和功能上无法满足人们的使用要求，但由于世界经济和部分行业的快速发展，变频电源的使用又十分的广泛，这使得有关行业的发展和技术进步受到了严重的影响。所以，对于更好的变频电源的研究有着极为重要的意义。本文提出了基于DSP空间矢量变频电源，这种电源不仅可以降低电路的难易程度，而且还十分经济，性能上也十分可靠。为实现智能数字化的变频电源，本文以TMS320F2812芯片产生的脉宽调制的波形，该波再通过放大，然后用于IPM中的IGBT驱动，控制电源输出的电压和频率。本文是以变频电源的逆变输出和数字控制方式为研究重点，先是对变频电源主电路的设计，逆变输出采用IPM模块，再是设计基于DSP的控制系统硬件电路，脉宽调制接口电路，A/D转换电路。最后，在完成整体的软件规划和设计流程。该电源的性能、质量和功能均可达到人们的使用需求且不影响对其本身的系统升级。且非常的经济实用，大小、质量和消耗都极低，具备较高的安全性和可靠性。设计中，参考了许多国内外资料，数字信号处理的变频电源的设计都是在此基础上进行的，各个部分的电路都十分缜密，性能、质量和功能都达到了预期的目标。关键词:变频电源；DSP；空间矢量；脉宽调制技术；数字信号处理AbstractInrecentyears,applicationofanalogelectronictechnologydevelopmentpowerintheperformance,qualityandfunctionofunabletomeettherequirementsofpeople,butduetotherapiddevelopmentofworldeconomyandinsomeindustries,theuseofvariablefrequencypowersupplyandisverywidely,whichmakestheindustrydevelopmentandtechnologicalprogressbytheseriousimpact.So,theresearchonthebetterfrequencyconversionpowersupplyhasaveryimportantsignificance.Inthispaper,basedontheDSPspacevectorfrequencyconversionpowersupply,thiskindofpowersupplycannotonlyreducethedifficultyofthecircuit,butalsoveryeconomicalandreliableperformance.Inordertorealizetheintelligentdigitalfrequencyconversionpowersupply,thispaperusesthepulsewidthmodulatedwaveformgeneratedbytheTMS320F2812chip,whichcanthenbeamplified,thenusedfortheIGBTdriverinIPMtocontroltheoutputvoltageandfrequencyofthepowersupply.Thispaperisinfrequencyconversionpowersupplyinverteroutputanddigitalcontrolmodeisthefocusoftheresearch,firstdesignofthemaincircuitofinverterpowersupply,inverteroutputtheIPMmodule,thendesignthehardwarecircuitofcontrolsystembasedonDSP,thepulsewidthmodulationcircuit,a/Dconversioncircuit.Finally,inthecompletionoftheoverallsoftwareplanninganddesignprocess.Theperformance,qualityandfunctionofthepowersupplycanmeettheneedsofpeopleanddonotaffectthesystemupgradeofthepowersupply.Andveryeconomicandpractical,size,qualityandconsumptionareverylow,withhighsecurityandreliability.Design,withreferencetothemanydomesticandforeignmaterials,thedesignofvariablefrequencypowersupplyofdigitalsignalprocessingiscarriedoutonthebasisof,eachpartofthecircuitareverycareful,performance,qualityandfunctionreachedexpectedgoal.Keywords：frequencyconversionpowersupply，DSP，spacevector，pulsewidthmodulationtechnology，digitalsignalprocessing目录第一章绪论1.1本课题提出的背景变频是把交流电的频率进行改变，是交流与交流之间的变换。利用这种方式实现交流电压或电流的频率变换。变频广泛应用于交流电机调速和供电电源频率的变换。实际上变频就是通过大功率电子器件将220V/50Hz的市电变为用户想要的电源。其主电路一般是交-直-交变换，即先将交流的市电整流成直流，再将直流逆变成所需要频率的交流，其中直流变交流的过程就是逆变。其实很多变换最后都要演变到逆变上，而且逆变是核心应用技术，变频更是离不开逆变。总之，变频技术应用十分广泛，它不仅促进了其他技术的进步，其他技术的进步也带动了变频技术的发展[1][2]。1.2变频电源概述变频电源是一种输出正弦波的交流电源，他能够按照需求对输出电源的电压和频率进行改变。因此对SPWM变频的使用较多，特别在不间断电源方面投入十分广泛。在控制上使用模拟电路或单片机，电力电子器件多用IGBT。1.3变频电源技术的发展变频电源要求高精度稳压、稳频，并要求波形品质好;电源按频率分为两大类，工频电源和中频电源;按电源输出相数有单相和三相之分。一般工频电源三相容量10-600kVA,400Hz中频电源三相容量30-90kVA;稳压精度1%，稳频精度0.1%，波形失真小于3%，能适应各种负载。同时特殊行业应用的有邮电通讯专用逆变电源，电力系统、发电厂专用逆变电源，车载船载逆变电源，太阳能及风力发电系统专用逆变电源等。变频电源作为逆变电源的一个分支，它的技术发展历程是和逆变电源技术发展相一致的。逆变技术的发展大致也可分为以下几个阶段:上世纪50年代是逆变电源技术的创建时期，主要在欧美和日本等国，随着晶闸管、晶体管技术和产品的发展，晶闸管电源、晶体管电源等得到迅速发展，占据了逆变电源市场的统治地位。后来，全控功率器件的出现促进了逆变电源技术的极大发展，地域空间也发展了。GTO可使兆瓦级的逆变电源设计简化，可取代需要强迫换流的晶闸怜，目前仍在电源中广泛应用。功率MOSFET的出现，构成了高频电力电子技术，开关频率可达100kHz以上，并可并联大电流输出。IGBT是MOS输入、双极性输出的复合型功率器件，工作频率与GTR相当，其电压定额较高。进入二十一世纪，随着新型功率器件的出现，集成脉宽调制(PWM)电路、各种各样的零电压、零电流变换的拓扑电路得到广泛应用，还有结合单片机、DSP，ARM等智能芯片。电源产品更加小型化、集成化、智能化。中国变频电源产业的发展虽然只有十几年的历史，但成绩喜人;无论是逆变电源技术，还是产业的规模，都发展到前所未有的阶段，成为社会各界关注的一个新兴行业。和国外产品相比，性能指标还存在着相当大的差距;在技术上还处于模仿吸收阶段。国内大部分产品还是采用纯模拟电路，集成度很低，电源产品的数字化进程才刚刚开始，严重滞后市场的需求。变频调压电源的发展趋势关键在于它的创新性，目前电源技术的创新主要有以下几方面。1、高频变换是电源技术发展的主流电源技术的精髓是电能变换，即利用电能变换技术，将市电或电池等一次电源变换成适用于各种用电对象的二次电源。开关电源在电源技术中占有重要地位，从20kHz发展到高稳定度、大容量、小体积、开关频率达到兆赫级的高频开关电源，为高频变换提供了物质基础，促进了现代电源技术的繁荣和发展。高频化带来的最直接的好处是降低原材料消耗，电源装置小型化，加快系统的动态反应，进一步提高电源装置的效率，有效抑制环境噪声污染，并使电源进入更广阔的领域，特别是高新技术领域。2、新理论、新技术的指导谐振变换、移相谐振、零开关PWM、零过渡PWM等电路拓扑理论；功率因数校正、有源箱位、并联均流、同步整流、高频磁放大器、高速编程、遥感遥控、微机监控等新技术，指导了现代电源技术的发展。3、新器件、新材料的支撑绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、功率场效应晶体管(MOSFET)、智能IGBT功率模块(IPM),MOS栅控晶闸管(MCT)、静电感应晶体管(SIT)、超快恢复二极管、无感电容器、无感电阻器、新型铁氧体、非晶和微晶软磁合金、纳米晶软磁合金等元器件，装备了现代电源技术，促进产品升级换代。4、控制的智能化控制电路、驱动电路、保护电路采用集成组件。控制电路采用全数字化。控制手段用微处理器和单片机等组成的软件控制方式，达到了较高的智能化程度，并且进一步提高了电源设备的可靠性。5、电源电路的模块化、集成化电源技术发展的特点是电源电路的模块化、集成化。单片电源和模块电源取代整机电源，功率集成技术简化了电源的结构，已经在通讯、电力获得广泛应用，并且派生出新的供电休制一分布式供电，使集中供电单一体制走向多元化[3][4]。1.4本课题研究的内容目前变频电源的安全性和可靠性都比较差，大多是因为利用模拟或单片机操控，所以本设计将整体改进变频电源的所有电路，达到变频电源通过数字操控，从整体上提升电源的机能。因此本文的主要研究包括以下几个方面:1、考虑变频电源的整个布局和运转原理，设计主要整个电路，推算与之相对的主电路参数，以及进行主要元件型号的选取等;2、对空间电压矢量控制算法进行分析及软硬件完成，设计将通常应用于电机控制的空间电压矢量算法应用于变频电源逆变输出控制中去，结合PI调节器，计划出适合的操作系统;3、基于TMS320F2812设计相应的系统控制和外围电路，并进行软硬件调试实验;本课题研究的变频电源软硬件平台的构建都是在上述设计中的性能要求实现的。第二章基于DSP的数字化控制技术2.1数字控制与模拟控制信号的处理阶段就是对其筛选和重组，从而获取我们想要的信号。为此，就要设计信号与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。模拟方式需要电容、电阻、运算放大器来实现滤波和控制等，数字方式是先进行模数转换，然后进行数模转换。大部分电路控制运用的是MCS，目前MCS早就十分成熟。然而，MCS仍有一定的不足:生产成本高，电源大小及质量较大等。元件的老化和易受环境影响等都会关系到系统的稳定性。虽然使用MCS集成芯片可以使系统变得简单，但还需要外加许多模拟元件。每一个元件都会产生或多或少的误差，数量增多误差也会增加，从而导致系统的性能下降。其余，由于MCS的功耗很高，很难大范围集成，专用MCS芯片的集成度基本上不易做大。由于投入的是MCS，所以专用芯片的控制依然迟钝，想达到预想的算法十分麻烦。对每一个投入MCS的电路，它的控制系统都需要特意的研究。只要系统一升级，都