dsp硬件电路的设计

5DSP控制及硬件电路的设计5.1DSP控制目前市面上流行的主控制器包括：51单片机系列、DSP系列和FPGA。在这中间：虽然51单片机有着成本低廉，体积小的优势；但因其计算能力弱，和外设较少的缺陷，无法满足本系统的需要。FPGA又称现场可编程门阵列，其时序脉冲准确，运算速度快，在需要进行大量重复运算的工程项目中得到了广泛应用。但FPGA以并行运算为主，并需要使用硬件描述语言（verilog或VHDL）来实现电路设计，相比较单片机有很大不同，这造成开发难度较大，门槛较高。DSP是近几年得到快速发展的控制器，其外设丰富，运算速度快，能满足实时性要求较高的工业现场；尤其适用于控制算法复杂，计算量大的工程项目。综合以上分析，本文矿用光伏供电系统选择DSP芯片TMS320LF2407作为最终的控制芯片。TMS320LF2407芯片集成度高，运算速度快，外设丰富，价格适中，作为本设计的控制器，拥有其他芯片所不具备的优势。5.1.1TMS320LF2407的技术参数（1）TMS320LF2407供电电压为3.3V，供电电压低，通态损耗小。最高工作频率40MHZ，指令周期短，指令周期为25ns，能够满足较大载波频率时的计算需求，具备实时控制能力。（2）TMS320LF2407拥有丰富的存储器资源：包括32K字程序闪存空间,1.5K字的数据/程序随机存储器,544字的双口随机存储器和2k字的单口RAM。除此之外，TMS320LF2407片内还集成有64K数据存储器空间以及64K程序存储器空间;其I/O寻址空间达64K，能有效满足使用需要;TMS320LF2407可用于扩展的外部存储器达到192K字。（3）TMS320LF2407拥有两个事件管理器模块EVA和EVB。每个事件管理器模块上均集成有以下资源：两个16位通用定时器（通过倍频器可以达到很高的工作频率）和8个16位PWM波生成通道;为检测上升下降脉冲，片上集成有3个捕获单元。每个模块还可实现以下功能:可编程的PWM死区控制功能，防止上下桥臂同接收触发信号，同时导通;输出A、B、C三相对称和非对称触发信号;当接受低电平外部中断信号时，关闭PWM通道片内光电编码器接口电路，停止发出触发信号;A/D转换功能。（4）拥有10位模数转换器，最小转换时间为375ns,A/D转换器拥有独立和级连两种工作方式，使用事件管理器EVA、EVB来实现触发。（5）拥有16位串行外设接口模块（SPI），和串行通讯接口模块（SCI）（6）拥有5个外部中断资源，除复位中断外，还拥有两个电机驱动保护中断，和两个可屏蔽中断。（7）除高性能模式外，电源管理还包括低功耗模式，在运算量小的时候，能有效降低器件的损耗。（8）看门狗定时器模块(WDT)5.1.2DSP控制系统的端口资源分配由于DSP片内集成有丰富的硬件资源和具备强大的数据处理能力，包括A/D转换运算，触发脉冲的计算均可由DSP完成。只需添加相应的数据采集模块和功率驱动模块等,就可实现系统的控制功能，因而整个控制系统的外围电路相对简单，系统的抗干扰性和稳定性较高。DSP控制框图如图5.1所示：故障检测采样及信号的获取键盘控制保护驱动电路驱动电路驱动电路DSPTMS320LF2407四路SPWM信号光伏输出电压光伏输出电流蓄电池电压直流母线电压直流母线电流KEY1KEY2KEY3A/DCAPTUREI/OI/OI/OPWM光伏供电驱动电网供电驱动工作状态指示PWMLED1LED2LED3SW1SW2BOOST变换器单相逆变图5.1DSP控制系统框图Fig.5.1DiagramofDSPcontrolsystemDC/DC变换器独立光伏系统中采用了光伏电池组，蓄电池，交流电网3种电源供电。当光照充足时，光伏阵列产生的电能经Boost升压电路产生400V直流电压,再经滤波环节，逆变环节与矿灯电网相连，满足负载的照明需求;电池组产生的富余电能经过双向全桥DC/DC变换器向蓄电池充电；当日照不足，矿灯用电量大于太阳能光伏阵列发电量时，蓄电池放电。经双向全桥DC/DC变换器升压，得到400V直流电压,再经逆变器，滤波环节与井下矿灯电网相连;当日照匮乏，且蓄电池电能不足时,矿灯充电架切换为电网供电，以保障供电的可靠性。光伏供电系统控制系统由信号采样模块，DSP信号处理模块，功率驱动模块,以及故障检测及保护模块等组成。为实现最大功率跟踪，需采样光伏电池组的实时输出电压和输出电流,通过增量电导法控制策略，DSP产生PWM驱动信号,控制Boost电路的开通关断;采样直流母线电压、电流,根据当前的运行状态，产生PWM信号驱动DC/DC变换器，控制蓄电池的充放电。当DSP检测到光伏电池组产生的电能小于矿灯用电网络的用电量时，通过驱动电路，将矿灯电网与交流电网相连，通过电网供电;当光伏供电系统发生故障时,DSP不再发出PWM信号,使光伏发电系统停止工作，并通过驱动电路，和继电器将电网与矿灯充电架相连为其供电;在故障解除，系统恢复正常工作后，DSP重新发出触发脉冲，使光伏系统完成供电，并切断电网与矿用灯网架的相连。DSP的端口资源分配如表5.1所示：表5.1DSP端口资源分配Table5.1DistributionforDSPportsDSP端口连接对象实现功能PWM12/IOPE6产生PWM信号产生Boost电路PWM信号PWM8-11/IOPE2-5产生逆变器PWM信号PWM4-7，13-16/IOPB0-7产生双向变换器PWM信号PWM3/IOPE1LED3电网供电模式指示信号PWM2/IOPA7LED2光伏供电模式信号PWM1/IOPA6LED1DSP启动信号TCLKNB/IOPF5继电器SW2电网供电驱动信号ADCIN00电压霍尔传感器光伏阵列电压采样ADCIN01电流霍尔传感器光伏阵列电流采样CLKOUT/IOPEO按键KEY2启动光伏供电模式CANRX/IOPC7按键KEY3启动电网供电模式CAP2/QEP2/IOPA4按键KEY1启动DSP/BIO/IOPC1继电器SW1光伏系统供电驱动信号ADCIN08电压型互感器逆变器输出电压采样ADCIN9电流型互感器逆变器输出电流采样ADCIN10电压霍尔传感器蓄电池电压采样ADCIN12电压霍尔Boost直流母线电压5.2辅助电路的设计由于TMS320LF2407内部集成有A/D转换模块，PWM脉冲生成模块，使得系统结构简化，方便了外围硬件电路的设计。现对采样电路，驱动电路等几种外围电路进行简单的介绍。5.2.1采样电路的设计由于光伏阵列输出电压、电流较大，不能直接进行A/D转换，为解决这一问题，加入采样电路，使得其在有较好线性度的同时降低输出电压，电流，使之小于TMS320LF2407端口最大输入电压3.6V。在光伏阵列中，由于输出的电压电流反映了当前光伏阵列的输出功率，随着日照的变换而不断变化。对其进行实时采样，是实现光伏阵列最大功率跟踪控制的重要依据。考虑到其是直流成分，采用霍尔元件对其进行测量，来实现主电路部分与控制系统的隔离。逆变器交流侧的电压电流，和电网上的电压为交流量，出于成本考虑，采用电流、电压互感器对其进行采样。（1）直流量的采样采样电路如图5.2所示,Jl为光伏电池组输出端口,经霍尔元件采样后与Boost电路相连,R3为2K/1W限流电阻，Dl~D4为3.3V箝位电路,限制采样电路的输出电压，以防对DSP造成损害。本系统中所用电压霍尔型号为VSM025A，电流传感器型号是CSM025AY,器件的供应商分别为深圳赛尔通科技有限公司和西安新敏电子科技有限公司。J1PVBOOSTCSM025AYVSM025AI6I7I8I9I10I1I2I3I4I53.3V15V15VVcc-Vcc+VoutVcc+Vcc-VoutADCIN00ADCIN01D1D3D4D2R1R2R3R4C1C2R5图5.2直流电压、电流采样电路Fig5.2SamplingcircuitofDCvoltageandcurrent(2)交流量的采样交流信号采样电路如图5.3所示,采集量包括逆变器输出侧电压，电流信号和电网电压信号。选用的电流互感器原边匝数为1，副边匝数为100；电压互感器参数为:220V/5V。为防止采样电压过高损坏DSP芯片，采样模块末端接稳压管，将电压箝位在3.3V。1.25V交流电压采样-15V+15V交流电压ZD-12V+12V+3.3V+3.3Vi图5-3：交流电量采集电路Fig5.3SamplingCircuitofACvoltageandcurrent5.2.2电源的设计（1）供电电路的设计在控制系统中TMS320LF2407需3.3V电压供电，其余模块需要5V电源供电，故电源模块需提供两路直流供电。为满足DSP的供电要求，采用AMS1117作为稳压芯片，为DSP提供3.3V工作电压。采用LM1085稳压芯片为其它模块提供5V工作电压。由于其他模块对供电电源电压质量要求不高，且LM1085转换效率高，电阻损耗小，因而在本次设计中采用非常适宜。为滤除高次谐波对电压的影响，减小输出电压的纹波，提高电源质量，保证电压的稳定性。在稳压芯片电源输出端口并联多个10uf陶瓷电容，以保证电源的供电稳定性，防止电压的剧烈波动。VINVOGNDVCCVINVOGNDAMS1117LM1085C1100ufC2100ufC3100ufC4100uf113223图5.4供电电路Fig5.4Powersupplycircuit（2）电压转换电路的设计由于DSP的端口输出电压仅为3.3V，输出功率小，而其他模块端口输入高电平为5V，DSP无法实现对其他模块的驱动。因而需要增加3.3V—5V电平转换电路，以保障其他模块的正常工作。考虑到DSP输出信号中包含有PWW触发信号，其工作频率可达50KHz，因而所选择的电压转换电路，应具备转换速率快，电压上升时间短的特点。本设计采用日本东芝公司的6N137高速光耦器芯片。其转换速率达10MBit/s，电源最大输出电压5.5V，最大允许低电平电压0.8V，最大上升时间75ns，最大下降时间75ns，其中90％电压上升时间仅为1ns。其综合性能能满足系统的要求。3.3VR2IN1234NC+-NCVCCVEGNDVORES26N137GNDGND5VR1C8765OUT图5.5电压转换电路Fig5.5VoltageConversionCircuit5.2.3驱动电路的设计考虑到DSP的输出电压、电流有限，驱动能力不足，无法实现对各功率管的直接触发、驱动。因此要在DSP输出端口外加驱动电路，进行隔离的同时，实现功率放大功能,使DSP能控制功率管的开通与关断。本系统所选用东芝公司功率驱动模块TLP250,该模块集成有一个光发射二极管和一个光探测器。驱动模块高低电平转换时间约0.5us,能满足系统对PWM波频率的要求。TLP250是8脚双列封装功率驱动模块，适用于IGBT、MOSFETTL，和晶闸管变流器的驱动。本文选用TLP250作为驱动模块，其主要电气参数如下：，输入阈值电流IF（ON）=10mA,隔离电压2500V,前向电流If=20mA，节点温度Tj=125°C，工作频率f=25KHz，输出电压Vo=24~35°C，最大输出电流Io=1.5A(max)。根据TLP250的运行特性,选取Vo=15V,R1=3.3KΩ,R2=2.4KΩ。考虑到Rg值的大小对IGBT开关速度的影响及自身的功率的损耗,取Rg=30Ω。隔离驱动电路原理图如图5.6所示：+5VR2R1PWMQ1TLP25012345678+VD-VDRgT1u图5.6信号隔离与驱动电路Fig5.6CircuitofSegregationandDrivingSignal5.2.4转换开关的设计在整个系统中，存在着多种工作状态，为实现不同状态间的灵活切换，需要设计多个三相开关，将光伏电池组与DC/DC变换电路、三相逆变器桥与外部电网相连。根据控制信号的不同，完成供电电源的切换，以确保供电可靠性和供电环保型的有机组合。为实现这个目标，系统中添