基于DSP的PWM型開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

1、基于dsp的pwm型開關(guān)電源的設(shè)計(jì)目前,以具有小型、輕量和高效的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于以計(jì)算機(jī)為主異的各種終端設(shè)備和通信設(shè)備中,是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛快進(jìn)展不行缺少的一種電源方式.與之相應(yīng),在微電子技術(shù)進(jìn)展的帶動下,芯片的進(jìn)展日新月異,功能日益強(qiáng)大,性價(jià)比不斷升高,開發(fā)手段不斷改進(jìn),其處理速度比cpu快1015倍,因此基于dsp芯片的開關(guān)電源可以說是天作之保,擁有著廣大的前景,可用于選進(jìn)的機(jī)載電源中,也是開關(guān)電源今后的進(jìn)展趨勢.1 型開關(guān)電源原理pwm型開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖1所示.市電信號經(jīng)過輸入濾波和整流濾波后實(shí)現(xiàn)ac/dc轉(zhuǎn)換,將電網(wǎng)溝通電挺直整流為較平滑的直流電,以供下一級變換;再經(jīng)過后實(shí)現(xiàn)dc

2、/ac轉(zhuǎn)換,將整流后的直流電變?yōu)闇贤?這是pwm型開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)pwm控制的核心部分,其頻率越高,體積、分量與輸出功率之比越小.最后在通過輸出整流與濾波,按照負(fù)載需要,提供穩(wěn)定牢靠的直流電源.2 pwm控制原理開關(guān)電源控制原理圖2所示.圖中,開關(guān)k以一定的時(shí)光間隔重復(fù)地接通和斷開,在開關(guān)k接通時(shí),輸入電源e可通過開關(guān)k和濾波提供應(yīng)負(fù)載rl為負(fù)載提供能量;為使負(fù)載能得到延續(xù)的能量,開關(guān)必需要有一套儲能裝置,在開關(guān)接通時(shí)將一部分能力儲存起來,在開關(guān)斷開時(shí),向負(fù)載釋放.圖2中,由l、c2用以儲存能量,在開關(guān)斷開時(shí),儲存在電感l(wèi)和c2中的能量通過d釋放給負(fù)載,使負(fù)載得到延續(xù)而穩(wěn)定的能量.因二極管d使負(fù)

3、載延續(xù)不斷,所以稱為續(xù)流二極管.ab間的平均值eab可表示為:eab=ton|t×e (1)式中,ton為開關(guān)每次接通的時(shí)光,t為開關(guān)通斷的工作周期(即開關(guān)拉通時(shí)光ton和關(guān)斷時(shí)光toff之和).由式(1)可知,開關(guān)接通時(shí)間和工作周期的比例轉(zhuǎn)變,ab間電壓的平均值也隨之轉(zhuǎn)變,因此,隨著負(fù)載及輸入電源電壓的變幻自動調(diào)節(jié)ton和t的比例,便能使輸出電壓v0維持不變.轉(zhuǎn)變接通時(shí)光ton和工作周期比例亦即轉(zhuǎn)變脈沖的占空比,這種辦法為“時(shí)光比率控制”(time ratio control,縮寫為trc).這里根據(jù)trc原理挑選了開關(guān)周期t恒定,通過轉(zhuǎn)變脈沖寬度ton來轉(zhuǎn)變占空比,這種方式稱為脈

4、寬調(diào)制方式(pwm),用來實(shí)現(xiàn)對電壓幅值頻率的控制.3 dsp芯片tms320lf2407簡介tms320系列dsp的體系結(jié)構(gòu)是專為實(shí)時(shí)信號處理而設(shè)計(jì)的,該系列dsp集實(shí)時(shí)處理能力和控制外設(shè)功能于一身,為實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)提供了抱負(fù)的解決計(jì)劃.tms320lf2407在tms320 系列的基礎(chǔ)上有以下特點(diǎn):(a) 高性能10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器()的轉(zhuǎn)換時(shí)光為500ns,提供多達(dá)16路的模擬輸入.(b) 基于tms320c2xx第洌的cpu核保證了其與tms320系列dsp的代碼兼容.(c) 具有兩個(gè)大事管理器模塊eva和evb,每個(gè)均可提供兩個(gè)16位通用定時(shí)器和八個(gè)16位的pwm通道.(d) 高達(dá)24k

5、的flash程序存儲器.(e) 可擴(kuò)展外部存儲器.(f) 五個(gè)外部中斷(兩個(gè)驅(qū)動庇護(hù)、復(fù)位和兩上可屏蔽中斷).4 利用tms320lf2407實(shí)現(xiàn)spwm4.1 spwm控制的基本原理所謂spwm即pwm中脈沖寬度按正弦邏輯變幻.由采樣理論:沖量相等而外形不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上,其效果基本相同可知,為了在輸出端得到正弦波,就需要輸出一系列幅值相等而寬度不等的矩形波.采納三角載波的規(guī)章采樣法,就可以得到寬度按正弦邏輯變幻的矩形波.3所示,每個(gè)脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的三角波的中點(diǎn)對稱,在三角載波的負(fù)峰時(shí)刻td對正弦波采樣得到d點(diǎn),過d點(diǎn)作一水平直線和三角波分離交于a點(diǎn)和b點(diǎn),在a點(diǎn)時(shí)刻ta和

6、b點(diǎn)時(shí)刻tb控制功率器件的通斷.可見ab長度即為脈沖寬度,由圖可得如下關(guān)系式:ab=tc(1+sinctd)/2 (2)按照這一關(guān)系式可知,假如一個(gè)周期內(nèi)有n個(gè)矩形波,則第i個(gè)矩形波的占空比為:d1=0.5+0.5sin(i×2/n) (3)4.2 利用tms320lf2407實(shí)現(xiàn)spwm控制這里以evb中的通用定時(shí)器3及與之相關(guān)的比較單元為例來解釋實(shí)現(xiàn)spwm控制的過程.tms320lf2407中evb的定時(shí)器3個(gè)有三個(gè)與之相關(guān)的比較單元:比較單元4、5、6,每個(gè)比較單元都有一個(gè)相應(yīng)的比較寄存器:cmpr4、cmpr5和cmpr6.每個(gè)比較單元都可單獨(dú)設(shè)置成比較模式和pwm模式,設(shè)

7、置為pwm模式時(shí),每個(gè)比較單元有兩個(gè)極性相反的pwm輸出.因此利用tms320lf2407可實(shí)現(xiàn)對三相橋式逆變電路的spwm控制.在周期寄存器t3pr的值一定的狀況下,通過轉(zhuǎn)變比較寄存器的值就可以轉(zhuǎn)變輸出矩形脈沖的寬度.按照式(3)所得的占空比表達(dá)式,再利用通用定時(shí)器比較單元的pwm特性,就可以很簡單地實(shí)現(xiàn)spwm.首先介紹一下產(chǎn)生pwm的寄存器設(shè)置,其步驟如下:(1) 裝載比較方式控制寄存器actrb.(2) 假如使能死區(qū),則設(shè)置和裝載死區(qū)時(shí)光控制寄存器dbtconb(如使能則可避開上下橋臂同時(shí)輸出觸發(fā)脈沖.)(3) 設(shè)備和裝載定時(shí)器3周期寄存器,即規(guī)定pwm波形周期.(4) 初始化evb的

8、比較寄存器cmpr4、cmpr5、cmpr6.(5) 設(shè)置和裝載定時(shí)器3的控制寄存器t3con.(6) 更新比較寄存器的值,使輸出的pwm波形占空比發(fā)生變幻.詳細(xì)的程序設(shè)計(jì)辦法如下:(1) 系統(tǒng)初始化后按照載波頻率和信號頻率計(jì)算出每個(gè)周期需要輸出的矩形波個(gè)數(shù),從而確定定時(shí)器的周期,以設(shè)置頻率參數(shù)及脈沖個(gè)數(shù).(2) 按照式(3)計(jì)算出每個(gè)矩形脈沖的占空比,用占空比乘以周期寄存器的值,從而計(jì)算出比較寄存器的值.該過程作為計(jì)算子程序,并使脈沖指針個(gè)數(shù)i加1.(3) 在周期中斷子程序中將計(jì)算所得出的比較寄存器的值送到比較寄存器,當(dāng)達(dá)到一次載波周期時(shí)置相應(yīng)的標(biāo)記位.(4) 主程序按照標(biāo)記位來推斷是否已完

9、成一個(gè)周期的操作.假如標(biāo)記位tc上已置1,則清標(biāo)記位,調(diào)計(jì)算占空比子程序,然后進(jìn)入等待狀態(tài);假如標(biāo)記位上未置1,則挺直進(jìn)入等待狀態(tài).其主程序流程圖4所示.雖然利用也能實(shí)現(xiàn)spwm,但運(yùn)用dsp強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力及其速度優(yōu)熱可以提高電源控制系統(tǒng)的精度和實(shí)時(shí)性,滿足逆變電源更高的要求,為電源控制系統(tǒng)的全數(shù)字化提供須要的軟硬件基礎(chǔ).其與單機(jī)的性能比較見表1.表1 dsp與單片機(jī)的性能比較結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)處理能力 命令執(zhí)行時(shí)光 乘加運(yùn)算(s) pwm(s) 正余弦查表(s) 速度測量(s) 電流控制(s) 單片機(jī) 共用總線 差 多周期 2 2 17.2 49.6 40 dsp 并行總線 很強(qiáng) 單周期多功能命令 0.050 0.050 1.9 5.7 4.35 結(jié)果在軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上結(jié)合硬件,得到了在eclectonics workbench環(huán)境下經(jīng)正弦調(diào)調(diào)制而未整流濾波的仿真結(jié)果,5、6、7所示.由圖5、圖6比較可以看到,輸出電壓頻率為40hz,負(fù)載分離在10t和10k時(shí)輸出的波形為很好的正弦波,頻率符合要求,可見負(fù)載的變幻對輸出結(jié)構(gòu)影響不大;由圖5圖7可以看到,當(dāng)負(fù)