【正文】 2407A 電源的設計對于任何一個電氣系統(tǒng)來講，電源是不可或缺的部分。DSP 應用電路一般都有+5V 和 電源，也就是 DSP 控制系統(tǒng)一般都是多電源系統(tǒng)。而對于多電源系統(tǒng)，采用的一把策略是將+5V 的電源經(jīng)過 DC/DC 變換得到其它數(shù)量級的電源電壓，如、 等。首先，+5V 電源的得到一般可通過外部開關電源或者交流 220V單相電經(jīng)變壓器、橋式整流后再經(jīng)過電容、電感濾波得到。為得到 的 DSP 控制電壓，本文采用的 DC/DC 變換芯片為 TPS7333Q，它的基本電氣參數(shù)見表 ，接線連接見圖 ，其中它的 8 號引腳可用作 DSP 的外部復位引腳。 圖 中的電容 C1 和X T A L 1 / C L K I NX T A L 2P L L FP L L F 2X T A LO S CF i nC L K O U TP L LP L L 選擇( S C S R . [ 1 1 : 9 ] )晶振R1C1C2碩士學位論文 17 C2 分別用來消除紋波和穩(wěn)壓的作用。 圖 DSP 控制器電源模塊 表 TPS7333Q 電氣參數(shù)輸入電壓/V 輸出電壓/V 輸出電流/mA 工作溫度 封裝形式最大值 典型值 最小值 5 500 40~+125℃ DIP，SO 采樣電路模塊的設計采樣電路的設計包括同步信號捕獲和外接 8 通道電流電壓采樣電路。同步信號捕獲單元是為讀取母線電壓中 A 相的過零點而設計的，目的是在過零點的時刻發(fā)出PWM 調(diào)制信號，保持補償諧波電流的相位同步。具體電路如圖 所示。 電壓過零捕獲電路圖中入口信號為母線 A 相電壓經(jīng)過了一級 PT 之后的標準信號，為 100V 交流信號，然后經(jīng)過了電路中的二級 PT（電壓互感器）轉(zhuǎn)換為 5V 交流信號，最后經(jīng)過了∏型濾波電路，兩極穩(wěn)壓管鉗住輸入運放 LM393 ~+ 之間，輸入電流為零，滿足 LM393 灌電流最大值 25nA 的技術(shù)指標。采樣電路是控制器的重要組成部分，其轉(zhuǎn)換精度決定了控制器性能的優(yōu)劣。雖然2407A 內(nèi)部帶有 16 路 10 位精度的片上 A/D 模塊，但該模塊存在以下缺點：只能接收0~ 的單極性信號輸入，對于交流信號需要另外設計限幅抬壓電路；同一排序器內(nèi)各通道串擾嚴重；10 位的轉(zhuǎn)換精度難以滿足高性能系統(tǒng)的要求。本章的硬件設計采用43256785 0 181。 F5 0 181。 F＋＋ RS+ 5 V 3 . 3 VT P S 7 3 3 3 QC1C2有源電力濾波器控制器的研制及應用 18 了兩片精度更高的 14bit 的 4 通道同時采樣的 MAX125。這款芯片是 MAXIM 公司生產(chǎn)的高精度型的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部集成了前端采樣保持電路（ S/H），其輸入信號范圍177。5 V，通道最大承受過壓可達177。17V，簡化了信號調(diào)理電路；單路轉(zhuǎn)換時間 3μs；擁有A、B 兩組信號輸入端，每組四個輸入通道。MAXl25 可以和 DSP 并行工作，從而減輕了 DSP 的工作負擔。MAXl25 數(shù)據(jù)、地址線通過總線隔離驅(qū)動芯片 74HC245 與2407A 的數(shù)據(jù)線連接，片選信號通過 74HC138 譯碼器得到，啟動信號通過硬件倍頻電路得到，將在下一節(jié)具體介紹硬件倍頻電路。具體的采樣電路設計見附錄 1：控制系統(tǒng)原理圖。 硬件倍頻電路模塊的設計 鎖相環(huán)（PLL，Phase Locked Loop）電路是用于生成與輸入信號相位同步的新的信號電路。本文中設計的是用鎖相環(huán)元器件使輸出信號為輸入信號的 128 倍的倍頻電路。具體的功能為利用普通的工頻信號 50Hz 所轉(zhuǎn)換的方波信號，這在 節(jié)中的同步信號捕獲中已有介紹，進而將方波信號倍頻成 的方波信號，以此來啟動 A/D 采樣芯片，達到每周波均勻采樣 128 點的要求。倍頻電路的基本工作原理是將輸入波形與 VCO（Voltage Controlled Osillator ）振蕩波形的相位進行比較，使其輸入頻率與 VCO 振蕩頻率同步。如圖 所示，VCO 輸出經(jīng)分頻后的信號與輸入波形的相位進行比較時，輸入頻率與分頻后的頻率為同一頻率，即 VCO 的振蕩頻率與分頻后的頻率同步 [42]。圖 倍頻原理圖在圖 的倍頻電路中包括兩個重要的模塊，鎖相電路 PLL 和分頻器，硬件設計的重點也就是對 PLL 器件和分頻器器件的選擇。本文采用的 PLL 器件型號為CD4046BE，內(nèi)部由一個 VCO 和鑒相器組成，只 需在外部設計 VCO 振蕩參數(shù)RR C 1 和環(huán)路濾波器參數(shù) RC 2 即可，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示。其中 R圖 CD4046BE 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖鑒相器 環(huán)路濾波器V C O 分頻器 1 / NP L L 電路輸出輸入信號數(shù)字設定可編程分頻器碩士學位論文 19 RC 1 的參數(shù)確定可以圖 的（a）和（b）中曲線圖來確定。其中實驗測定fmin=，f MAX/ fMIN =2 。由（a ）中曲線得出 R2=100kΩ，C 1=3300pF。由圖（b）中曲線得出 R2/ R1=1，即 R1=100kΩ。f m inC 1 (a) 電容 C1 與中心頻率 f0 關系曲線 （b） R2/R1 與 fMAX/ fMIN 的關系曲線圖 RRC1 參數(shù)確定曲線PLL 電路最重要的部分為環(huán)路濾波器即圖 中的低通濾波器的設計，最終是要確定 R C2 的參數(shù)值，從結(jié)構(gòu)圖中看出，由 RC 2 組成的低通濾波器為一階系統(tǒng)，實際的實驗中未能達到良好的效果，使得 PLL 的頻率偏移很嚴重，所以本設計中采用的環(huán)路濾波器為圖 （a ）所示的二階電路。使用 Multisim 數(shù)字電子設計仿真系統(tǒng)軟件對電路中各參數(shù)進行優(yōu)化得到如下參數(shù)：R3=100kΩ，R 4=， C3=33μF，C 4=。仿真信號 Vin 為 1V，1KHz 方波信號。按此參數(shù)設計的環(huán)路濾波器傳輸特性圖如圖 （b）所示。 V i nR 3R 4C 3C 4V o u t（a）環(huán)路濾波器仿真電路 （b）環(huán)路濾波器仿真結(jié)果 圖 環(huán)路濾波器的傳輸特性 串行通信接口電路的設計有源電力濾波器控制器的研制及應用 20 在電力有源濾波器控制器的設計中，控制器需要和上位機進行通信，進行數(shù)據(jù)交換，為此在控制器的設計中增加了通信接口的模塊，通信方式采用串行通信。2407A中的通信接口（SCI ，Serial Communication Interface）是一個標準的通用異步接收/ 發(fā)送接口，其接收器和發(fā)送器均為雙緩沖模式，都有自己的使能和中斷位，并且可以工作在半雙工和全雙工模式。所選用的通信標準為 RS232C 標準，它是現(xiàn)在應用得最多的一種串行通信標準，除了包括物理指標外，還包括按位串行傳送的電氣指標。RS232C 的邏輯電平與 TTL 電平不兼容，為了 DSP 的 TTL 電平兼容，必須進行電平轉(zhuǎn)換。美國 MAXIM 公司生產(chǎn)的 MAX232 系列 RS232C 收發(fā)器是目前應用較為普遍的串行口電平轉(zhuǎn)換器件。圖 210 為 MAX232 的典型工作電路，芯片內(nèi)部包含兩個收發(fā)器，采用“電荷泵”技術(shù)，利用 4 個外接電容 C1~ C4（通常取值為 ）就可以在單+5V 電源供電的條件下，將輸入的 +5V 電壓轉(zhuǎn)換為 RS232C 輸出所需要的177。12V 電壓，在實際應用中，由于器件對電源噪聲很敏感，因此必須在電源 Vcc 之間加一個去耦電容 C5（通常取值為 ）。具體的電路圖見附錄 1：控制器原理圖。 脈沖出發(fā)電路及 IPM 模塊驅(qū)動電路設計電力有源濾波器控制器的最終輸出為 PWM 脈寬調(diào)制信號，主處理器 2407A 自身的事件管理單元 EVB 模塊可以輸出六路 PWM 信號，為 電平系統(tǒng)，與逆變電路中的 IPM（Intelligent Power Module）模塊的+15V 的接入信號不兼容，所以必須在控制器中加入電平轉(zhuǎn)換模塊。另外，IPM 模塊中的單元同一橋臂 IGBT 是需要死區(qū)時間，至少 3μs 以上的時間，保證 IPM 模塊的正常工作，2407A 中的 PWM 輸出是可以通過軟件設置死區(qū)時間，但是實際系統(tǒng)在上電的一瞬間 PWM 引腳的狀態(tài)是不確定的，為了加強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，此控制系統(tǒng)中也集成了硬件死區(qū)生成電路。工程應用中，IPM模塊需要單獨的接入驅(qū)動電平信號，實質(zhì)上是對控制器生成的 PWM 信號進行放大，而且 IPM 模塊對驅(qū)動信號要求很嚴格，必須將信號轉(zhuǎn)換電路直接焊接在 IPM 模塊上，所以在信號出口一級增加了 IPM 模塊驅(qū)動電路設計，系統(tǒng)所采用的兩極光電隔離的結(jié)構(gòu)。C 1 +C 1 C 2 +C 2 C 1C 2C 4C 3C 5V +T 1 I NT 2 I NR 1 O U TR 2 O U TT 1 O U TT 2 O U TR 1 I NR 2 I N+ 5 ～ + 1 0 v（ 倍壓器 ）+ 1 0 ～ 1 0 v（ 電壓反相器 ）T T L / C M O S輸入T T L / C M O S輸出R S 2 3 2輸出R S 2 3 2輸入＋ 5 V13451 11 01 29261 471 38碩士學位論文 21 圖 MAX232 典型工作電路死區(qū)電路見圖 所示，時間主要有電阻電容參數(shù)配合來決定，由 Multisim 數(shù)字設計系統(tǒng)仿真軟件對圖 所示電路進行仿真，得到一路 PWM 死區(qū)波形如圖 所示。實驗測得實際死區(qū)時間為 10μs。 圖 死區(qū)生成電路原理圖 圖 仿真硬件死區(qū)波形圖光電隔離驅(qū)動電路設計見圖 。IPM 型號為 PM300CLV120 智能功率模塊，是三菱公司最新的第五代智能模塊，具有高集成度，小體積封裝，內(nèi)部集成了 6 個 IGBT單元，每個單元有四個引腳，分別是＋15V 控制電源、電源地、信號輸入引腳、故障輸出引腳，各個單元的引腳都是相互獨立的，不能連結(jié)在一起，所以在應用的過程中，都是使用 6 組獨立的電源來控制智能模塊。該模塊可通過的最大電流為 300A，最高阻斷電壓 1200V，最大開關頻率可達到 20KHz。內(nèi)部有故障檢測電路和保護電路，包括模塊過溫保護、短路保護、控制欠電壓保護 [43]。有源電力濾波器控制器的研制及應用 22 ＋ 1 5 V＋I P M模塊信號進線接口V C CI NO U TG N D快速光耦慢速光耦故障信號出口P W M 信號入口6 . 8 K0 . 1 u＋ 1 5 V＋ 5 V一級光耦二級光耦R 1R 2 R 3圖 IPM 驅(qū)動電路 液晶顯示和矩陣鍵盤電路設計一個功能完整的控制器，除了性能優(yōu)良的控制算法之外，還必須有友好的人機接口電路。人機接口包括兩部分，顯示界面和操作控制，顯示界面以往的技術(shù)是使用LED（Light Emitting Diode）來實現(xiàn)簡單的數(shù)字顯示，隨著控制器智能化和低功耗技術(shù)的發(fā)展，LCD（Liquid Crystal Diodes）液晶顯示技術(shù)得到越來越多的應用；控制操作主要是指鍵盤接口電路，鍵盤可分為編碼式鍵盤和非編碼式鍵盤，編碼鍵盤能夠由硬件自動提供與被按鍵對應的 ASCII 碼或其它編碼，但是它要求采用較多的硬件，價格昂貴，非編碼鍵盤僅提供行列矩陣，由程序來確定對應關系。本文中選用的 LCD 分辨率為 320240 點陣，液晶內(nèi)置控制器為 S1D1335，它是一款既能進行圖形顯示和漢字顯示控制的液晶控制器，內(nèi)部集成了西文字符，顯示的點陣為 57，可以根據(jù)用戶需求自建漢字字庫，顯示點陣為 1616，簡潔實用的軟件控制命令來設置顯示模式，8 位并行的數(shù)據(jù)傳輸方式，工作電壓為+5V。它的接口電路如圖 所示。由于 2407A 工作電壓為 ，當它與 SED1335 進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候需要進行電平轉(zhuǎn)換，所以電路中加入了兩片 LVC4245 芯片，分別用于控制總線和數(shù)據(jù)總線的電平轉(zhuǎn)換。液晶顯示的軟件設置將在第四章詳細介紹。碩士學位論文 23 圖 LCD 接口電路圖鍵盤電路采用 23 矩陣鍵盤電路設計，接線示意圖為 。將 2407A 的 A 口定義為 I/O 口，行線 IOPAIOPA7 定義為輸出口，IOPAIOPA4 、IOPA5 定義為輸入口。硬件延時消抖電路采用阻容濾波電路，具體電路參見附錄 1。23 的按鍵數(shù)為 6 個，設置為功能鍵，分別為光標上、光標下、光標左、光標右、確定、取消，具體的按鍵編碼對照圖 中的標號列成表格 。鍵盤編碼的規(guī)則為先行線全掃描，確定按鍵3 的鍵碼，然后 IOPA6 輸出低電平掃描確定按鍵 6 的鍵碼值。 輸 入 口輸出口I O P A 6I O P A 7I O P A 3I O P A 4I O P A 51 2 34 5 6+ 5 V4 . 7 K4 . 7 K圖 鍵盤電路示意圖 基于 DSP 的控制器 PCB 制板注意事項控制器方案設計確定之后，最后的實施結(jié)果要體現(xiàn)在電路控制板中，