【正文】 2407A 電源的設(shè)計(jì)對(duì)于任何一個(gè)電氣系統(tǒng)來(lái)講，電源是不可或缺的部分。DSP 應(yīng)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(duì)于多電源系統(tǒng)，采用的一把策略是將+5V 的電源經(jīng)過(guò) DC/DC 變換得到其它數(shù)量級(jí)的電源電壓，如、 等。首先，+5V 電源的得到一般可通過(guò)外部開(kāi)關(guān)電源或者交流 220V單相電經(jīng)變壓器、橋式整流后再經(jīng)過(guò)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(jiàn)表 ，接線連接見(jiàn)圖 ，其中它的 8 號(hào)引腳可用作 DSP 的外部復(fù)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(xué)位論文 17 C2 分別用來(lái)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(shè)計(jì)采樣電路的設(shè)計(jì)包括同步信號(hào)捕獲和外接 8 通道電流電壓采樣電路。同步信號(hào)捕獲單元是為讀取母線電壓中 A 相的過(guò)零點(diǎn)而設(shè)計(jì)的，目的是在過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻發(fā)出PWM 調(diào)制信號(hào)，保持補(bǔ)償諧波電流的相位同步。具體電路如圖 所示。 電壓過(guò)零捕獲電路圖中入口信號(hào)為母線 A 相電壓經(jīng)過(guò)了一級(jí) PT 之后的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，為 100V 交流信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)了電路中的二級(jí) PT（電壓互感器）轉(zhuǎn)換為 5V 交流信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)了∏型濾波電路，兩極穩(wěn)壓管鉗住輸入運(yùn)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(biāo)。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(diǎn)：只能接收0~ 的單極性信號(hào)輸入，對(duì)于交流信號(hào)需要另外設(shè)計(jì)限幅抬壓電路；同一排序器內(nèi)各通道串?dāng)_嚴(yán)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(shè)計(jì)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(yīng)用 18 了兩片精度更高的 14bit 的 4 通道同時(shí)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(hào)范圍177。5 V，通道最大承受過(guò)壓可達(dá)177。17V，簡(jiǎn)化了信號(hào)調(diào)理電路；單路轉(zhuǎn)換時(shí)間 3μs；擁有A、B 兩組信號(hào)輸入端，每組四個(gè)輸入通道。MAXl25 可以和 DSP 并行工作，從而減輕了 DSP 的工作負(fù)擔(dān)。MAXl25 數(shù)據(jù)、地址線通過(guò)總線隔離驅(qū)動(dòng)芯片 74HC245 與2407A 的數(shù)據(jù)線連接，片選信號(hào)通過(guò) 74HC138 譯碼器得到，啟動(dòng)信號(hào)通過(guò)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(shè)計(jì)見(jiàn)附錄 1：控制系統(tǒng)原理圖。 硬件倍頻電路模塊的設(shè)計(jì) 鎖相環(huán)（PLL，Phase Locked Loop）電路是用于生成與輸入信號(hào)相位同步的新的信號(hào)電路。本文中設(shè)計(jì)的是用鎖相環(huán)元器件使輸出信號(hào)為輸入信號(hào)的 128 倍的倍頻電路。具體的功能為利用普通的工頻信號(hào) 50Hz 所轉(zhuǎn)換的方波信號(hào)，這在 節(jié)中的同步信號(hào)捕獲中已有介紹，進(jìn)而將方波信號(hào)倍頻成 的方波信號(hào)，以此來(lái)啟動(dòng) A/D 采樣芯片，達(dá)到每周波均勻采樣 128 點(diǎn)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(jìn)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(hào)與輸入波形的相位進(jìn)行比較時(shí)，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(gè)重要的模塊，鎖相電路 PLL 和分頻器，硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)也就是對(duì) PLL 器件和分頻器器件的選擇。本文采用的 PLL 器件型號(hào)為CD4046BE，內(nèi)部由一個(gè) VCO 和鑒相器組成，只 需在外部設(shè)計(jì) 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(hào)數(shù)字設(shè)定可編程分頻器碩士學(xué)位論文 19 RC 1 的參數(shù)確定可以圖 的（a）和（b）中曲線圖來(lái)確定。其中實(shí)驗(yàn)測(cè)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(guān)系曲線 （b） R2/R1 與 fMAX/ fMIN 的關(guān)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(shè)計(jì)，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(shí)際的實(shí)驗(yàn)中未能達(dá)到良好的效果，使得 PLL 的頻率偏移很嚴(yán)重，所以本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)軟件對(duì)電路中各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化得到如下參數(shù)：R3=100kΩ，R 4=， C3=33μF，C 4=。仿真信號(hào) Vin 為 1V，1KHz 方波信號(hào)。按此參數(shù)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)有源電力濾波器控制器的研制及應(yīng)用 20 在電力有源濾波器控制器的設(shè)計(jì)中，控制器需要和上位機(jī)進(jìn)行通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，為此在控制器的設(shè)計(jì)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)為 RS232C 標(biāo)準(zhǔn)，它是現(xiàn)在應(yīng)用得最多的一種串行通信標(biāo)準(zhǔn)，除了包括物理指標(biāo)外，還包括按位串行傳送的電氣指標(biāo)。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(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。美國(guó) MAXIM 公司生產(chǎn)的 MAX232 系列 RS232C 收發(fā)器是目前應(yīng)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(gè)收發(fā)器，采用“電荷泵”技術(shù)，利用 4 個(gè)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(shí)際應(yīng)用中，由于器件對(duì)電源噪聲很敏感，因此必須在電源 Vcc 之間加一個(gè)去耦電容 C5（通常取值為 ）。具體的電路圖見(jiàn)附錄 1：控制器原理圖。 脈沖出發(fā)電路及 IPM 模塊驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)電力有源濾波器控制器的最終輸出為 PWM 脈寬調(diào)制信號(hào)，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(hào)，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(hào)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(shí)間，至少 3μs 以上的時(shí)間，保證 IPM 模塊的正常工作，2407A 中的 PWM 輸出是可以通過(guò)軟件設(shè)置死區(qū)時(shí)間，但是實(shí)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(qiáng)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(yīng)用中，IPM模塊需要單獨(dú)的接入驅(qū)動(dòng)電平信號(hào)，實(shí)質(zhì)上是對(duì)控制器生成的 PWM 信號(hào)進(jìn)行放大，而且 IPM 模塊對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)要求很嚴(yán)格，必須將信號(hào)轉(zhuǎn)換電路直接焊接在 IPM 模塊上，所以在信號(hào)出口一級(jí)增加了 IPM 模塊驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，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(xué)位論文 21 圖 MAX232 典型工作電路死區(qū)電路見(jiàn)圖 所示，時(shí)間主要有電阻電容參數(shù)配合來(lái)決定，由 Multisim 數(shù)字設(shè)計(jì)系統(tǒng)仿真軟件對(duì)圖 所示電路進(jìn)行仿真，得到一路 PWM 死區(qū)波形如圖 所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)得實(shí)際死區(qū)時(shí)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(dòng)電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖 。IPM 型號(hào)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(gè) IGBT單元，每個(gè)單元有四個(gè)引腳，分別是＋15V 控制電源、電源地、信號(hào)輸入引腳、故障輸出引腳，各個(gè)單元的引腳都是相互獨(dú)立的，不能連結(jié)在一起，所以在應(yīng)用的過(guò)程中，都是使用 6 組獨(dú)立的電源來(lái)控制智能模塊。該模塊可通過(guò)的最大電流為 300A，最高阻斷電壓 1200V，最大開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)到 20KHz。內(nèi)部有故障檢測(cè)電路和保護(hù)電路，包括模塊過(guò)溫保護(hù)、短路保護(hù)、控制欠電壓保護(hù) [43]。有源電力濾波器控制器的研制及應(yīng)用 22 ＋ 1 5 V＋I(xiàn) P M模塊信號(hào)進(jìn)線接口V C CI NO U TG N D快速光耦慢速光耦故障信號(hào)出口P W M 信號(hào)入口6 . 8 K0 . 1 u＋ 1 5 V＋ 5 V一級(jí)光耦二級(jí)光耦R 1R 2 R 3圖 IPM 驅(qū)動(dòng)電路 液晶顯示和矩陣鍵盤電路設(shè)計(jì)一個(gè)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(jī)接口電路。人機(jī)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(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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(lái)越多的應(yīng)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(dòng)提供與被按鍵對(duì)應(yīng)的 ASCII 碼或其它編碼，但是它要求采用較多的硬件，價(jià)格昂貴，非編碼鍵盤僅提供行列矩陣，由程序來(lái)確定對(duì)應(yīng)關(guān)系。本文中選用的 LCD 分辨率為 320240 點(diǎn)陣，液晶內(nèi)置控制器為 S1D1335，它是一款既能進(jìn)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(diǎn)陣為 57，可以根據(jù)用戶需求自建漢字字庫(kù)，顯示點(diǎn)陣為 1616，簡(jiǎn)潔實(shí)用的軟件控制命令來(lái)設(shè)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(dāng)它與 SED1335 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候需要進(jìn)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(shè)置將在第四章詳細(xì)介紹。碩士學(xué)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(shè)計(jì)，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(shí)消抖電路采用阻容濾波電路，具體電路參見(jiàn)附錄 1。23 的按鍵數(shù)為 6 個(gè)，設(shè)置為功能鍵，分別為光標(biāo)上、光標(biāo)下、光標(biāo)左、光標(biāo)右、確定、取消，具體的按鍵編碼對(duì)照?qǐng)D 中的標(biāo)號(hào)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(xiàng)控制器方案設(shè)計(jì)確定之后，最后的實(shí)施結(jié)果要體現(xiàn)在電路控制板中，