基于DSP的精密穩(wěn)流電源設(shè)計與實現(xiàn)

0 引言

各種電源在現(xiàn)代用電設(shè)備中正得到越來越多的應(yīng)用，精密穩(wěn)流電源以高精度、高效率、高可靠性、體積小、重量輕等特點被廣泛應(yīng)用，它代表著電源的發(fā)展方向，有著廣闊的應(yīng)用前景。

目前，高可靠性、智能化及數(shù)字化成為研究精密穩(wěn)流電源的熱點，DSP芯片的高速處理能力和豐富的外圍設(shè)備，非常適合于實時數(shù)字信號處理，為精密電源采用全數(shù)字控制提供了可行性方案。本文以TMS320F2812 DSP為核心，設(shè)計了一種精確度和穩(wěn)定性都較高的精密穩(wěn)流電源。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計原理框圖如圖1所示。本設(shè)計通過上位機將指令發(fā)送給主控模塊TMS320F2812 DSP，其控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器芯片輸出指定電流基準信號，用模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片采集穩(wěn)流電路的輸出電流，并傳送給DSP。DSP將采集到的電流與輸出指定電流進行比較，并進行軟件修正，同時將檢測電流值上傳到上位機[2]。

2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計及原理

2.1 數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊

圖2為DAC轉(zhuǎn)換原理框圖，主控制芯片TMS320F2812內(nèi)部集成有SPI模塊，與SPI模塊相關(guān)的信號線為SPISIMO、SPISOMI、SPICLK[3]。本設(shè)計只用到 SPISIMO和 SPICLK，采用一個 GPIO引腳用作 DAC的片選信號(DACS)[4]21。設(shè)計中 DSP與 DAC之間是單路數(shù)據(jù)的通信協(xié)議，可將SPI模塊配置成單向數(shù)據(jù)的傳送方式。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 DAC轉(zhuǎn)換原理框圖

主控制器控制著整個設(shè)計的工作流程，首先它給DAC轉(zhuǎn)換器的同步輸入脈沖引腳輸入低電平DACS，選中DAC并對其進行初始化[4]20－21。然后通過 SPI模塊設(shè)定串行傳輸時鐘脈沖、波特率。其中選擇串行同步傳輸?shù)臅r鐘頻率為25 MHz，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)為16位。精密穩(wěn)流電源核心控制模塊設(shè)計的關(guān)鍵就是通過DA轉(zhuǎn)換得到高精度的基準信號，從而實現(xiàn)控制電路的工作。通過DAC轉(zhuǎn)化的模擬電流I_ref，最后輸入 PWM控制芯片 SG3525的誤差放大器正端。

2.2 穩(wěn)流電路的分析

系統(tǒng)原理框圖如圖3所示，本部分電路主要是通過主電路工作輸出穩(wěn)定的電流Id，經(jīng)電流反饋電路，將反饋的電流I_fb作為驅(qū)動電路中誤差放大器負端的信號[5]。同時指定值與反饋信號比較形成驅(qū)動信號控制主電路的工作，從而實現(xiàn)了電流負反饋控制系統(tǒng)使電源輸出Id恒定的功能。

圖3 穩(wěn)流電路工作原理圖

2.2.1 主電路

主電路由全橋DC/DC逆變電路和兩級LC濾波電路組成。直流輸入+48 V是主電路供電環(huán)節(jié)，為H橋逆變拓撲結(jié)構(gòu)提供了工作電源，其通過整流、濾波電路得到穩(wěn)定的直流電流輸出。

采用功率MOS管作為主電路的可控器件，通過對它的控制實現(xiàn)主電路的穩(wěn)流功能[6]。由于加入兩級 LC濾波電路使主電路工作電流的紋波明顯減少，因此輸出的電流Id穩(wěn)定性好、紋波系數(shù)小。當受外界因素影響使主電路電流Id發(fā)生變化時，驅(qū)動電路產(chǎn)生的驅(qū)動信號調(diào)節(jié)功率MOS管的導通占空比，實現(xiàn)對主電路的直流電流輸出的控制，從而得到高精度的Id。

2.2.2 電流負反饋電路及驅(qū)動

針對數(shù)據(jù)的采集，通常用霍爾傳感器采集輸出端的數(shù)據(jù)，但考慮到信號的精度要求及共地、紋波、噪聲等因素的影響[7]，采用精密采樣電阻配合差分放大器的采樣電路，采集的數(shù)據(jù)精度可以達到0.1% 。

差分放大器檢測主電路輸出端采樣電阻的兩端電壓，經(jīng)精密運放器進行信號放大，再通過提升電路后輸送到PWM控制芯片SG3525的負端并與其正端信號相比較，實現(xiàn)PWM信號的輸出功能。其原理框圖如圖4所示。

控制器SG3525輸出頻率為100 kHz的PWM信號[8]，通過反向、延時調(diào)節(jié)得到兩路反向且對稱的PWM信號，再對PWM波形進行死區(qū)調(diào)節(jié)，輸送帶死區(qū)的兩路相互互補的PWM波到全橋驅(qū)動芯片。它可以提高驅(qū)動波形驅(qū)動能力，輸出四路電壓12 V左右?guī)绤^(qū)的驅(qū)動波，控制開關(guān)管的導通，實現(xiàn)電流Id的調(diào)節(jié)。

圖4 反饋系統(tǒng)的原理框圖

2.3 模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

用16位的A/D轉(zhuǎn)換器完成采樣功能。如圖5所示為ADC轉(zhuǎn)換原理框圖。與D/A控制方式相同使DSP控制A/D芯片的片選與時鐘信號，初始化時使片選信號為低電平[4]，當CS變?yōu)楦唠娖綍r，AD芯片將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，完成A/D轉(zhuǎn)換功能。由于加入跟隨電路，保證了該采樣電路在較寬的采樣值范圍內(nèi)都能得到高精度的采樣值。

圖5 ADC轉(zhuǎn)換原理框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法，功能模塊各自獨立。主要包括主程序模塊、信號采集與處理程序模塊、數(shù)據(jù)輸入、輸出處理模塊等，其中數(shù)據(jù)的接收、輸送都是通過串行通信來實現(xiàn)的。主程序模塊與各程序模塊聯(lián)系主要通過DSP的中斷完成[3]，可使信號采集和數(shù)據(jù)運算滿足高精度和快速要求。

主程序模塊首先進行系統(tǒng)參數(shù)的初始化與設(shè)置，然后完成對各模塊的初始化協(xié)調(diào)、調(diào)用及主要環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等任務(wù)。其程序流程圖，如圖6、7所示。

圖6 主程序流程圖

圖7 電流閉環(huán)程序流程圖

4 仿真結(jié)果

在理論分析基礎(chǔ)上，利用 MATLAB軟件中的Simulink工具箱進行計算機仿真研究。仿真參數(shù)如下:電源為+48 V的直流電壓源，全控逆變橋帶兩級LC濾波模塊，精密采樣電阻R1及串聯(lián)負載RL，開關(guān)頻率為100 kHz。

仿真結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出，仿真結(jié)果和理論分析是一致的，用該方法檢測LC濾波器的工作可行。

圖8 兩橋臂依次導通時兩點間的電壓值

圖9 整流電流輸出波形

圖8 為整流橋AB兩點的電壓波形，當兩橋臂依次導通時，AB兩點之間的電壓值是 ±48 V。圖9為整流后輸出的電流值，其電流紋波峰峰值 為 0.1 mA左右?？梢娫龃鬄V波電感與開關(guān)頻率的值，系統(tǒng)的電流的紋波系數(shù)小，且精度高，證明了該系統(tǒng)有著良好的動態(tài)性能。

圖10 正電流上下管的驅(qū)動波形

圖11 (電流2.5 A)驅(qū)動波形和輸出電流波形

5 實驗驗證與測試結(jié)果

根據(jù)本文方案制作出采用TMS320F2812高性能DSP作為控制芯片組成精密穩(wěn)流電源的實驗樣機。首先調(diào)試了SG3525的發(fā)波頻率，使其滿足本設(shè)計的要求，同時使用數(shù)字存儲示波器測量了H橋的驅(qū)動波形、主電路輸出的電流波形。用來評估功率電路的穩(wěn)定性。開關(guān)頻率為100 kHz，其波形如圖所示。

圖10為主電路上下兩功率管VT1和VT3輸出的相互互補帶死區(qū)的信號。通過上位機設(shè)定參考值，記錄驅(qū)動波形和輸出電流波形，如圖11所示，功率回路輸出的電流值與驅(qū)動波形。

實驗結(jié)果表明，該方法能實時準確地檢測出電源電流，經(jīng)過電流閉環(huán)調(diào)節(jié)與采樣電路的較準電流值達到高精度、穩(wěn)定性好的目標，且電源輸出電流平均值偏差小于±5 mA，實驗樣機基本達到設(shè)計目的。

6 結(jié)束語

該精密穩(wěn)流電源是以 TMS320F2812作為控制芯片，通過MAX232和增強型區(qū)域控制網(wǎng)絡(luò)模塊(CAN口)接受上位機指令并上傳電流檢測結(jié)果，其穩(wěn)流電路簡單、可靠、制作方便、控制精度高。通過仿真以及實驗波形的分析，電源電流值穩(wěn)定性好、準確度高，此外模/數(shù)轉(zhuǎn)換和通信模塊運用了 DSP軟件編程靈活，自由度大，實時運算速度，數(shù)據(jù)處理能力高等特點，使得穩(wěn)流特性更加優(yōu)化。二者相結(jié)合、取長補短使電源的處理速度快、精度高和穩(wěn)定性好，保障了系統(tǒng)的可靠性，有著廣闊的應(yīng)用前景。

[1]Jing H X，Liu Z G，Wang H Y.Design and realization of high－precision digital control direct current power supply[C].Consumer Electronics Communications and Networks.

[2]支長義，程志平，焦留成.基于DSP的單相精密電源硬件設(shè)計[J].微計算機信息，2006，22(2):133－136.

[3]孫麗明.TMS320F2812原理及其C語言程序開[M].北京:清華大學出版社，2008.

[4]姚旺君.12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC7311的通信控制及其電流驅(qū)動電路設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，35(13):20 －23.

[5]姜宏宇.一種新型高精度高溫度穩(wěn)定性恒流源研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，32(14):12 －14.

[6]尉廣軍，朱宇虹.幾種恒流源電路的設(shè)計[J].電子與自動化，2001，30(1):45－46.

[7]李宏生，萬德鈞.一種高精度恒流源的設(shè)計與分析[J].光學精密工程，1996，4(6):87－94.

[8]錢炎平.電力電子電路設(shè)計[M].武漢:科技大學出版社，2010.

[9]孫麗明.TMS320F2812原理及其C語言程序開[M].北京:清華大學出版社，2008.