C2000 Launchpad數(shù)字電源口袋實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)

李劍波， 韓 明， 徐科軍

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院， 安徽 合肥 230009)

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C2000 Launchpad數(shù)字電源口袋實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)

李劍波， 韓 明， 徐科軍

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院， 安徽 合肥 230009)

針對(duì)目前高校電源技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置大、靈活性差、電壓等級(jí)高的現(xiàn)狀，研制了以TI C2000Launchpad為核心控制器，基于口袋實(shí)驗(yàn)室理念的數(shù)字電源實(shí)驗(yàn)套件。該實(shí)驗(yàn)套件包括TMS320F28027最小系統(tǒng)、母板、液晶，以及降壓、升壓、翻轉(zhuǎn)和升降壓四個(gè)電源電路模塊，可以完成開(kāi)環(huán)調(diào)壓實(shí)驗(yàn)、峰值電流控制實(shí)驗(yàn)和雙閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)，具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，攜帶方便等特點(diǎn)，特別適用于學(xué)生進(jìn)行課外活動(dòng)和參加創(chuàng)新比賽。

數(shù)字電源； 口袋實(shí)驗(yàn)平臺(tái)； 數(shù)字信號(hào)處理器； 降壓； 升壓； 翻轉(zhuǎn)； 升降壓

0 引 言

電源技術(shù)是高校電氣工程、自動(dòng)化、電子信息類專業(yè)必不可少的一門(mén)專業(yè)課，也是后續(xù)課程的基礎(chǔ)，學(xué)好這門(mén)課對(duì)每一個(gè)電氣、自動(dòng)化的大學(xué)生都尤為重要。要想真正學(xué)好電源技術(shù)僅僅停留在教材上是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)必不可少[1]。高校配有的實(shí)驗(yàn)裝置體積大，不便于拓展，也不能應(yīng)用于學(xué)生的創(chuàng)新比賽。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備電壓等級(jí)較高，學(xué)生需要在老師的指導(dǎo)下在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。課堂實(shí)驗(yàn)時(shí)間相對(duì)有限，不利于學(xué)生課后復(fù)習(xí)，也不便于學(xué)生在課外參加實(shí)踐活動(dòng)。而且，實(shí)驗(yàn)箱大多屬于全封閉構(gòu)造的模擬電源，學(xué)生不能看到內(nèi)部分立電子器件，不利于學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)。相對(duì)于模擬電源，數(shù)字電源發(fā)展速度更快，應(yīng)用范圍更廣。在高校推廣使用數(shù)字電源，可使學(xué)生專業(yè)知識(shí)緊跟科技發(fā)展的步伐。

針對(duì)電源實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的現(xiàn)狀，我們研發(fā)數(shù)字電源教學(xué)實(shí)驗(yàn)套件。該實(shí)驗(yàn)套件基于口袋實(shí)驗(yàn)室思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)更換不同的模塊，實(shí)現(xiàn)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功能，完成不同的實(shí)驗(yàn)，集成度高，成本低，使用方便，不僅適用于課堂實(shí)驗(yàn)，也方便學(xué)生參加課外活動(dòng)，對(duì)于學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和動(dòng)手能力的提高有很大幫助。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)套件電壓等級(jí)較低，安全性高，靈活性強(qiáng)，是大實(shí)驗(yàn)箱的很好補(bǔ)充，并且此實(shí)驗(yàn)套件由分立元件搭建而成，在學(xué)習(xí)電源的同時(shí)，也可以學(xué)習(xí)DSP技術(shù)和模擬電路技術(shù)，有利于學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的融會(huì)貫通。

1 設(shè)計(jì)理念

口袋實(shí)驗(yàn)室理念是數(shù)字電源實(shí)驗(yàn)套件最大的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)。本著不僅能在課堂上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)課后也可在寢室做實(shí)驗(yàn)的思路，將實(shí)驗(yàn)套件設(shè)計(jì)成手掌大小，可以輕松放入口袋或者書(shū)包中，隨身攜帶。

基于口袋實(shí)驗(yàn)室理念，套件以TI C2000 Launchpad為主控平臺(tái)，包括一塊母板和若干塊模塊(子板)：Buck(降壓)模塊、Boost (升壓)模塊、Cuk(反壓)模塊、Sepic(升降壓)模塊、液晶顯示模塊和TMS320F28027[1-5]最小系統(tǒng)，其架構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)字電源實(shí)驗(yàn)套件組成

將C2000 Launchpad、液晶顯示、和電壓變換模塊分別插在母板上就組成了一套系統(tǒng)，通過(guò)更換電壓變換模塊可以實(shí)現(xiàn)不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，完成不同的功能。

2 硬件研制

整個(gè)系統(tǒng)包括控制部分和電壓變換部分?？刂坪诵牟捎玫氖荰I C2000 Launchpad ,包括TMS320F28027型DSP、板載仿真器、撥碼開(kāi)關(guān)以及BoosterPack。電壓變化部分由輔助電源電路、斬波電路、輸出電流檢測(cè)電路、輸出電壓檢測(cè)電路和驅(qū)動(dòng)電路組成。系統(tǒng)的硬件原理框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件原理框圖

以Buck模塊為例。Buck模塊包括降壓斬波電路、驅(qū)動(dòng)電路、輸出電流采樣電路和輸出電壓采樣電路，電路采用分析元件搭建，可以更好地體現(xiàn)電路結(jié)構(gòu)與功能，Buck模塊的電路原理圖如圖3所示。

圖3 Buck模塊電路原理圖

3 軟件研制

整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，將系統(tǒng)各個(gè)功能組合成獨(dú)立模塊，由主監(jiān)控程序來(lái)統(tǒng)一調(diào)用，這樣就控制了程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，縮短了開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)易于維護(hù)和功能擴(kuò)展。整個(gè)系統(tǒng)主要由主監(jiān)控模塊、初始化模塊、采樣模塊、中斷模塊及顯示模塊等組成。其中初始化模塊主要對(duì)系統(tǒng)、外設(shè)以及變量進(jìn)行初始化，采樣模塊完成對(duì)數(shù)據(jù)的采樣以及模數(shù)轉(zhuǎn)換，中斷模塊完成對(duì)系統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)以及對(duì)占空比的改變，顯示模塊完成輸出電壓、輸出電流的顯示。其軟件框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件框圖

4 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

4.1 開(kāi)環(huán)調(diào)壓實(shí)驗(yàn)

通過(guò)直接給定PWM占空比控制Buck降壓電路輸出電壓，輸出電壓通過(guò)CCS Watch Window觀察，也可以用萬(wàn)用表測(cè)量。輸出電流反饋到片上比較器，與設(shè)置的觸發(fā)電流進(jìn)行比較，當(dāng)降壓電路輸出電流大于觸發(fā)電流時(shí)，表示電路出現(xiàn)故障，比較器輸出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，使PWM占空比置零，起到過(guò)流保護(hù)作用?？刂圃砜驁D如圖5所示。

圖5 開(kāi)環(huán)降壓實(shí)驗(yàn)控制原理圖

4.2 峰值電流控制實(shí)驗(yàn)

在峰值電流模式控制下，當(dāng)占空比Duty>50%時(shí)，電路不能穩(wěn)定工作，限制了峰值電流控制方式的應(yīng)用，必須加以斜坡補(bǔ)償進(jìn)行改善。斜坡補(bǔ)償同時(shí)簡(jiǎn)化了過(guò)載和短路保護(hù)。在參考電流處加入斜坡補(bǔ)償[6-7]的峰值電流模式控制原理框圖如圖6所示。

圖6 峰值電流控制原理框圖

4.3 雙閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)

為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定、快速和可靠性，降壓型數(shù)字電源系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，控制原理框圖如圖7所示。雙閉環(huán)控制中的外環(huán)為電壓環(huán)，主要起穩(wěn)定電壓和抗負(fù)載擾動(dòng)作用；內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，主要起穩(wěn)定電流作用。參考電壓與輸出電壓反饋量形成偏差，經(jīng)電壓調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流參考量，電壓調(diào)節(jié)采用PI調(diào)節(jié)方式[8-10]。參考電流經(jīng)斜坡補(bǔ)償后與電流反饋量送入比較器，通過(guò)比較器控制ePWM模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)字電源系統(tǒng)的輸出電壓的控制。

圖7 雙閉環(huán)控制原理框圖

5 結(jié) 語(yǔ)

以TI C2000 DSP最小系統(tǒng)為核心，采用TI的集成芯片，基于口袋實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)理念，開(kāi)發(fā)了基于C2000 DSP的數(shù)字電源實(shí)驗(yàn)套件。該實(shí)驗(yàn)套件通過(guò)更換不同的模塊，實(shí)現(xiàn)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功能，完成不同的實(shí)驗(yàn)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、攜帶方便、安全等特點(diǎn)，不僅適用于課堂教學(xué)，也適用于學(xué)生在課后學(xué)習(xí)。數(shù)字電源實(shí)驗(yàn)套件涉及多門(mén)學(xué)科，包括電源技術(shù)、DSP應(yīng)用技術(shù)、傳感器與檢測(cè)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)。

本文研制的數(shù)字電源實(shí)驗(yàn)套件作為展品，應(yīng)邀參加了美國(guó)德州儀器(TI)公司大學(xué)計(jì)劃在浙江大學(xué)舉行的2014年TI公司中國(guó)大學(xué)電源教育者會(huì)議和在青島舉行的2015年TI公司中國(guó)大學(xué)電源教育者會(huì)議，得到兄弟院校老師的關(guān)注。同時(shí)，我們已將技術(shù)產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)讓給TI公司,由TI公司批量生產(chǎn)2 000套，正向國(guó)內(nèi)各高校推廣。

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[2] Texas Instruments Inc. TMS320F2802x/TMS320F2802xx Piccolo System Control and Interrupts Reference Guide[Z]. December 2008.

[3] Texas Instruments Inc. TMS320x28xx, 28xxx DSP Peripheral Reference Guide[Z]. June 2003.

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[6] 韋 楓，吳 金.基于斜波補(bǔ)償?shù)碾娏髂Ｊ絇WM DC-DC系統(tǒng)穩(wěn)定性分析[J].電子器件，2003,26(4)：461-463.[7] 王 磊，陳修強(qiáng).峰值電流模式控制中的斜波補(bǔ)償技術(shù)[J].山西電子技術(shù)，2009.

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[9] 王孝武.自動(dòng)控制理論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

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Development of Digital Power Pocket Experiment Platform Based on C2000 Launchpad

LIJian-bo，HANMing，XUKe-jun

(School of Electrical and Automation Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

According to the current situation, experimental devices for power technology in colleges and universities are large, poor flexibility and high voltage level. To solve these problems, we developed a digital power experimenter's kit based on the concept of pocket laboratory experiment. TI C2000 Launchpad was used as core controller. The kit also applies TMS320F28027, system board, LCD, and has a compact structure, a small size. It has functions of Buck, Boost, Cuk and Sepic. It can do the open-loop regulator experiments, peak current control experiments and dual-loop control experiment. It is portable and convenient, especially, is suitable to students in extracurricular activities and innovation competition.

digital power; pocket experiment platform; digital signal processor; buck; boost; cuk; sepic

2015-12-01

2013年安徽省質(zhì)量工程項(xiàng)目(2013jxms009)

李劍波(1992-)，男，江蘇無(wú)錫人，碩士生,研究方向：嵌入式系統(tǒng)。Tel.：18788898093；E-mail：ljb624990170@163.com

徐科軍(1956-)，男，江蘇無(wú)錫人，博士，教授，博士生導(dǎo)師,研究方向：傳感器技術(shù)，自動(dòng)化儀表和數(shù)字信號(hào)處理。

Tel.: 0551-62901412; E-mail: dsplab@ hfut.edu.cn

TP 27

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1006-7167(2016)09-0148-03