dsp硬件电路的设计(精)

1、5 DSP 控制及硬件电路的设计 5.1 DSP 控制 9 目前市面上流行的主控制器包括：51 单片机系列、DSP 系列和 FPGA。在这 中间：虽然 51 单片机有着成本低廉，体积小的优势；但因其计算能力弱，和外设 较少的缺陷，无法满足本系统的需要。 FPGA 又称现场可编程门阵列，其时序脉冲 准确，运算速度快，在需要进行大量重复运算的工程项目中得到了广泛应用。但 FPGA以并行运算为主，并需要使用硬件描述语言（verilog 或 VHDL ）来实现电 路设计，相比较单片机有很大不同，这造成开发难度较大，门槛较高。 DSP 是近 几年得到快速发展的控制器，其外设丰富，运算速度快，能满足实时性

2、要求较高的 工业现场；尤其适用于控制算法复杂，计算量大的工程项目。 综合以上分析，本文矿用光伏供电系统选择 DSP 芯片 TMS320LF2407 作为最终的控制芯片。TMS320LF2407 芯片集成度高，运算速 度快，外设丰富，价格适中，作为本设计的控制器，拥有其他芯片所不具备的优 势。 5.1.1 TMS320LF2407 的技术参数 （1） TMS320LF2407 供电电压为 3.3V，供电电压低，通态损耗小。最高工作 频率 40MHZ，指令周期短，指令周期为 25ns,能够满足较大载波频率时的计算 需求，具备实时控制能力。 （2） TMS320LF2407 拥有丰富的存储器资源：包

3、括 32K 字 程序闪存空间，1.5K 字的数据/程序随机存储器,544 字的双口随机存储器和 2k 字的单口 RAM。除此之外，TMS320LF2407 片内还集成有 64K 数据存储器空间以 及 64K程序存储器空间；其 I/O 寻址空间达 64K，能有效满足使用需要； TMS320LF2407 可用于扩展的外部存储器达到 192K 字。（3） TMS320LF2407 拥有两个事件管理器模块 EV A 和 EVB。每个事件管理 器模块上均集成有以下资源：两个 16 位通用定时器（通过倍频器可以达到很高的 工作频率）和 8 个 16 位 PWM 波生成通道；为检测上升下降脉冲，片上集成有

4、3 个 捕获单元。每个模块还可实现以下功能：可编程的 PWM 死区控制功能，防止上下 桥臂同接收触发信号，同时导通；输出 A、B、C 三相对称和非对称触发信号；当 接受低电平外部中断信号时，关闭 PWM 通道片内光电编码器接口电路，停止发出 触发信号；A/D 转换功能。 （4） 拥有 10 位模数转换器， 最小转换时间为 375ns,A/D 转换器拥有独立和级 连两种工作方式，使用事件管理器 EV A、EVB 来实现触发。 （5） 拥有 16 位串行外设接口模块（SPI），和串行通讯接口模块（SCI） （6） 拥有 5 个外部中断资源，除复位中断外，还拥有两个电机驱动保护中 断，和两个可屏蔽中

5、断。 （7） 除高性能模式外，电源管理还包括低功耗模式，在运算 量小的时候，能有效降低器件的损耗。 （8） 看门狗定时器模块（WDT 5.1.2 DSP 控制系统的端口资源分配 由于 DSP 片内集成有丰富的硬件资源和具备强大的数据处理能力，包括 A/D 转换运算，触发脉冲的计算均可由 DSP 完成。只需添加相应的数据采集模块和功 率驱动模块等，就可实现系统的控制功能，因而整个控制系统的外围电路相对简 单，系统的抗干扰性和稳定性较高。 DSP 控制框图如图 5.1 所示: KEY1 KEY2 KEY3 变换器图 5.1 DSP 控制系统框图 Fig.5.1 Diagram of DSP con

6、 trolsystem 变换器 独立光伏系统中采用了光伏电池组，蓄电池，交流电网 3 种电源供电。当光照 充足时，光伏阵列产生的电能经 Boost 升压 电路产生 400V 直流电压,再经滤波环节，逆变环节与矿灯电网相连，满足负 载的照明需求；电池组产生的富余电能经过双向全桥 DC/DC 变换器向蓄电池充 电；当日照不足，矿灯用电量大于太阳能光伏阵列发电量时，蓄电池放电。经双向 全桥 DC/DC 变换器升压，得到 400V 直流电压,再经逆变器，滤波环节与井下矿灯 电网相连;当日照匮乏，且蓄电池电能不足时，矿灯充电架切换为电网供电，以保 障供电的可靠性。 光伏供电系统控制系统由信号采样模块，

7、DSP 信号处理模块，功率驱动模块 以及故障检测及保护模块等组成。为实现最大功率跟踪，需采样光伏电池组的实时 输出电压和输出电流,通过增量电导法控制策略，DSP 产生 PWM 驱动信号，控制 Boost 电路的开通关断；采样直流母线电压、电流，根据当前的运行状态，产生 PWM 信号驱动DC/DC 变换器，控制蓄电池的充放电。当 DSP 检测到光伏电池组 产生的电能小于矿灯用电网络的用电量时，通过驱动电路，将矿灯电网与交流电网 相连，通过电网供电；当光伏供电系统发生故障时，DSP 不再发出 PWM 信号,使光 伏发电系统停止工作，并通过驱动电路，和继电器将电网与矿灯充电架相连为其供 电；在故障解

8、除，系统恢复正常工作后，DSP 重新发出触发脉冲，使光伏系统完成 供电，并切断电网与矿用灯网架的相连。 DSP 的端口资源分配如表 5.1 所示： 表 5.1 DSP 端口资源分配 Table 5.1 Distribution for DSP ports 0SF 端 1 I 嶋底7力腌 PWMIZ/IOPf-fi -! EJwM 吃冷 M PWM 1； J -1 L 饰 ： PWM4 ?- lIMOPBn 7 PWMMOPEI LED! 1 上皿 吒伏烘电嘎式倚時 刑 X 讪 1 时 Osp i 沏檢J rCLKWinUPF, m 电狀 SW2 电网讥电辱舶号 AIX INW OP*歼电科累样

9、 ADCIN01 唯浪科苏传恒嚣 比我忸列山泓就 H Cl KOI THOPFO 按犍 KEY2 后阐 1 光伏供电槻戌 CANRX/1OPC7 卷苗 KEY3 川动电材也电糟成 CAPJ-QFPMapAJ 掩 at KEYI fir SP wwinrri 泌黑 SW| It 优垂统般叭册刖 fFJ AIXINIW 电压蜃兀協器 迎变 JS 幡出咆山*】 A1XJN9 电 it 壷亜揚岸 恵住 BltHl 叫 E 井呎轉 EKINIQ 协屯;也心卜， 4DCINI2 1 h 樹治 B4MNL 打和：甘电忡 5.2 辅助电路的设计 由于 TMS320LF2407 内部集成有 A/D 转换模块，P

10、WM 脉 冲生成模块，使得系统结构简化，方便了外围硬件电路的设计。现 对采样电路，驱动电路等几种外围电路进行简单的介绍。 5.2.1 采样电路的设计 由于光伏阵列输出电压、电流较大，不能直接进行 A/D 转换，为解决这一问 题，加入采样电路，使得其在有较好线性度的同时降低输出电压，电流，使之小于 TMS320LF2407 端口最大输入电压 3.6V。在光伏阵列中，由于输出的电压电流反 映了当前光伏阵列的输出功率，随着日照的变换而不断变化。对其进行实时采样， 是实现光伏阵列最大功率跟踪控制的重要依据。考虑到其是直流成分，采用霍尔元 件对其进行测量，来实现主电路部分与控制系统的隔离。逆变器交流侧的

11、电压电 流，和电网上的电压为交流量，出于成本考虑，采用电流、电压互感器对其进行采 样。 （1）直流量的采样 采样电路如图 5.2 所示,JI 为光伏电池组输出端口，经霍尔元件采样后与 Boost 电路相连,R3 为 2K/1W 限流电阻，DlD4 为 3.3V 箝位电路，限制采样电路的输出电 压，以防对 DSP 造成损害。本系统中所用电压霍尔型号为 VSM025A，电流传感 器型号是CSM025AY ,器件的供应商分别为深圳赛尔通科技有限公司和西安新敏 电子科技有限公司 ADCIN01 图 5.2 直流电压、电流采样电路 Fig 5.2 Sampli ng circuit of DC volt

12、age and curre nt (2 交流量的采样 交流信号采样电路如图 5.3 所示,采集量包括逆变器输出侧电压，电流信号和 电网电压信号。选用的电流互感器原边匝数为 1,副边匝数为 100；电压互感器参 数为:220V/5V。为防止采样电压过高损坏 DSP 芯片，采样模块末端接稳压管，将 电压箝位在 3.3V 。 +15 1.25V -157亠 工交流电压 Fig 5.3 Sampli ng Circuit of AC voltage and curre nt 522 电源的设计（1）供电电路的设计 在控制系统中 TMS320LF2407 需 3.3V 电压供电，其余模块需要 5V 电源

13、供 电，故电源模块需提供两路直流供电。为满足 DSP 的供电要求，采用 AMS1117 作 为稳压芯片，为 DSP 提供 3.3V 工作电压。采用 LM1085 稳压芯片为其它模块提供 5V 工作电压。由于其他模块对供电电源电压质量要求不高，且 LM1085 转换效率 高，电阻损耗小，因而在本次设计中采用非常适宜。为滤除高次谐波对电压的影 响，减小输出电压的纹波，提高电源质量，保证电压的稳定性。在稳压芯片电源输 出端口并联多个 10uf 陶瓷电容，以保证电源的供电稳定性，防止电压的剧烈波 动。 C4 图 5.4 供电电路 Fig 5.4 Power supply circuit (2)电压转换

14、电路的设计 由于 DSP 的端口输出电压仅为 3.3V，输出功率小，而其他模块端口输入高电 平为 5V，DSP 无法实现对其他模块的驱动。因而需要增加 3.3V 5V 电平转换电 路，以保障其他模块的正常工作。考虑到 DSP 输出信号中包含有 PWW 触发信 号，其工作频率可达 50KHZ，因而所选择的电压转换电路，应具备转换速率快， 电压上升时间短的特点。 本设计采用日本东芝公司的 6N137 高速光耦器芯片。其转换速率达 10MBit/s，电源最大输出电压 5.5V，最大允许低电平电压 0.8V，最大上升时间 75ns,最大下降时间 75ns,其中 90%电压上升时间仅为 1ns。其综合性

15、能能满足 系统的要求。 迦 1 NC C 8 R1 R2 2 + VF IN f?ES2 3 f L VO 6 OUT 4 5 :? GHD 6N137 GND 图 5.5 电压转换电路 Fig 5.5 Voltage Con versi on Circuit 5.2.3 驱动电路的设计 考虑到 DSP 的输出电压、电流有限，驱动能力不足，无法实现对各功率管的 直接触发、驱动。因此要在 DSP 输出端口外加驱动电路，进行隔离的同时，实现 功率放大功能，使 DSP 能控制功率管的开通与关断。本系统所选用东芝公司功率驱 动模块 TLP250,该模块集成有一个光发射二极管和一个光探测器。驱动模块高低

16、 电平转换时间约 0.5us,能满足系统对 PWM 波频率的要求。 TLP250 是 8 脚双列封装功率驱动模块，适用于 IGBT、MOSFETTL，和晶闸 管变流器的驱动。本文选用 TLP250 作为驱动模块，其主要电气参数如下：，输入 阈值电流IF (ON ) =10mA，隔离电压 2500V ,前向电流 lf=20mA，节点温度 Tj=125 ，工作频率f=25KHz，输出电压 V 0=2435 ，最大输出电流 lo=1.5A(max。根据 TLP250 的运行特性，选取 Vo=15V,R1=3.3K Q ,R2=2.4K Q 考虑到 Rg 值的大小对 IGBT 开关速度的影响及自身的功

17、率的损 耗，取 Rg= 30 Q 隔离驱动电路原理图如图 5.6 所示：TLP250 +5V R1 1 2 3 4 Q1 5 6 7 8 +VD Rg T1 u R2 PWM -VD 图 5.6 信号隔离与驱动电路 Fig5.6 Circuit of Segregation and Driving Signal 5.2.4 转换开关的设计在整个系统中，存在着多种工作状态，为实现不同状 态间的灵活切换，需要设计多个三相开关，将光伏电池组与 DC/DC 变换电路、 三相逆变器桥与外部电网相连。根据控制信号的不同， 完成供电电源的切换， 以 确保供电可靠性和供电环保型的有机组 合。为实现这个目标，系统中添加两个转 换开关模块，完成对电 路开关的控制。为实现电网和光伏逆变器之间的切换， 使 用交流继电器将其 与矿用灯电网相连。由于光伏电池组的输出电压为 100V 左右， 且输出电压信号为直流电压，在主电路上添加直流继电器，实现 蓄电池和逆变器之间的切换控制。 在上述两处均使用一个继电器， 利用常开 常闭触点，以达到控制切换的目的。 本设计