基于dsp三相逆变整流电源的课程设计

综合课设报告一、背景意义和目的近年来，随着微机，中小型计算机的普及和航天航空数据通信，交通邮电等专业的迅速发展，以及为了各种自动化仪器、仪表和设备套的需要，当代对电源的需求不仅日益增大，而且对电源的性能、效率、重量、尺寸和可靠性以及诸如程序控制、电源通/端、远距离操作和信息保护等线性稳压电源功能提出了更高的要求，对于这些要求。传统的线性稳压电源无法实现，和线性稳压电源相比，开关电源具有：效率高，稳压范围宽，体积小重量轻，安全可靠。学习目的:1.巩固电力电子以及dsp课程的理论知识；2.学习和掌握中电力电子系统控制系统设计的基本方法，设计一个三相50Hz交流稳压电源；3.培养学生独立分析和解决工程问题的工作能力及实际工程设计的基本技能4.提高编写技术文件和制图的技能。二、任务要求对三相50Hz交流稳压电源的理论进行研究，设计一台样机，参数为50Hz，电压36V，容量为100VA，电压稳定度95%，失真度小于5%，效率80%。三、设计内容1.研究三相50Hz交流稳压电源的理论，并进行仿真；2.了解三相50Hz交流稳压电源的算法，软件设计编程及调试；3.相应的硬件电路设计和调试。四、系统原理1.系统主电路，采样调理电路，控制电路，光电隔离电路，和保护电路组成，系统组成框图如图1所示，负负负负负负负负负负负负负负负DSP负负负负负负图1系统组成框图2.系统主电路系统主电路是典型的AD-DC-AD逆变电路，由整流电路、中间电路、逆变电路和隔离变压器构成。整流电路将输入的三相交流电经整流；中间电路滤波后的直流供给逆变器；逆变电路将直流电逆变为50Hz的三相正弦交流电。主电路系统组成框图如图2所示。负负图2主电路系统组成框图1）主电路参数的确定为了得到36V的电压，我们知道逆变过来的电路中的关系，直流侧的电压Ud=VvMU807.020*2*2*2*2这里的调制度M=0.7；U=36/1.732=20V.逆推过去，Ud是经过不可控整流过来的，Ud=2.45*U0；所以U0=32.65V。所以变压器变比选择220/33。滤波电路的参数选择常见的滤波电路有LC,LCL等，LC滤波的电路如图4所示：LCZ图4LC滤波电路滤波电路的输入输出传递函数为：1111()1jnCHjjnLjnC式中，1为基波角频率，n为谐波次数。令截止频率LC10，则：02221111()()11()HHjnLCn0的选择决定了幅频特性的基本特征。0越大，对高频的衰减能力越差，0越小，对高频的衰减能越强，但是L、C参数值增大，会使滤波器成本增加，体积变大，因此需要合理选择0。由于根据图4所示，设滤波电路后端等效负载阻抗为Z。则在该处阻抗满足匹配条件：000(1)(1)jCZZjLjCZ令截止频率LC10，则：CLZ继而可得，0ZL01ZCS=100VA,S=3UI,故I=AUS60.136*3100*3等效阻抗Z=U/I=20/1.6=12.5Ω.w=1.56k所以L=12.5/1.56k=8mH,C=1/12.5*1.56=501μF2）检测调理电路该检测调理电路由霍尔检测、偏置电路和滤波电路三部分组成。1）电压霍尔检测电路的设计该实验中使用CHV—25P来测量电压，其原边被测电压与副边输出电压电气隔离。CHV—25P的具体参数如下：原边输入额定电流IN=10mA,对应副边输出电流IM=25m,即原边与副边电流比为10:25。电压霍尔传感器的M端输出采样电压。经过调理电路后与dsp的A/D采集相连接，电流霍尔，采样的交流电压的峰值应部大于1.5V,即采样电压的有效值U=1.5/2=1V。考虑到电压霍尔传感器原边输入和副边输出电流之比为8mA:20mA,即原边输入电流I=8mA,对应副边的输出电流IM=20mA,由U0=IMRM可推出采样电阻RM的值。由于副边输出电压U0应不大于1V，即RM≤IU=mAV201=50Ω即选择标准电阻RM=47Ω，原边与强电部分相连接，输入电压的有效值为20v，考虑到安全裕量，原边输入电流不大于8mA,即功率电阻R1≥IU=mAV820=2.KΩ,功率P=U2/R=0.2W.2)偏置电路通常利用电流、电压传感器检测交流电流和电压时，霍尔元件副边输出的电流或电压为交流。TI公司的DSP内部的A/D转换模块为单极性的，因此霍尔元件输出的交流电流火电压需要先经过偏置电路处理后才能进行A/D转换。例如DSP的A/D转换芯片电压输入范围为0——3V，所以霍尔元件M端输出的交流电压Um加1.5V的偏置后进行A/D转换，原理图如图所示，这是比较常见的同相加法电路，由霍尔M端输出的电压接偏置电路的u2输入端，由于霍尔M端输出的交流电压峰值为1.5V，因此偏置电路的u1端输入电压值为1.5V,且R11=R12偏置电路输出的电压刚好满足dsp的A/D转换芯片电压输入范围为0——3V的要求，所以同比例放大系数为1，即R13=R14.通常集成运算放大器的两个输入端外接电阻阻值在1K级到100级，取R11=R12=R13=R14=51KΩ即可满足要求。3)滤波电路实际应用中信号波形由于干扰原因，往往含有较多的高次谐波，此时如果直接进入dsp的A/D时，A/D转换芯片采集到的信号就不能真实反映实际电路中的信号，因此经过偏置电路输出的信号一般还需要经过一级滤波电路后再进入DSP的A/D。典型的滤波电路为二阶巴特沃斯低通滤波器。二阶巴特沃斯滤波器电路，电容C的容量宜在微法数量级以下，电阻的阻值一般应在几百千欧以内。这里取标准电容cc21=0.1μF,滤波的截止频率FC取1.56K，R21=1Ω,R22=1.02K。4、+-15V电源的设计随着半导体工艺的发展，稳压电路也制成了集成器件，本次稳压选择用三段集成稳压器w7815和w7915以及电容组成，电容C3，C4一般取几百~几千微法。当稳压器距离整流波电路比较远时，在输入端必须接入电容器c3和C4，以抵消线路的电感效应，防止产生自激震荡，输出端电容C5和c6用以滤除输出端的高频信号，以改善电路的暂态响应。5、软件参考流程本系统采用DSP28335为主控器件，软件代码采用C语言编程。程序由主程序和两个中断服务程序组成，主程序主要完成与上位机的通信（查询方法）；定时下溢中断完成信号的采集、运算和PWM波的输出，AD有定时器1下溢中断驱动。程序流程如图5所示：关总中断系统初始化EV、A/D、I/O、中断、全局变量等初始化计算正弦表开总中断启动定时器T1等待中断开始调用AD子程序执行SPWM算法更新比较寄存器值清除中断标志位返回设置结果寄存器的值数据变换电压dq变换电流dq变换计算M值电流PI调节电压PI调节(a)主程序流程(b)定时器下溢中断流程(c)A/D采样子程序图5DSP的序流程图1）控制算法选择在本系统中选用数字PID控制算法，数字PID控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。数字PID控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，需要采用离散化方法。PID控制算法有增量式和位置式。我们采用增量式算法。tDIpdtteTdtteTteKtu0)()(1)()(sTsTKsEsUsGDIp11)()()(PID控制器各校正环节的作用如下：(1)比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。(2)积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数T，T越大，积分作用越弱，反之则越强。(3)微分环节：反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正传号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。2）SPWM波程序设计SPWM技术目前已经在实际得到非常普遍的应用。经过长期的发展，大致可分成电压SPWM，电流SPWM和磁通SPWM。其中电压和电流SPWM是从电源角度出发的SPWM，而磁通SPWM则是从电动机角度出发的SPWM。电压SPWM技术是通过生成的SPWM波信号来控制逆变器的开关管，从而实现电动机电源变频的一种技术。产生电压SPWM信号的方法有硬件法和软件法。其中软件法是使电路成本最低的方法，它通过实时计算来生成SPWM波。但是实时计算对控制器的运算速度要求非常高。DSP无疑是能满足这一要求的最理想的控制器。电压SPWM信号实时计算需要数学模型。建立数学模型的方法很多，有谐波消去法、等面积法、采样型SPWM法以及由它们派生出的各种方法。对称规则采样法的数学模型非常简单，但是由于每个载波周期只采样一次，因此所形成的阶梯波与正弦波的逼近程度仍然存在较大的误差。如果既在三角波的顶点对称轴采样，又在三角波的底点对称轴位置采样，也就是每个载波周期采样两次，这样所形成的阶梯波的逼近程度会大大提高。由于这样采样所形成的阶梯波与三角波的交点并不对称，因此称其为不对称规则采样法。与规则采样法相比每个载波周期采样两次，这样形成的阶梯波与正弦波的逼近程度会大大提高。由于采用了内存大运算速度高的DSP，软件控制算法选用不对称规则采样法。不对称规则采样法生成SPWM波如图6所示：由于采用不对称规则的算法，要用到正弦函数、浮点数的计算，单独用汇编语言实现较为麻烦，同时为提高运行速度，故采用C语言与汇编混合编程实现。图6不对称规则采样法生成SPWM波当在三角波的顶点对称轴位置t1时刻采样时，则有aTtaTtConCoff4411当在三角波的底点位置t2时刻采样时，则有bTtbTtCoffCon4422将三角形相似关系式SMCSMCUtUTbUtUTa22sin4sin4代入上面两个式子得：22221111sin14sin14sin14sin14tMTttMTttMTttMTtCoffConConCoff生成SPWM波的脉宽为：2121sinsin212ttMTtttCononon由于每个载波周期采样两次，所以12,5,3,1222,4,2,0221NkkTtNkkTtCC12,5,3,122222,4,2,02222211NkNkkTffttNkNkkTffttCC12,5,3,1sin1422,4,2,0sin1421NkNkMTtNkNkMTtConCon式中k为偶数时代表顶点采样，k为奇数时底点采样。不对称规则采样法的数学模型尽管略微复杂一些，但由于其阶梯波更接近于正弦波，所以谐波分量的幅值更小，在实际中得到更多的使用。以上是单相SPWM波生成的数学模型。如果要生成三相SPWM波，必须使用三条正弦波和同一条三角波求交点。三条正弦相差120度，即：34sin32sinsinNkuNkuNkuABC如果使用不对称规则采样法，则顶点采样时有：1111sin21sin0,2,4,22341sin3ConBonAonktMNktMkNNktMN底点采样时有：2221sin21sin1,3,5,21341sin3ConBonAonktMNktMkNNktMN121212CCConononBBBonononAAAonon