4)采样电路
电压采样电路由三端稳压器TL431和光电耦合器PC817之问的配合来构成。电路设计如图5所示，TL431与PC817一次侧的LED串联，TL431阴极流过的电流就是LED的电流。输出电压Ud经分压网络后到参考电压UR与TL431中的2.5 V基准电压Uref进行比较，在阴极上形成误差电压，使LED的工作电流 If发生变化，再通过光耦将变化的电流信号转换为电压信号送人LF2407A的ADCIN00引脚。
图5 电压采样电路原理图
由于TMS320LF2407A的工作电压为3.3 V，因此输入DSP的模拟信号也不能超过3.3 V。为防止输入信号电压过高造成A/D输入通道的硬件损坏，我们对每一路A/D通道设计了保护电路，如图5所示，Cu2，CU3 起滤波作用，可以将系统不需要的高频和低频噪声滤除掉，提高系统信号处理的精度和稳定性。
另外，采用稳压管限制输入电压幅值，同时输入电压通过二极管与3.3 V电源相连，以吸收瞬间的电压尖峰。
当电压超过3.3 V时，二极管导通，电压尖峰的能量被与电源并联的众多滤波电容和去耦电容吸收。并联电阻Ru4的目的是给TL431提供偏置电流，保证TL431至少有1 mA的电流流过。Cu1 和RU3作为反馈网络的补偿元件，用以优化系统的频率特性。
电流采样的原理与电压采样类似，只是在电路中要通过电流传感器将电流信号转换为电压信号，然后再进行采集。
(5)保护电路
为保证系统中功率转换电路及逆变电路能安全可靠工作，TMs320LF2407A提供了
输入信号，利用它可以方便的实现逆变系统的各种保护功能，具体实现框图如图6所示：
图6 保护电路结构框图
各种故障信号经或门CD4075B综合后，经光电隔离、反相及电平转换后输入到
引脚，有任何故障时，CD4075B输出高电平，
引脚相应被拉为低电平，此时DSP所有PWM输出管脚全部呈现高阻状态，即封锁PWM输出。整个过程不需要程序干预，由硬件实现。这对实现各种故障信号的快速处理非常有用。在故障发生后，只有在人为干预消除故障，重启系统后才能继续工作。
3 系统的软件实现
为了构建DSP控制器软件框架，使程序易于编写、查错、测试、维护、修改、更新和扩充，在软件设计中采用了模块化设计，将整个软件划分为初始化模块、ADC信号采集模块、PID运算处理模块、PWM波生成模块、液晶显示模块以及按键扫描模块。各模块问的流程如图7所示。
图7 软件模块流程图
3.1 初始化模块
系统初始化子程序是系统上电后首先执行的一段代码，其功能是保证主程序能够按照预定的方式正确执行。系统的初始化包括所有DSP的基本输入输出单元的初始设置、LCD初始化和外扩单元的检测等。
3.2 ADC采样模块
TMS320LF2407A芯片内部集成了10位精度的带内置采样/保持的模数转换模块(ADC)。根据系统的技术要求，10位ADC的精度可以满足电压的分辨率、电流的分辨率的控制要求，因此本设计直接利用DSP芯片内部集成的ADC就可满足控制精度。另外，该10位ADC是高速ADC，最小转换时间可达到500 ns，也满足控制对采样周期要求。
ADC采样模块首先对ADC进行初始化，确定ADC通道的级联方式，采样时间窗口预定标，转换时钟预定标等。然后启动ADC采样，定义三个数组依次存放电压、电流和温度的采样结果，对每一个信号采样8次，经过移位还原后存储到相应的数组中，共得到3组数据。如果预定的ADC中断发生，则转人中断服务程序，对采样的数据进行分析、处理和传输。以电压采样为例，其具体的流程图如图8所示。
图8 电压采样程序流程图
3.3 PID运算模块
本系统借助DSP强大的运算功能，通过编程实现了软件PID调节。由于本系统软件中采用的是增量式PID算法，因此需要得到控制量的增量△un ，式(3)为增量式PID算法的离散化形式：
开关电源在进入稳态后，偏差是很小的。如果偏差e在一个很小的范围内波动，控制器对这样微小的偏差计算后，将会输出一个微小的控制量，使输出的控制值在一个很小的范围内，不断改变自己的方向，频繁动作，发生振荡，这既影响输出控制器，也对负载不利。
为了避免控制动作过于频繁，消除由于频繁动作所引起的系统振荡，在PID算法的设计中设定了一个输出允许带eo。当采集到的偏差|en|≤eo时，不改变控制量，使充电过程能够稳定地进行;只有当|en| >eo 时才对输出控制量进行调节。PID控制模块的程序流程如图9所示：
图9 PID运算程序流程图
3.4 PWM 生成模块
TMS320LF2407A内部包括两个事件管理器模块EVA和EVB，每个事件管理器模块包括通用定时器GP、比较单元、捕获单元以及正交编码脉冲电路。通过TMS320LF2407A事件管理模块中的比较单元可以产生带死区的PWM波，与PWM 波产生相关的寄存器有：比较寄存器CMPRx、定时器周期寄存器Tx—PR、定时器控制寄存器TxCON、定时器增/减计数器TxCNT、比较控制寄存器COMCONA/B、死区控制寄存器DBTCONA/B。
PWM波的生成需对TMS320LF2407A的事件管理模块中的寄存器进行配置。由于选用的是PWM1/2，因此配置事件管理寄存器组A，根据需要生成带死区PWM波的设置步骤为：
(1)设置并装载比较方式寄存器ACTRA，即设置PWM波的输出方式;
(2)设置T1CON寄存器，设定定时器1工作模式，使能比较操作;
(3)设置并装载定时器1周期寄存器T1PR，即规定PWM 波形的周期;
(4)定义CMPR1寄存器，它决定了输出PWM 波的占空比，CMPR1中的值是通过计算采样值而得到的;
(5)设置比较控制寄存器COMCONA，使能PD—PINTA 中断;
(6)设置并装载死区寄存器DBTCONA，即设置死区时间。
图10所示为带死区PWM波的生成原理
3.5 键盘扫描及LCD显示模块
按键扫描执行模块的作用是判断用户的输入，对不同的输入做出相应的响应。本开关电源设计采用16个压电式按键组成的矩阵式键盘构成系统的输入界面。16个按键的矩阵式键盘需要DSP的8个I/O口，这里选用IOPA0～IOPA3作为行线，IOPF0～IOPF3作为列线。由于TMS320LF2407A都是复用的I/O口，因此需要对MCRA和MCRC寄存器进行设置使上述8个I/O口作为一般I/O端口使用。按键扫描执行模块采用的是中断扫描的方式，只有在键盘有键按下时才会通过外部引脚产生中断申请，DSP相应中断，进人中断服务程序进行键盘扫描并作相应的处理。
LCD显示模块需要DSP提供11个I/O口进行控制，包括8位数据线和3位控制线，数据线选用IOPB0～IOPB7，控制线选用IOPFO IOPF2，通过对PBDATDIR和PFDATDIR寄存器的设置实现DSP与LCD的数据传输，实时显示开关电源的运行状态。
4 样机研制
主要技术指标如下：输入电压：三相AC380 V±5% ;输出电压：DC220V±2% ;输出电流：50 A;额定功率：11 kW。
本文关键字：开关电源 DSP/FPGA技术，单片机-工控设备 - DSP/FPGA技术
