毕业论文基于DSP和FPGA通用电力电子控制系统之DSP部分

黄石理工学院 毕业设计（论文）1 绪论电力电子技术自20世纪50年代诞生以来，经过半个多世纪的飞速发展，至今已被广泛应用于电力系统、电机调速系统及各种电源系统等需要电能变换的领域。在低压小功率的用电领域，电力电子技术的各个方面已渐趋成熟，将来的研究目标则是高功率密度、高效率和高性能;而在高压大功率的工业和输配电领域，各个方面的技术正成为当今电力电子技术的研究重点。SPWM及其SVPWM技术都是电力电子技术前沿科学成就。他们均是为了满足交流调速需要而开发的系统。也是电力电子技术应用精华之一17。从变频调速的历史来看，早在半个多世纪以前，对现在常用的变压变频调速方法的原理都已经研究清楚了，只是由于要用电磁元件和旋转交流机组来实现，而控制性能又赶不上直流调速（矢量控制尚未发现以前）推广应用，6070年代，有了静止的电力电子变流装置以后，逐步解决了调速装置要减少设备，减少体积，降低成本，提高效率，消去噪声等问题，才使得变频调速得到了飞跃式的发展。发明矢量控制以后，又提高了交流调速系统的动，静态特性，但是要实现矢量控制规律，需要复杂的模拟电子电路，其设计，制造和调试都很麻烦。采用微机控制以后，用软件实现矢量控制算法，简化了硬件电路，从而减低了成本，提高了可靠性，而且还有可能实现更复杂的控制技术。从20世纪90年代起向下一世纪迈进的年代里，电力电子技术发展的特点是：一方面是原有各新型电力电子器件额定参数的不断提高；另一方面是电力电子技术与微电子技术的进一步结合，使电力电子器件朝着大容量、智能化方向迅速发展，预示着电力电子技术由半控型、全控型器件进入了一个全新的智能型时代。由此可见，电力电子和微机控制是现代调速系统发展的两个重要方面。另外，先后涌现出了大量的控制方法，也推动了变频调速的迅速发展，其中具有代表性的是：转速开环恒压频比（U/f=常数）控制，转差频率控制，矢量控制，直接转矩控制，非线性控制，自适应控制，滑摸变结构控制和智能控制等。随着电力电子器件和微处理器的发展，PWM逆变器在电气传动中得到了越来越广泛的应用16。如何确定PWM逆变器件的开关时间，有许多不同的技术，如应用较多的SPWM及相对较新的空间电压矢量PWM(SVPWM)等。目前实现SPWM的方法主要有二种：一种是使用单独处理器，如单片机和DSP独立生成。运用软件编程的方式实现，但这种方法只能产生6路或12路的有限路的PWM信号，不能满足多轴控制的需要，如要控制多轴则需要增加单片机和DSP的数量，使得系统结构复杂，成本提高,而且抗干扰能力差；另一种是全部使用硬件(FPGA)，这种方法能够实现SPWM控制，但其运算功能不够强大，对于含有复杂运算的系统，FPGA显得势单力薄。本文提出采用数字信号处理器（DSP）与现场可编程门阵列（FPGA）相结合，设计一种通用的电力电子控制系统。该系统结合了DSP强大的运算能力和FPGA的可靠性高，可以实现各种通用PWM算法和各种复杂的控制算法。DSP+FPGA结构最大的特点是灵活，有较强的通用性，适于模块化设计，从而能够提高算法效率；同时其开发周期较短，系统易于维护和扩展。本论文只讲述了DSP部分有关的设计，FPGA部分的设计有其他同学完成9。鉴于初学，本文在SPWM调制波形的原理进行分析的基础上，提出了一种由TI公司生产的数字信号处理芯片和ALTERA公司生产的FPGA芯片，采用软件和硬件相结合的方式来实现三相逆变器的控制方案。 2 控制电力电子技术的简介电力电子技术1( Power Electronics Technology )是利用电力电子器件对电能进行变换及控制的一种现代技术，它使电网的工频电能最终转换成不同性质、不同用途的电能，以适应千变万化的用电装置的不同需要。目前最为常用也是非常成熟的技术为 PWM 控制技术。2.1 PWM控制技术原理及特点 （a）矩形脉冲 （b）三角形脉冲 （c）正弦半波脉冲 （d）单位脉冲函数 图 2-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 图 2-2 冲量相等的各种窄脉冲的响应波形PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术18。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效所需要的波形（含形状和幅值）。PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响3。 对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以说直到目前为止，PWM在各种应用场合仍在主导地位，并一直是人们研究的热点。由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点。由此在交流传动及至其它能量变换系统中得到广泛应用15。PWM控制技术大致可以为为三类，正弦PWM（包括电压，电流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案，多重PWM也应归于此类），优化PWM及随机PWM。正弦PWM已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势（如ABB ACS1000系列和美国ROBICON公司的完美无谐波系列等）；而优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率（THD）最小，电压利用率最高，效率最优，及转矩脉动最小以及其它特定优化目标4。2.2几种常用的PWM控制技术采样控制理论中有一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础,对半导体开关器件的导通和关断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率。PWM控制的基本原理很早就已经提出,但是受电力电子器件发展水平的制约,在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代,随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展,PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术,微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法,如现代控制理论,非线性系统控制思想的应用,PWM控制技术获得了空前的发展。到目前为止,已出现了多种PWM控制技术,根据PWM控制技术的特点,到目前为止主要有以下几类方法19：2.2.1基于正弦波对三角波脉宽调制的SPWM控制SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法。前面提到的采样控制理论中的一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。该方法的实现有以下几种方案。以下简单介绍几种SPWM 波形生成技术：1.自然采样法以正弦波为调制波,等腰三角波为载波进行比较,在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断,这就是自然采样法。其优点是所得SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波与正弦波交点有任意性,脉冲中心在一个周期内不等距,从而脉宽表达式是一个超越方程,计算繁琐,难以实时控制。自然采样法生成的SPWM原理图如下：图 2-3 自然采样法生成的 SPWM 原理图2规则采样法规则采样法是一种应用较广的工程实用方法,一般采用三角波作为载波。其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波,再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断,从而实现SPWM法。当三角波只在其顶点(或底点)位置对正弦波进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(即采样周期)内的位置是对称的,这种方法称为对称规则采样。当三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(此时为采样周期的两倍)内的位置一般并不对称,这种方法称为非对称规则采样。 规则采样法是对自然采样法的改进,其主要优点就是是计算简单,便于在线实时运算,其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦。其缺点是直流电压利用率较低，线性控制范围较小。图2-4 规则采样法生成的SPWM原理图3低次谐波消去法谐波消去法，是在 SPWM 波电压波形上设置一些槽口，通过合理安排槽口的位置和宽度，则可以达到既能控制输出电压分量，又能有选择地消除某些较低次谐波的目的。这种槽口的安排如图2-8所示。图中决定槽口的开关角不再用参考信号和载波信号相互比较的方法来确定，而是利用输出电压波形的数学模型通过计算求得。通过分析可知，谐波消去法是一种根据输出电压的数学模型直接确定开关角的方法，其实质是一种优化 PWM 方法。这种方法的优点就是利用有限个开关角就能有效地抑制某些低次谐波。当然，它的缺点也很明显，计算复杂，要求消除的谐波越多，计算量也就越大。另外，通过这种方法只能使特定次数的谐波被消除，而其余次数的谐波却不能被消除，而且可能还会使之增大。但随着M的增大，未消去的谐波的次数也越来越高，这时谐波对电动机的影响已经不大了。在实际应用中，常常是先离线计算出值，利用查表法快速而准确地实时确定开关角地值5。2.2.2电流追踪型PWM技术电流控制PWM的基本思想是把希望输出的电流波形作为指令信号,把实际的电流波形作为反馈信号,通过两者瞬时值的比较来决定各开关器件的通断,使实际输出随指令信号的改变而改变。其原理图如下：图2-6 电流追踪型PWM技术原理图2.2.3电压空间矢量SVPWM电压空间矢量SVPWM 控制是一种与SPWM 控制不同的新颖的脉宽调制方法。它不是局限于如何使逆变器输出按正弦规律变化的电源，而是将逆变器和电机看成一个整体，基于电压空间矢量概念，用八种基本电压空间矢量合成期望的电压空间矢量，建立逆变器功率器件的开关状态和空间矢量，并根据电机定子磁链矢量与定子电压之间的关系，直接达到控制电机定子磁链矢量幅值近似恒定，顶点沿圆形轨迹运动，平均速度可调的目的，从而实现对异步电机近似恒磁通变压变频调速。电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）是从电动机的角度出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形磁场，即正弦磁通。它以三相对称正弦波电压供电时的交流电动机的理想圆形磁通轨迹为基准，用逆变器不同的开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁通，从而达到较高的控制性能。实践和理论都可以证明，与直接的正弦波脉宽调制（SPWM）技术相比，SVPWM 在输出电压或电机线圈的电流中都将产生更少的谐波，减少了转矩脉动，提高了直流供电电压源的利用率20。2.3 PWM 波形调制按极性分：2.3.1 PWM 波单极性调制方法图2-7 PWM波单极性调制方法2.3.2 PWM 波双极性调制方法图2-8 PWM波双极性调制方法本系统作为通用控制系统，能够根据实际需要以更改软件的方式产生各种PWM波形并实行输出电压实时跟踪采样，本文暂且以控制生成SPWM为例。3 DSP技术原理及其与FPGA结合3.1 DSP技术的发展及其各个领域的应用数字信号处理（DSP）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。在通常的实时信号处理中，它具有可程控、可预见性、精度高、稳定性好、可靠性和可重复性好、易于实现自适应算法、大规模集成等优点，这都是模拟系统所不及。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。数字信号处理是围绕着数字信号处理的理论、实现和应用等几个方面发展起来的。数字信号处理在理论上的发展推动了数字信号处理应用的发展。反过来，数字信号处理的应用又促进了数字信号处理理论的提高。而数字信号处理的实现则是理论和应用之间的桥梁。数字信号处理是以众多学科为理论基础的，它所涉及的范围极其广泛。例如，在数学领域，微积分、概率统计、随机过程、数值分析等都是数字信号处理的基本工具，与网络理论、信号与系统、控制论、通信理论、故障诊断等也密切相关。近来新兴的一些学科，如人工智能、模式识别、神经网络等，都与数字信号处理密不可分。可以说，数字信号处理是把许多经典的理论体系作为自己的理论基础，同时又使自己成为一系列新兴学科的理论基础。同时又使自己成为一系列新兴学科的理论基础。数字信号处理的实现方法一般有以下几种14：(1) 在通用的计算机（如 PC机）上用软件（如Fortran、C语言）实现；(2) 在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现；(3) 用通用的单片机（如 MCS-51、96系列等）实现，这种方法可用于一些不太复杂的数字信号处理，如数字控制等；(4) 用通用的可编程DSP芯片实现。与单片机相比，DSP芯片具有更加适合于数字信号处理的软件和硬件资源，可用于复杂的数字信号处理算法；(5) 用专用的DSP芯片实现。在一些特殊的场合，要求的信号处理速度极高，用通用DSP芯片很难实现，例如专用于FFT、数字滤波、卷积、相关等算法的DSP芯片，这种芯片将相应的信号处理算法在芯片内部用硬件实现，无需进行编程。在上述几种方法中，第1种方法的缺点是速度较慢，一般可用于DSP算法的模拟；第2种和第5种方法专用性强，应用受到很大的限制，第2种方法也不便于系统的独立运行；第3种方法只适用于实现简单的DSP算法；只有第4种方法才使数字信号处理的应用打开了新的局面。虽然数字信号处理的理论发展迅速【26】，但在20世纪80年代以前，由于实现方法的限制，数字信号处理的理论还得不到广泛的应用。直到20世纪70年代末80年代初世界上第一片单片可编程DSP芯片的诞生，才将理论研究结果广泛应用到低成本的实际系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展。可以毫不夸张地说，DSP芯片的诞生及发展对近20年来通信、计算机、控制等领域的技术发展起到十分重要的作用。3.2 DSP芯片的特点1.修正的哈佛结构DSP芯片采用修正的哈佛结构【2】，其特点是程序和数据具有独立的存储空间、程序总线和数据总线，非常适合实时的数字信号处理口。同时，这种结构使指令存储在高速缓存器中(Cache)，节约了从存储器中读取指令的时间，提高了运行速度。如美国德州仪器公司TI(Texas Instruments)的DSP芯片结构是基本哈佛结构的改进类型。2.专用的乘法器一般的算术逻辑单元AIU(Arithmetic and Logic Unit)的乘法(或除法)运算由加法和移位实现，运算速度较慢。DSP设置了专用的硬件乘法器、多数能在半个指令周期内完成乘法运算，速度已达每秒数千万次乃至数十亿次定点运算或浮点运算，非常适用于高度密集、重复运算及大数据流量的信号处理。3.特殊的指令设置DSP在指令系统中设置了“循环寻址”及“位倒序”等特殊指令，使寻址、排序及运算速度大大提高引。另外，DSP指令系统的流水线操作与哈佛结构相配合，把指令周期减小到最小值，增加了处理器的处理能力。尽管如此，DSP芯片的单机处理能力还是有限的，多个DSP芯片的并行处理已成为研究的热点。3.3 DSP芯片的选择设计DSP应用系统，选择DSP芯片时非常重要的一个环节。只有选定了DSP芯片才能进一步设计外围电路集系统的其它电路。总的来说，DSP芯片的选择应根据实际的应用系统需要而确定。一般来说，选择DSP芯片时考虑如下诸多因素6。（1）DSP芯片的运算速度。运算速度是DSP芯片的一个最重要的性能指标，也是选择DSP芯片时所需要考虑的一个主要因素。（2）DSP芯片的价格。根据价格实际的应用情况，确定一个价格适中的DSP芯片。（3）DSP芯片的硬件资源。（4）DSP芯片的运算速度。（5）DSP芯片的开发工具。（6）DSP芯片的功耗。（7）其它的因素，如封装的形式、质量标准、生命周期等。3.4 DSP系统的构成数字信号处理器是利用计算机或专用处理设备，在模拟信号变换成数字信号以后，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等高速实时处理的专用处理器，其处理速度比最快的CPU还快1050倍。一个典型的DSP系统，输入信号首先进行带限滤波和抽样，然后进行A/D变换将信号变换成数字比特流。DSP芯片的输入是A/D变换后得到的以抽样形式表示的数字信号，DSP芯片对输入的数字信号进行某种形式的处理，如进行一系列的乘累加操作（MAC）。最后，经过处理后的数字样值再经D/A（Digital to Analog）变换转换为模拟样值，之后再进行内插和平滑滤波就可得到连续的模拟波形。必须指出的是，上面给出的DSP系统模型是一个典型模型，但并不是所有的DSP系统都必须具有模型中的所有部件7。3.5 DSP系统的特点数字信号处理系统是以数字信号处理为基础，因此具有数字处理的全部优点13：（1）接口和编程方便。DSP系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的，与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口容易得多；另外，DSP系统中的可编程DSP芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级。（2）稳定性和可重复性好。DSP系统以数字处理为基础，受环境温度、湿度、噪声、电磁场的干扰和影响较小，可靠性高；数字系统的性能基本不受元器件参数性能变化的影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产。（3）精度高。16位数字系统可以达到很高的精度。（4）特殊应用。有些应用只有数字系统才能实现，例如信息无失真压缩、V型滤波器、线性相位滤波器等等。（5）集成方便。DSP系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。当然，数字信号处理在高频信号处理上也存在一定的缺点。DSP系统中的高速时钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题，而且DSP系统消耗的功率也较大。此外，DSP技术更新的速度快，数学知识要求多，开发和调试工具还不尽完善。3.6基于DSP和FPGA结合的电力电子控制系统的特点DSP系统具有运算速度快、能力强，精度高等优点。 FPGA具有设计灵活、集成度高、速度快、设计周期短抗干扰能力强等优点。 本文结合两者特点，将DSP和FPGA有机结合使用，合理的将控制系统的各项工作分配如下：（本文主要介绍DSP模块） DSP完成以下五项工作：数据的采集和处理、管理FPGA和各种外部设备的接口、控制算法的完成、PWM脉冲值的计算和保护中断的处理。 FPGA完成以下两项工作：脉冲的输出和死区的产生；保护信号的处理。 基于DSP和FPGA结合的电力电子控制系统可以把二者优点结合一起，兼顾速度和灵活性，既满足底层信号处理要求，又满足高层信号处理要求。 DSP+FPGA系统最大优点是有较强的通用性，适合于模块化设计，从而能够提高算法效率；同时其开发周期较短，系统容易维护和扩展，适合实时信号处理。 DSP+FPGA系统的核心由DSP芯片和可重构器件FPGA组成。另外还包括一些外围的辅助电路，如键盘，LED七段显示器，A/D转换器等辅助设备。FPGA电路与DSP相连，利用DSP处理器强大的I/O功能实现系统内部的通信。从DSP角度看，FPGA相当于它的宏功能协处理器。外围电路辅助核心电路进行工作。DSP和FPGA各自带有RAM，用于存放处理过程所需要的数据及中间结果。FLASH ROM中存储了DSP执行程序和FPGA的配置数据8。3.7 DSP和FPGA数据通信本系统中，FPGA主要负责PWM波形的输出，而DSP主要负责采样功率单元的输出电压幅值，频率，电机定子回路电流，当DSP将这些数据通过采样处理后，必须将这些数据参数实时传给FPGA以进行及时的波形输出调整。其硬件原理图如下： 图 3-5 DSP与主控FPGA通信电路框图DSP将采样数据处理结果或键盘输入数据均可使用output语句通过数据总线和地址总线传输给FPGA。334 系统基于DSP部分硬件电路和软件监控4.1采样介绍和采样数据处理采样功能：首先，本系统根据实际需要，可产生各种需要的电压波形，如SPWM波形，然而为保证输出稳定的稳定性和精度，必须实施实时采样反馈以进行波形输出误差估计和矫正10。其次为了让用户实时了解输出控制信号波形参数，掌握被控系统实时运行参数，必须进行参数采样和处理，实现友好的人机界面。目前，交流电参量的采样测量方法主要有两种：直流采样法和交流采样法。直流采样法是采样经过整流后的直流量，对采样值只需作一次比例变换即可得到被测量的数值，软件设计简单，计算方便。但直流采样法存在一些问题：测量精度直接受整流电路的精度和稳定性的影响；整流电路参数调整困难且受波形因素影响较大；此外，用直流采样法测量工频电压、电流是通过测量平均值来求出有效值的，当电路中谐波含量不同时，平均值与有效值之间的关系也将发生变化，给计算结果带来了误差。因此，要获得高精度、高稳定性的测量结果，必须采用交流采样技术21。交流采样技术是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样，再按一定算法进行数值处理，从而获得被测量的测量方法。该方法的理论基础是采样定理，即要求采样频率为被测信号频谱中最高频率的2倍以上，这就要求硬件处理电路能提供高的采样速度和数据处理速度。传统的采样测控装置由于硬件资源与速度的限制,每周采样点少,算法也只能选择计算量小的,限制了测量精度;同时由于算法的限制无法得到如谐波等参数,又限制了其应用范围，而采用TMS320LF2407作为核心处理控制芯片的系统。根据其特点，实现了对交流电量的快速，实时，准确采样与处理。目前，高速单片机、DSP及高速A/D转换器的大量涌现，为交流采样技术提供了强有力的硬件支持。交流采样法包括同步采样法、准同步采样法、非同步采样法等几种，本文介绍的是同步采样法。同步采样法就是整周期等间隔均匀采样，要求被测信号周期T与采样时间间隔t及一周内采样点数N之间满足关系式T=Nt，即：采样频率为被测信号频率的N倍。交流采样的算法，直流采样是对整流后的直流量进行采样，其软件设计、计算非常简单，而交流采样是对被测信号的瞬时值进行采样，再对采样结果进行大量的数值处理，它是用软件功能代替直流采样中的硬件功能，因而软件设计要复杂得多。以下是交流电压 U、电流 I、有功功率 P、功率因数cos等电参量的离散公式：电流I有效 I=i=1Nii2N电压U有效U=i=1NUi2N有功功率P:P=1Nm=1numim功率因素cos=P/UI (为功率因素角)要由上述离散公式求得准确的测量结果，必须选择合适的采样频率，通常应大于采样定理规定的理论采样频率的3倍以上，以保证一周内有足够的采样点数。当然，采样频率的高低取决于A/D转换器的转换速度、DSP的处理速度及实际需要等。4.2基于TMS320LF2407系统部分的软硬件实现4.2.1A/D转换部分A/D通过多路开关选择通道对功率单元（IGBT）输出电压，负载电流数据进行A/D转换，得到DSP能够识别处理的数字信号。A/D转换器是采样系统中非常关键的器件，它的速度和精度直接影响DSP处理器的运行速度和精度，从而使得系统的实时性和可靠受到影响。为了提高采样数据的精度，选择 A/D转换芯片的位数应尽量高，同时由于系统需要分析三相电压和三相电流，应而需要 A/D 转换芯片满足对6路信号同时采样的要求。1.A/D 转换器配置引脚 黄石理工学院 毕业设计（论文）图4-1 A/D转换器配置引脚2.A/D 转换软件控制流程图图4-2 A/D转换软件控制流程图黄石理工学院 毕业设计（论文）4.2.2采样系统部分 图4-3 采样系统硬件连接软件流程图: 根据图4-3所示电路框图，来自锁相环的负脉冲启动 ADS7805P，转换结束后由BUSY向DSP发出中断请求信号，进入中断服务程序后，用下列指令读取转换结果：IND,ADC这里，ADC是 ADS7805P 的地址，D是存放结果的存储单元的地址。采样电压（电流）软件设计流程图：根据图4-3，模拟电压（电流）量通过前置模拟缩小通道，输入至模拟多路开关，DSP发送选择信号，使得模拟电压（电流）量经 A/D 转换器变为数字量，通过 DSP I/O 存储到其数据存储块，以备 DSP 进行处理和显示。有功功率采样部分：被测电压、电流经前置模拟通道取样、缩小处理后由图4-1 中模拟输入ADS7805P，获取电压、电流的瞬时采样值，按上述采样算法计算有功功率，软件流程如图4-5所示。当然，要获得高精度测量结果，还需采取软件数字滤波、硬件抗干扰等有效措施。图4-4 电压（电流）采样软件流程图图4-5 频率采样软件流程图图4-6 有功功率采样部分的软件流程图4.3人机界面硬件电路的设计人机界面MMI（Man Machine Interface），又称人机接口，是人与处理器之间传递、交换信息的媒介，是用户使用微机系统的综合操作环境。通过人机界面，用户向计算机系统提供命令、数据等输入信息，这些信息经微机系统处理后，又通过人机界面把产生的输出信息回送显示给用户22。以往的系统都只是单纯的将电机控制功能交由单片机或数字信号处理器DSP等微处理器实现，所以在系统的调试和运行中系统就像一个黑匣子，运行人员无法实时得知电机是否按照预定的方式运行。这就需要在电机调速系统中加入一个友好的人机界面。一方面可以清楚的了解电机运行情况，另一方面也可以更加灵活地控制电机，改变其运行状态。键盘和七段LED显示器是微型处理器控制系统最常用的输入，输出设备。它是实现人机之间进行信息交换的主要通道。键盘的功能是把人们要处理的数据，命令等转换成计算机识别的二进制代码，即计算机能识别的符号；七段LED显示器是把处理器运算的结果，状态等代码转换成人们能识别的符号显示出来。人机界面通信总体够建思想：DSP（带LED及键盘）+FPGA（产生IGBT功率单元控制信号）的上下位机的通信系统。该系统包括了两套子系统：上层为DSP（带LED及键盘）系统，下层为FPGA主控系统。具体结构简图如下：图4-7 人机界面框图通信流程：人机界面中除去信息的输出LED外，数据的另一个流向就是控制信息的输入22。这种数据流动有多种形式，如语音控制、键盘控制等。目前，受成本的限制，大部分电机调速系统中的数据输入功能都是由简单键盘或触摸屏完成的。本系统采用薄膜键盘与DSP直接连接，实现控制功能。在本系统的界面系统（见图5-1）设计中，DSP作为上位机，相对于FPGA及闪存处于“主”的地位，电机的用户设定参数打成数据包，由DSP“主发送”至FPGA，电机运行参数则由DSP主接收，并发送至经LED模块，经显示子程序转换，从而达到良好的可视性。相对于DSP而言, FPGA是下位机，当DSP主动“要”数据的时候，FPGA要进行的是从发送过程，发送的数据经过进制转换、移位、除零等操作，最终在七段LED上反馈给用户。4.3.1键盘设计（1）键盘工作原理和工作过程介绍键盘是按键或开关的有序组合。按照工作原理不同，键盘可分为编码键盘和非编码键盘，编码键盘的编码是由硬件完成的，非编码键盘的编码是由软件完成的。非编码键盘又分为独立式和矩阵式两种，键盘的工作过程如下：判别键盘是否有键按下；若有键按下，则进行扫描，判别是哪一个按下；去抖动；读取闭合按键的特征值；对特征值进行译码，获得按键相应的顺序号，然后在按各键的意义去执行相应的服务程序；应采用双键锁定或N轮回解决双键同时按下的问题。（2）键盘功能本文暂时只设计5个小键盘S1：对主控脉冲封锁，快速中断功率单元电压输出。S2：发送电压幅值增大指令到主控。S3：发送电压幅值减小指令到主控。S4：发送电压频率增大指令到主控。S5：发送电压频率减小指令到主控。（3）键盘软件部分设计键盘管理程序关键是如何识别键码，DSP对键盘控制的办法是“扫描”，以程控扫描法编写键盘识别程序。程控扫描法是由程序控制键扫描的方法,其过程如下:首先判断是否有键按下；第二，去除键抖动。若有键按下，延时5-10ms，再判断是否有键按下，若此时仍有键按下，则认为键盘上有一个键处于稳定闭合状态，可以进行下一步工作；第三，求键值；第四，为保证每闭合一次，CPU只作一次处理，程序中需等闭合键释放后才对其进行处理.在键盘管理程序中，求得键值后，还需根据每个键的定义，使程序转到相应的中断服务子程序完成该键所对应的功能。图4-8 键盘管理软件流程图4.3.2 LED 显示硬件部分设计本文在设计过程中拟将功率单元输出电压的幅值大小，电压频率，负载电流，及其功率因素均能够在不同七段LED上显示12。由于显示功能强大，设计可以采用LED显示驱动器MAX6950驱动七段LED，MAX6950/MAX6951是紧凑的共阴极显示驱动器，其特点有：兼容于高、26MHZ、SPI/QSPI/MICROWIRE串行接口；工作电压+2.7V+5.5V;独立的LED段控制；各驱动器间可保持同步的段闪烁控制；16进制译码或非译码选择；数字亮度控制；上电时所有显示器关闭；驱动共阴极数码管；复位时钟同步于外部时钟。MAX6950/ MAX6951是紧凑的共阴极显示驱动器，可通过串行接口将处理器连接到7段LED数码管。MAX6950可驱动5位7段数码管。MAX6950内置16进制字符译码器。硬件电路在本文中不作具体介绍。4.3.3 LED显示软件部分的设计图4-9 软件设计流程图4.4 DSP辅助硬件电路的设计4.4.1 复位电路复位输入引脚RS为DSP提供了硬件初始化的方法，该引脚上的电平变化可以使2407控制器终止执行并使 PC=0；当RS拉为高电平时，从程序存储器的0位置开始执行；RS 影响寄存器和状态位；当WDT定时时间溢出时，在RS引脚产生一个复位脉冲（）。当时钟电路工作后，只要在RS引脚上出现2个外部时钟周期以上的低电平，芯片即可复位。复位有三中方式，即上电复位，手动复位，软件复位。本系统采用的是软件复位和手动复位。 RS端也可以和看门狗芯片或者电源管理芯片的复位端相连，这种方法是通过看门狗芯片或者电源管理芯片来监控运行环境，在环境发生异常时自动复位11。本系统手动复位电路图： 图4-10 手动复位电路图4.4.2 时钟电路的设计对于TMS320LF240X 型DSP而言，提供时钟一般有两种方法，一种是利用DSP芯片提供的晶振电路，在DSP芯片的X1和X2引脚之间连接一晶体即可启动内部振荡器，芯片内部的X1和X2之间有一定数值的有效电阻和功耗，所以需要使用一定大小的负载电容。另一种方法是将时钟源直接输入X2引脚。本系统采用的是晶体振荡器。如图 4-11。时钟电路是数字系统中的重中之重。由于时钟信号是以振荡信号的形式出现的，很容易干扰其他信号，所以在制作PCB板的时候，时钟电路应该尽量离DSP芯片近一些，关键信号线应该远离时钟信号线。图4-11 DSP晶振电路4.4.3 在线调试和仿真接口在线调试和仿真通过JTAG（Joint Test Action Group）标准测试接口及相应的控制器，从而不但能控制和观察系统中的处理器的运行，测试每一块芯片，还可以用此接口下载程序23。在TMS320中，和JTAG测试口同时工作的还有一个分析模块。它支持断点的设置和程序存储器，数据存储器，DMA的访问，程序的单步运行和跟踪，以及程序的分支和外部中断的计数等。通过结合TI的集成开发环境CCS与JTAG 接口给学习和应用DSP提供很大的方便。如图4-12。 图4-12 DSP-JTAG调试口4.4.4电源选择TI公司的产品一大特点就是低电压，这样可以大大的节约系统的功耗。特别适合于便携式通信设备。芯片电源分为两种，即内核电源和I/O电源，其中内核电源采用1.8V设计，I/O电源采用3.3V设计24。DSP的功耗主要取决于器件的运算负载能力，即当器件处于全速运行的时候，其功耗就达到了芯片功耗的最大值，当DSP处于等待状态，其功耗很小。这给软件设计一个提示：当DSP没事做的时候尽量让DSP处于等待或休眠。相对于核而言，外设消耗的功耗是比较小的，主要取决于外部输出总线的速度，以及在输出引脚上的负载电容。关于功耗，当使用控制器如DSP或者单片机对外部器件如存储器或者 ADC进行编程的时候，很多设计者认为可以让外部器件的片选引脚CS直接接地（假如CS是低电平使能），其实这种方法是不利于降低功耗的，原因正如前面所述，如果CS直接接地，即外部芯片一直处于工作状态，则其功耗大大增加。所以从低功耗角度考虑，最好还是由控制器去控制CS引脚。电源最直接的来源是市电，现在市场上最常见而且最便宜的变压器是将市电转化为5V左右的直流电，但DSP所需要的是3.3V和1.8V的电压，这就需要进行电平转变。目前用语电平转换的芯片的原理有2种，一种是开关式，一种是线形式，下面分别介绍其特点：开关式稳压芯片的特点：（1）效率高：用于转换电平和稳压的调整管工作于开关状态，导通时管压降很小，截止时电流为0，所以管耗很小，效率能达到80%。（2）体积重量小：因为开关元件工作频率达到了几百千赫兹，所以设计中使用的是高频元件，其体积重量都很小。（3）纹波和噪声很大【25】：因为其主要的元件是开关式的，不可避免的会受到高频干扰的影响。线形式稳压芯片的特点是纹波和噪声小，调整管工作于线形放大状态，功耗大，效率只能达到50%左右。从上面的两类芯片的特点来看，各有所长。如果系统对功耗要求不是很高，但是容易受噪声干扰影响，应该优先选用线形稳压芯片，如果系统对功耗要求比较苛刻，则应该优先选用开关稳压芯片。TMS320LF240x 系列均为一种低功耗器件，所以设计优先考虑线形稳压芯片，采用TI公司的TPS767D318芯片。该芯片输入电压在2.7V-10V之间，有两个输出端，分别是3.3V 和1.8V输出端，其最大输出电流为1A。在电源这一部分，还需要提到的是，TI公司的工程师建议使用TI公司的电源芯片来给DSP供电，因为核电压和输入端CVDD和IO电压输入端DVDD的电压加载是有顺序的，一般而言，在最理想的情况下，DSP芯片上的两种电源应该同时上电，然后给核电压输入端上电，该上电次序主要依懒于DSP芯片内部静电放电保护。5 实验部分系统初步调试结果实验目的：实现DSP与FPGA数据通信，使得DSP控制FPGA的PWM波形输出。实验过程：建立DSP与FPGA数据通信协议，DSP通过地址总线和数据总线发送PWM波形调制度大小至FPGA，FPGA根据通信协议识别数据调整波形输出。5.1 不同脉宽调制度时波形的比较 PWM波形的脉宽是可以调节的，脉宽的调节由DSP传来的width参数控制，图5-1中（1），（2），（3）是调制度分别为0.95，0.75，0.50时的PWM波形：（1）Width=11110100,调制度为0.95时的波形（2）Width=10111111,调制度为0.75时的波形（3）Width=10000000,调制度为0.50时的波形（4）Width=10000000,调制度为0.50不同周期时的波形图5-1. 不同调制度时的PWM波形在图5-1中，由（1），（2），（3）可知，系统输出的三相六路PWM波形在相位上互差120o，调制度不同时输出的脉宽有明显的变化，得到了预期的波形。此外，波形的周期也是可以调节的，图（3），（4）中显示了不同周期时波形的差异。5.2 实验波形分析 为了验证设计的正确性，我们在系统上进行了仿真，但由于所用示波器没有录波功能，所有的波形都是用数码相机拍摄下来的，以下是部分波形 图5-1 调制度为0.45时用示波器测得的不同时刻波形图 图5-2 调制度为0.96时不同时刻单臂的实测波形 图5-3 调制度为0.95时同相的两桥臂波形对比图6 结论与展望6.1结论随着数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列器件(FPGA)的发展，采用 DSP+FPGA 的数字硬件系统显示出其优越性，正愈来愈得到人们重视。通用的DSP优点是通过编程可以应用到广泛的产品中，并且主流制造商生产的DSP已能满足算法控制结构复杂、运算速度高、寻址方式灵活和通信性能强大等需求。针对可编程逻辑器件（如 FPGA（Filed Programmable Gate Array 现场可编程门阵列）具有设计灵活、集成度高、速度快、设计周期短等优点，本文提出将DSP和FPGA结合应用于通用电力电子控制系统。这样，采用DSP+FPGA的数字硬件系统就可以把二者优点结合一起，兼顾速度和灵活性，既满足底层信号处理要求，又满足高层信号处理要求。DSP+FPGA系统最大优点是结构灵活，有较强的通用性，适合于模块化设计，从而能够提高算法效率；同时其开发周期较短，系统容易维护和扩展，适合实时信号处理。DSP+FPGA系统的核心由DSP芯片和可重构器件FPGA组成。另外还包括一些外围的辅助电路，如键盘，LED七段显示器，A/D转换器等辅助设备。FPGA电路与DSP相连，利用DSP处理器强大的I/O功能实现系统内部的通信。从DSP角度看， FPGA 相当于它的宏功能协处理器。外围电路辅助核心电路进行工作。DSP和FPGA各自带有 RAM，用于存放处理过程所需要的数据及中间结果。FLASH ROM中存储了DSP执行程序和FPGA的配置数据。本文主要完成的工作：（1）介绍PWM控制技术，DSP内部资源（2）完成DSP采样部分硬件电路的设计（3）完成人机界面硬件电路的设计（键盘输入控制和电参数输出显示）（4）完成键盘输入控制信号，采样所得数据进行处理并将最终有效数据传至FPGA 实现通信，以进行输出波形控制和动态调整 基于DSP和FPGA电力电子通用控制系统的研究，对于开始接触控制芯片的初学者来说，从入门了解芯片，认识芯片到方案选型再到系统调试，至最后PWM波形完整控制输出，这是一段充满艰辛和快乐的过程。在这段时间中经历了失败的挫折也体味到了成功的喜悦。可以说这段经历是作者在科研道路上的起步。6.2展望当了解DSP时，每位用户都会惊叹DSP芯片功能的强大，在VoIP、Audio 、DSL、 Cable Modem 、3G、数字相机和马达控制等需要实时处理大量数据应用中都可见到DSP的身影。目前，中国DSP市场的主要应用集中在移动电话领域，然而随着中国数字消费类产品需求的大幅增长，及DSP对数字信号高速运算与同步处理能力的提高，DSP的应用领域将逐渐从移动电话领域扩展到新型数字消费类产品领域，从而使应用领域横跨3C整个领域，且分布将日趋均衡。DSP芯片在数字消费类产品中主要从事图像压缩与传输等图像信号的处理，语音的编码、合成、识别及高保真等语音信号的处理及通信信号的调制解调、加密、多路复用、扩频、纠错编码等处理。本文在设计中需要改进的地方：1 键盘控制部分的功能可更完善些，如增加回车确认，撤消等功能。2 条件允许可将LED灯显示换成LCD，减小系统开发周期。3 本文主要从理论阐述采样系统和人机界面的硬件电路框图及其软件流程图，没有完全考虑到硬件设计过程中设计所要面临的问题，如电磁兼容问题。 黄石理工学院 毕业设计（论文）致 谢值此论文完成之际，首先要衷心地感谢我的指导老师高海洲老师。高老师一直都严格地指导我的学习和研究，培养了我独立解决问题的能力。高老师务实的治学作风，诲人不倦的教学态度使学生难以忘怀。为了让我更快了解和掌握DSP技术，老师尽心带我实践学习，让我更清楚的认识DSP技术在工业控制中的应用，使我受益非浅。在我毕业设计过程中，一直在关心着我设计进展情况和学习进步情况，给了我极大的鼓励和帮助。高老师还在专业学习过程给予我及时的指导，在实验过程中为我的学习提供很好的条件。这次毕业设计是我学完全部理论知识后进行的一次综合性设计，也是我即将毕业的一个知识总结，为我提供了一个比较好的设计机会和学习机会。通过此次毕业设计，使我对智能控制方面的知识有了进一步了解。使我在熟悉论文设计的基础上，加深了对所设计内容的理解。感谢大学四年给予我帮助的任课老师，他们辛勤的耕耘在课堂上，教会我的不仅是专业知识，更多的是做人的道理。从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！没有他们的帮助我是无法作好这次毕业设计的，在这里我要衷心的谢谢他们！参考文献1 王兆安，黄俊主编.电力电子技术.机械工业出版社. 2001：89-1002 刘和平主编.TMS320LF240Xdsp C语言开发应用.北京航空航天大学出版社 .2003：103-1123 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Texas Instrument，Making DSP Algorithm Compliant with the TMS320 DSP Algorithm Standard 24 Takahashi I.: “A new control of PWM inver