单片机与DSP中的DSP在高频开关电源的控制
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2020-11-17
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单片机与单片机与DSP中的中的DSP在高频开关电源的控制在高频开关电源的控制
数字信号处理器（ＤＳＰ）已广泛应用在高频开关电源的控制，采取ＤＳＰ作为变频电源的控制核心，可以用
最少的软硬件实现灵活、准确的在线控制。数字信号处理器ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７既有一般ＤＳＰ芯片的
特点，还在片内集成了许多外设电路，使其可以很方便地实现变频电源控制。本文中，控制系统采用了工程应
用较多的正弦脉宽凋制技术，该技术具有算法简单，硬件实现容易，谐波较小等优点，可以充分发挥ＤＳＰ的
高速性、实时性、可靠性等方面的特点，结合相应的软件，应用一些改进的算法实现了ＳＰＷＭ调制，输出了
质量较好、频率和幅值可任意改变的控制信号。 １ 系统的结构 变频电源采用高频ＳＰＷＭ技术和通
用电压型单相全桥
数字信号处理器（ＤＳＰ）已广泛应用在高频开关电源的控制，采取ＤＳＰ作为变频电源的控制核心，可以用最少的软硬
件实现灵活、准确的在线控制。数字信号处理器ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７既有一般ＤＳＰ芯片的特点，还在片内集成了许多
外设电路，使其可以很方便地实现变频电源控制。本文中，控制系统采用了工程应用较多的正弦脉宽凋制技术，该技术具有算
法简单，硬件实现容易，谐波较小等优点，可以充分发挥ＤＳＰ的高速性、实时性、可靠性等方面的特点，结合相应的软件，
应用一些改进的算法实现了ＳＰＷＭ调制，输出了质量较好、频率和幅值可任意改变的控制信号。
１ 系统的结构
变频电源采用高频ＳＰＷＭ技术和通用电压型单相全桥逆变电路，选取ＩＣＢＴ功率模块作为开关器件，控制电路采用全
数字化设计。
输出电压和电感电流通过采样网络，将输入信号转换为ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７所需要的电平，接至ＴＭＳ３２０１Ｆ
２４０７的Ａ／Ｄ转换口。通过键盘键入所要求的输出电压值、频率值，由ＳＣＩ模块与ＤＳＰ实现通讯。得到逆变器当前工
作的基准电压信号，经过电压电流调节器获得实际的正弦调制信号，与ＤＳＰ定时器产生的三角波载波信号相交截，输出带有
一定死区的驱动控制信号，经驱动单元进行隔离放大后送到ＩＧＢＴ。ＤＳＰ可以把当前时刻的输出电压、频率值送给单片机
并在８位ＬＥＤ上显示出来。为了保证过压、欠压、过流（过载）的情况下能有效地保护功率开关和负载，在本系统中设置了
保护电路，一旦出现故障，ＰＤＰＩＮＴ引脚为低电平状态，封锁驱动脉冲控制信号，切断变频电源输出。
２ ＳＰＷＭ波的软件设计
变频电源研制的核心是ＳＰＷＭ波的生成，可利用ＤＳＰ通过软件来实现，系统采用了双闭环反馈的控制策略，其外环为
输出电压反馈，电压调节器一般采用ＰＩ形式，电感电流反馈构成内环，电流环设计为比例环节。由图ｌ可以看出，输出电压
的信号经调理采样生成Ｖｆ后直接反馈，与参考正弦电压Ｖｒｅｆ比较后，经ＰＩ调节后作为电流内环的给定信号Ｉｇ。其与
电感电流反馈值Ｉｆ比较得到的误差经Ｐ调节，作为调制波与三角载波进行交截产生ＳＰＷＭ开关信号。为了便丁变频器在线
调试，所生成的ＳＰＷＭ波调制比必须可在一定范围任意改变，且误差较小。由上所述，可知ＳＰＷＭ波的生成涉及３个方
面：获得参考止弦电压Ｖｒｅｆ、实现电压电流双闭环控制、产生三角载波。其中，三角载波的实现很简单，可由ＤＳＰ中的
通用定时器产生，本设计中，使用了通用定时器ｌ，可根据载波频率确定定时器ｌ中的周期寄存器ＴＩＰＲ的值。下面着重介
绍前两个方面所涉及的没计和算法。
２．ｌ 基准正弦电压信号的生成
ＤＳＰ实时地从单片机读取所需要的电压的频率和幅值作为当前输出电压的基准（给定）。获取当前时刻的正弦值，基准
正弦信号是通过查表法产生的。在数字控制系统中正弦基准信号就是一个正弦数据表格，故应将正弦波按其表达式制成０°～
３６０°的表格供查用，在本设计中，正弦数据表格中数据点数选为１０２４，可将其数值放在片外数据存储器。有如卜关系
式：
式中：ｆｓ为当前时刻调制频率；
ｔ为采样时刻；
Ｎ为当前时刻处在整个调制周期的第Ｎ个脉冲。
由于本系统系变频电源，即ｆＳ是在变化的，且系统采用的是异步调制，所以Ｎ也是随ｆＳ变化而变化的。由此必须实时
变化定时时间Ｔ以确保整个周期的脉冲数最大限度地接近整数，以避免或减少输出波形含有基波的子谐波；此外，还须实时地
改变脉冲序列，以保证输出电压值不发生较大的跳变。
２．１．１ 实时改变定时时间
假设ｆＳ＝４００ Ｈｚ，则频率凋制比Ｍｆ为
由于整个周期的脉冲数ＮＥ超过１，所以ＮＥ只能选用定标为Ｑ０，即ＮＥ只能为整数，所以ＮＥ＝６２，从而在脉冲数
上出现了相差了Ｏ．５个，反映在桥臂输出电压上，有正负输出所含的脉冲数不相同。由此会产生基频的子谐波。
如果我们以当前的脉冲数ＮＥ回推出开关频率，则有ｆｃ＝６２ｘ４００＝２４．８ｋＨｚ，这样确定的开关频率，就最
大限度地保汪了正负调制周期的脉冲数近似相同。设计中，定时器１的工作方式设定为连续增减计数方式，故其中ｆｃｐｕ＝
２０ ＭＨｚ为时钟频率，开关频率２５ ｋＨｚ时可得定时时间Ｔ为４０μｓ，Ｔ１ＰＲ为４００；而开关频率为２４．８
ｋＨｚ时可得定时时间Ｔ为４０．６５μｓ，Ｔ１ＰＲ为４０３．２２５，Ｔ１ＰＲ定标为Ｑ０，所以只能为整数４０３，
故求得频率调制比所以正负调制周期的脉冲数相差极少，为０．０３５，这样就最大限度的消除了基频的子谐波。
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