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基于TMS320F2812變頻電源的交流采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

時(shí)間:2010-04-21 09:46:48來源:zhaofang

導(dǎo)語:?HCNR200是一款用于模擬信號(hào)隔離的專用高精度線性光耦。本文詳細(xì)介紹了利用F2812的內(nèi)置ADC,并結(jié)合HCNR200進(jìn)行交流電壓、電流的采樣。

       在三相變頻電源設(shè)計(jì)中,需要采樣交流電壓及負(fù)載電流,用以實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)控制和保護(hù),因此交流電壓、電流采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到變頻電源的性能。三相變頻電源以TMS320F2812(簡稱F2812)為控制芯片,該芯片內(nèi)置16通道的12位ADC。采用F2812內(nèi)置ADC進(jìn)行交流采樣時(shí),避免了復(fù)雜的硬件設(shè)計(jì),并降低了成本。電源要求輸出線電壓為380 V,輸出功率為3 kW。要采集該交流電壓、電流信號(hào)并送到DSP芯片,必須設(shè)計(jì)隔離電路,用以防止高電壓、強(qiáng)電流串入控制系統(tǒng),燒壞低壓器件。HCNR200是一款用于模擬信號(hào)隔離的專用高精度線性光耦。本文詳細(xì)介紹了利用F2812的內(nèi)置ADC,并結(jié)合HCNR200進(jìn)行交流電壓、電流的采樣。

1 TMS320F2812內(nèi)置ADC簡介
       TMS320F2812芯片系TI公司于2003年底推出的32位定點(diǎn)DSP,是一款高性能、滿足電機(jī)實(shí)時(shí)性控制要求的控制器,工作頻率最高可達(dá)150 MHz,其內(nèi)置了16通道,12位ADC,含兩路采樣保持器,一個(gè)轉(zhuǎn)換單元,可實(shí)現(xiàn)雙通道同步采樣,最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為80 ns。內(nèi)置ADC的外設(shè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

內(nèi)置ADC的外設(shè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)


     

 

      模擬量由16個(gè)通道輸入,被分為A,B兩組,ADCINA0~7為A組,ADCINBO~7為B組,每組都有一個(gè)完全獨(dú)立的多路選擇器和采樣保持器,共用一個(gè)12位ADC。整個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)序和轉(zhuǎn)換過程都由ADC時(shí)序控制自動(dòng)機(jī)完成,不需要DSP中央處理單元的干預(yù)。編程時(shí)只需要配置寄存器,設(shè)定合適的值,自動(dòng)機(jī)就會(huì)按照設(shè)定的順序和模式自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)多通道ADC,并將其結(jié)果寫入到16 Word的轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器中。結(jié)果寄存器為雙緩沖結(jié)構(gòu),這就保證對(duì)于結(jié)果寄存器、自動(dòng)機(jī)的寫操作和中央處理單元的讀操作不會(huì)產(chǎn)生時(shí)序沖突,大大提高了DSP的并行運(yùn)行能力。輸入管腳ADCSOC是ADC的外部觸發(fā)輸入,用于要求嚴(yán)格同步觸發(fā)采樣的場(chǎng)合。ADC的時(shí)序基準(zhǔn)頻率由處理器的主頻分頻提供,可以通過改動(dòng)相關(guān)配置寄存器的值來設(shè)定分頻系數(shù),從而改變ADC的轉(zhuǎn)換速率。

      TMS320F2812的ADC有4種工作模式:觸發(fā)順序模式、觸發(fā)同步模式、周期順序模式和周期同步模式。
通道的模擬電壓容許輸入范圍在0~3 V之間。對(duì)于交流采樣系統(tǒng),必須為前級(jí)的運(yùn)放電路提供電平偏置和保護(hù)。
2 HCNR200簡介及其工作原理
      HCNR200光電耦合器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中,LED為發(fā)光二極管;PD1,PD2是兩個(gè)相鄰匹配的光敏二極管。光敏二極管的PN結(jié)在反向偏置狀態(tài)下運(yùn)行,它的反向電流與光照強(qiáng)度成正比,這種封裝結(jié)構(gòu)決定了每個(gè)光敏二極管都能從LED得到近似相等的光強(qiáng),從而消除了LED的非線性和偏差特性所帶來的誤差。當(dāng)電流If流過LED時(shí),LED發(fā)出的光被耦合到PD1和PD2,在器件輸出端產(chǎn)生與光強(qiáng)成正比的輸出電流IPDI和IPD2。PD1用來調(diào)節(jié)If,以補(bǔ)償LED的非線性和漂移特性;IPD2與PD1發(fā)出的伺服光通量成線性比例。其中。If,IPD1和IPD2滿足以下關(guān)系:

 

 

IPD2與PD1發(fā)出的伺服光通量成線性比例式中:K1,K2分別為輸入/輸出光電二極管的電流傳輸比,其典型值均在0.05%左右,K為傳輸增益。當(dāng)一只HCNR200被制造出來后,其輸出側(cè)光電流IPD2和輸入側(cè)光電流IPD1之比是一個(gè)恒定值K,K在1±O.15之間。

 HCNR200光電耦合器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

       這種先進(jìn)的光電二極管調(diào)整設(shè)計(jì)確保了光電耦合器HCNR200的高線性度和穩(wěn)定性,可以較好地實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的隔離。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

 


      假設(shè)三相變頻電源接三角形負(fù)載,則在三相負(fù)載的每相上串一精密小電阻,通過檢測(cè)小電阻的端電壓就可以由DSP中斷程序計(jì)算出所需的電壓、電流值。由HCNR200構(gòu)成的電壓采集電路如圖3所示。電路由反饋電路、隔離電路、電流電壓轉(zhuǎn)換電路、限幅電路等幾部分構(gòu)成。兩個(gè)運(yùn)放接在不同的工作電源和地上,實(shí)現(xiàn)了隔離。運(yùn)放選擇高精度運(yùn)放CA3130A,該運(yùn)放采用15 V單電源供電,最大共模輸入電壓為15 V,最大輸出電壓為13.3 V,負(fù)載為2 kΩ。

 

 變流電壓采集電路

 


     

 

       圖3中,U1構(gòu)成反饋電路。利用PD1檢測(cè)LED的光輸出量,并自動(dòng)調(diào)整通過LED的電流,以補(bǔ)償LED光輸出的變化及任何其他原因引起的非線性,因此該反饋放大器主要用于穩(wěn)定LED的光輸出,并使其線性化。輸入信號(hào)Vin是被測(cè)量,由采樣電阻兩端的交流電壓經(jīng)二極管整流得到,其范圍取在O~5 V之間。

      U2組成輸出電路。進(jìn)行電流與電壓之間的轉(zhuǎn)換,用以將輸出光敏二極管PD2輸出的穩(wěn)定、線性變化的電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并輸出。
If的范圍為1~20 mA。根據(jù)運(yùn)放最大輸出電壓為13.3 V,結(jié)合IPD1=0.005If,R3不宜過大,取200 Ω。光電二極管PD1的電流為:

光電二極管PD1的電流
      由于IPD1的取值一般小于50μA,且實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在選用R2時(shí),實(shí)際值比理論計(jì)算值要大一些,這樣才能取得更好的隔離效果,故選取R2=200 kΩ。

      在實(shí)際工程中,選用R4=470 kΩ的電位器,用以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。
      在輸出端加一個(gè)二極管限幅電路,限制Vout在O~3 V以內(nèi)。

4 軟件設(shè)計(jì)

 


      運(yùn)用TMS320F2812內(nèi)置ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí),程序首先對(duì)ADC進(jìn)行初始化,當(dāng)ADC非常忙時(shí),啟動(dòng)ADC通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換,主程序進(jìn)入死循環(huán);當(dāng)ADC正常轉(zhuǎn)換完畢后,進(jìn)入中斷服務(wù)子程序。中斷服務(wù)程序?qū)DC轉(zhuǎn)換結(jié)果讀入存儲(chǔ)器中,進(jìn)行必要數(shù)字濾波、補(bǔ)償?shù)忍幚?,然后再次啟?dòng)A/D通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換,如此循環(huán)往復(fù)。程序設(shè)計(jì)使用C語言編寫源程序,主程序流程圖如圖4所示。

 

 主程序流程圖


5 結(jié) 語
      實(shí)踐證明,利用TMS320F2812內(nèi)置ADC,并結(jié)合模擬信號(hào)隔離用高精度線性光耦HCNR200構(gòu)成的交流信號(hào)采集電路,具有硬件電路及軟件設(shè)計(jì)簡單、高精度、高線性度、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),有效地解決了模擬信號(hào)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)隔離的問題。在電流、電壓雙閉環(huán)控制的變頻電源設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要的作用。


 

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