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数字化逆变电源设计之三相PWM控制器(三相逆变电路)

1引言

随着信息技术的发展,逆变电源越来越广泛地被应用于通信、军事、航空、航天等领域传统的逆变电源多为模拟控制或者模拟与数字相结合的控制系统,其可靠性差、结构复杂、成本偏高且不利于产品更新换代现代的逆变电源正朝着全数字化、智能化及网络化的方向发展随着高性能的数字信号处理器(DSP)的出现, 逆变电源全数字化的实现已经成为可能本文在对ADMC331进行详细分析的基础上,介绍了ADMC331控制器在全数字化逆变电源中的具体应用。

2 ADMC331的结构特点

ADMC331是美国模拟器件公司(ADI)推出的基于DSP技术的电机控制器,它在内部集成了一个26MIPS(每秒百万条指令)的定点数字信号处理器内核,同时内部还包括整套电机控制外围线路,从而为用户快速、高效地开发电机控制器创造了十分有利的条件ADMC331的功能框图如图1所示,其主要特性如下:
●采用16位定点ADSP—2171作为内核,与ADSP-2100数字信号处理系列的代码完全兼容;它具有三个独立的全功能计算单元,即: 一个16位算术/逻辑单元(ALU)、一个32位乘法累加器(MAC)和一个32位桶形移位器(SHIFTER);同时具有两个独立的数据地址发生器 (DAGs)和一个强大的程序时序器由于该器件的体系结构为并行结构,因而可加快程序的执行
ADMC331的功能框图

●单周期指令执行时间为38.5ns(外接13MHz晶振),可实现:产生下一个程序地址、取下一条指令、执行一个或两个数据移动操作、更新一个或两个数据地址指针、执行一个计算操作等功能

●内置有2k×24位程序存储器ROM,2k×24位程序存储器RAM和1k×16位数据存储器RAM

●具有一个三相16位基于中点的脉宽调制(PWM)发生器,能够灵活编程产生具有处理器最小开销的高精度PWM信号

●具有七路Σ-Δ型A/D变换通道,最高分辨率为12位,最大采样频率可达32.5kHz
●具有24个可编程数字输入输出(PIO)口,可单独设置成输入或输出,支持状态变化中断
●提供了2个双缓冲同步串行口(SPORT0,SPORT1),可完成串行通讯和多处理器间的通信
●带有实时中断的16位看门狗定时器
●内部程序存储器ROM固化了一些实用程序,方便了系统的程序设计,减少了数字控制系统的程序计算时间
3 应用举例
用ADMC331构成全数字化逆变电源的结构图如图2所示
ADMC331构成的全数字化逆变电源结构图
3.1 PWM信号的形成
一般的全数字化逆变电源必须产生4路精确的PWM定时信号以驱动IGBT逆变桥,与此同时,驱动每对功率管的PWM信号必须有一段的导通延时,以防止上下 桥臂功率开关同时导通毁坏系统PWM信号的产生是由ADMC331内的PWM控制器来完成的,而ADMC331中PWM发生单元的灵活性和可编程性完全 能够满足不同方式的数字PWM的方法的要求图3为ADMC331三相PWM控制器的功能框图
ADMC331的PWM单元是建立在一个独立的三相定时器基础上,它可由三个确定的周期寄存器来控制,每个周期寄存器控制一对PWM输出控制所需的 DSP程序可根据应用场合的要求以及所需要的PWM方案来编制图中PWMPOL可依据门极驱动电路的逻辑和结构来选择PWM输出的极性,输出的每一路 PWM信号都能通过独立的使能寄存器PWMSEG来决定输出使能或禁止PWMTRIP是硬件保护电路,当这个引脚为低电平时,整个系统被无条件复位以对 整个电路进行保护此外还有时钟输出信号CLKOUT和PWM的同步信号PWMSYNC等
ADMC331三相PWM控制器的功能框图
3.2 模数(A/D)转换接口电路
ADMC331内的A/D转换器由7个模拟输入通道和比较器等电路组成,数据转换是通过判断模拟输入量与片内高稳定度锯齿波的交点来实现的考虑到A/D 转换器能接受的电平范围为0~+5V,因此必须将电压互感器检测的电压和电流传感器检测的电流(转换为电压量)按照一定比例转换到这个范围内输出电压和 电流检测接口电路分别如图4和图5所示,这部分电路的输入阻抗应比较大,以尽量减少对设备信号的影响,并且输出阻抗应同A/D转换器的输入阻抗相匹配
3.3 保护措施
为了保证IGBT模块的正常安全运行,防止异常现象造成器件损坏和系统崩溃,一定要有完善的保护措施全数字化逆变电源保护电路采用一片GAL芯片来对主 电路传送来的系统过流、过压、欠压、异常等故障信号进行封锁当出现任何一种上述故障时,保护电路产生的信号可通过硬件方式直接封锁逆变桥驱动信号的输 出,这样既保证了系统对故障响应的快速性和可靠性,同时保护信号也可通过数字PIO口送入ADMC331以供软件查询,并由此判断系统是否有故障产生以及 故障的类型,以便系统能够提供相应的故障处理程序和报警显示
另外,ADMC331还外接了一个存储有程序执行指令机器码的E2PROM,这些指令可在上电后通过串行口程序自行导入,并且采用MAX232芯片作为TTL与RS232的电平转换,以实现ADMC331与外界的通讯
4 结束语
随着对绿色家用电器要求的不断增强,开发环保无污染的电源已是当务之急采用高性能嵌入式DSP电机控制器ADMC331设计的绿色环保逆变电源,可以实现真正意义上的全数字化控制,它不仅提高了控制电路的集成度,更重要的是提高了控制电路乃至整个系统的可靠性和可塑性 .
 
     
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