基于DSP56F805的可并机逆变电源设计

图3 DA2000HP逆变电源工作原理框图

DA2000HP逆变单元主变换电路采用高可靠性的单端高频功率变换电路，变换频率为64kHz。直流输入通过输入滤波器、输入断路器、输入接触器送入单端高频功率变换电路，经过变换，变压器次级输出高压正弦调制波形。高压正弦调制波形经过高频滤波器滤去高频成分，得到100Hz半桥正弦波。100Hz半桥正弦波经过50HzIGBT逆变桥变换得到50Hz220V纯净的正弦波。最后，50Hz220V纯净的正弦波通过输出接触器、输出断路器、输出滤波器送给负载。
为了提高逆变单元的可靠性和负载适用性，在50HzIGBT逆变桥前增加补偿器及损耗器。
DA2000HP逆变单元采用的算法是模糊控制算法，把电压误差和电流作为输入模糊变量，实现逆变单元模糊控制。
2.3 DSP56F805简介
Motorola公司开发的数字信号处理器DSP56F805具有16位高速定点运算能力，既有单片机（MCU）灵活控制功能和丰富的外设，又有DSP高速运算能力，非常适合电源控制、电机控制、工业控制、仪表制造等领域。这种型号的数字信号处理芯片具有如下优点
1）很高的处理速度
——单指令执行周期为25ns（工作频率为80MHz时），即每s可执行40M条指令；
——单周期16×16并行乘-累加器；
2）特有的并行结构
——采用Harvard结构，程序区与数据区的存储单元是分开的，高效16位DSP56800DSP内核；
——3条内部地址总线和1条外部地址总线；
——4条内部数据总线和1条外部数据总线；
3）编程灵活
——具有类似单片机的编程方式；
——支持高级C语言编程；
——开发方便，灵活的EVM板及丰富的SDK软件包；
4）高度集成的内部资源
——片上集成闪存（Flash）及RAM，计有31.5K×16位的程序Flash，512×16位程序RAM，4K×16位的数据Flash，2K×16位数据RAM，2K×16位的启动Flash；
——2个独立的PWM模块，每个PWM模块带有6个可独立编程PWM输出脚，3个电流传感取样脚和4个故障检测输入脚，支持中心对准PWM和边沿对准PWM工作方式；
——可同时工作的2个12位ADC模块，每个ADC模块包含4路输入脚，ADC模块可与PWM模块同步工作；
——14路独立的输入输出口，18路复用的输入输出口；
——1个CAN2.0模块；
——2个异步串行口（SCI）和1个同步串行口（SPI）；
——2个微分解码器；
——4组计数定时器；
——内置COP模块，方便完成看门狗（Watchdog）功能；
——2个外部中断源；
——可编程的PLL时钟；
——JTAG/OnCE接口，方便调试及生产。

3 系统硬件
系统硬件电路包括主控单元，A/D电路，PWM电路，并机与同步电路，检测、控制及显示电路，JTAG/OnCE电路，RS-232、时钟及电源电路等。主控芯片用了一片144-pinLQFP封装的DSP56F805数字信号处理器，具体电路如图4。

图4 系统硬件

3.1 主控单元
硬件以DSP56F805为中心，充分利用其 A/D、PWM、内部Flash、CAN等自带功能，简化了设计。
系统工作正常时，PWMA0～PWMA1脚输出一对SPWM波形，通过隔离与驱动电路驱动单端变换电路功率管（MOSFET），再经过主变压器升压，次级得到高压SPWM正弦调制波形，经过L、C滤波得到纯净的100Hz半桥正弦波。PWMA2～PWMA3脚输出一对PWM波形，通过隔离与驱动电路驱动功率管（IGBT），得到50Hz220V纯净的正弦波。PWMA4作为D/A转换，经滤波成直流信号，通过隔离与驱动电路驱动损耗器。PWMB0～PWMB2作为输出口，根据无功功率，选择适当的电容，通过隔离与驱动电路驱动补偿器。A/D电路时刻检测输入电压、输出电压、输出电流、机内温度等参数，当发现一个或多个参数超过软件的设定值，DSP立即关断SPWM信号，并发出报警信号。另外，FAULTA0作为输出过流取样，一旦FAULTA0电压超过阈值，DSP立即关断PWM输出。
3.2 A/D电路
DSP56F805的ADC模块具有下述特点：
1）12位精度；
2）同时或连续采样工作方式；
3）同时采样工作方式下，8个通道转换时间为26.5ADC时钟周期，即26.5×0.2μs=5.3μs；
4）可由PWM的内部同步信号或定时器或外部信号触发ADC转换。
为提高转换速度，本系统采用同时采样工作方式，并由PWMA内部同步信号触发进行A/D转换。2个ADC模块的配对情况如下：
AN0（100Hz电流取样）——AN4（100Hz电压取样）；
AN1（输出交流电流取样）——AN5（输出交流电压取样）；
AN2（输入直流电压取样）——AN6（吸收管电流取样）；
AN3（温度取样）——AN7（参考电压1.25V）。
由于ADC采样的量有直流量和交流量，故对两种不同的量需进行分别处理。
直流量（输入直流电压、温度及参考电压1.25V）采用一般的数字滤波处理方式，表达式如式（5）。
X=（5）
式中：X为A/D采样结果；
X（n－1）为第n－1次的采样结果；
X（n）为第n次的采样结果；
K1、K2为修正系数。
交流分量包括100Hz电压、电流、输出电压、电流、吸收管电流。在一个周期内（10ms）采样160次，根据式（6）～式（8）算出有关的功率值。
S=Ks[|U(i)|×|I(i)|]（6）
P=Kp[U(i)×I(i)]（7）
Q=（8）
式中：S为视在功率；
P为有功功率；
Q为无功功率；
Ks、Kp为修正系数。
3.3 PWM电路
DSP56F805 PWM模块具有以下主要特点：
1）3组互补的PWM对或6个独立的PWM；
2）死区可调；
3）半周期重装载能力；
4）20mA输出驱动能力。
本系统2个PWM模块工作方式如下：
PWMA0，PWMA1（SPWM0，SPWM1）工作于互补的PWM对，用于产生SPWM调制波，载波为64kHz，调制波为100Hz；
PWMA2，PWMA3（PWM0，PWM1）工作于软件控制的I/O，产生50Hz方波信号。把100Hz半波变换为50Hz全波；
PWMA4（D/A）工作于D/A，根据机内温度或损耗产生修正的信号调整吸收功率管；
PWMB0，PWMB1，PWMB2（F0～F2）工作于软件控制的I/O，用以控制补偿电路。
3.4 并机与同步电路
同步电路由PA0，PA1完成，其中PA0为输入脚，检测外部（其它的逆变单元）的50Hz同步信号，PA1为输出脚，用以送出本机的50Hz同步信号。当系统上电后，本机先检测有无外部同步信号，若有则本机跟踪外部的信号，并发出一个同步信号，若无则工作于本机的同步信号。
并机由CAN完成。CAN模块负责收集其它逆变单元的状态值（电压、电流、频率、有功功率、无功功率等）并发送本身的状态值。
3.5 检测、控制及显示电路
1）PD2设置为输入口，当S1开关合上后电源才启动；
2）PD6，PD7设置为输入口，分别检测输入接触器状态及输出断路器状态，只有两个都正常逆变单元才工作；
3）PB0～PB7，PD0，PD1，PE2为LCD显示控制电路，其中PE2为输入口，为显示菜单按键S2，PD0，PD1为输出口，控制LCD的RS及E，PB0～PB7为输出口，送出信号给LCD的数据口DB0～DB7；
由于采用16×2位字符型LCD模块，查手册知LCD的门限电压为
Vih(min)=2.2V，Vil(max)=0.6V，
符合DSP芯片的逻辑，故DSP56F805可直接驱动LCD，不须电平转换；
4）PD3～PD5，PE4～PE7为输出口，分别控制有关指示灯及继电器等。
3.6 JTAG/OnCE电路
DSP56F805提供JTAG/OnCE电路可方便用户把程序写入片内的Flash闪存，也方便用户在线编程、修改和升级软件。
3.7 RS-232、时钟及电源电路
DSP56F805内带两组SCI，本系统用了SCI0作为RS232接口，若单机使用时RS232作为通信口与PC机相连，若并机使用，则该口不用，由主监控器负责与PC机通讯。
DSP56F805有一个带PLL锁相环时钟单元，通过软件编程可方便改变DSP的时钟。
DSP56F805主电路由＋3.3V供电。
为防止噪声干扰影响A/D转换精度，A/D采用独立供电系统。
若外部的数字电路有＋5V供电系统，与DSP接口必要时须进行电平转换。