能量雙向流動交直流電源變換器系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u22484能量雙向流動交直流電源變換器系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)案例 123372第1章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 1145081.1系統(tǒng)主控單元的概述 19981.1.1主控單元的對比與選擇 126645綜上所述，故選擇方案二。 2230691.1.2微處理器的選擇 260701.1.3STM32F103VE的簡介 355141.1.4Cortex-M3的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 4253801.2單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì) 692831.2.1晶振電路的設(shè)計(jì) 696142.2.2復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 6195601.3采樣電路設(shè)計(jì) 7116691.3.1電流采樣電路 7181931.3.2電壓采樣電路 8186931.3.3溫度采樣電路 819541.4過壓與過流保護(hù)電路 10121151.5IGBT驅(qū)動電路 10150581.6本章小結(jié) 1218699第2章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 1389432.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路 139062.2系統(tǒng)資源分配 14253682.3控制軟件的構(gòu)成 1471012.3.1主程序設(shè)計(jì) 1465442.3.2中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì) 15245162.3.3子程序設(shè)計(jì) 17第1章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1.1系統(tǒng)主控單元的概述1.1.1主控單元的對比與選擇方案一控制系統(tǒng)可采用CPLD（可邏輯編程設(shè)備）作為主處理器，與FPGA所類似，CPLD內(nèi)部有很多個宏單元，對觸發(fā)器以及芯片電路內(nèi)部的門電路進(jìn)行更高級別的抽象，方便開發(fā)者開發(fā)，減少工作強(qiáng)度，而每個宏單元有多種配置方式，各高級別抽象的門電路與觸發(fā)器也可級聯(lián)使用，使用CPLD相比較單片機(jī)而言自由度更高，處理信號速度更快，非常適合復(fù)雜的控制任務(wù)例如高速信號處理、射頻信號處理。利用CPLD能夠使主控單元使IO信號的處理能力大大增加，但是CPLD的應(yīng)用成本較高，開發(fā)門檻相比單片機(jī)而言要難上許多個檔次，需要有多年經(jīng)驗(yàn)的集成電路工程師才能夠?qū)⑾到y(tǒng)開發(fā)完善，故放棄。方案二采用STM32F103作為系統(tǒng)的主處理器，作為全球最著名的單片機(jī)之一，STM32F103在嵌入式領(lǐng)域可謂是家喻戶曉，STM32F103由深耕微控制器領(lǐng)域的ST公司所研發(fā)。STM32F103的程序存儲空間，也就是所謂的可讀ROM，具有32-512K，足以滿足一般需要。其動態(tài)內(nèi)存，也就是全局變量與靜態(tài)局部變量的存儲空間，足以滿足大部分需要。單片機(jī)的開發(fā)資源較多，網(wǎng)上有很多愛好者所上傳的資料，例如野火、正點(diǎn)原子針對各類單片機(jī)都有教程，入門門檻較低，作為嵌入式入門學(xué)者想實(shí)現(xiàn)控制功能相對來說較為簡單，其性能也能夠滿足一般復(fù)雜的控制系統(tǒng)所需，但STM32F103造價極為低廉，目前在世界上正在被非常廣泛的使用。故本次設(shè)計(jì)選擇STM32F103作為系統(tǒng)的主處理器。方案三采用msp430作為系統(tǒng)的一個主處理器，MSP430單片機(jī)的成本和功耗非常低，不同于STM32單片機(jī)與51單片機(jī)的尋址方式，MSP430單片機(jī)尋址的方式非常靈活，其匯編指令也非常精簡，易于初學(xué)者上手，其編碼效率非常高，在某些應(yīng)用場合有著較為特殊的用途，但是論及通用性則不如STM32單片機(jī)與51單片機(jī)，且網(wǎng)上資源較少，大部分文獻(xiàn)資料均為英文，對于初學(xué)者來說應(yīng)用起來較為困難，故放棄。綜上所述，故選擇方案二。1.1.2微處理器的選擇單片機(jī)的特點(diǎn)：(1)具備位處理能力。(2)可一側(cè)的執(zhí)行周期。(3)擅長終端處理，特別是外部異步事件。(4)既有豐富的I/O功能。(5)價格低廉，便于開發(fā)。單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)開發(fā)經(jīng)過了很多年的發(fā)展進(jìn)步，開發(fā)技術(shù)環(huán)境不斷完善，開發(fā)工具齊全，應(yīng)用技術(shù)資料繁多。國內(nèi)大部分高校均免費(fèi)提供相關(guān)單片控主機(jī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識和相關(guān)單片控主機(jī)應(yīng)用實(shí)踐。但是由于一個單片化主機(jī)本身的核心技術(shù)開發(fā)資源有限，在本文的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中若是直接選用了一個單片化主機(jī)系統(tǒng)作為一個控制系統(tǒng)核心時，還是有可能因?yàn)槠湫枰饧右粋€A/D信號轉(zhuǎn)換控制模塊，就可能會給整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程帶來一定的處理困擾。與其他單片式主機(jī)器件對比，dsppu器件通常認(rèn)為是一個具有較快的dscpu、更高器件集成度和內(nèi)存容量極為巨大的數(shù)據(jù)存儲器，其內(nèi)部通常設(shè)有一個fifo信號緩沖器和波特率大的信號濾波發(fā)生器。同時它還提供了較高標(biāo)準(zhǔn)的異步數(shù)據(jù)串口和高速度的同步數(shù)據(jù)串口，有的產(chǎn)品是同時集成了一定的多路A/D轉(zhuǎn)速采樣控制電路在片內(nèi)，可以大大減少技術(shù)研究者和應(yīng)用開發(fā)人員團(tuán)隊(duì)的實(shí)際工作量。DSP的核心器件架構(gòu)設(shè)計(jì)上面它采用了經(jīng)過重大改進(jìn)后的全新哈佛軟件架構(gòu)，具有獨(dú)立的手機(jī)數(shù)據(jù)和移動應(yīng)用程序存儲空間，允許多個數(shù)據(jù)同時被獨(dú)立存放。內(nèi)置了功能加強(qiáng)的多級視頻流水線以及高速軟硬件的視頻乘法器，使得新的DSP系列器件本身就已經(jīng)具備了比較好的視頻數(shù)據(jù)采集計(jì)算以及運(yùn)算分析能力。DSP因?yàn)榭梢员纫恍└邫n的16位編碼單片機(jī)使其中的每個單位單指令在一個新的執(zhí)行運(yùn)算周期內(nèi)的運(yùn)算效率需要降低8~10倍，可以在一個新的執(zhí)行運(yùn)算周期內(nèi)直接同時完成一個指令相應(yīng)的一次整數(shù)乘法增加函數(shù)運(yùn)算，比一個8位單片機(jī)的增加運(yùn)算處理速率也需要大大簡化16~30倍，可以因?yàn)橛休^大的時間幅度地大大提高了加法濾波器的增加運(yùn)算處理效率以及因?yàn)槟軌蛲瑫r存在許多使用乘法增加函數(shù)運(yùn)算的效率fft(快速傅里葉級數(shù)變換)。另外，jtagd等接口也被廣泛地認(rèn)為存在于ccdspd等器件中，而且它們還擁有更加先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)和軟件開發(fā)方式，這樣就可以使得器件批量生產(chǎn)和對其器件進(jìn)行必要的質(zhì)量檢測更加簡單和方便，開發(fā)工具還使得可以通過對器件全空間數(shù)據(jù)進(jìn)行各種相應(yīng)的數(shù)據(jù)透明度化和仿真，用戶就已經(jīng)能夠觀看到全部的數(shù)據(jù)存儲處理空間或者I/O存儲空間上的變化，而不用還需要再額外占用一些其他用戶的任何多余時間和人力資源。開發(fā)的整個軟件系統(tǒng)包括一套配有多個匯編/代碼鏈接器的C語言編譯器、C源軟件代碼庫和調(diào)試器等，使得軟件用戶不必再需要太過分地去去關(guān)心其軟件編譯的各個細(xì)節(jié)，從而可以使他們甚至可以更加地全心專注于一個軟件的邏輯算法結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用程序庫的開發(fā)?？偠灾琩spfpga就是公司為了更適合各種類型的針對數(shù)字信號進(jìn)行處理、控制以及研究者所開發(fā)的一種專用數(shù)字微處理器。主要有以下特征：(1)總線系統(tǒng)架構(gòu)采用了經(jīng)過重新架構(gòu)設(shè)計(jì)和不斷改進(jìn)的美國哈佛移動總線系統(tǒng)架構(gòu)，內(nèi)部分別設(shè)置了兩天的兩個總線，即一個移動數(shù)據(jù)總線和一個移動應(yīng)用程序執(zhí)行總線。它指的是一種采用了控制程序和文件數(shù)據(jù)總線空間的兩種分開式文件結(jié)構(gòu)，分別可以設(shè)置程序具有各自獨(dú)立的文件地址和程序數(shù)據(jù)總線，并且程序能夠自動實(shí)現(xiàn)同時分別執(zhí)行一個程序指令集的操作和多個程序數(shù)據(jù)包的運(yùn)算。(2)每條指令在電路上執(zhí)行時都會采用一個流水線將其按照執(zhí)行、編程、譯碼、存取指令等許多步驟進(jìn)行劃分，完成的目標(biāo)就是通過片內(nèi)多個功能單元，并支持一個并行和處理。(3)在一個需要同時進(jìn)行一次或多次的一個乘法運(yùn)算累加(mac)乘法運(yùn)算的第一個乘法指令工作周期內(nèi)，從而大大限度節(jié)省了乘法運(yùn)算的工作時間。(4)網(wǎng)絡(luò)控制器在邏輯中只有一組或者許多組獨(dú)立的，提升了對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的自動化控脫兔使其頻率高于寬帶，為需要進(jìn)行高速數(shù)字信號的高速處理和進(jìn)行高速數(shù)據(jù)發(fā)送交換機(jī)的工作人員提供了一定的網(wǎng)絡(luò)安全性能和保障。(5)支持一些簡單而又重復(fù)的運(yùn)算，避免了循環(huán)中操作所花費(fèi)的時間。(6)具備豐富的片內(nèi)內(nèi)存及外擴(kuò)式存儲器的接口。(7)可以提供多個穿行或并行I/O接口以及特殊I/O接口(例如PWM等)，考完成特定的數(shù)據(jù)處理或者是控制，從而大大提高了系統(tǒng)的性能并且大大降低了系統(tǒng)的成本。已經(jīng)有不少高等院校出臺了一個DSP實(shí)驗(yàn)室，Ti公司及北京聞亭公司均已經(jīng)制定了一個高等院校的支持方案，將會直接帶動國內(nèi)DSP器件在國際上的應(yīng)用及推廣，同時越來更多研究者及開發(fā)團(tuán)隊(duì)參與進(jìn)來。在一些高精度控制領(lǐng)域，特別是需要對各種傳感器信號進(jìn)行處理的場合，DSP的應(yīng)用就更好一些，在本文中采用TMS320LF芯片來完成PWM整流器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。1.1.3STM32F103VE的簡介在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中，微處理器作為其核心組成部分，統(tǒng)籌系統(tǒng)各個模塊，執(zhí)行調(diào)度策略。因此選型需要綜合性能、功耗、外設(shè)等方面進(jìn)行詳細(xì)考慮。在微處理器領(lǐng)域，STM32被廣泛使用的有Cortex-M、Cortex-R、Cortex-A等架構(gòu)。Cortex-M架構(gòu)是專門面向MCU所設(shè)計(jì)的架構(gòu)，在面向無操作系統(tǒng)或運(yùn)行實(shí)時操作系統(tǒng)的程序時有著很高的能效比，是工控領(lǐng)域、智能測量、消費(fèi)性電子產(chǎn)品處理器的理想架構(gòu)。Cortex-M架構(gòu)又可細(xì)分為M0、M3、M4，區(qū)別如下：Cortex-M0是最為簡單的架構(gòu)，對于中斷與調(diào)試的支持非常有限，對于采集節(jié)點(diǎn)而言，不能夠很好的完成任務(wù)。Cortex-M4架構(gòu)添加了對DSP數(shù)據(jù)處理的支持，在進(jìn)行浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算時有較大優(yōu)勢，能夠在一定程度上提升運(yùn)算速度。但對于采集節(jié)點(diǎn)而言并沒有太多的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，從功耗及成本的角度考慮采用Cortex-M4架構(gòu)的處理器也并不合適。因此本次設(shè)計(jì)選用了最主流、應(yīng)用范圍最廣的Cortex-M3內(nèi)核。能夠在功耗、成本與性能間取得一個較好的平衡。在本次設(shè)計(jì)的采集節(jié)點(diǎn)主控單元的中，響應(yīng)中斷是最主要而頻繁的任務(wù)。Cortex-M3在中斷處理上采用了Tail-Chaining，能夠較大的提升中斷處理效率，減少處理時鐘周期數(shù)?；贑ortex-M3架構(gòu)的微處理器種類數(shù)量非常多，其中ST公司所生產(chǎn)的STM32F103單片機(jī)使用的最為廣泛，在嵌入式領(lǐng)域占據(jù)著相當(dāng)大的比重。表1.1不同Cortex架構(gòu)主要參數(shù)對比參數(shù)Cortex-M0Cortex-M3Cortex-M4架構(gòu)版本v6Mv7Mv7ME指令集Thumb+Thumb-2Thumb+Thumb-2Thumb+Thumb-2，DSP，SIMD，F(xiàn)PDMIPS/MHz0.91.251.25總線接口133集成NVIC是是是中斷數(shù)1-32+NMI1-240+NMI1-240+NMI中斷優(yōu)先級48-2568-256斷斷點(diǎn)，觀察點(diǎn)4/2/0，2/1/08/4/0，2/1/08/4/0，2/1/0存儲器保護(hù)單元（MPU）否可選是繼集成跟蹤選項(xiàng)（ETM）否可選是故障健壯接口否可選否硬件除法否是是單周期DSP/SIMD否否是硬件浮點(diǎn)否否是總線協(xié)議AHBLiteAHBlite，APBAHBlite，APB應(yīng)用8/16位應(yīng)用16/32位應(yīng)用32位/應(yīng)用特性低成本與簡單性性能效率有效的數(shù)字信號控制1.1.4Cortex-M3的內(nèi)部結(jié)構(gòu)從圖中我們可以清楚地看到，STM32的結(jié)構(gòu)與目前基于馮諾依曼架構(gòu)的PC個人電腦結(jié)構(gòu)類似，例如都是具有處理器，內(nèi)存，可編程的I/O端口，計(jì)時器/計(jì)數(shù)器，串行端口等。且單片機(jī)內(nèi)的各個模塊通過片內(nèi)總線的聯(lián)結(jié)形成了一個整體。圖1.1STM32F103的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖以下是一些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)：1.中央處理器（CPU）中央處理器(CPU)系統(tǒng)是基于馮諾依曼架構(gòu)的嵌入式計(jì)算機(jī)的主要控制中樞，與基于馮諾依曼架構(gòu)的平臺式電子計(jì)算機(jī)相同，它是處理嵌入式計(jì)算機(jī)電子系統(tǒng)硬件部分中各個模塊總線信息的中心，是嵌入式單片機(jī)運(yùn)算和控制的核心，是IO信息處理、程序操作和運(yùn)行的最后一個執(zhí)行單元。嵌入式單片機(jī)的對控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理控制能力在很大程度上取決于中央處理器的運(yùn)算能力。中央處理器由一種能夠同時實(shí)現(xiàn)多組算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的部件組合的運(yùn)算邏輯部分、存儲外設(shè)系統(tǒng)模塊和中央處理器在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的臨時數(shù)據(jù)寄存器部分和控制嵌入式系統(tǒng)中其他組件的控制信號等部分組成，中央處理器的功能主要是處理和控制運(yùn)行各種外部輸入的電壓和電流信號或者開關(guān)量信號，進(jìn)行邏輯計(jì)算、順序控制、浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算。

2.內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（內(nèi)部RAM）STM32內(nèi)部包含有256個隨機(jī)存取的數(shù)據(jù)存儲器例如RAM（RandomAccessMemory），作為嵌入式操作系統(tǒng)或正在運(yùn)行中的由工程技術(shù)人員編寫的用戶程序臨時數(shù)據(jù)存儲介，其中一半可被開發(fā)人員調(diào)用，而另一半則被STM32的系統(tǒng)占用。3.集成程序存儲器（集成ROM）存儲器存儲器實(shí)際上是有記憶功能的時序邏輯電路的一種，以一種用來存放單片機(jī)內(nèi)部核心程序、用戶程序、數(shù)據(jù)庫的一種部件。其中系統(tǒng)程序是控制和協(xié)調(diào)單片機(jī)及接線，支持編程語言開發(fā)和運(yùn)行的系統(tǒng)控制程序，由單片機(jī)生產(chǎn)廠家編寫，并燒錄在ROM中，在一般情況下不會被用戶更改，用戶也無需關(guān)心系統(tǒng)程序的實(shí)現(xiàn)方式。1.計(jì)時器/計(jì)數(shù)器STM32的CPU的內(nèi)部具有三個32位定時器/計(jì)數(shù)器，可以在對系統(tǒng)時鐘精度要求不高的情況下實(shí)現(xiàn)計(jì)時和計(jì)數(shù)功能。2.并行I/O端口STM32具有四個8位I/O端口。輸入單元通常指的是一個將電子系統(tǒng)中各種模塊與處理嵌入式電子系統(tǒng)硬件部分中各個模塊的外部器件和設(shè)備連接在一起的輸入接口，是將電子系統(tǒng)中各種硬件部分中各個模塊所傳回的信號直接進(jìn)入到單片機(jī)上的一個橋梁，它的功能就是通過接收從單片機(jī)的主令和檢測元件發(fā)出的信號。以及把單片機(jī)的各個輸出信號發(fā)送到被控器中，或者傳送給其他嵌入式集成芯片，起到對整個控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，沒有IO端口，也就無法實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的控制功能。6.串口STM32具有一個可編程的單工通信串口，允許部件和部分之間的數(shù)據(jù)在兩個不同的方向上依次同時傳送，相當(dāng)于兩個部件之間的單工通信方式的組合全雙工串行端口，允許部件之間的STM32和部分之間用二進(jìn)制代碼對數(shù)據(jù)進(jìn)行一位一位的物理通訊信道上依次傳送。7.晶振電路這一單片機(jī)內(nèi)部的運(yùn)算放大器和外部晶振電路一起用于構(gòu)成系統(tǒng)的晶振電路。綜上所述，雖然STM32僅僅只是一塊小小的芯片，但它與基于馮諾依曼架構(gòu)的計(jì)算機(jī)卻類似。1.2單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì)1.2.1晶振電路的設(shè)計(jì)作為控制單元的"心臟"，晶振電路就相當(dāng)于普通基于馮諾依曼架構(gòu)的PC計(jì)算機(jī)電腦上的中央處理器主頻，一般單片機(jī)內(nèi)部設(shè)置有高增益反相放大器，即相當(dāng)于在集成電子控制器中的高增益運(yùn)算放大器，具有同相輸入端和反相輸出端。這一方法通過在單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)運(yùn)算放大器與外部的晶振電路共同應(yīng)用來構(gòu)成一個振蕩器，也就是系統(tǒng)的晶振電路。一般的晶振電路是由一個晶振片和兩個電容器所構(gòu)成。電容可以根據(jù)我們設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)選擇7MHz、11MHz或22MHz等很多不同頻率的晶振片。晶振電路中的兩個電容通常選擇28PF左右的用陶瓷材料作介質(zhì)的瓷片電容，本次設(shè)計(jì)選擇8M的有源晶振，晶振電路原理圖如下：圖1.2系統(tǒng)晶振電路2.2.2復(fù)位電路的設(shè)計(jì)在所有由單片機(jī)為核心的嵌入式系統(tǒng)中，都有一個復(fù)位系統(tǒng)的存在，本次設(shè)計(jì)的嵌入式控制器系統(tǒng)中主要采用的是常見的RC復(fù)位電路。復(fù)位系統(tǒng)即是指當(dāng)系統(tǒng)死機(jī)或程序被跑飛時，復(fù)位電路就可以使系統(tǒng)軟件回歸正常。該嵌入式復(fù)位電路的其實(shí)質(zhì)意義就是一種充放電的復(fù)位按鍵，當(dāng)嵌入式復(fù)位按鍵被直接按下時時該復(fù)位按鍵為電路提供有效的復(fù)位按鍵輸出信號RST，通過嵌入式單片機(jī)的復(fù)位按鍵引腳向外部RC復(fù)位按鍵輸出信號傳遞給相應(yīng)的單片機(jī)，同時由于該電容被短路而停止放電。復(fù)位的另一種基本形式主要是由于軟件自己來實(shí)現(xiàn)的，就是通常我們所說的看門狗，當(dāng)檢測到一個軟件的運(yùn)行沒有任何響應(yīng)時，由于這個軟件執(zhí)行了復(fù)位的操作，讓整個程序能夠從頭再次開始執(zhí)行。松開按鍵時，VSS電容充電，充電電流在電阻上，RST依然為高電平，仍然復(fù)位，充電電完成后，電容相當(dāng)于開路，RST為低電平，正常工作。在本次操作系統(tǒng)中，采用第一個按鍵復(fù)位的方法進(jìn)行手動按鍵復(fù)位，其相關(guān)硬件鏈路結(jié)構(gòu)圖顯示如下圖所示:圖1.3復(fù)位電路1.3采樣電路設(shè)計(jì)1.3.1電流采樣電路前級光耦采用康斯特銅絲直流電阻將光耦輸出的高壓電流控制信號電壓轉(zhuǎn)換過來成為連接HP7840輸入端的直流電壓控制信號，后面兩級分別采用隔離式高頻光耦并將HP7840和采用運(yùn)算信號放大器光耦作為主要技術(shù)控制核心，搭建信號放大電路。調(diào)整康銅絲電阻的阻值，可使電路的輸出范圍為±5V。對本設(shè)計(jì)而言，該電阻值取為6mR，對應(yīng)電流15A。由上面的分析可知，電路輸入為±5V，輸出為MCU可以接受的0-3V。根據(jù)這一需求，電路采用平移后的放大電路結(jié)構(gòu)，電路如下：圖3.9交流電流采樣電路輸入級采用信號與-1.5V電壓并聯(lián)，使輸入信號得到平移，再經(jīng)過反相電路進(jìn)行放大，輸出級采用阻容濾波，濾除一部分高頻噪音。調(diào)節(jié)R52、R53、R58的阻值，可以調(diào)整輸出的電壓幅值。電路工作點(diǎn)可由如下計(jì)算得到：平移量：設(shè)定為1.5V。放大倍數(shù)計(jì)算：輸入擺幅：5V—(-5V)=10V;輸出擺幅：3V—0V=3V;放大倍數(shù)：輸出擺幅/輸入擺幅=3/10；計(jì)算公式：1IU=1.5V+0.3U。1.3.2電壓采樣電路外部電路如下圖所示。為節(jié)約材料成本，直接使用變壓器的二次繞組感應(yīng)母線上的電壓，當(dāng)開關(guān)電源的MOS管開通時，變壓器24腳將感應(yīng)到與母線電壓幅值成正比的一個負(fù)電壓信號，該信號也就如實(shí)的反應(yīng)了母線電壓的幅值。電路采用二極管隔離正方向的電壓信號，采用阻容濾波電路濾除其高頻噪音。輸出電壓的幅值由變壓器的變比來決定。實(shí)際變壓器變比為44：2，因此電路放大倍數(shù)為2/44。當(dāng)輸入母線電壓350伏時，輸出到R95兩端的電壓約為-12.9V。該電壓加在電阻R85、R86（控制板）上構(gòu)成分壓電路。調(diào)整R85、R86（控制板）的大小，可以改變主控板的輸入電壓信號值。這里取值為20K/10K/5K，計(jì)算可知，輸入到主控板的電壓幅值為-12.9V×5K/（20K+10K+5K）=2.27V。圖3.10直流母線電壓采樣電路上圖顯示的是內(nèi)部電路的工作原理框圖,內(nèi)部的調(diào)理電路一般采用兩級結(jié)構(gòu),前級所使用的是電壓相繼跟隨,，提高信號的輸入輸出電阻，后級采用反相放大電路，把電壓調(diào)整到MCU檢測范圍。1.3.3溫度采樣電路溫度采集模塊采用IGBT的方案，IGBT模塊FS30R06W1E3內(nèi)部集成了一個NTC熱敏電阻，其特性如下：圖1.6IGBT的內(nèi)部NTC電阻特性圖可以看到，在0-140℃范圍，電阻阻值范圍為11K--100R范圍。IGBT溫度采集模塊的電路原理圖如下圖所示：圖1.7溫度采集模塊內(nèi)部電路電路設(shè)計(jì)上直接使用電壓跟隨器電路。在輸出端也使用二極管對模擬量進(jìn)行鉗位。IGBT溫度在0--140℃，電壓范圍在0--1.8V之間。1.4過壓與過流保護(hù)電路圖1.8過壓與過流保護(hù)電路如上圖所示，過壓和過流電路均采用帶滯回特性的電壓比較器電流結(jié)構(gòu)。對于過壓電路，調(diào)整R69、R101、R72的大小，可以調(diào)整電路的保護(hù)點(diǎn)，調(diào)整R77可以調(diào)整至滯回特性的寬度。對于過流電路，調(diào)整R70、R71、R73的大小，可以調(diào)整電路的保護(hù)點(diǎn)，調(diào)整R78可以調(diào)整至滯回特性的寬度。本次設(shè)計(jì)中，過電壓值設(shè)定為391V，恢復(fù)值為382V；過電流值設(shè)定為14A，恢復(fù)值為13.6A。硬件中對于過流信號有恢復(fù)，持續(xù)的保護(hù)則需要下游電路的處理和MCU封鎖。1.5IGBT驅(qū)動電路IGBT的驅(qū)動電路型號較多，此處采用國際整流器公司的IR21系列驅(qū)動電路。IR21系列是國際整流器公司推出的高壓驅(qū)動器，一片IR2130可以直接驅(qū)動中小容量的6支場控開關(guān)管，且只需一路控制電源。IR2130是28引腳雙列直插式集成電路，應(yīng)用方法如圖1.9所示。HIN1、HIN2、HIN3為3個高側(cè)輸入端，LIN1、LIN2、LIN3為3路低側(cè)輸入端，HO1、VS1、HO2、VS2、HO3、VS3為3路高側(cè)輸出端，L01、L02、L03為3路低側(cè)輸出端，VSS為電源地，VSD為驅(qū)動地，VB1、VB2、VB3為3路高側(cè)電源端。采用IR2130作為驅(qū)動電路時，外圍元件少，性價比明顯提高。圖1.9SPWM驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用IGBT模塊來搭建驅(qū)動電路。對IGBT模塊的選擇應(yīng)考慮如下四個方面：a)額定電壓Vce的選擇考慮電網(wǎng)電壓瞬態(tài)尖峰、電壓波動、開關(guān)電流引起電壓尖峰等，通常，如果穩(wěn)態(tài)時，外加最高電壓為Vm，則可選的耐壓值Vce=2Vm；b)額定電流Ice的選擇對于額定電流Ice的選擇，要根據(jù)實(shí)際電路中最大額定電流Ie、負(fù)載的類型、允許過載的程度等因數(shù)。一般的電阻性負(fù)載的電壓變換裝置中，若實(shí)際電路中電流最大有效值為Ie，則要選Ice=1.5Ie。在任何情況下，通過集電極的最大電流必須處在安全工作區(qū)的規(guī)定范圍內(nèi)；c)散熱條件在良好的空氣冷卻室和環(huán)境使用條件下，可以綜合考慮盡量選擇電能額定值較小的只IGBT兩個模塊；d)實(shí)際條件根據(jù)各個產(chǎn)品生產(chǎn)商的不同要求產(chǎn)品設(shè)計(jì)樣本的不同規(guī)格,以及基于PWM兩種整流器可以應(yīng)用于其所在之處的不同工作環(huán)境場景，選擇一種合適的整流元器件。另外，在自動進(jìn)行軟件選擇和手動安裝新的IGBT兩個模塊的操作過程中，還可能需要特別注意一下一些事項(xiàng)：1)各控制電源要互相隔離，并能達(dá)到一定的絕緣等級要求；2)在大功率的逆變器中，下橋臂的開關(guān)管也要各自用一個隔離電源，以避免回路噪聲，只是這幾路電源的隔離電壓不需要太高；3)控制信號線和驅(qū)動電源線要離遠(yuǎn)些，盡量垂直，不要平行放置；4)電容器中的光蓮花藕輸出和IGBT模塊的輸入之間的路徑走線間距應(yīng)盡量縮短，最好不能超過。根據(jù)整流器的輸出功率得到輸出的額定直流電流為：考慮整流器的效率，設(shè)它的效率為80%，則電網(wǎng)側(cè)電流為：考慮IGBT開通關(guān)斷時，出現(xiàn)的尖峰電流，考慮到直流輸入的尖峰電壓調(diào)整最大值不可能超過650V，同時IGBT開通關(guān)斷期間的尖峰電壓也應(yīng)當(dāng)不過。所以，選擇IGBT的額定電容參數(shù)最低也應(yīng)是1000v/70A。1.6本章小結(jié)本章結(jié)合三相電壓型PWM整流器的原理設(shè)計(jì)了其硬件電路，詳細(xì)討論了三相VSR系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，主要包括主電路設(shè)計(jì)、檢測控制電路設(shè)計(jì)、驅(qū)動保護(hù)電路設(shè)計(jì)等。

第2章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路在本文的設(shè)計(jì)中為了滿足對軟件的功能和應(yīng)用所需要而編寫的指令和序列信息為根據(jù)以下幾個程序的設(shè)計(jì)思路來進(jìn)行編寫：1.整體設(shè)計(jì)的思想軟件的總體設(shè)計(jì)思想主要是在完全滿足基本技術(shù)要求的必須條件前提下，即滿足程序設(shè)計(jì)的實(shí)時性、可靠度和容易修改的技術(shù)要求，對于軟件的總體功能和時序進(jìn)行了結(jié)構(gòu)化的描述，也就是編寫程序的設(shè)計(jì)工作流程，其中包含了軟件的總體結(jié)構(gòu)化功能模塊和編寫時序的工作流程。程序在運(yùn)行的過程中有可能還會出現(xiàn)各種各樣緊急的事故，如系統(tǒng)中斷和故障的處理，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時所以必須要做到充分考慮除了軟件的基本功能以外的其他可能發(fā)生的各類故障，特別是各類信號的缺損，如過流、太壓、過熱、等各類信號的缺損以及錯誤操作，減少了引起電力和傳輸線路破壞的風(fēng)險和可能。2.模塊化設(shè)計(jì)思想模塊化的設(shè)計(jì)理念指向的是一種化整為零或者分而治之的設(shè)計(jì)理念。詳細(xì)地說就是將一個完整的系統(tǒng)軟件化劃分為若干個本身具有不同應(yīng)用功能的系統(tǒng)模塊，每一個應(yīng)用功能分別使用一個獨(dú)立的程序或者系統(tǒng)模塊組合起來實(shí)現(xiàn)，然后分別對每一個應(yīng)用程序或者系統(tǒng)模塊都進(jìn)行了設(shè)計(jì)、編程和調(diào)試，最后把這些獨(dú)立的應(yīng)用程序或者系統(tǒng)模塊都組裝在一起來，從而構(gòu)建成一個完整的系統(tǒng)軟件。本研究課題的軟件設(shè)計(jì)是運(yùn)用匯編語言對其進(jìn)行編寫，所以基于該模塊化的設(shè)計(jì)理念就顯得尤為重要，對于該模塊中已經(jīng)使用過的輸入寄存器、輸出寄存器以及該模塊內(nèi)部已經(jīng)修改后使用過的寄存器都需了如指掌。因?yàn)镈SP內(nèi)部的寄存器和其他高級語言中的局部變量可能會有所差異，但是DSP內(nèi)部所有的寄存器在任何的時候都應(yīng)該是透明的,即它們總應(yīng)該是一個全局變量，一改則都需要改。3.時序設(shè)計(jì)思想因?yàn)镈SP控制系統(tǒng)本身屬于一個非常離散型的時間系統(tǒng)，所以根據(jù)連續(xù)地將信號轉(zhuǎn)化成非常離散的信號需要符合采樣性定理，即即信號的最小采樣周期必須要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過信號的最小采樣周期1/2，同時還應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過DSP所處理的信號。1.優(yōu)化設(shè)計(jì)思想為了大幅度地提高系統(tǒng)的開發(fā)效率，在我們進(jìn)行系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)時，本次的設(shè)計(jì)就采用了一種模塊化的設(shè)計(jì)構(gòu)造思想,整個系統(tǒng)都是直接接受電源中斷的處理并用它來實(shí)現(xiàn)電源的檢測和通過調(diào)用子程序進(jìn)行控制。分別對各個模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)然后對它們進(jìn)行了調(diào)試，最后將各種模塊都組合在一起，編程語言充分利用了C語言，整個程序的設(shè)計(jì)和調(diào)試都必須是在CCS(CodeComposeStudio)的集成開發(fā)環(huán)境下才能完成的。整個控制系統(tǒng)的執(zhí)行器包含有中斷伺服程序，主執(zhí)行器程序及各個子程序。在該方案的設(shè)計(jì)中因?yàn)镻WM周期可以達(dá)到200us，所以該方案的設(shè)計(jì)程序執(zhí)行的時間應(yīng)該是最長200us。由于我們所采用的DSP為一定點(diǎn)DSP，在進(jìn)行控制浮點(diǎn)數(shù)據(jù)處理時往往遇到了程序的工作以及運(yùn)行時間太久等困難，所以我們在進(jìn)行控制浮點(diǎn)數(shù)據(jù)處理時統(tǒng)一地采用了另外一種控制數(shù)據(jù)類型：IQmath，特別重要的是對于進(jìn)行正弦、余音等值的控制,這樣可以說在達(dá)到相應(yīng)的控制精度同時所需要計(jì)算的時間也就會得到很大的縮短，滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的處理時限性要求。2.2系統(tǒng)資源分配三相交流電壓型電源整流器在該系統(tǒng)中器件需要分別檢測直流側(cè)電源輸出的三相電壓、交流側(cè)兩相電源輸入端的電流、電流和電壓過零點(diǎn)所檢測的電壓信號(采用同步檢測電壓)；其每一驅(qū)動橋臂的兩個大中小功率驅(qū)動器件IGBT的信號PWM三相驅(qū)動電路信號之間可能是完全可以進(jìn)行互補(bǔ)的，即每一個驅(qū)動橋臂都可能需要一個獨(dú)立的三相驅(qū)動電路信號，同時，為了有效降低驅(qū)動橋臂上下直通的振動現(xiàn)象，在每一個驅(qū)動橋臂上下各各啟動一個開關(guān)并在器件的兩個驅(qū)動電路信號中分別進(jìn)行加入以達(dá)到一個死區(qū)的一定時間，這樣就可以使得三相交流電壓型的高能量雙向電壓流動式的交直流三相電源信號變換器系統(tǒng)只能夠在需要六路三相電源信號加入以達(dá)到一個死區(qū)的一定時間時而PWM才能驅(qū)動兩個控制器的信號。TMS320LF2407A的型號A/D事件數(shù)據(jù)通道轉(zhuǎn)換器和處理單元共同都設(shè)計(jì)可以擁有16個數(shù)據(jù)通道，可以分別用來配置兩個獨(dú)立8通道處理模塊，分別為兩個服務(wù)于它的事件數(shù)據(jù)管理器模塊A和系統(tǒng)B，2個獨(dú)立的8通道處理模塊也都設(shè)計(jì)可以通過一種級聯(lián)方式組合起來構(gòu)成1個16通道的的用于事件數(shù)據(jù)管理器的模塊。兩個新的事件捕獲管理器模塊EVA、EVB等多個應(yīng)用模塊的硬件結(jié)構(gòu)和應(yīng)用功能基本上都是完全相同，每個新的事件捕獲管理器模塊中都分別包含了三個事件捕獲和每次比較控制單元，其中全局和比較控制單元的每個事件捕獲和每次比較控制單元分別可以同時分別輸出兩路不相互補(bǔ)的兩個PWM信號波形共模器可以同時分別輸出6路不相互補(bǔ)的兩個PWM波形信號。所以，可以通過考慮直接利用四路DSP中四路A/D信號轉(zhuǎn)換驅(qū)動單元進(jìn)行信號處理中的四路ADCINA0_ADCINA4的四個模擬通道分別對兩路比較控制單元系統(tǒng)的兩相電壓交流輸入電流、直流側(cè)電壓輸入的三相電壓、電流等相關(guān)信號分別進(jìn)行了實(shí)時采樣、量化，過零被驅(qū)動檢測的事件信號由比較事件電源管理器六路EVA的六路事件信號捕獲驅(qū)動單元信號執(zhí)行，六路PWM被驅(qū)動檢測的事件驅(qū)動單元信號由六路TMS320LF2407A的比較事件電源管理器六路EVA全部的比較控制單元的信號產(chǎn)生。2.3控制軟件的構(gòu)成控制軟件由主程序、中斷服務(wù)程序、子程序構(gòu)成，其中主程序又由初始化程序和循環(huán)計(jì)算組成；中斷服務(wù)程序由EVA捕捉中斷、AD中斷、定時器T1下溢中斷、PDPINT的功率保護(hù)集成了電容組;子程序主要有：控制戰(zhàn)略子程序，扇區(qū)診斷子程序，SVPWM子程序。2.3.1主程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用軟件本身就不是屬于一種系統(tǒng)實(shí)時控制軟件類的范疇，在開發(fā)設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)應(yīng)用軟件時既不僅需要首先充分考慮其應(yīng)用硬件的基本功能配置要求及其應(yīng)用特點(diǎn)，也同樣需要同時充分考慮其應(yīng)用軟件的實(shí)時操作系統(tǒng)快捷性和其應(yīng)用功能上的特點(diǎn)。三相交流電壓型號低能量雙向電壓流動方式交直流二次電源中斷變換器設(shè)計(jì)軟件主要由兩個部分軟件組成：一個電源主程序和二次電源中斷。系統(tǒng)的控制主體和程序部分的主要工作功能之一就是對控制軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了初始碼優(yōu)化和各種可編程的自動控制，設(shè)置包含TMS320LF2407A的各種類型控制器和各個功能模塊，達(dá)到自動完成設(shè)定整個控制系統(tǒng)各種類的控制器和各個功能模塊的具體設(shè)計(jì)工作原理方式的目的。初始自動化的中斷工作過程結(jié)束后,系統(tǒng)則自動隨機(jī)進(jìn)入一個等待中斷狀態(tài),等候向上捕獲器接口上有中斷的信息出現(xiàn),一旦系統(tǒng)遇到了一個向上輸入捕獲器接口上的中斷,系統(tǒng)隨機(jī)便會同時啟動一個PWM中斷模塊,并且同時將向上捕獲器接口的兩個中斷進(jìn)行關(guān)閉(以后對于一個向上輸入捕獲器接口上的中斷系統(tǒng)采用了在一個AD的中斷中進(jìn)行查詢的操作方式)。第二，系統(tǒng)的調(diào)用AD兩個采樣和數(shù)據(jù)中斷處理伺服器調(diào)用子程序，完成了針對AD兩個采樣中斷值的實(shí)時讀取和數(shù)據(jù)中斷處理功能。然后在整個主程序中自動控制完成電路對開機(jī)相關(guān)回路電壓、電流的自動控制調(diào)節(jié)，以及將開關(guān)PWM等信號自動送入電路到一個相應(yīng)的開關(guān)硬件控制電路，用以通過一個開關(guān)電路管理器來自動控制各個開關(guān)電路，以此方式來自動達(dá)到對各個主控制硬件電路和開關(guān)電流的進(jìn)行自動控制的項(xiàng)目的。用某一相電網(wǎng)中的電壓過零點(diǎn)為確定該電網(wǎng)中的相位，得到零點(diǎn)后，在一個電網(wǎng)的交流周期以內(nèi)，在每個電網(wǎng)的載波周期內(nèi)再加上一個步長，直到下次電網(wǎng)的向上過零為止，通過這種方法我們即可以直接獲得該電網(wǎng)中相位，同時因?yàn)槊恳粋€電網(wǎng)的電壓周期需要重新確認(rèn)，所以也就減少了對相位誤差的累計(jì)。圖2.1主程序流程圖2.3.2中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)中斷保護(hù)服務(wù)程序中的DPINTA中斷功率先級保護(hù)服務(wù)中斷的功率優(yōu)先級通常是最高的，再依次為EVA捕捉中斷、定時器T1下溢中斷、AD中斷，流程圖如圖2.2所示。(a)PDPINTA中斷（c）T1下溢中斷（b）EVA捕捉中斷（d）AD中斷圖2.2中斷服務(wù)程序流程圖下面介紹中斷服務(wù)程序具體功能：1)PDPINTA功率保護(hù)中斷——eva_PDPINTA_isrPDPINTA的功率保護(hù)控制器件中斷的主要作用之一就是對于功率啟發(fā)器和開關(guān)元件進(jìn)行快速的保護(hù)，比如當(dāng)產(chǎn)生了過電壓、超流、超高溫、輸出過欠壓的故障時，立即自動封鎖SVPWM驅(qū)動信號波形的輸出，流程框圖如2.2(a)所示。eva捕獲到的中斷-eva_CAPINT1_isr2)對該電網(wǎng)的頻率信號進(jìn)行鎖相計(jì)算，并通過其來判別該電網(wǎng)的頻率信號是否正常，將經(jīng)鎖相計(jì)算得到的數(shù)值(電網(wǎng)頻率)轉(zhuǎn)換成與T1相對應(yīng)的采樣周期數(shù)值，并可以用于采樣累計(jì)函數(shù)計(jì)算；每個復(fù)位采樣剩余中的余數(shù)包括累積、三角剩余函數(shù)和每個采樣周期計(jì)數(shù)的計(jì)算指針；最終，允許計(jì)算定時器中在T1下溢出的采樣,流程設(shè)計(jì)框圖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如表中圖2.2(b)所示。3)定時器T1下溢中斷——eva_T1UFINT_isr對在捕捉中斷中計(jì)算得出的采樣周期余數(shù)信號進(jìn)行累計(jì)和判斷的方法進(jìn)行計(jì)算，以便于實(shí)現(xiàn)每個采樣周期信號的加減一次處理，減小每個采樣的誤差，流程框圖結(jié)構(gòu)如下文所示：圖2.2(c)4)AD中斷——ADCINT_isrAD轉(zhuǎn)換采樣數(shù)據(jù)中斷的主要作用和處理功能主要原理是對通過ABC進(jìn)行轉(zhuǎn)換的兩個采樣信號數(shù)據(jù)中斷進(jìn)行數(shù)字濾波以及各種格式的解碼轉(zhuǎn)換，判斷其數(shù)據(jù)是否同時經(jīng)歷了高和低電容率的轉(zhuǎn)換，并且在兩個主程序中分別設(shè)置了控制AD轉(zhuǎn)換采樣數(shù)據(jù)中斷的一個結(jié)束和開始標(biāo)志位，使得在該結(jié)束標(biāo)志位下就可以直接通過進(jìn)行讀PWM來控制中斷信號的讀入輸出，流程如本框圖所示為示例如圖以下文件見圖2.2(d)所示。2.3.3子程序設(shè)計(jì)主程