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

概述：本文介紹利用HCNR200及TMS320F2812內(nèi)置ADC采集交流電壓和負(fù)載電流信號(hào)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。HCNR200是一款專(zhuān)門(mén)用于模擬信號(hào)隔離采樣的高精度線性光耦。它的使用能有效地將主電路與控制電路進(jìn)行隔離，并具有較高的線性度，檢測(cè)誤差小。DSP內(nèi)置ADC為12位轉(zhuǎn)換器，具有轉(zhuǎn)換精度高，轉(zhuǎn)換時(shí)間短(12．5 MSPS)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

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(jiǎn)稱(chēng)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(zhuān)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(jiǎn)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(mǎn)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。

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(guò)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(xiě)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(xiě)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(guò)改動(dòng)相關(guān)配置寄存器的值來(lái)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(jiǎn)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(lái)的誤差。當(dāng)電流If流過(guò)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(lái)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(mǎn)足以下關(guān)系：

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(lái)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。

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(guò)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。

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(guò)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(guò)大，取200 Ω。光電二極管PD1的電流為：

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?xún)?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)忍幚恚缓笤俅螁?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(yǔ)言編寫(xiě)源程序，主程序流程圖如圖4所示。

5 結(jié) 語(yǔ)
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(jiǎn)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(wèn)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。