基于TLC2274新的電流采樣方案及其在DSP中的實現(xiàn)
摘要:介紹了一種新的電流采樣方案,提出了實用電路,闡述其工作原理,并給出了在TMS320LF240x DSP中實現(xiàn)的子程序。 關(guān)鍵詞: 電流采樣 數(shù)字信號處理器 運(yùn)算放大器
引言 在絕大多數(shù)電機(jī)調(diào)速以及其它控制系統(tǒng)中都要用到電流采樣,以用于電流反饋控制。目前在高性能的電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中,數(shù)字信號處理品(DSP)越來越多地被使用。其中以德州儀器(TI)公司TMS320C/LF240(X)為代表的C2000系列的DSP用得較多?,F(xiàn)有的電流采樣方法大多采用文獻(xiàn)[2]的模數(shù)采樣方案,如下圖1所示:
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圖1(b) |
圖1(c) |
圖1(d) |
圖1所示方案的原理是:首先用電流互感器或電流傳感器(如瑞士LEM公司的LTS系列傳感器等)采樣兩相電流值;然后將采樣結(jié)果經(jīng)運(yùn)算放大器使電流值變換到-2.5~+2.5v 的電壓區(qū)間中,最后再加上+2.5v的電壓偏移量形成0~5v的電壓送給DSP采樣。這種方法的優(yōu)點是電路簡單,易實現(xiàn),但其不足之處是采樣精度低、誤差大。如圖1(b), 交流相電流的其中一個峰值轉(zhuǎn)換為直流電壓時一個為5v,一個為0v,由于電壓死區(qū)的存在,使得0v 附近的出現(xiàn)較大誤差。
新的電流采樣方案 新的電流采樣方案中采用的運(yùn)算放大器是TLC2274[1]。TLC2274是德州儀器公司用先進(jìn)的LinCMOS工藝制造,具有Rail-to-Rail輸出能力的高性能四運(yùn)算放大器,它比目前常用的CMOS運(yùn)放有更好的噪聲、功耗和輸入失調(diào)電壓性能。TLC2274所具有的低噪聲和高輸入阻抗非常適宜用于諸如電壓/電流傳感器之類的小信號的計算、放大。而且它的最低工作電壓可以低至正負(fù)2.2V 。 基于下列電路,如圖2所示。圖2中為一個雙減法電流采樣電路,第一路運(yùn)放U8B的輸出電壓為: 選R2 = R1, R3 = Rf1, 則有
圖2 雙減法電流采樣電路
同理可得第二路運(yùn)放U8A的輸出為:
其主要思路為:LEM傳感器輸出的Ui= v,此電壓先后施加到由TLC2274構(gòu)成的兩個減法電路上,第一路以Ui減去傳感器采樣結(jié)果的中值參考電壓Uref (2.5v), 然后再線性放大到DSP的A/D采樣所要求的電壓范圍(0~Ud)。對于TMS320C/F20x和C/F24x 系列的DSP,Ud的值為5v;對于TMS320LC/F240x Ud為3.3v。第二路則相反,用中值參考電壓Uref 減去傳感器輸出電壓Ui,同樣也線性放大到合適的電壓范圍。Z1,Z2為兩個3.3v的穩(wěn)壓二極管,對運(yùn)放輸出電壓起到限幅作用。當(dāng)Ui值大于Uref 時,Uo1輸出為正電壓,且電壓范圍是0~Ud,而由于二極管D2的存在使得電流不能注入到運(yùn)放中,故而第二路運(yùn)放不能輸出負(fù)電壓,而是鉗位在0v;當(dāng)Ui值小于Uref 時,Uo2輸出為正電壓,同樣而由于二極管D1的存在使得第一路運(yùn)放不能輸出負(fù)電壓,也是鉗位在0v。在一個正弦周期內(nèi)的某一時刻只會有一路信號輸出0~Ud的電壓,這比圖1中的方法采樣窗口要寬一倍,從而提高了采樣精度。 兩路輸出分別送給DSP中兩個A/D采樣通道,但只有一路輸出值是有用的,我們可以編程區(qū)分出有用的信號。軟件流程如圖3:
圖3 軟件流程圖
這樣兩相電流實際需要4路A/D通道,比圖1中的方法要多用兩個A/D采樣通道,而目前DSP提供的A/D采樣通道足夠多的,以TMS320LF2407(A) 為例,其有16路A/D通道。B相電流采樣電路與A相相同,這樣我們就可以用一片TLC2274來實現(xiàn)兩相電流的采樣了。DSP實現(xiàn)的子程序已附于文后。
電路的改進(jìn) 通過實驗不難發(fā)現(xiàn),TLC2274可以在單電源供電的情況下工作,那么圖2所示的雙減法電路可以做一些改進(jìn)。由于TLC2274是Rail-to-Rail輸出的,所以我們可以直接用系統(tǒng)的3.3v為其提供工作電壓Vcc,而Vdd處可以直接接地。將D1,D2,Z1,Z2去掉后再做實驗驗證,其工作還是正常的。但這樣做以后采樣精度有所降低,所以建議還是用正負(fù)雙電源供電。
本文受廣東省科技攻關(guān)項目(C31801)資助
附AD 采樣子程序 .bss Uo1, 1 .bss Uo2, 1 ;A相電流中間值 .bss Uo3, 1 .bss Uo4, 1 ;B相電流中間值 .bss Ia, 1 ; A相電流 .bss Ib, 1 ; B相電流 .bss Ic, 1 ; C相電流 ; ... ;設(shè)上述變量在同一個DP內(nèi) ADC_Proc: CALL StartADC ;調(diào)用AD采樣程序 CLRC C LDP #Uo1 LACL Uo1 SUB Uo2 BCND AP1, C ;Uo1>Uo2 LACL Uo2 NEG ; Uo2取反 B AP2 AP1: LACL Uo1 AP2: SACL Ia ;得到Ia ... RET StartADC:
參考文獻(xiàn) 1 slos106c TLC2274, TLC2274A, TLC2274Y Advanced LinCMOSE rail-to-rail quad operational amplifiers, www.ti.com 2 brpa076, Implementation of a Speed Field Orientated Control of Three Phase AC Induction Motor using TMS320F240, www.ti.com 3. 劉和平 等,TMS320LF240x DSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用,北京航空航天大學(xué)出版社,2002
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