基于DSP與LabVIEW的軟開關電路實驗系統設計

楊柏松, 程思潞, 陳卸水, 彭云華

(1. 廣東石油化工學院 計算機與電子信息學院, 廣東 茂名　525000；2. 天津大學 電子信息學院， 天津　300072； 3. 浙江求是科教設備有限公司, 浙江 杭州　310011；4. 廣州東芝白云菱機電力電子有限公司, 廣東 廣州　510460)

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基于DSP與LabVIEW的軟開關電路實驗系統設計

楊柏松1, 程思潞2, 陳卸水3, 彭云華4

(1. 廣東石油化工學院 計算機與電子信息學院, 廣東 茂名525000；2. 天津大學 電子信息學院， 天津300072； 3. 浙江求是科教設備有限公司, 浙江 杭州310011；4. 廣州東芝白云菱機電力電子有限公司, 廣東 廣州510460)

對基于DSP和LabVIEW控制的移相全橋PWM軟開關實驗電路進行了開發,實驗系統采用上、下位機的結構。DSP作為下位機采集系統電壓信號和輸出,用于控制移相全橋電路的PWM波；上位PC機中用LabVIEW軟件開發了控制程序,實現了信號顯示、波形保存和對下位機的控制。通過對實驗系統的實際運行,驗證了實驗系統的正確性和實用性。

電路實驗；ZVS軟開關；LabVIEW;DSP

移相全橋型零電壓開關PWM電路是電力電子技術中應用最廣泛的軟開關電路之一,在實驗教學及工程應用中都有著重要的作用。傳統的教學實驗一般是使用信號發生器和示波器完成實驗,需要較多的接線且調節不方便。為了更好地學習和開發軟開關電路,本文以PC機為上位機,用LabVIEW軟件的圖形功能顯示實驗波形,實現了實驗系統的集成化和智能化[1],可以通過改變參數完成各種實驗任務,極大的節省了實驗的開發時間。

1　移相全橋型零電壓開關電路實驗系統的設計

1.1移相全橋型零電壓開關PWM電路工作原理

在電力電子技術中,開關頻率越高,開關損耗就越大,利用軟開關技術可以降低開關損耗和開關噪聲[2-4]。圖1是移相全橋型零電壓開關PWM的典型電路圖。在主電路開關導通前,為使其端電壓降為零,在超前臂與滯后臂PWM控制波的時間差中,利用諧振原理將導通的開關管兩端電壓迅速降為零,并使其反并聯二極管導通,將該開關管兩端電壓箝位為零,使開關管實現零電壓開通(ZVS)[5-6]。調節PWM輸出的相位差還可以調節輸出電壓的幅值[7-8]。

圖1　移相全橋型零電壓開關PWM電路

1.2實驗系統

實驗系統是基于浙江求是公司實驗箱(見圖2)開發的。硬件裝置包括移相橋電路、DSP控制電路、PC機等。軟件包括LabVIEW以及用于編寫DSP程序的Matlab和CCS軟件。在系統中DSP的作用是完成實驗對象的檢測與控制,利用Simulink中DSP仿真模塊編程,可以迅速地對系統進行建模、仿真、分析,生成代碼并可通過CCS軟件下載到DSP中。PC機的LabVIEW承擔著對下位機數據的處理和顯示。

圖2　實驗系統

2　軟件控制功能的實現

TMS320F2812是TI公司推出的32位定點DSP芯片,不但具有強大的數字信號處理能力,而且還具有較為完善的事件管理能力和嵌入式控制功能,被廣泛應用于工業生產的控制中。本實驗的DSP系統設計框圖見圖3。

2.1Matlab中DSP程序設計

DSP的控制程序,通過Matlab和CCS模塊編程、

圖3　系統設計框圖

編輯,自動生成程序代碼并下載到DSP芯片中,控制電路正常運行。

圖4　Schedule內部模塊

程序中包括主電路程序模塊Schedule和中斷服務程序模塊ISR。圖4為Schedule的內部模塊,分為PieInit、PWM1、Usbsendrev3部分。PieInit模塊為EVTimer初始化,采用EVA并設置Timer2的計數周期,設置計數周期T2PR為36個時鐘周期,計數滿后產生T2周期中斷,每次中斷會進行波形值采樣,通過計算可以得到采樣頻率為1MHz,改變計數周期T2PR值可以修改采樣頻率,37.5MHz為外部時鐘輸入,36為T2PR值。計算公式：

37.5 MHz/(36+1)=1.013 6 MHz

(1)

PWM1為PWM波形設置模塊,EVA的比較單元時鐘信號由通用定時器提供,設置4路對稱的PWM波時鐘周期值為8000,占空比時鐘值為4000,可得TIPR為4000,設置PWM波的死區值都為15。usbsendrev模塊為S-Function創建的,由C語言編程實現,它的功能為接收上位機發送的數據,把數據保存到分配的地址存儲器中,如圖4所示，P、I、V、jiaozheng關聯著DSP的4個存儲器地址。

圖5為ISR的內部模塊圖,分為wave_get、T1UISR1及T1PISR1三部分。通過HardwareInterrupt的屬性來設置CPU中斷和PIE中斷。當T2PINT周期中斷發生時,系統進入wave_get模塊執行中斷程序；T1UFINT下溢中斷發生時系統進入T1UISR1模塊中斷,T1PINT周期中斷發生時進入T1PISR1模塊中斷程序。在EVA中設置1MHz的采樣頻率,Wave_get模塊可獲得數據并在LabVIEW中顯示波形。T1UISR1中斷程序模塊(見圖6)的主要功能為PI調節、ADC采樣、設置CMPR1和CMPR2的值。

圖5　ISR內部模塊

圖6　T1UISR中斷程序模塊

PWM波的PI調節程序包括主電路程序模塊和中斷服務程序模塊,主電路模塊包括USB端口數據傳輸和PWM波產生等,在USB端口模塊,設定值來自于上位機的調節值,包括參考電壓Vref、PI值及零點校正。系統通過DSP的A/D采集功能得到系統電壓VAD,與上位機LabVIEW中設定的電壓參考值Vref比較計算電壓的差值ΔV,通過PI調節,可以改變輸出電壓的大小[4]。T1PR的值為4 000時鐘周期,死區時間t設定值為15,在下溢中斷和周期中斷中修改CMPR1和CMPR2的值,下溢中斷T1UFINT程序中CMPR1設定的值為1,CMPR2的值為C,T1PINT周期中斷程序中修改CMPR1設定的值為3 999,CMPR2的值為4000-C。DSP產生4路移相脈沖原理見圖7。C在不斷變化,移相角也在變,而占空比保持不變。占空比D1計算公式如下：

(2)

式中t的值較小,計算時可忽略,結果為占空比都是0.5。

圖7　DSP產生4路移相脈沖原理圖

在PI調制中，只通過改變移相角來調節輸出電壓,不改變占空比,使調節電壓輸出更穩定和簡單。圖8表示的T1PINT周期中斷功能主要是修改CMPR1和CMPR2的值。

圖8　T1PISR中斷程序模塊

2.2LabVIEW上位機通信程序設計

LabVIEW與DSP的數據通信是通過USB接口實現的,通過調用庫函數(CallLibraryFunction,CLF) 和動態鏈接庫(DynamicLinkLibrary,DLL) 函數的方法,將采集到的數據傳遞到上位機完成進一步的分析處理和顯示[9],如圖9所示。系統使用的USB接口芯片為EZUSB-CY7C68013,它的固件程序燒寫在一塊EEPROM中[10-11],通過調用DLL實現USB虛擬儀器的接口功能[12-13]。

圖9　調用庫函數實現數據傳輸

圖10是LabVIEW程序的設計圖。LabVIEW程序通過串口通信接收DSP系統的上傳信號并顯示波形,同時向DSP下傳PI值和設定的電壓信號等數據。當參考電壓為0V而輸出電壓不為0V時,則需要零點校正設置。在DSP中通過PI調節輸出電壓,可以得到穩定的電壓輸出。

圖10　LabVIEW的程序設計圖

3　實驗過程

上位機LabVIEW的控制界面如圖11所示,顯示區域可同時顯示兩路不同的信號,界面的最上方有零點校正和量程校正功能,在界面的下方有電壓給定控制和PI調節按鈕,另外還有PI值調節、Run/Stop及Save控制鍵,可以進行數據存儲和運行控制。

圖11中顯示的波形為實驗中的電壓波形,上方波形是控制電壓輸出波形,下方波形為2路PWM波驅動波形。運行時可以看到兩路PWM波形的相位差,這正是移相全橋PWM軟開關電路零電壓開通時所需的超前臂與滯后臂的時間差。

程序運行時,上位機每次循環都把LabVIEW中設定的電壓值寫入DSP寄存器,改變參考電壓時,可以通過PI調節跟蹤輸入參考值,使輸出電壓穩定。圖12顯示了實驗中采用參考值為2.5、5、10V三種電壓的比較。實驗前首先要進行零點校正和量程校正,P和I值的設定值為經驗值,一般設置P的值為500,I值為100。分別設置參考電壓為2.5、5、10V,從圖12的2路PWM驅動波形輸出中可看出,三組波形的相角差隨著電壓的增加也在不斷變大,當設定電壓由5V變為10V時,相角差發生了很大變化,這很好地驗證了通過改變驅動PWM波相角差可以對軟開關的過程進行控制的結論。

圖11　上位機控制界面

圖12　參考電壓為2.5 V、5 V、10 V時的波形輸出波形

4　結語

本文設計了一種基于DSP和LabVIEW的移相全橋型零電壓開關PWM電路實驗系統,介紹了硬件電路結構和軟件程序的設計,實現了對采樣電壓和驅動PWM波的實時顯示和在線調節參考電壓功能,通過實驗驗證了該實驗系統的實用性和可行性。

References)

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Designofsoft-switchedcircuitexperimentalsystembasedonDSPandLabVIEW

YangBaisong1,ChengSilu2,ChenXieshui3,PengYunhua4

(1.CollegeofComputer&ElectronicInformation,GuangdongUniversityofPetrochemicalTechnology,Maoming525000,China；2.CollegeofElectronicInformation,TianjinUniversity,Tianjin300072,China; 3.ZhejiangQiushiTeachingApparatusesCo.,Ltd,Hangzhou310011,China; 4.GuangzhouToshibaBaiYunlingMachinePowerElectronicsCo.,Ltd,Guangzhou510460,China)

BasedonDSPandLabVIEW,thephase-shiftfullbridgePWMsoftswitchingtheexperimentalcircuitisdeveloped.Thesystemadoptsthestructureoftheupperandlowerplacemachine.DSPastheacquisitionsystemofsinglechipprocessorandoutputvoltagesignal,isusedtocontrolthephaseshiftingfullbridgecircuitofPWMwave.ForupperPC,thispaperusestheLabVIEWsoftwaretodevelopthecontrolprogramandrealizethesignaldisplay,waveformpreservationandcontrolofamachine.Throughtheactualoperationoftheexperimentalsystem,itverifiesthecorrectnessandpracticabilityoftheexperimentalsystem.

circuitexperiment;ZVSsoftswitch；LabVIEW；DSP

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.024

2015- 11- 09修改日期：2016- 01- 04

廣州市科技計劃項目(2014Y00212)

楊柏松(1970—)，男，廣東雷州，碩士，實驗師，主要從事電力電子與運動控制、嵌入式技術的研究.

E-mail：ybc2668@163.com

TP216;G484

A

1002-4956(2016)5- 0092- 05