利用直接数字频率合成技术提高SPWM输出波形的品质

高建树 , 刘宪峰 发表于 2020-08-05 14:40:02 收藏 已收藏
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利用直接数字频率合成技术提高SPWM输出波形的品质

高建树 , 刘宪峰 发表于 2020-08-05 14:40:02
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引言

DDS(直接数字频率合成)技术是一种实用的新型频率合成技术。随着数字集成电路与微电子技术的迅速发展,这种频率合成方式显示出了极高的性价比,具体体现在频率分辨率高、输出相位连续及控制灵活方便等方面。

机场助航灯系统中,恒流调光器是核心控制设备,国内机场现行使用的恒流调光器都是属于以晶闸管为开关器件的相控调压技术产品。这种电力电子装置存在着网侧功率因数低以及向电网注入谐波电流的两大电力公害。随着IGBT作为一种新的功率开关器件得到广泛的应用,本文以IGBT代替传统的晶闸管,将DDS技术应用于SPWM波形的发生,可以方便的对输出进行调压调频,同时提高了SPWM输出波形的品质。

1、助航灯正弦波恒流调光器的工作原理

助航灯调光器主回路采用AC—DC—AC方案,由整流和逆变组成,如图1所示。

利用直接数字频率合成技术提高SPWM输出波形的品质

整流部分采用二极管全桥不控整流,将三相交流电变为直流,逆变部分采用智能功率模块IPM输出单相等效正弦电压,通过LC滤波得到正弦电压经升压变压器输出到机场灯光回路。其控制系统框图如图2所示。

恒流调光器的作用就是将工频的交流电源变成电压调节能力很强的恒流源,调光器可以控制电流分级输出,从而控制助航灯的光强等级,当回路负载发生变化时通过调光器的作用使负载电流保持不变。

2、DDS技术的基本原理

DDS技术是从正弦函数的相位出发,通过调节频率控制字直接产生所需的各种不同频率的信号,主要由参考频率源、相位累加器、正弦ROM表、D/A转换器和滤波器等组成,如图3所示。其信号生成的具体过程是:在参考时钟频率fc的控制下,将频率控制字k送入相位累加器。用其输出作为正弦ROM表的查找地址而对其进行查找,后者中的每个地址代表周期正弦波的一个相位点,每点对应一个量化的幅值,相当于一个相位/幅值变换器,查找后的数据经过D/A转换器得到的是阶梯波,最后经低通滤波器对阶梯波进行平滑处理,即可得到由频率控制字决定的连续变化的输出正弦波,如图3所示。

为了形象地说明DDS相位量化的工作原理,可将正弦波在一个完整周期内的相位变化用相位圆来表示,相位和幅值是一一对应的,如图4所示。N位相位累加器对应相位圆上的2N个相位点,图中相位累加器的位数N=4,共有16个幅度码与0°~360°中的16个相位点对应,幅度码存储在ROM中,在k的作用下,相位累加器对ROM进行寻址,完成相位/幅值转换。DDS输出信号频率fc和fc以及频率控制字k之间的关系为:fo=fck/2N

3、 基于DDS技术的SPWM波形的生成

3.1 SPWM波形生成的步骤

本系统的控制系统采用DSPTMS320LF240A,利用片上自带的事务管理器(EVA)模块代替了传统DDS技术波形产生中的D/A模块,如图5所示。将一个周期划分为l 024个点,用于保证波形的平滑程度。具体的过程可分为以下几个步骤:

1)选定频率控制字进行相位累加

在ROM(利用2407A的ROM)中建立的是一个大小为2M个点的正弦表(M=10),相位累加器(N位,N=32),在每个载波周期内与产生的相位增量k(频率控制字)相累加。

根据所要求的输出频率fo,当Tc选定后由(2)式即可求出k。正弦数据表的实际大小是1 024个点,选用32位累加器低16位的低十位对正弦表进行寻址。在这种情况下,给定k就决定了输出调制正弦波的频率。通过设置k值的不同可以产生不同输出频率的正弦波,根据实际要求计算出频率控制字,使相位累加器开始工作,将后者的低十位作为地址去查找正弦表中当前相位所对应的幅值TEMP。助航灯调光器要求输出电压频率不变,因而频率控制字不需要改变。

2)根据调光要求计算调制比

助航灯连接在隔离变压器的次级,灯泡发光强度与回路中的电流IH成正比,通过改变回路中电流IH的大小调节灯泡的亮度,助航灯恒流调光器可人为设定为五级电流(2.8A、3.4A、4.1A、5.2A、6.6A),回路电流,。由升压变压器初级电压UL决定,设灯光回路总负载为Z,则有:

M为升压变压器的变比。由上式可知灯光回路电流IH是随着升压变压器的初级端电压成比例变化的。我们可根据外界要求的光级设定好电流值,进一步求出UL的值,再根据公式:

M=UL/UC(UC是直流测电压)

从而可以计算出调制比,由计算出的调制比对正弦表中检索出的幅值进行调幅,即可得到所需的电压。参考波的正弦幅值为:

Temp=Temp0·M

(Temp0为正弦ROM表中的幅值)

3)SPWM波形的产生

将调幅后的结果送入EVA模块的比较寄存器,通过设置定时l的周期寄存器T1PR,可使其在连续增/减计数模式下产生载波信号,其中断周期是载波周期,如图6示。在此计数模式下,定时器1计数器(T1 CNT)从0开始递增至周期寄存器(T1PR)的值后又递减到0,如此循环反复。在其不断计数的同时,比较单元的比较逻辑也在不断将定时器l计数器的值和比较寄存器的值进行比较,由于助航灯光的电源系统需要四路PWM波形,因而在幅值的设置上使其中的两个比较单元一样,让二者和周期寄存器的值进行比较,相位累加器的采样频率与载波频率相同,每一个载波周期,比较单元的值更新一次,并与定时器1的计数值进行比较,当定时器的计数值T1CNT与CMPR相匹配时,DSP内部的PWM电路将根据比较方式控制寄存器和死区控制寄存器的设定输出逻辑输出PWM波形。

3.2 系统的具体实现

1)硬件实现

硬件实现包括硬件初始化和PWM初始化,PWM初始化包括下列寄存器的初始化T1PR(周期寄存器),ACTRA(动作控制寄存器),DBTCONA(死区控制寄存器),COMCONA(比较控制寄存器),T1CON(定时器l控制寄存器)。

2)软件实现

DSP的控制系统程序主要由主程序和中断服务子程序,中断服务子程序用于产生正弦脉宽SPWM信号,主程序主要进行初始化以及等待中断的到来,设置TlCON后,定时器1开始工作,并重新开启中断。图7为初始化程序的流程图。图8为T1定时器下溢中段子程序流程图。

3)系统的总体框图见图9。

4)实验结果

选择载波频率fc=4kHz,死区时间为3.2μs.输出频率fo=50Hz;助航灯恒流调光器三相输入电压为380V/50Hz,图10是在某负载下不同光级给定时(一级光、五级光)对应电流绝对值波形,横轴为时间轴,单位为250μs,纵坐标为电流瞬时值,单位为O.67mA。试验表明系统的输出波形质量高,在相同负载不同光级间的切换时间不超过ls,动静态性能优良。

4、 结束语

本文介绍了在机场助航灯调光器系统中应用DDS技术来产生SPWM波形的原理和具体实现过程,并通过实验进行了验证,结果说明其输出波形质量高,总谐波含量少,方法简便可靠。

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