西门子模块6ES7515-2UM01-0AB0

介绍了以C8051F系列单片机产生SPWM算法为基础制作的数字化AC／DC／AC单相变频电源，该电源将公网三相交流电转化为输出电压幅值和频率可独立调节的单相交流电。实验结果表明该电源输出电压波形较理想，实现的调压、调频精度高，反馈灵敏迅速，保护措施齐全有效。

1 引言
目前，变频电源已在国民经济的各行各业中得到了广泛应用。但不同的用电设备对变频器要求不同，如电动机变频调速器，要求对输出电压信号进行VVVF控制。本文设计的将电网三相交流电转变为单相交流电的变频电源装置，可单独调节输出电压的幅值或频率，两者互不影响，调压范围（变压器一次侧输出电压Uo幅值）为0～450V，误差±2％，调频范围为20～600Hz，**到0.01Hz，装置容量为30kVA。负载为工、C串联谐振电路，通过调节Uo的幅值和频率，使负载在谐振点附近工作，从而在谐振电容两端得到一高电压。整个装置控制系统由单片机C8051F040实现，后制作了一台样机，并得到了比较理想的实验结果。
2 单相变频电源工作原理简介

M57962L以及单片机等控制部分所需的辅助电源，由TOPSwiteh系列的三端单片开关电源芯片，通过高频变压器来提供各自隔离的电源。为了防止同桥臂开关管直通造成短路，M57962L在输出驱动脉冲之前分别以软件编程和硬件互锁两种方式保证逆变桥的安全运行。

系统负载为L、C串联谐振电路，当系统输出电压Uo的频率接近负载谐振点时，谐振电容C两端便得到一高电压。根据负载变化来调节Uo的幅值和频率，可使得谐振电容上产生不同的高压值。
系统运行前，由键盘设定输出电压幅值和频率；刚开始运行时，Buck电路开关管占空比逐步上升，实现了软启动功能，同时也是冰电压幅值进行粗调，在稳态时，其输出UDC恒定；运行过程中输出电压频率稳定，幅值则通过反馈进行微调。电压采样电路为单片机提供反馈信号，形成闭环控制，保证输出电压的幅值在允许的误差范围之内。

显示电路用来显示运行时各参数值以及各种故障状况。过流保护由单片机通过电流互感器采样每个桥臂电流实现，过热保护由单片机通过温度传感器采样开关管散热片温度实现。系统还包括输入缓冲电路和整流级电路等，在图中并未画出。
3 软件设计及控制策略
C8051F040是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机，是真正能独立工作的片上系统，具有4352B内部RAM空间，64K的Flash存储器，64K的外部数据存储RAM，片内高时钟可达25 MHz。本文产生SPWM信号主要是使用了其可编程计数器阵列（PCA）功能，而采样反馈是使用了其12位多通道ADC。主程序流程图如图2所示。

（1）产生SP-WM策略 为充分利用开关管开关频率，以及减小输出SPWM波滤波后的正弦波畸变率，在软件中用实时计算和查表法共同作用生成单极性SPWM，并作了三点措施：①载波比N从20～600Hz分成了9个频段，低频时取大值为360，高频时取小值为30。在每一频段，当N＜360时并非正弦表中每个数值都被选择到并用来计算PWM脉宽，为保证输出SPWM波的对称性，在输出正弦波半个周期（180°）内，应以表中90°角对应的数值为参考，选择两边对称的数值来计算。②选择单极性SPWM。由于双极性SPWM控制电路中，同一桥臂上下两个开关管的驱动信号是互补的，为防止直通而造成短路，必然要保证上下两个开关管每个PWM脉冲间的死区时间tn，如图3所示。这一时间的长短要同时考虑开关管自身特性及单片机的运行速度。这给控制方法的生成和终的输出滤波都带来影响。而在单极性SPWM波的控制电路中，为防止直通只需在输出正弦波半周期结束时，保证一定的开关死区时间，控制方法简单，且输出滤波的实现更便利。③考虑到单片机本身的运行速度以及IG-BT的通断速度，在编程时，限制了SPWM波的低和高脉冲宽度。在频率一定的情况下，如输出电压过低，则相应的调制比m　。很低，计算得到的SPWM波中会出现大量脉宽相近的脉冲波。因此，这时输出的SPWM波并未严格按正弦规律变化，后用这样的SPWM波去驱动IGBT得到的输出波形经滤波后得到的正弦波会发生一定的畸变。解决的办法是在AC／DC级后增加DC／DC级Buck电路，稳态时Buck电路占空比根据键盘设定的电压幅值计算而得，故输出低压可由其来调节而使ma。不会降太低；或者使用频率更高的IGBT和速度更快的单片机，在ma过小时增加载波比N，以防止低压时波形畸变加剧。本设计采用的是种方法。

（2）调压、调频相互独立 由于系统工作的频率和电压变化范围均很宽，而要求在单独改变输出电压频率时，电压幅值基本不变；单独改变输出电压幅值时，频率不变。由于输出的SPWM脉宽由单片机PCA计数实现，**度可以达到很高，故输出电压频率精度很高。而确保输出电压的幅值稳定则主要利用调节调制比ma来实现，输出电压的幅值有一定的误差。
（3）采样反馈闭环控制 在单片机电压采样的A／D反馈控制策略上，如果每次采样后均对输出电压幅值进行调节，会造成输出电压稳定性变差。因为程序在运行时，当采样后的反馈数据超过参考电压偏差允许范围时，就会根据这偏差去调节调制比ma，然后根据新的调制比ma重新计算SPWM脉宽，后先停止运行旧的SPWM脉宽数据，重新装载新的SPWM脉宽数据。在这个调节过程中，就会使相邻输出周波在转换之间有很小的延迟，输出波形频率出现波动。为了改善这一状况，并保证输出电压的稳定和快速响应，取多次采样反馈值后求其平均值，利用平均值对输出电压幅值进行调节，这同时可减少误调节现象的发生。当平均值在参考电压允许范围内变化时，调制比ma不变，输出电压幅值不变；当平均值超出参考电压允许范围时，调节调制比ma来调节输出电压幅值。
4 实验结果
实验参数如下：输人为380V三相交流电，开关管IGBT选用CMIOODY—24NF，直流环电容为两个1000µF／450V串联，输出滤波电感Lf＝0.5mH，输出滤波电容CF＝4.7µF，负载采用一个电感与一组电容串联，通过变压器连接在逆变器输出端。主要针对在不同频率、相同电压设定下，以及相同频率、不同电压设定下，输出结果是否满足要求，进行了实验，实验结果如图4～图6所示。

图4为单片机输出的典型的SPWM波形，频率为100Hz。图5和图6为变压器一次侧电压波形。

从输出实验结果波形图可见，输出频率单独变化时，电压幅值基本不变；输出电压幅值单独变化时，频率基本不变，达到了调压、调频相互独立的效果。
5 结束语
本文提出的调压、调频相互独立的数字化单相变频电源可实现的正弦波输出电压调频范围宽而**、调幅范围广而误差小，并且电压幅值、频率可独立调节而互不影响。与传统电源相比，此数字电源具有输出精度高、稳定可靠、可实现远程控制、便于智能化管理等优点，可作为对频率和电压幅值有特殊要求的多种用电设备的电源。 
 
DSP技术的应用及发展趋势  
发布时间：2006.07.31 阅览次数：16 作者：王琳 单位：  
 
 
回顾国际上电子工业近30年来发展的历程，我们不难看到：70年代的电子工业以消费电子为主，主要代表厂商是日本的Sony、JVC、荷兰Philips等家电厂商。80年代是计算机时代，主要代表厂商是美国的Inbbb、IBM、Microsoft、Compaq等公司。90年代起是信息时代，代表性的产品是个人通信网、网络接入设备、数字化消费类电子产品，主要获胜的战略之一是以DSP为核心的技术及其创新产品。中国是发展中的大国，应用方面中国一直保持着与国际上DSP技术同步的态势，其中飓风数字系统（北京）有限公司等几个企业一直伴随着中国社会数字化、信息化的进展而成长。
从70年代DSP的理论和算法基础的提出，经过20多年的发展，DSP产品的应用已扩大到人们的学习、工作和生活的各个方面，并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素。在计算机技术日新月异的时代，嵌入式系统软件、硬件不断进行着新的突破性发展。如今DSP技术和DSP应用已经成为当今嵌入式系统应用领域中热门的技术，是高校、科研院所和高新技术企业的DSP软件、硬件开发人员的新的课题。可以说，对DSP爆炸性需求的时代已经来临。
目前市场上的主要DSP生产商包括TI，ADI，Motorola，Lucent和Zilog等，其中TI占有大市场份额。产品包括了从低端的低速度DSP到高端的大运算量的DSP产品。目前，广泛使用的TI DSP有三个系列：C2000、C5000、C6000（C3X也有使用），其它型号都基本淘汰。需要提醒注意的是：在TI的DSP中，同一系列中不同型号的DSP都具有相同的DSP核，相同或兼容的汇编指令系统，其差别仅在于片内存储器的大小，外设资源（如定时器、串口、并口等）的多少；不同系列DSP的汇编指令系统不兼容，但汇编语言的语法非常相似。除了汇编语言外，TI还为每个系列都提供了优化的C/C++编译器，方便用户使用语言进行开发，效率可以达到手工汇编的90%甚至更高。 
DSP应用广泛，其主要应用市场为3C（Communication、Computer、Consumer-通信、计算机、消费类）领域，合占整个市场需求的90%。目前，在VoIP、 Internet Audio 、DSL、 Cable Modem 、3G、数字相机和马达控制等需要实时处理大量数据应用中都可见到DSP的身影。 主要有以下几个领域：
典型应用一：电机控制 
据统计，各类电动机消耗了全球总电能的40%以上，然而目前正在使用的那些电机中只有不到20%配备了基于逆变技术的数字控制装置。新技术的发展给电机控制行业带来了新的发展机遇，尤其是专用集成电路、DSP数字信号处理和FPGA近年来令人瞩目的发展，给电机控制系统带来新的契机。电机控制是各种自动化技术的基本环节，它的发展是与微电子技术、电力电子技术和自控技术密切相关的。
TI公司为实现高速控制应用设计了TMS320LF2407系列DSP处理器， CY-MCS2407型全数字电机控制开发板已广泛应用于大功率电机控制、小功率马达控制、电池检测、UPS、燃料电池等产品中。其中电机控制的方案适用于：直流无刷电机控制、交流感应电机控制、永磁同步电机控制、开关磁组电机控制，可实现开环、半闭环和闭环控制，同时可以将电机运行的状态和参数通过LCD现场显示，并可直接通过打印机打印。

介绍了利用数字信号处理器（DSP）对套色印刷系统中张力进行控制的方法，详细阐述了系统的硬件结构和软件设计，在控制策略上采用增量式PID控制方法。实验表明，利用DSP设计的硬件系统比较成功，通过DSP自带的PWM输出能很方便地实现恒张力控制的目的，恒张力控制的误差范围在1%以内，取得了很好的控制效果。

1 引言
张力控制被广泛应用于纺织、印刷、钢铁等行业，张力控制的好坏直接影响到产品的质量。在印刷行业，卷材连续展开并源源不断地进入印刷装置，只有使进入印**元的卷材保持一定的稳定张力，才能保证套印过程的稳定和印品的套印准精度。所以，张力控制是印刷控制过程中的关键因素。本文提出了一种基于DSP的恒张力控制硬件系统，在张力控制的应用中取得了比较好的效果。
2 张力控制策略
在模拟控制系统中，控制器常用的控制规律是PID控制。文中控制器采用增量式PID控制[1]。控制系统原理框图如图1所示。

控制规律为

3 系统的硬件设计
TMS320LF240系列DSP的体系结构专为实时信号处理而设计，该系列DSP控制器将实时处理能力和控制器外设功能集于一身，内部含有大量丰富的硬件资源，使得外部器件大为减少，不用过多地考虑器件的时延、逻辑关系、器件选择以及与其它电路的配合问题等。
本系统主要由张力信号采集电路模块、磁粉制动器驱动电路模块和MAX485差分通信电路模块和小系统组成。基本设计框图如图2所示。

3．1 张力信号采集
本系统包含4路张力采集信号模块，每路张力信号采集部分主要由差动放大芯片LM324、V／f变换芯片LM331和脉冲计数芯片74HC393组成。
张力信号经张力传感器转换为电压信号送给LM324，LM324包括两级差动放大和一级比较放大，输出为0～10V电压信号。电压信号经级差动放大3倍，然后分别输出给第二级差动放大和比较放大器的输入端，当级差动放大后的信号≤100 mV，则经第二级差动放大后输出0～10V的电压，当级差动放大后的信号>100mV，则经比较放大后输出10V的电压。
LM324输出0～10 V的电压送给LM331，LM331将0—10 V电压信号转换为0～10kHz的频率信号，频率信号经光电隔离、波形整形后送给74HC393，进行脉冲计数，然后将数据送给TMS320LF2407A。
3．2 PWM驱动模块
TMS320LF2407A自带16路PWM波形输出功能[2]，采样信号送到CPU后，经过处理产生一定占空比的PWM输出，经TLP251隔离并驱动MOSFET管，产生一定占空比的电流信号，送给磁粉制动器，来控制制动转矩，从而达到恒张力控制的目的。
4 软件设计
该控制系统的软件采用汇编语言编写，软件设计基于串行通讯模块、时序模块和张力控制模块。串行通讯模块包括接受上位机数据、置标志位和向上位机发送数据等；时序模块包括对开关操作的响应，系统运行的任务调度，通讯处理等；张力控制模块包括张力数据处理，张力预处理和张力控制等。张力控制主要是通过对张力误差的处理，采用工业控制中普遍采用的PID调节器控制磁粉制动器和磁粉离合器的电流，从而控制制动转矩，以保持张力的恒定。其程序流程图见图3。

5 实验结果
在控制过程中，各点的张力通过张力传感器反馈送到张力控制器，张力控制器是通过给定张力与张力传感器的反馈张力的差值进行调节的。张力传感器输出的是电压信号，经过V／f变换后变为脉冲信号，1000个脉冲对应30kg张力，即每个脉冲对应0．03kg的张力。对放卷和收卷张力控制器的输出每100ms采样一次。将所得数据经过Matlab处理，得放卷部分和收卷部分张力控制器的误差波形分别如图4、图5所示。其中，每1个脉冲代表0．03kg张力。由采样结果知恒张力控制的误差控制在0．1 kg以内，张力控制器的给定张力为10 kg，张力控制器的误差控制在1％以内。


6 结束语
本文设计的张力控制硬件系统，以TMS-320LF2407A为控制芯片，具有结构紧凑、抗干扰能力强、快速性好、性能价格比高等优点，在控制过程中取得了良好的效果。随着国内印刷要求的多样化，印刷装置将越来越**，对张力的控制要求越来越高，基于DSP的恒张力控制系统将会有很好的应用前景。