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0 引言 在三相變頻電源設(shè)計中，需要采樣交流電壓及負載電流，用以實現(xiàn)雙閉環(huán)控制和保護，因此交流電壓、電流采集系統(tǒng)的設(shè)計直接關(guān)系到變頻電源的性能。三相變頻電源以TMS320F2812(簡稱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進行交流采樣時，避免了復(fù)雜的硬件設(shè)計，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、電流信號并送到DSP芯片，必須設(shè)計隔離電路，用以防止高電壓、強電流串入控制系統(tǒng)，燒壞低壓器件。HCNR200是一款用于模擬信號隔離的專用高精度線性光耦。本文詳細介紹了利用F2812的內(nèi)置ADC，并結(jié)合HCNR200進行交流電壓、電流的采樣。 1 TMS320F2812內(nèi)置ADC簡介 TMS320F2812芯片系TI公司于2003年底推出的32位定點DSP，是一款高性能、滿足電機實時性控制要求的控制器，工作頻率最高可達150 MHz，其內(nèi)置了16通道，12位ADC，含兩路采樣保持器，一個轉(zhuǎn)換單元，可實現(xiàn)雙通道同步采樣，最小轉(zhuǎn)換時間為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，每組都有一個完全獨立的多路選擇器和采樣保持器，共用一個12位ADC。整個轉(zhuǎn)換時序和轉(zhuǎn)換過程都由ADC時序控制自動機完成，不需要DSP中央處理單元的干預(yù)。編程時只需要配置寄存器，設(shè)定合適的值，自動機就會按照設(shè)定的順序和模式自動地實現(xiàn)多通道ADC，并將其結(jié)果寫入到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)，這就保證對于結(jié)果寄存器、自動機的寫操作和中央處理單元的讀操作不會產(chǎn)生時序沖突，大大提高了 DSP的并行運行能力。輸入管腳ADCSOC是ADC的外部觸發(fā)輸入，用于要求嚴格同步觸發(fā)采樣的場合。ADC的時序基準頻率由處理器的主頻分頻提供，可以通過改動相關(guān)配置寄存器的值來設(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。對于交流采樣系統(tǒng)，必須為前級的運放電路提供電平偏置和保護。 2 HCNR200簡介及其工作原理 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)下運行，它的反向電流與光照強度成正比，這種封裝結(jié)構(gòu)決定了每個光敏二極管都能從LED得到近似相等的光強，從而消除了LED的非線性和偏差特性所帶來的誤差。當電流If流過LED時，LED發(fā)出的光被耦合到PD1和PD2，在器件輸出端產(chǎn)生與光強成正比的輸出電流IPDI和IPD2。PD1用來調(diào)節(jié) If，以補償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。當一只HCNR200被制造出來后，其輸出側(cè)光電流IPD2和輸入側(cè)光電流IPD1之比是一個恒定值K，K在1±O．15之間。
這種先進的光電二極管調(diào)整設(shè)計確保了光電耦合器HCNR200的高線性度和穩(wěn)定性，可以較好地實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的隔離。 3 硬件電路設(shè)計 假設(shè)三相變頻電源接三角形負載，則在三相負載的每相上串一精密小電阻，通過檢測小電阻的端電壓就可以由DSP中斷程序計算出所需的電壓、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。兩個運放接在不同的工作電源和地上，實現(xiàn)了隔離。運放選擇高精度運放CA3130A，該運放采用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，負載為2 kΩ。
圖3中，U1構(gòu)成反饋電路。利用PD1檢測LED的光輸出量，并自動調(diào)整通過LED的電流，以補償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Vin是被測量，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)換成電壓信號并輸出。 If的范圍為1～20 mA。根據(jù)運放最大輸出電壓為13．3 V，結(jié)合IPD1=0．005If，R3不宜過大，取200 Ω。光電二極管PD1的電流為：
由于IPD1的取值一般小于50μA，且實驗發(fā)現(xiàn)，在選用R2時，實際值比理論計算值要大一些，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)。 在輸出端加一個二極管限幅電路，限制Vout在O～3 V以內(nèi)。 4 軟件設(shè)計 運用TMS320F2812內(nèi)置ADC進行數(shù)據(jù)采集時，程序首先對ADC進行初始化，當ADC非常忙時，啟動ADC通道進行轉(zhuǎn)換，主程序進入死循環(huán)；當 ADC正常轉(zhuǎn)換完畢后，進入中斷服務(wù)子程序。中斷服務(wù)程序?qū)DC轉(zhuǎn)換結(jié)果讀入存儲器中，進行必要數(shù)字濾波、補償?shù)忍幚恚缓笤俅螁覣／D通道進行轉(zhuǎn)換，如此循環(huán)往復(fù)。程序設(shè)計使用C語言編寫源程序，主程序流程圖如圖4所示。
5 結(jié) 語 實踐證明，利用TMS320F2812內(nèi)置ADC，并結(jié)合模擬信號隔離用高精度線性光耦HCNR200構(gòu)成的交流信號采集電路，具有硬件電路及軟件設(shè)計簡單、高精度、高線性度、抗干擾能力強等優(yōu)點，有效地解決了模擬信號與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)隔離的問題。在電流、電壓雙閉環(huán)控制的變頻電源設(shè)計中發(fā)揮了重要的作用。 參考文獻 1. 張衛(wèi)寧.TMS320F28X系列DSP的CPU與外設(shè)[M].北京:清華大學出版社,2005. 2. 劉鳳君.現(xiàn)代逆變技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006. 3. 周志敏.變頻電源實用技術(shù)設(shè)計與應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,2005. 4. 童詩白.模擬電子技術(shù)[M].3版.北京:高等教育出版社,2003. 5. Agilent Technologies.High-Linearity Analog Optocouplers Technical Data[Z].2000. 6. Intersil Corporation.CA3130,CA3130A Data Sheet[Z].1999. 7. 譚穎琦,范大鵬,陶溢.基于線性光藕HCNR200的DSP采集電路設(shè)計與實現(xiàn)[J].電測與儀表,2006(6):46-48. 8. 張寶生,王念春.基于高線性模擬光耦器件HCNR200的模擬量隔離板[J].儀表技術(shù),2005(5):59-60. 9. 夏軍.一種實用的高壓開關(guān)電源采樣隔離反饋電路[J].高壓電器,2006(4):295-297. 10. 趙云麗,歐陽斌林,李曉輝.基于線性光電耦合器的電流檢測電路[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報,2006(1):82-85. 作者：王榮海 喬之勇 （綿陽職業(yè)技術(shù)學院,四川,綿陽,621000） 來源：現(xiàn)代電子技術(shù) 2009 32(24) |
