基于DSP与LabVIEW的软开关电路实验系统设计

杨柏松, 程思潞, 陈卸水, 彭云华

(1. 广东石油化工学院 计算机与电子信息学院, 广东 茂名　525000；2. 天津大学 电子信息学院， 天津　300072； 3. 浙江求是科教设备有限公司, 浙江 杭州　310011；4. 广州东芝白云菱机电力电子有限公司, 广东 广州　510460)



基于DSP与LabVIEW的软开关电路实验系统设计

杨柏松1, 程思潞2, 陈卸水3, 彭云华4

(1. 广东石油化工学院 计算机与电子信息学院, 广东 茂名525000；2. 天津大学 电子信息学院， 天津300072； 3. 浙江求是科教设备有限公司, 浙江 杭州310011；4. 广州东芝白云菱机电力电子有限公司, 广东 广州510460)

对基于DSP和LabVIEW控制的移相全桥PWM软开关实验电路进行了开发,实验系统采用上、下位机的结构。DSP作为下位机采集系统电压信号和输出,用于控制移相全桥电路的PWM波；上位PC机中用LabVIEW软件开发了控制程序,实现了信号显示、波形保存和对下位机的控制。通过对实验系统的实际运行,验证了实验系统的正确性和实用性。

电路实验；ZVS软开关；LabVIEW;DSP

移相全桥型零电压开关PWM电路是电力电子技术中应用最广泛的软开关电路之一,在实验教学及工程应用中都有着重要的作用。传统的教学实验一般是使用信号发生器和示波器完成实验,需要较多的接线且调节不方便。为了更好地学习和开发软开关电路,本文以PC机为上位机,用LabVIEW软件的图形功能显示实验波形,实现了实验系统的集成化和智能化[1],可以通过改变参数完成各种实验任务,极大的节省了实验的开发时间。

1　移相全桥型零电压开关电路实验系统的设计

1.1移相全桥型零电压开关PWM电路工作原理

在电力电子技术中,开关频率越高,开关损耗就越大,利用软开关技术可以降低开关损耗和开关噪声[2-4]。图1是移相全桥型零电压开关PWM的典型电路图。在主电路开关导通前,为使其端电压降为零,在超前臂与滞后臂PWM控制波的时间差中,利用谐振原理将导通的开关管两端电压迅速降为零,并使其反并联二极管导通,将该开关管两端电压箝位为零,使开关管实现零电压开通(ZVS)[5-6]。调节PWM输出的相位差还可以调节输出电压的幅值[7-8]。

图1　移相全桥型零电压开关PWM电路

1.2实验系统

实验系统是基于浙江求是公司实验箱(见图2)开发的。硬件装置包括移相桥电路、DSP控制电路、PC机等。软件包括LabVIEW以及用于编写DSP程序的Matlab和CCS软件。在系统中DSP的作用是完成实验对象的检测与控制,利用Simulink中DSP仿真模块编程,可以迅速地对系统进行建模、仿真、分析,生成代码并可通过CCS软件下载到DSP中。PC机的LabVIEW承担着对下位机数据的处理和显示。

图2　实验系统

2　软件控制功能的实现

TMS320F2812是TI公司推出的32位定点DSP芯片,不但具有强大的数字信号处理能力,而且还具有较为完善的事件管理能力和嵌入式控制功能,被广泛应用于工业生产的控制中。本实验的DSP系统设计框图见图3。

2.1Matlab中DSP程序设计

DSP的控制程序,通过Matlab和CCS模块编程、

图3　系统设计框图

编辑,自动生成程序代码并下载到DSP芯片中,控制电路正常运行。

图4　Schedule内部模块

程序中包括主电路程序模块Schedule和中断服务程序模块ISR。图4为Schedule的内部模块,分为PieInit、PWM1、Usbsendrev3部分。PieInit模块为EVTimer初始化,采用EVA并设置Timer2的计数周期,设置计数周期T2PR为36个时钟周期,计数满后产生T2周期中断,每次中断会进行波形值采样,通过计算可以得到采样频率为1MHz,改变计数周期T2PR值可以修改采样频率,37.5MHz为外部时钟输入,36为T2PR值。计算公式：

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

(1)

PWM1为PWM波形设置模块,EVA的比较单元时钟信号由通用定时器提供,设置4路对称的PWM波时钟周期值为8000,占空比时钟值为4000,可得TIPR为4000,设置PWM波的死区值都为15。usbsendrev模块为S-Function创建的,由C语言编程实现,它的功能为接收上位机发送的数据,把数据保存到分配的地址存储器中,如图4所示，P、I、V、jiaozheng关联着DSP的4个存储器地址。

图5为ISR的内部模块图,分为wave_get、T1UISR1及T1PISR1三部分。通过HardwareInterrupt的属性来设置CPU中断和PIE中断。当T2PINT周期中断发生时,系统进入wave_get模块执行中断程序；T1UFINT下溢中断发生时系统进入T1UISR1模块中断,T1PINT周期中断发生时进入T1PISR1模块中断程序。在EVA中设置1MHz的采样频率,Wave_get模块可获得数据并在LabVIEW中显示波形。T1UISR1中断程序模块(见图6)的主要功能为PI调节、ADC采样、设置CMPR1和CMPR2的值。

图5　ISR内部模块

图6　T1UISR中断程序模块

PWM波的PI调节程序包括主电路程序模块和中断服务程序模块,主电路模块包括USB端口数据传输和PWM波产生等,在USB端口模块,设定值来自于上位机的调节值,包括参考电压Vref、PI值及零点校正。系统通过DSP的A/D采集功能得到系统电压VAD,与上位机LabVIEW中设定的电压参考值Vref比较计算电压的差值ΔV,通过PI调节,可以改变输出电压的大小[4]。T1PR的值为4 000时钟周期,死区时间t设定值为15,在下溢中断和周期中断中修改CMPR1和CMPR2的值,下溢中断T1UFINT程序中CMPR1设定的值为1,CMPR2的值为C,T1PINT周期中断程序中修改CMPR1设定的值为3 999,CMPR2的值为4000-C。DSP产生4路移相脉冲原理见图7。C在不断变化,移相角也在变,而占空比保持不变。占空比D1计算公式如下：

(2)

式中t的值较小,计算时可忽略,结果为占空比都是0.5。

图7　DSP产生4路移相脉冲原理图

在PI调制中，只通过改变移相角来调节输出电压,不改变占空比,使调节电压输出更稳定和简单。图8表示的T1PINT周期中断功能主要是修改CMPR1和CMPR2的值。

图8　T1PISR中断程序模块

2.2LabVIEW上位机通信程序设计

LabVIEW与DSP的数据通信是通过USB接口实现的,通过调用库函数(CallLibraryFunction,CLF) 和动态链接库(DynamicLinkLibrary,DLL) 函数的方法,将采集到的数据传递到上位机完成进一步的分析处理和显示[9],如图9所示。系统使用的USB接口芯片为EZUSB-CY7C68013,它的固件程序烧写在一块EEPROM中[10-11],通过调用DLL实现USB虚拟仪器的接口功能[12-13]。

图9　调用库函数实现数据传输

图10是LabVIEW程序的设计图。LabVIEW程序通过串口通信接收DSP系统的上传信号并显示波形,同时向DSP下传PI值和设定的电压信号等数据。当参考电压为0V而输出电压不为0V时,则需要零点校正设置。在DSP中通过PI调节输出电压,可以得到稳定的电压输出。

图10　LabVIEW的程序设计图

3　实验过程

上位机LabVIEW的控制界面如图11所示,显示区域可同时显示两路不同的信号,界面的最上方有零点校正和量程校正功能,在界面的下方有电压给定控制和PI调节按钮,另外还有PI值调节、Run/Stop及Save控制键,可以进行数据存储和运行控制。

图11中显示的波形为实验中的电压波形,上方波形是控制电压输出波形,下方波形为2路PWM波驱动波形。运行时可以看到两路PWM波形的相位差,这正是移相全桥PWM软开关电路零电压开通时所需的超前臂与滞后臂的时间差。

程序运行时,上位机每次循环都把LabVIEW中设定的电压值写入DSP寄存器,改变参考电压时,可以通过PI调节跟踪输入参考值,使输出电压稳定。图12显示了实验中采用参考值为2.5、5、10V三种电压的比较。实验前首先要进行零点校正和量程校正,P和I值的设定值为经验值,一般设置P的值为500,I值为100。分别设置参考电压为2.5、5、10V,从图12的2路PWM驱动波形输出中可看出,三组波形的相角差随着电压的增加也在不断变大,当设定电压由5V变为10V时,相角差发生了很大变化,这很好地验证了通过改变驱动PWM波相角差可以对软开关的过程进行控制的结论。

图11　上位机控制界面

图12　参考电压为2.5 V、5 V、10 V时的波形输出波形

4　结语

本文设计了一种基于DSP和LabVIEW的移相全桥型零电压开关PWM电路实验系统,介绍了硬件电路结构和软件程序的设计,实现了对采样电压和驱动PWM波的实时显示和在线调节参考电压功能,通过实验验证了该实验系统的实用性和可行性。

References)

[1] 王星云,王平,陈莲华. 软开关技术发展现状的研究[J]. 装备制造技术,2008(10):102-103.

[2] 张雪华,万舟,吴建德. 基于LabVIEW与DSP串口通信的数据采集系统设计[J]. 云南大学学报：自然科学版,2009(增刊2):106-111.

[3] 吴亮亮,楼佩煌,孙勇. 基于TMS320F2812处理器的移相全桥开关的设计[J]. 电工电气,2009(7):11-13.

[4] 段宣祥,贺明智,张立伟. 移相全桥变换器占空比丢失问题的研究[J]. 电力电子技术,2012(4):26-28.

[5] 杜贵平,张波,陈立军.ZVS移相全桥变换器开关管等损耗控制策略[J]. 电工技术学报,2007(1):103-107.

[6] 胡红林,李春华,邵波. 移相全桥零电压PWM软开关电路的研究[J]. 电力电子技术,2009(1):12-14.

[7] 崔世明,曾敏,徐超鹏. 移相ZVSPWM变换器的研究[J]. 电力电子技术,2015(4):30-32.

[8] 吴琼. 移相全桥数字开关电源的研制[D]. 哈尔滨:哈尔滨理工大学,2013.

[9] 陆浩,李冶,张秉仁,等. 基于USB2.0和LabVIEW的虚拟数字电工仪表设计[J]. 实验室研究与探索,2014，33(5):67-71.

[10] 刘志华,郭付才,彭新伟,等. 基于CY7C68013A的FPGA配置和通信接口设计[J]. 电子技术应用,2013(2):18-21.

[11] 宋俊磊,王典洪,杨勇. 基于USB2.0接口和DSP的数据采集处理系统[J]. 电测与仪表,2007,44(5):37-40.

[12] 罗枫,王军. 一种基于USB接口的实时信号采集系统设计[J]. 无线电工程,2005(11):57-58.

[13] 于邵娜,李冶,蔡学森,等. 动态链接库技术在虚拟仪器开发中的应用[J]. 计算机工程与应用,2004,20(2):114-115.

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

广州市科技计划项目(2014Y00212)

杨柏松(1970—)，男，广东雷州，硕士，实验师，主要从事电力电子与运动控制、嵌入式技术的研究.

E-mail：ybc2668@163.com

TP216;G484

A

1002-4956(2016)5- 0092- 05