整流器作为一种AC／DC变换装置，其发展经历了由不可控整流器(二极管整流)、相控整流器(晶闸管整流)到PWM整流器(门极可关断功率开关管)的发展历程。晶闸管相控整流和二极管不可控整流对电网谐波污染严重，且网侧功率因数低。PWM整流器已对传统的相控及二极管整流器进行了全面的改进。TMS320LF2407具有快速的数据处理能力和丰富的硬件资源，作为控制芯片可以提高系统的实时响应能力和控制精度，已经被广泛应用于电气自动化控制的各个领域。

　　1 总体设计及硬件电路

　　图1为PWM整流器系统硬件框图。在这个系统中，TMS320LF2407为数字控制芯片，整流器采用SVPWM控制策略。系统硬件由主电路、直流电压检测电路、交流侧输入电流检测电路、过零检测电路和保护电路等组成。DSP采集直流电压检测电路检测的电压值和交流电流检测电路检测的电流值，通过SVPWM控制算法，产生6路PWM脉冲通过驱动模块去控制整流桥功率管的导通和关断。当发生故障时，DSP封锁PWM输出。

　　图2为三相PWM整流桥主电路，包括交流侧的电感、电阻、直流输出电容，以及由全控开关器件和续流二极管组成的三相半桥电路。ua、ub、uc为电源电压，L为交流侧滤波电感，主要作用为隔离电网电动势与交流侧电压，滤除交流侧PWM谐波电流，实现PWM整流器交流侧正弦波电流控制。

　　电阻R为滤波电感L的等效电阻和功率开关管损耗等效电阻的合并，C为直流侧支撑电容，其主要作用为缓冲三相电压型PWM整流器交流侧与直流负载间的能量交换，且稳定VSR直流侧电压，抑制直流侧谐波电压。

　　1．2 过零检测电路

　　过零检测电路如图3所示。过零触发电路的作用是根据相电压的过零点来鉴别系统所处的区间，通过过零触发脉冲使系统软件产生中断来调用相应的控制脉冲计算程序。电压经过电阻分压和滤波，通过LM393构成的过零比较电路得到与电网输入相电压信号同步的方波信号，经过SN74121N变成和方波同步的触发脉冲，随后被送到DSP控制芯片的捕获接口，用来产生边沿捕获信号以触发相应的中断，从而调用相应的中断服务子程序。

　　空间矢量PWM(SVPWM)控制策略是依据变流器空间电压(电流)矢量切换来控制变流器的一种思路新颖的控制策略。SVPWM具有电压利用率高、动态响应快等优点，另外，简单的矢量模式切换更易于单片微处理器实现。根据空间矢量的控制原理，三相对称的整流器开关输入电压可视作一个空间电压矢量V来处理，利用整流器8个基本电压空间矢量V0～V7的不同组合合成幅值相同、相位不同的空间电压矢量V。区间划分与基本电压空间矢量之间的关系如图4所示。

　假设电压空间矢量V在I区间，那么需要基本电压矢量V1、V2、V0／7共同作用来合成。依据平行四边形法则，有

　　T1、T2分别为矢量V1、V2在一个开关周期中的持续时间；Ts为PWM开关周期。令零矢量V0/7的持续时间为T0/7，则

　　其中Udc为输出直流电压。

　　本系统软件设计包括主程序、中断服务子程序、电压滞环模块、电压外环PI调节模块、数字电流环PI调节模块、扇区判断子程序和SVPWM产生子程序等。图5为主程序流程，图6为中断服务程序流程。主程序主要完成DSP控制器的系统初始化，模数转换模块、事件管理器模块等相关控制寄存器的初始化，系统中控制用的状态变量的初始化。在中断程序中，通过调用一些子程序模块，完成相应的控制算法，输出PWM控制脉冲等。

　　搭建了11KVA整流实验样机硬件平台，输入三相电压有效值为220 V，频率为50Hz。图7为A相输入电压和电流波形，可以看出输入电流波形呈正弦化，电源电压和输入交流电流同相位，基本实现了单位功率因数整流。图8为输出直流电压波形，可以看出输出直流电压比较平滑，脉动小，基本稳定在620 V。图9为同一桥臂上下功率管PWM波形，为了防止上下管同时导通，设置了5μs的死区。

　　本系统采用了TMS320LF2407DSP控制芯片，简化了系统的硬件结构，提高了系统的实时性和可靠性。三相PWM整流器采用SVPWM控制，提高了电压的利用率。简单的空间矢量切换模式更易于单片微处理器实现，可以使网侧电流正弦化，基本实现单位功率因数整流。本系统对实际工程应用有一定的指导意义。

　　用计算机或微控制器通过一种或多种总线方式,实现与现场各种设备的通信,并通过总线实现对现场设备进行必要控制的计算机网络系统称为底层测控通信网络系统,简称底层测控网络。本文是针对数控系统方面来展开研究的,提出了一种基于CAN总线的数控系统底层测控网络,现场设备就是数控机床等数控设备。

　　2CAN总线的基本工作原理

　　CAN总线的拓扑结构是一个典型的串行总线的结构形式。CAN总线中一个节点发送信息,多个节点接收信息;但CAN总线的信息存取方式采用的是一种广播式的存取工作方式。在CAN总线的通信协议中支持的是基于报文的工作方式。也就是说加入或撤销节点设备都不会影响网络的工作,十分适用于控制系统要求快速、可靠、简明的特点。CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。CAN采用了CRC校验并可提供相应的错误处理功能,保证了数据通信的可靠性。为了清楚地说明数控系统远程测控仪的工作原理,我们以结构方框图的形式表示如图1所示。输入信号来自于数控机床电机编码器的光电编码器,输出信号可以去伺服驱动或控制其它需要的信号,下面是它的工作原理:

　　图1基于CAN总线的数控系统远程测控仪的工作原理图

　　由伺服电机编码器的脉冲输出信号进入测控仪的输入端,后经计数器滤波、倍频、鉴相、计数等;微处理器对采来的数据进行一定较简单处理,再转发到CAN控制器的缓存器里面;时机成熟CAN控制器再进一步发给CAN收发器(驱动),最后CAN收发器把数据转发给CAN总线、总管CAN节点的收发器、CAN控制器;总管CAN节点充当网关的作用,把底层CAN节点的数据取出来以便自己或其它对其进行进一步的复杂分析处理,相反上面来的数据依照同样的道理可以通过CAN网关下传到底层的CAN节点。就这样底层和中间层进行了数据信息的交流。底层的CAN节点也可以接受CAN总管节点发来的信息,通过输出信号通道把命令传给相应的接口电路、伺服系统,以便对数控设备进行控制。

　　3基于DSP的CAN测控仪的设计与开发

　　本文选用的微处理器是由公司生产的TMS320LF2407。基于DSP的CAN测控仪的系统原理框图如图2所示:

　　图2基于DSP的CAN测控仪的系统原理框图

　　3.1测控模块硬件设计

　　智能结点包括信号采集、信号处理及信号传输三大部分,根据所选用的微处理芯片所带的外围接口的不同,整个智能结点的结构有所不同。本系统所选用的TMS320LF2407带有丰富的外围接口,所以整个智能结点结构简洁,系统的可靠性极强。以TMS320LF2407为核心的智能结点电路包括以下部分:电源电路、时钟复位电路、CAN总线接口电路、信号调理部分及外扩存储电路,其结构框图如图3:

　　图3智能结点总体结构图

　　由于TMS320LF2407内嵌CAN模块,所以通过一个CAN驱动器就可以与CAN总线相连。为了增强CAN总线结点的抗干扰能力,CANTX与CANRX并不直接与CAN驱动器82C250的TXD和RXD相连,而是通过高速光耦6N137进行电气隔离后,再与82C250相接。这样就很好的实现了总线上各CAN节点间的电气隔离,避免了相互之间的电气干扰。本系统中6N137所采用的电源3.3v、5V及5V-CAN是相互隔离的,保证了光耦器件的电气隔离功能。82C250与CAN总线的接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措施。82C250的CANH和CANL引脚各自通过一个5欧的电阻与CAN总线相接,电阻起到限制电流的作用,保护82C250免受过流的冲击。CANH与CANL与地之间并联了两个30pF的小电容,可以起滤除总线上的高频干扰,并具有一定的防电磁辐射的能力。另外在两根CAN总线输入端与地之间分别接了一个防雷击管,当输入端与地之间出现瞬变干扰时,通过防雷击管的放电可以起到一定的保护作用。

　　3.2时钟和复位电路设计

　　3.2.1时钟电路设计

　　本文采用6M的晶体振荡器,晶振的输出直接连接到X2引脚,并将DSP的X1引脚悬空。在设计程序时,设置DSP内部的时钟锁相环为4倍频,则CPU的工作时钟就可达到24M。

　　3.2.2复位电路设计

　　在设计中,使用了上电复位和按键复位相结合的简单电路.在上电的瞬时,电容相当于短路,在上电的瞬时,电容C16相当于短路,此时RST为低电平,对芯片进行复位处理。经这一段时间后,电容的电压达到2V,则复位过程结束,芯片进入正常工作区。当按下K1时,RST直接与地相连接,芯片进行复位处理。因此操作者可以根据自己的需要随时对系统进行复位操作。

　　3.3电源电路设计

　　TM3S20LF2407A的工作电压是.33v,而设计中用到的晶体振荡器、光耦隔离器件6N137、CAN驱动器均为SV供电,因此以TMS320LF2407A为核心所构成的应用系统是一个混合电压系统,需要对电压进行转换.系统中采用公司的甘57333Q电压转换芯片为DSP转换.33V电压。

　　3.4外扩存储电路设计

　　TMs320LF2407片内带有4K程序/数据RAM,32KFLASH程序存储器,芯片自带的数据和程序存储器己经满足了本监控系统的要求,所以在实际应用中硬件设计时不用扩展数据和程序存储器。但是作为初期的电路设计,为了方便在线调试,设计了一片64K静态随机读写存储器,在线调试时供程序、数据共同使用。

　　3.5信号调理电路设计

　　从传感器传来的信号均为电压或电流信号,在本智能结点上,设计了放大电路及滤波电路,对初始信号进行放大处理和滤波处理。为了保证测量的精度,对于精度要求较高的信号采用仪用放大器AD6523来进行放大。而对于精度要求不高的信号,则采用价格低廉的LM324来进行放大处理。

　　AD623可工作于单电源方式下,此时AD623的供电电压范围为3V-12V;DS623也可以工作在双电源方式下,此时的电压范围为±5V到±6V。在本智能结点中,电源电路只提供3.3V和5V的电压,且DSP的工作电压为3.3V,所以采用单电源方式。为了去藕,在靠电源脚处加了10μf的电容。

　　4测控仪的软件设计

　　智能结点的软件包括系统的初始化模块、数据采集模块、数据处理模块和系统的传输模块。初始化模块完成以下工作:根据芯片本身的功能和特征,所用的寄存器清零,程序FLASH区和数据RAM区初始化,中断口设置等为主程序运行准备工作;还要检查和保护系统电源,利用本身自带的看门狗(WATCHDOG)监视DSP芯片的各资源的硬件运行情况。在DSP芯片能正常运行后,进入数据采集软件的主程序运行。使用默认配置参数分配数据采集卡系统的通道资源、存储器资源和总线占用资源.数据采集模块以EMA中断(事件管理中断)中的定时器软中断启动LS7266R1采集一帧数据;与其同时,数据处理模块对已采集完前一帧各通道数据做处理。数据的传输是通过CAN总线来完成的,所以数据传输模块必须完成CAN总线通信功能。在下面的两节里,将根据TMS320LF2407的特点详细介绍数据采集、处理和传输模块的设计。

　　CAN通信软件的功能主要有两个:把智能结点的数据包装成有效的CAN信息帧发给目标结点;从CAN总线上接收有效的数据帧,并将信息帧还原为原始数据,供给CPU进行下一步的操作。数据帧的包装和还原都是由DSP内的CAN控制器来完成的,在通信软件中,只需设置CAN控制器中的相应寄存器就可以了。TMS320LF2407的CAN控制器是一个完全的CAN控制器。整个软件流程如图4:

　　图5CAN总线通信流程图

　　有了CAN控制器的支持,CAN通信软件的设计就变得简洁明了。本系统CAN通信软件设计思想是:将本系统向其它节点发送数据设计成函数,当本系统发送数据时调用此函数,将数据发送到CAN总线上;本系统接收数据采用中断方式,当CAN控制器接收到数据后,向微控制器发出中断响应信号,微控制器在中断程序中将接收到的数据读入。整个系统对CAN总线通信软件管理的流程图如图5所示。

　　本文设计的基于CAN总线的数控系统底层测控模块,对数控机床的运动精度进行测试。实现了与现场各种设备的通信,并通过总线实现对现场设备进行必要控制,使本地各设备的信息交互更加迅速。

　　DSP技术芯片的出现极大的改善了的研发和设计思路，也为工程师的研发工作提供了诸多便利。在今明两天的方案分享中，我们将会为大家分享一种基于DSP技术的三相设计方案。在今天的分享中，我们首先就这一三相逆变电源的SPWM调制原理进行简要介绍和分析。

　　在本方案所设计的这一基于DSP技术而研制的电路中，核心部分主要采用的是美国TI公司生产的TMS320LF2407A  DSP芯片。在确定了DSP技术芯片的核心控制理念后，接下来我们就能够根据数字控制思想构建通用的变换器系统平台。此变换器平台硬件上具有通用性，不仅适用于500W的三相逆变电源，对于输出性能有不同要求的逆变器，只需对软件进行修改即可满足要求。本方案的设计指标为输入电压220V(AC)，输出电压110V(AC)，频率50Hz，输出功率500W，输出电流4.5A，输出总谐波因数(THD)2%。系统原理图如下图图1所示。

图1 基于DSP技术的三相逆变电源系统原理图

　　从图1所给出的系统原理图可知，整个基于DSP技术芯片所研发的三相逆变电源系统由输入整流滤波、全桥逆变、输出滤波、驱动隔离、数字控制器、辅助电源等部分构成。其中，基于DSP技术的数字控制器主要为功率电路中给开关管提供门极驱动数字信号。

　　在整个三相逆变电源系统中，特定的驱动信号是根据控制指令的比较综合，通过某种调节规律及调节方式获得的。在数字控制器DSP中，还包括时序控制等。而驱动隔离部分主要是给功率主电路的开关管提供驱动模拟信号，即通过电位隔离和功率放大，在数字信号与模拟信号之间架起一座桥梁。辅助电源主要是向控制、驱动电路提供驱动电源和控制电源。输入整流部分完成ACDC的转换，逆变桥部分完成DC-AC的转换。

　　在了解了这一基于DSP技术所设计的三相逆变电源系统构成情况后，接下来我们再来看一下SPWM调制原理。在采样控制理论中有一个重要结论，相信很多工程师都非常清楚，那就是冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其基本效果相同。这个结论是PWM控制的重要理论基础。

　　在本方案中，我们所设计的这一三相逆变电源，其主系统产生脉宽调制波的基本方法也正是基于上文中所提及的采样控制理论而设计的。我们选择把一个正弦波的每半个周期分成等分，然后把每等分的正弦曲线与横轴所包围的面积用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，则各脉冲的宽度将按正弦规律变化。通常选正弦波为调制波，以高频率的等腰三角形作为载波，由之相交构成正弦波脉冲调制(SPWM)。在这一三相逆变电源系统中，产生SPWM波的步骤如下：

　　首先，采用载波频率为20kHz，即载波周期为50s。然后利用通用定时器T1的周期中断T1PINT作为载波周期中断，此时T1的计时器周期相当于载波周期。此时T1的计数模式应设为连续增减模式，而CPU的时钟频率则应当设定为40MHz，同时设置T1CON中的定标系数为4，即T1的输出频率为10MHz，计数周期为100ns。

　　在完成了T1技术模式和CPU时钟频率的设计后，接下来我们就需要根据占空比表达式计算出每个矩形脉冲的占空比，用占空比乘以周期寄存器的值，从而计算出比较寄存器的值，并使脉冲个数指针加1。在完成了上述操作后，接下来我们需要从周期中断子程序中将计算所得的比较寄存器的值，送到比较寄存器中，并置相应的标志位。主程序根据标志位来判断是否已完成一个周期的操作，如果标志位已置1，则清标志位，调计算占空比子程序，然后进入等待状态;如果标志位未置1，则直接进入等待状态。

　　在这一基于DSP技术的三相逆变电源设计过程中，为了实现实时控制，我们特别采用了查表法来进行占空比的计算，即事先离线计算出每个开关角对应的占空比。这一步骤可由高级语言(如C或C++等)来完成，其等分数可由一变量DIVIDE来控制，列成表格(400个点)，然后将其存放在数据区，等候随时调用进行比较寄存器值的计算。实验中如要调整载波频率，即保持T1PR得值不变，只需相应地改变T1的定标系数就可以改变载波频率，因此保证了算法的适应性。