基于TMS320F2812变频电源的交流采样系统设计

0 引  言

在三相变频电源设计中，需要采样交流电压及负载电流，用以实现双闭环控制和保护，因此交流电压、电流采集系统的设计直接关系到变频电源的性能。三相变频电源以TMS320F2812(简称F2812)为控制芯片，该芯片内置16通道的12位ADC。采用F2812内置ADC进行交流采样时，避免了复杂的硬件设计，并降低了成本。电源要求输出线电压为380 V，输出功率为3 kW。要采集该交流电压、电流信号并送到DSP芯片，必须设计隔离电路，用以防止高电压、强电流串入控制系统，烧坏低压器件。HCNR200是一款用于模拟信号隔离的专用高精度线性光耦。本文详细介绍了利用F2812的内置ADC，并结合HCNR200进行交流电压、电流的采样。

1 TMS320F2812内置ADC简介

TMS320F2812芯片系TI公司于2003年底推出的32位定点DSP，是一款高性能、满足电机实时性控制要求的控制器，工作频率最高可达150 MHz，其内置了16通道，12位ADC，含两路采样保持器，一个转换单元，可实现双通道同步采样，最小转换时间为80 ns。

内置ADC的外设内部结构如图1所示。

模拟量由16个通道输入，被分为A，B两组，ADCINA0～7为A组，ADCINB0～7为B组，每组都有一个完全独立的多路选择器和采样保持器，共用一个12位ADC。整个转换时序和转换过程都由ADC时序控制自动机完成，不需要DSP中央处理单元的干预。编程时只需要配置寄存器，设定合适的值，自动机就会按照设定的顺序和模式自动地实现多通道ADC，并将其结果写入到16 Word的转换结果寄存器中。结果寄存器为双缓冲结构，这就保证对于结果寄存器、自动机的写操作和中央处理单元的读操作不会产生时序冲突，大大提高了DSP的并行运行能力。输入管脚ADC-SOC是ADC的外部触发输入，用于要求严格同步触发采样的场合。ADC的时序基准频率由处理器的主频分频提供，可以通过改动相关配置寄存器的值来设定分频系数，从而改变ADC的转换速率。

TMS320F2812的ADC有4种工作模式：触发顺序模式、触发同步模式、周期顺序模式和周期同步模式。

通道的模拟电压容许输入范围在0～3 V之间。对于交流采样系统，必须为前级的运放电路提供电平偏置和保护。

2 HCNR200简介及其工作原理

HCNR200光电耦合器的内部结构如图2所示。其中，LED为发光二极管；PD1，PD2是两个相邻匹配的光敏二极管。光敏二极管的PN结在反向偏置状态下运行，它的反向电流与光照强度成正比，这种封装结构决定了每个光敏二极管都能从LED得到近似相等的光强，从而消除了LED的非线性和偏差特性所带来的误差。当电流If流过LED时，LED发出的光被耦合到PD1和PD2，在器件输出端产生与光强成正比的输出电流I_PD1和I_PD2。I_PD1用来调节I_f，以补偿LED的非线性和漂移特性；I_PD2脱与PD1发出的伺服光通量成线性比例。其中，If，I_PD1和I_PD2满足以下关系：

I_PD1=K₁I_f，I_PD2=K₂I_f，K=I_PD2／I_PD1  (1)

式中：K₁，K₂分别为输入／输出光电二极管的电流传输比，其典型值均在0.05％左右，K为传输增益。当一只HCNR200被制造出来后，其输出侧光电流I_PD2和输人侧光电流I_PD1之比是一个恒定值K，K在1±0.15之间。

这种先进的光电二极管调整设计确保了光电耦合器HCNR200的高线性度和稳定性，可以较好地实现模拟量与数字量之间的隔离。

3 硬件电路设计

假设三相变频电源接三角形负载，则在三相负载的每相上串一精密小电阻，通过检测小电阻的端电压就可以由DSP中断程序计算出所需的电压、电流值。由HCNR200构成的电压采集电路如图3所示，电路由反馈电路、隔离电路、电流电压转换电路、限幅电路等几部分构成。两个运放接在不同的工作电源和地上，实现了隔离。运放选择高精度运放CA3130A，该运放采用15 V单电源供电，最大共模输人电压为15 V，最大输出电压为13.3 V，负载为2 kΩ。

图3中，U₁构成反馈电路。利用PD1检测LED的光输出量，并自动调整通过LED的电流，以补偿LED光输出的变化及任何其他原因引起的非线性，因此该反馈放大器主要用于稳定LED的光输出，并使其线性化。输入信号V_in是被测量，由采样电阻两端的交流电压经二极管整流得到，其范围取在0～5 V之间。

U₂组成输出电路。进行电流与电压之间的转换，用以将输出光敏二极管PD2输出的稳定、线性变化的电流转换成电压信号并输出。

I_f的范围为1～20 mA。根据运放最大输出电压为13.3 V，结合I_PD1=0.005I_f，R₃不宜过大，取200 Ω。光电二极管PD1的电流为：

I_PD1=V_in／R₂(2)

当V_in=5 V，其最大值为：

I_PD1=5／R₂(3)

由于I_PD1的取值一般小于50μA，且实验发现，在选用R₂时，实际值比理论计算值要大一些，这样才能取得更好的隔离效果，故选取R₂=200 kΩ。

I_PD2=U_out／R₄，K=I_PD2／I_PD1=1(4)

所以，

I_PD1=I_PD2，U_out／V_in=R₄／R₂(5)

当Vin=5 V时，Vout=3 V，可以推导出：

R₄=R₂(U_out／V_in)=340 kΩ(6)

在实际工程中，选用R₄=470 kΩ的电位器，用以调节放大倍数。

在输出端加一个二极管限幅电路，限制V_out在0～3 V以内。

4 软件设计

运用TMS320F2812内置ADC进行数据采集时，程序首先对ADC进行初始化，当ADC非常忙时，启动ADC通道进行转换，主程序进入死循环；当ADC正常转换完毕后，进入中断服务子程序。中断服务程序将ADC转换结果读入存储器中，进行必要数字滤波、补偿
等处理，然后再次启动A／D通道进行转换，如此循环往复。程序设计使用C语言编写源程序，主程序流程图如图4所示。

5 结语

实践证明，利用TMS320F2812内置ADC，并结合模拟信号隔离用高精度线性光耦HCNR200构成的交流信号采集电路，具有硬件电路及软件设计简单、高精度、高线性度、抗干扰能力强等优点，有效地解决了模拟信号与数据采集系统隔离的问题。在电流、电压双闭环控制的变频电源设计中发挥了重要的作用。