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基于dsPIC单片机的数字化EPS系统设计

更新时间:2010-7-22:  来源:毕业论文
基于dsPIC单片机的数字化EPS系统设计
1.项目意义
随着社会高速发展,城市建筑趋向于大规模,与楼宇高层化发展伴随而来的是对建筑供电要求的提高。社会的信息化,建筑的现代化,使建筑对供电的依赖也越来越大,尤其是一些重要的公共建筑,一旦中断供电,将造成重大的社会影响和经济损失。同时,人们的安全意识和对火灾等突发事件的防范意识也在迅速提高,后备电源越来越受到人们的重视。多年来,运行经验表明,电网供电时采用两路独立的电源,若主供电线路停电,则由备用电路供电,采用这种方式虽然简单、可靠,但供电线路复杂。当发生大面积停电事故时,两路电源均可能发生停电事故。因此,应急电源作为独立十电网之外的备用电源,被广泛应用于各种建筑工程之中,其重要性是在事故发生的情况下确保提供所需的应急电力,为人们生产和生活安全提供保障。
    EPS应急电源是众多后备电源中的一种,起步比UPS不间断电源要晚。但随着电力电子技术和功率半导体器件制造技术的快速发展,各种电力电子装置和设备相继被应用到应急电源行业中,极大地促进了电源技术的进步,并目_提高了用电设备的供电质量及可靠性。近几年来,EPS作为一种电力电子装置以其较高的性价比在社会生活的各方面发挥着重要的作用,现已广泛应用十应急电力保障、消防等关系人们生命财产安全的场合和部门,以确保在发生火灾及正常电力供应中断时的应急供电。
2.Microchip芯片特点和分析介绍本文来自六*维,论*文|网
数字化应急电源的设计是一个复杂的系统工程,系统的功能框图如图1所示。
Microchip的dsPIC数字信号控制器既拥有16位闪存单片机的高性能,又兼具数字信号处理器(DSP)的计算能力和数据吞吐能力。16位单片机为核心的dsPIC数字信号控制器不仅具有功能强大的外围设备和快速中断处理能力,又融合了可管理高速计算活动的数字信号处理器功能,堪称嵌入式系统设计的最佳单芯片解决方案,从而使设计人员能够将多种功能集成在一起,同时节省电路板空间。 Microchip增强型快闪自编程功能支持快闪可编程存储器实现远程升级,器件被终端用户采用后仍然可以改变代码,进而大幅提升了系统灵活性、缩短开发时间、提高生产效率并加速产品推向市场的时间。
 
图1  EPS系统功能框图
本系统选用了美国著名的芯片供应商Microchip公司最新推出的dsPIC30F2020单片机。
硬件上:
 8通道的高速AD通道:满足本系统的要求的市电信号AD采样、逆变输出信号AD采样和电池电压AD采样的要求;
 PWM发生器功能:轻松实现本系统逆变时H-桥电路所需的SVPWM波形;
 内部的DSP引擎:快速完成系统的数字信号处理和PID的控制算法;
 UART串口模块:提供串口和远程通讯的功能;
 SMPS比较器模块:监测电压电流的瞬间变化,实现各类保护功能;
 丰富的外设接口:完成系统报警、显示、指示等功能。
软件上:
 免费MPLAB集成开发环境:方便代码编译和管理;
 可视化器件初始化程序(MPLAB VDI):简化芯片资源初始化配置工作;
 丰富的外设、数字和DSP算法库:轻松实现各种驱动和数字算法。
可靠性上:毕业论文http://www.lwfree.cn
 片上振荡器,无需使用晶振;
 节能模式优化功耗
 独立、可靠的看门狗定时器;
 防止软件故障的自监视CPU;
 上电复位和欠压复位增强了系统鲁棒性,节省成本。
3.项目的设计思路
应急电源的基本功能就是保证在市电异常或被切断情况下维持电能的持续供电。从技术上来讲,其工作流程为:市电正常时,由旁路对负载供电,EPS系统的逆变部分不工作,市电经充电系统转换为直流电对蓄电池组进行充电;当市电输入异常或故障时,充电器停止工作,逆变器启动工作,将蓄电池组电能转换为220V正弦交流电,为负载提供电能。同时,检测电流始终维持对市电输入状态的检测,一旦市电输入恢复正常,系统由蓄电池供电转为市电直接供电,这时重新启动充电器,市电经充电器变换后直接对蓄电池浮充充电,逆变器停止工作。系统硬件原理框图如图2所示。
图2 系统硬件原理框图
关键部分软件设计
SPWM 控制
SPWM 控制方法是采用脉冲宽度和脉冲之间的间隔变化的一组脉冲来等效正弦波,其基本思想是能量等效法,即在一定的时间间隔内SPWM 波的能量等效于正弦波所包含的能量。
dsPIC30F2020单片机内部有电源PWM 模块,都可以方便产生高分辨率的互补式PWM 波,还支持死区时间的设置。给后面的H-桥式逆变电路提供SPWM 信号。PWM信号的周期和脉宽是必不可少的参数:
 PWM周期
在dsPIC30F2020中,PTPER寄存器保存指定主PWM时基计数周期的13位值,可随时更新定时器周期,使用以下公式计算PWM周期:
周期时间=(PTPER+1)/120MHz@30MIPS
 PWM占空比比较单元
PWM模块有2至4个占空比发生器,有5个16位特殊功能寄存器用于指定PWM模块的占空比值:
MDC(主占空比)
PDC1至PDC4(占空比)
各PWM发生器都具有自己的占空比寄存器(PDCx),还有一个主占空比(Master Duty Cycle,MDC)寄存器,MDC寄存器可代替各占空比寄存器,MDC寄存器使多个PWM发生器能共享一个通用的占空比寄存器,以降低更新多个占空比寄存器时所需的CPU开销。
每个占空比寄存器中的值决定PWM输出保持在有效状态的时间,PWM时基计数器宽度为13位,且在每个指令周期递增两次。当计数器/定时器小于或等于占空比寄存器值的13个最高有效位时,PWM输出有效,各占空比寄存器允许指定16位占空比,将占空比寄存器的3个最低三下四有效位发送到附加逻辑,以对PWM信号边沿进行进一步的调整。图3为占空比比较单元的框图
 
图3 占空比比较图
内部定时器在计数过程中根据MUX的设置不断与这两个寄存器的值相比较,达到设定时间时输出电平产生相应的变化,从而控制PWM 信号的周期和占空比。
SPWM 信号要求脉宽按正弦规律变化,因此每一个PWM 占空比都要改变,由单片机产生SPWM 波就是在初始化时将PWM 周期值设定,然后用定时器定时,每个周期产生一次中断,来调整占空比,从而得到脉宽不断变化的SPWM 波。本文来自六*维,论.文|网
主程序为一个无穷循环,等待中断发生。如图4所示:
图4系统主程序流程图毕业论文http://www.lwfree.cn
中断服务子程序用来修改SPWM 信号的占空比,其流程图如图5所示。
 图5 中断服务子程序流程图 4.结论
通过本次活动,对最新的dsPIC30F系列单片机架构和性能有了更进一步的认识和了解,在项目进行过程中深深感受到Microchip公司细分市场定位,整合芯片功能模块的服务理念,dsPIC30F系列单片机应用于数字电源类市场,功能非常强大,成本也较低。感谢Microchip公司和电子产品世界杂志社组织的活动。1452
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