变压器动态

基于DDS的软件变频控制

  随着大规模集成电路和计算机的广泛应用,变频控制系统也渐向数字结构演变,出现了基于大规模数字集成电路、单片机或DSP的数字变频控制系统。但无论成熟的SPWM及其改进,还是现代变频控制技术,本质上都采用对篼频时钟可编程分频实现变频控制,频率步进不均匀,不能合成任意频率。

  DDS(DirectDigitalSynthesizer)以其频率分辨率高、转换速度快及波形变换灵活等特点得到广泛应用。本文引人波形的DDS思想,介绍基于DDS的软件变频控制及其对输出性能的改善,并以成熟的SPWM为例介绍其实现方法。这种变频控制方法频率分辨率篼,频率步进均匀,可合成任意频率;DDS输出的相位截尾误差谱分布,也有利于贵州变压器噪声的抑制。

  对时钟可编程分频产生的频率只能离散且不均匀地分布在整个频率范围内。如时钟频率/c=62.5kHz(主频为16MHz,8位PWM)时,要产生6kHz信号,分频系数W可取10或11,输出频率为6250Hz =/e/yv(yv+i)是不均匀的,上例中,在/.=6kHz附近,yV从11变到10时,/r=586Hz;中频部分,TV从63变到62时,人:此外,传统的SPWM谐波较为集中,不利于抑制贵州变压器噪声,有时采用RPWM(Random PulsewidthModulation),周期地改变载波频率,分散幅度较大的谐波分量,使频谱变疏,从而使谐波分布更为连续。

  2基于DDS的软件变频控制2.1DDS结构及原理是正弦波DDS的结构框图,每一时钟周期,yv位相位阶距(或频率)寄存器FR Accumulator)作一次累加运算,和的高Af位作LUT(LookUpTable)地址,从LUT中读出波形数据乘以增益GAIN后送DAC.改变FR的值K可改变输出频率/.,调谐方程:/.=(瓦/2,频率分辨率/r =/c/2'对于正弦波,通常取/U33/c DDS结构框图Programmable)或FPGA器件实现。基于DDS的软件变频控制中,相位累加、增益控制及LUT都以软件方式实现,LUT中数据根据适合计算机处理的采样规则计算生成,DAC采用PWM. 2.2定时及数据处理DDS的时钟由定时中断产生。每一次定时中断,若合成单一频率,要做一次累加运算、数据查找及实现幅度控制的乘法运算;中断结束前,运算结果存人缓冲区,下一次中断的开始送DAC.借助于微处理器较强的处理功能,不仅可实现简单的SPWM及MSPWM,还可以产生三相六脉冲等复杂信号。给出单SPWM的中断服务流程。

  (中断服务人□)I保护现场1输出上次运算结果WD到DAC(PWM)相位累加运算查找波形数据增益控制保存结果到WD恢复现场(中断返回)中断服务程序流程。3相位累加器、相位阶距、相位连续性及输出频率范围据输出频率范围及频率分辨率,通常选择2到4字节。对于正弦信号,尽管可取/.矣0.33/.,但为保证有较高的调制比,多取用流水线方式,而在一个中断周期内完成,改变频率时相位连续,不存在相位突变,从而保证变频过程平稳连续。

  是存于内存的一组数据,其序号和PA的高财位对应,选用8位PWM时,字长0=8.输出正弦信号时,一般取M=0 +2.其他波形,如三次谐波叠加法,M要稍大一点,以确保相位截尾误差远小于量化误差,但A/过大,对性能改善无意义。

  LUT数据一般根据采样规则及控制策略离线算出,以一定格式嵌入源程序,实质上这是一种软件硬件化。如果机器速度足够快,也可在线计算,这可以实现变频控制的动态优化,从而获得更好的动态响应;在内存中存入多组LUT还可以实现多种采样模式、控制策略的选择与切换。

  2.5死区及保护死区及保护功能通常由硬件实现。通过精心设计,也可将一些死区及保护功能设计入软件中去。

  2.6性能改善2.6.1频率精度与分辨率DDS输出存在相位截尾误差,中给出一种相位截尾误差谱的快速算法,特别适用于LUT地址字长较短的情况。设A:=2;(2/c+l),误差谱分布如下:-M时,误差谱线分布在a/c±/.U±/.Uo)点,幅度为为取整运算)。

  可见,相位截尾误差谱线间隔随i增大而减小,i越大,相位截尾误差谱分布越趋于连续,幅度低于量化误差。周期性的相位截尾误差及其所带来的低于量化误差谱的杂散谱和RPWM可谓异曲同工,对于抑制贵州变压器噪声是有益的。

  2.6.3载波频率及载波比软件变频控制多采用同步调制,采样频率通常是输出频率的9倍,载波比有级变化,而基于DDS的变频控制之载波频率固定,开关器件始终高频工作,载波比随频率降低而升高,属于异步调制。取/.矣。l/c,可保持载波比吟>9. 3基于DDS的软件变频实现举例这里以MCS-51FX实现带增益调节的单SPWM为例,说明基于DDS的软件变频实现方法,并分析其时间效率。

  3.1实现方法=16MHz,设定PCA时钟为1.60kHz的正弦信号,FR取两字节,=0.238Hz.如采用DS80C320等高频单片机或DSP,输出频率及频率分辨率将更高。

  3.2时间效率分析上例中,中断周期为64,中断服务程序占(下转第9页)当移相角/变化时,输出功率由机时约31/,占总机时的48.4%,满足实时控制要求。/ctal越高,输出频率越高。这种方法可嵌人很多计算机控制系统中。

  4结束语本文介绍了基于DDS的变频控制工作原理、实现方法,并作了性能分析,这种变频控制解决了现有分频方法存在的精度低、频率频进不均匀等问题,改善了变频控制信号的频谱,使之利于噪声抑制。本文旨在引入一种基于DDS的变频控制思想,对于变频控制设计有重要的指导意义。

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