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變壓器動態

基于DDS的軟件變頻控制

  隨著大規模集成電路和計算機的廣泛應用,變頻控制系統也漸向數字結構演變,出現了基于大規模數字集成電路、單片機或DSP的數字變頻控制系統。但無論成熟的SPWM及其改進,還是現代變頻控制技術,本質上都采用對篼頻時鐘可編程分頻實現變頻控制,頻率步進不均勻,不能合成任意頻率。

  DDS(DirectDigitalSynthesizer)以其頻率分辨率高、轉換速度快及波形變換靈活等特點得到廣泛應用。本文引人波形的DDS思想,介紹基于DDS的軟件變頻控制及其對輸出性能的改善,并以成熟的SPWM為例介紹其實現方法。這種變頻控制方法頻率分辨率篼,頻率步進均勻,可合成任意頻率;DDS輸出的相位截尾誤差譜分布,也有利于貴州變壓器噪聲的抑制。

  對時鐘可編程分頻產生的頻率只能離散且不均勻地分布在整個頻率范圍內。如時鐘頻率/c=62.5kHz(主頻為16MHz,8位PWM)時,要產生6kHz信號,分頻系數W可取10或11,輸出頻率為6250Hz =/e/yv(yv+i)是不均勻的,上例中,在/.=6kHz附近,yV從11變到10時,/r=586Hz;中頻部分,TV從63變到62時,人:此外,傳統的SPWM諧波較為集中,不利于抑制貴州變壓器噪聲,有時采用RPWM(Random PulsewidthModulation),周期地改變載波頻率,分散幅度較大的諧波分量,使頻譜變疏,從而使諧波分布更為連續。

  2基于DDS的軟件變頻控制2.1DDS結構及原理是正弦波DDS的結構框圖,每一時鐘周期,yv位相位階距(或頻率)寄存器FR Accumulator)作一次累加運算,和的高Af位作LUT(LookUpTable)地址,從LUT中讀出波形數據乘以增益GAIN后送DAC.改變FR的值K可改變輸出頻率/.,調諧方程:/.=(瓦/2,頻率分辨率/r =/c/2'對于正弦波,通常取/U33/c DDS結構框圖Programmable)或FPGA器件實現。基于DDS的軟件變頻控制中,相位累加、增益控制及LUT都以軟件方式實現,LUT中數據根據適合計算機處理的采樣規則計算生成,DAC采用PWM. 2.2定時及數據處理DDS的時鐘由定時中斷產生。每一次定時中斷,若合成單一頻率,要做一次累加運算、數據查找及實現幅度控制的乘法運算;中斷結束前,運算結果存人緩沖區,下一次中斷的開始送DAC.借助于微處理器較強的處理功能,不僅可實現簡單的SPWM及MSPWM,還可以產生三相六脈沖等復雜信號。給出單SPWM的中斷服務流程。

  (中斷服務人□)I保護現場1輸出上次運算結果WD到DAC(PWM)相位累加運算查找波形數據增益控制保存結果到WD恢復現場(中斷返回)中斷服務程序流程。3相位累加器、相位階距、相位連續性及輸出頻率范圍據輸出頻率范圍及頻率分辨率,通常選擇2到4字節。對于正弦信號,盡管可取/.矣0.33/.,但為保證有較高的調制比,多取用流水線方式,而在一個中斷周期內完成,改變頻率時相位連續,不存在相位突變,從而保證變頻過程平穩連續。

  是存于內存的一組數據,其序號和PA的高財位對應,選用8位PWM時,字長0=8.輸出正弦信號時,一般取M=0 +2.其他波形,如三次諧波疊加法,M要稍大一點,以確保相位截尾誤差遠小于量化誤差,但A/過大,對性能改善無意義。

  LUT數據一般根據采樣規則及控制策略離線算出,以一定格式嵌入源程序,實質上這是一種軟件硬件化。如果機器速度足夠快,也可在線計算,這可以實現變頻控制的動態優化,從而獲得更好的動態響應;在內存中存入多組LUT還可以實現多種采樣模式、控制策略的選擇與切換。

  2.5死區及保護死區及保護功能通常由硬件實現。通過精心設計,也可將一些死區及保護功能設計入軟件中去。

  2.6性能改善2.6.1頻率精度與分辨率DDS輸出存在相位截尾誤差,中給出一種相位截尾誤差譜的快速算法,特別適用于LUT地址字長較短的情況。設A:=2;(2/c+l),誤差譜分布如下:-M時,誤差譜線分布在a/c±/.U±/.Uo)點,幅度為為取整運算)。

  可見,相位截尾誤差譜線間隔隨i增大而減小,i越大,相位截尾誤差譜分布越趨于連續,幅度低于量化誤差。周期性的相位截尾誤差及其所帶來的低于量化誤差譜的雜散譜和RPWM可謂異曲同工,對于抑制貴州變壓器噪聲是有益的。

  2.6.3載波頻率及載波比軟件變頻控制多采用同步調制,采樣頻率通常是輸出頻率的9倍,載波比有級變化,而基于DDS的變頻控制之載波頻率固定,開關器件始終高頻工作,載波比隨頻率降低而升高,屬于異步調制。取/.矣。l/c,可保持載波比吟>9. 3基于DDS的軟件變頻實現舉例這里以MCS-51FX實現帶增益調節的單SPWM為例,說明基于DDS的軟件變頻實現方法,并分析其時間效率。

  3.1實現方法=16MHz,設定PCA時鐘為1.60kHz的正弦信號,FR取兩字節,=0.238Hz.如采用DS80C320等高頻單片機或DSP,輸出頻率及頻率分辨率將更高。

  3.2時間效率分析上例中,中斷周期為64,中斷服務程序占(下轉第9頁)當移相角/變化時,輸出功率由機時約31/,占總機時的48.4%,滿足實時控制要求。/ctal越高,輸出頻率越高。這種方法可嵌人很多計算機控制系統中。

  4結束語本文介紹了基于DDS的變頻控制工作原理、實現方法,并作了性能分析,這種變頻控制解決了現有分頻方法存在的精度低、頻率頻進不均勻等問題,改善了變頻控制信號的頻譜,使之利于噪聲抑制。本文旨在引入一種基于DDS的變頻控制思想,對于變頻控制設計有重要的指導意義。

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