基于DSP大功率开关功率放大器分析与设计
摘要
随着电动振动试验系统的发展,亟需高性能、高效率、大功率的功率放大器与之配套。开关功率放大器效率高、通频带宽、体积小,正逐步取代效率低下、体积庞大的线性功率放大器,是目前研究的热点。
随着DSP技术的发展,TMS320C24x系列DSP(数字信号处理器)外设丰富,芯片编程灵活,具有数字控制固有的优点。以其为核心的控制系统成本低、性能可靠,在开关功放的控制中广泛应用。目前,如何实现开关功率放大器的数字化控制,是研究的重点。
本文综述了目前电动振动试验系统中开关功放的发展现状,总结和比较了开关功放的控制策略,研究了影响其性能的主要参数。根据电动振动试验系统对开关功放的要求,提出了以电感电流瞬时值控制技术为基础的三电平脉宽调制开关功放的设计方案,并通过系统仿真进行了原理性论证;然后设计并制作了开关功放的硬件,包括功率转换电路,基于DSP的控制电路,驱动、隔离电路以及保护电路;针对开关功放数学模型不易得出的特点,细致分析了模糊自适应PID控制方法,在此基础上编写了控制程序;研制出一台功率为2kVA,通频带为10～3kHz的三电平脉宽调制开关功放;论文中还探讨了实现大功率开关功放的方法,分析了各种方法的可行性,给出了实现大功率开关功放的思路,并进行了并联开关管实现大功率开关功放的实验。
最后,对设计的开关功放进行了一系列实验,给出了实验波形。
With the development of the electric vibration test system, the requirement of the power amplifier with high performance and high efficiency is urgent. is popularly used because of its virtues of its high efficiency, small volume and high frequency bandwidth. The switching power amplifier is gradually replacing the linear amplifier and has become a hotspot of research now.
With the development of the digital dignal processing technology, TMS320C24x series of DSPs (Digital Signal Processor) perform fast and accurate calculations, flexible program capability, and abundant peripheral functions. The high performance of DSPs allows real-time execution of complex control algorithms and single-chip solution for switching power amplifier control system. Benefiting from high performance and low system loss, applications of the TMS320C24x in the control system of switching power amplifiers extensively.
How to digitize the control system of switching power amplifier is the focus point in the study.
Firstly, the thesis researches the principle, control strategy and classification of the switching power amplifier, and analyses some main parameters. Later, it makes some comparison with four kinds of modulation technique, and finally, it implements the three-level PWM switching power amplifier with the PWM technique. The power of the amplifier is 2kVA, and the frequency bandwidth is 10～3kHz.
In the thesis, the author designs and makes the hardwares of the switching power amplifier. The hardwares contain power inverter rank circuit, control system circuit based on DSP, drive and isolation circuit, and protective circuit. The thesis also analyses the potential safety problems and put forward some solutions for the problems. Furthermore, the thesis accomplishes the software design of the control system, and successfully debugs it. The methods of designing higher power ampilfier are also discussed in the thesis. It analyses the feasibility of the methods, outlines the way of how to design higher power switching power amplifier, and does some experiments with the method of switches-parallelling.
At last, the hardware and the control strategy are tested by emulation and experiments. A series of waveforms of the whole system are given.
随着DSP技术的发展,TMS320C24x系列DSP(数字信号处理器)外设丰富,芯片编程灵活,具有数字控制固有的优点。以其为核心的控制系统成本低、性能可靠,在开关功放的控制中广泛应用。目前,如何实现开关功率放大器的数字化控制,是研究的重点。
本文综述了目前电动振动试验系统中开关功放的发展现状,总结和比较了开关功放的控制策略,研究了影响其性能的主要参数。根据电动振动试验系统对开关功放的要求,提出了以电感电流瞬时值控制技术为基础的三电平脉宽调制开关功放的设计方案,并通过系统仿真进行了原理性论证;然后设计并制作了开关功放的硬件,包括功率转换电路,基于DSP的控制电路,驱动、隔离电路以及保护电路;针对开关功放数学模型不易得出的特点,细致分析了模糊自适应PID控制方法,在此基础上编写了控制程序;研制出一台功率为2kVA,通频带为10～3kHz的三电平脉宽调制开关功放;论文中还探讨了实现大功率开关功放的方法,分析了各种方法的可行性,给出了实现大功率开关功放的思路,并进行了并联开关管实现大功率开关功放的实验。
最后,对设计的开关功放进行了一系列实验,给出了实验波形。
With the development of the electric vibration test system, the requirement of the power amplifier with high performance and high efficiency is urgent. is popularly used because of its virtues of its high efficiency, small volume and high frequency bandwidth. The switching power amplifier is gradually replacing the linear amplifier and has become a hotspot of research now.
With the development of the digital dignal processing technology, TMS320C24x series of DSPs (Digital Signal Processor) perform fast and accurate calculations, flexible program capability, and abundant peripheral functions. The high performance of DSPs allows real-time execution of complex control algorithms and single-chip solution for switching power amplifier control system. Benefiting from high performance and low system loss, applications of the TMS320C24x in the control system of switching power amplifiers extensively.
How to digitize the control system of switching power amplifier is the focus point in the study.
Firstly, the thesis researches the principle, control strategy and classification of the switching power amplifier, and analyses some main parameters. Later, it makes some comparison with four kinds of modulation technique, and finally, it implements the three-level PWM switching power amplifier with the PWM technique. The power of the amplifier is 2kVA, and the frequency bandwidth is 10～3kHz.
In the thesis, the author designs and makes the hardwares of the switching power amplifier. The hardwares contain power inverter rank circuit, control system circuit based on DSP, drive and isolation circuit, and protective circuit. The thesis also analyses the potential safety problems and put forward some solutions for the problems. Furthermore, the thesis accomplishes the software design of the control system, and successfully debugs it. The methods of designing higher power ampilfier are also discussed in the thesis. It analyses the feasibility of the methods, outlines the way of how to design higher power switching power amplifier, and does some experiments with the method of switches-parallelling.
At last, the hardware and the control strategy are tested by emulation and experiments. A series of waveforms of the whole system are given.
引文
[1]宦海祥,范真.电动振动设备的发展及展望.环境试验.No.4.2006
[2]曾学明.磁轴承电控系统研究.南京:南京航空航天大学.2002,9
[3]贾爱莲.脉宽调制(PWM)型功放-SA60.国外电子元器件.No.5.1999
[4]胡小弟 刘继承 V890B振动台技术特征.环境技术.No.4,199
[5]Isao Takahashi,Fellow and Kazuk Iwaya.100KHz,10KVA switching type power amplifier using multilevel inverter.2001 4th IEEE International Conference on Power Electronic sand Drive Systems.Pages:286-291
[6]Nam-Sung Jung,Nam-In Kim and Gyu-Hycong Cho.A new high-efficiency and super-fidelity analog audio amplifier with the aid of digital switching amplifier;class K amplifier.PESC98.Pages:457-463
[7]Ginar.A.,Leach W.M.J.,Bass R.M.,Habetler T.and Gray,K,Analysis of the class AD audio amplifier including hysteresis effects,APEC'2000.Page:1095-1100.
[8]Zheren Lai and Keyue M.Smedley.A Low Distortion Switching Audio Power Amplifier.PESC'95.Pages:174-180
[9]Zheren Lai and Keyue M.Smedley.A New extension of one-cycle control and its application to switching power amplifiers,APEC'95.Pages:826-831.
[10]冯波.用于电力系统混合仿真器的D类功率放大器的研究.华北电力大学.1999
[11]林勇.新型三进制多电平功率放大器的研究.华北电力大学,2000.
[12]Jong-hu park,Chang GKim,Jae-hoon Jcong and Bo H.Cho.A novel controller for switching audio poweramplifier with digital input.PESC′02.pp:39-44
[13]白咸林,李瑞来,张承慧.一种基于三电平电路的新型开关功率放大器.电工技术杂志.2003年第3期
[14]陶惠斌.大功率开关功放的研制.西安交通大学硕士学位论文.2001
[15]王念旭.DSP基础与应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社.2002
[16]王绪伟,费树崛,胡继峰.基于MC33035的永磁无刷直流电机控制器的设计.电子工程师.2001.5
[17]宋凯,崔淑梅.电动车用简易控制器的设计[J].微特电机.1997.1
[18]汪锐.基于DSP芯片的永磁无刷直流电机控制器[J]。微电机.2000,4
[19]涂翘甲.电动自行车电机及驱动电路的设计特点[J].微电机.1997.1
[20]臧晓敏.磁轴承开关型功率放大器的研究.南京航空航天大学 2004.3
[21]杨作兴,赵雷等.磁轴承MPW开关功率放大器的研究。电力电子技术.No.5.2000
[22]黄晓蔚,唐锁怀等.一种用于有源磁悬浮轴承的基于采样保持策略的开关型功率放大器.北京工业大学学报.Vol.24.No4,1998
[23]Berkhout,M..A class D output stage with zero dead time.Digest of Technical Thesiss.IEEE International,2003 pp:134-135vol.pp:134-135vol
[24]Flinders F M,Wolfs P J,KVAong K C.Improved Techniques for Switching Power Amplifiers[J].IEEE Trans-actions on Power Electronics,1993,8(4):673-679.
[25]张亮.,房建成.磁悬浮飞轮用电磁轴承低纹波开关功放的实现.北京航空航天大学学报. 第32卷.第7期.2006.7
[26]许峰.电磁轴承功率放大器的研究.山东科技大学.2003.5
[27]吴文波.高保真音响设计制作.第一版.北京.电子工业出版社.2000.pp1-12
[28]小柴典居著.白玉林译.放大电路设计.第一版.北京.科学技术出版社 2003
[29]龚伟.单周控制的开关功率放大器.硕士学位论文.重庆大学.2003.4
[30]张德魁,赵雷,越鸿宾.电流响应速度及力响应速度对电磁轴承系统性能的影响.清华大学学报(自然科学版).2001,Vol.41.No.6
[31]刘小勇,陶慧斌,施仁.用于振动试验系统的新型大功率开关功放研究.机床与液压.2004.NO.3
[32]陶慧斌.大功率开关功放的研制.硕士学位论文.西安交通大学.2001.5
[33]赵雷,从华,赵鸿宾.可控磁悬浮轴承刚度与阻尼特性研究.清华大学学报.1999.39(4).pp.96-99
[34]祁庆中,赵雷,赵鸿宾,非线性系统三维频域分析法及其在磁轴承中的应用,清华大学学报.1998,38(6),pp:5-7
[35]白咸林.一种新型开关功率放大器的研制.山东大学.2002.6
[36]电动振动台技术条件 GB-T 13310-1991
[37]刘志刚.电力电子.清华大学出版社.2004.6
[38]李爱文,张承慧编著.现代逆变技术及其应用.北京:科学出版社.2000.9
[39]李爱文编著.现代通信基础开关电源的原理和设计.北京:科学出版社.2001.5
[40]黄俊,王兆安.电力电子变流技术.机械工业出版社.1994年第三版.pp.148
[41]张古松,蔡宣三编著.开关电源的原理与设计.北京.电子工业出版社.pp:98-101
[42]曾喜娟.模糊自适应PID控制器的设计.黎明职业大学学报.2007.3.Nov.1
[43]李雪莲.PID模糊控制嚣蛄构研究.机械工程与自动化.2005,(4):96-100.
[44]马银辉.基于matlab的PID参敖白调整的模糊控制器的设计与应用仿真[J].发电设备,2005,(2):112-113.
[45]代林.基于模糊控制系统的自整定PID参数控制器的设计[J].工业控制与应用.2005,24(5):26-29.
[46]李明辉,模糊PID控制器与配浆浓度的控制[J].自动控制。2005,(2):43-45
[47]刘和平,王维维,江渝,邓力等.TMS320LF240x DSP C语言开发应用.北京.北京航空航天大学出版社 2003;pp110-112
[48]陶永华.新型PID控制及其应用.北京.机械工业出版社.2002.
[49]朱铭锆,赵勇,甘泉编著.DSP 应用系统设计.电子工业出版社.2002.10 第一版.pp220-222]
[50]谢景林.主动电磁轴承控制器设计与研究,西安交通大学.2004.3
[51]张卫宁编著.TMS320C2000系列DSP原理及应用.北京:国防工业出版社.2002
[52]李永东主编.交流电机数字控制系统.北京:机械工业出版社.2002.5
[53]刘和平,严利平,张学锋,卓清锋编著.TMS320LF240X DSP结构、原理及应用.北京.北京航空航大大学出版社 2002.5
[54]王武斌.,吕征宇.开关功率放大器的数字控制方案研究.电源技术应用.Vol8.No.12 2005.8
[55]杨景发,陈俊.数字功放的电磁兼容性辐射发射指标设计.Vol.25.No.1.2007.2
[56]陈新国,程耕国.D类功放输出功率与效率的分析.声学技术 Vol.24,No.1.2005.2
[57]韩金刚,史新乾,汤天浩等.一种基于PWM的开关功率放大器的设计.电气传动.Vol.36,No.1 2006
[2]曾学明.磁轴承电控系统研究.南京:南京航空航天大学.2002,9
[3]贾爱莲.脉宽调制(PWM)型功放-SA60.国外电子元器件.No.5.1999
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[5]Isao Takahashi,Fellow and Kazuk Iwaya.100KHz,10KVA switching type power amplifier using multilevel inverter.2001 4th IEEE International Conference on Power Electronic sand Drive Systems.Pages:286-291
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[29]龚伟.单周控制的开关功率放大器.硕士学位论文.重庆大学.2003.4
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[33]赵雷,从华,赵鸿宾.可控磁悬浮轴承刚度与阻尼特性研究.清华大学学报.1999.39(4).pp.96-99
[34]祁庆中,赵雷,赵鸿宾,非线性系统三维频域分析法及其在磁轴承中的应用,清华大学学报.1998,38(6),pp:5-7
[35]白咸林.一种新型开关功率放大器的研制.山东大学.2002.6
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[42]曾喜娟.模糊自适应PID控制器的设计.黎明职业大学学报.2007.3.Nov.1
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[45]代林.基于模糊控制系统的自整定PID参数控制器的设计[J].工业控制与应用.2005,24(5):26-29.
[46]李明辉,模糊PID控制器与配浆浓度的控制[J].自动控制。2005,(2):43-45
[47]刘和平,王维维,江渝,邓力等.TMS320LF240x DSP C语言开发应用.北京.北京航空航天大学出版社 2003;pp110-112
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[49]朱铭锆,赵勇,甘泉编著.DSP 应用系统设计.电子工业出版社.2002.10 第一版.pp220-222]
[50]谢景林.主动电磁轴承控制器设计与研究,西安交通大学.2004.3
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[52]李永东主编.交流电机数字控制系统.北京:机械工业出版社.2002.5
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[54]王武斌.,吕征宇.开关功率放大器的数字控制方案研究.电源技术应用.Vol8.No.12 2005.8
[55]杨景发,陈俊.数字功放的电磁兼容性辐射发射指标设计.Vol.25.No.1.2007.2
[56]陈新国,程耕国.D类功放输出功率与效率的分析.声学技术 Vol.24,No.1.2005.2
[57]韩金刚,史新乾,汤天浩等.一种基于PWM的开关功率放大器的设计.电气传动.Vol.36,No.1 2006
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