基于DSP的便携陀螺逆变电源的设计

论文摘要

陀螺电源是陀螺经纬仪的重要部件之一,其性能的好坏将在很大程度上影响陀螺仪的性能质量指标。陀螺经纬仪工作过程中,陀螺马达的转速不稳定将会引起测量误差。为了提高陀螺经纬仪的测量精度,对陀螺电源输出电压和频率的稳定性都提出了较高的要求。目前国内传统陀螺电源的体积大、电路复杂、频率精度不高、调试维护比较困难,同类的国外产品比较先进,但是价格非常昂贵。因此,对此类电源的研究具有很高的工程实用价值。实验室正在开发的全自动陀螺经纬仪系统采用DT4三相异步交流电机,它的工作电压为交流36V,频率为400Hz。针对该电机的需要,设计了一种基于高性能DSP芯片TMS320LF2407A的高精度逆变电源系统,采用SPWM技术获得了恒压恒频的三相正弦交流电输出。论文首先介绍了逆变电源的工作原理,通过分析SPWM波形产生规律和特点,选择了合适的采样方案,并对其算法做出了详细剖析。论文阐述了陀螺电源系统的硬件设计原理和结构,重点介绍了控制芯片的选型和功能实现、逆变模块的选型及驱动电路设计;设计了完善的故障检测和处理电路,提高了系统的可靠性;滤波电路采用陷波滤波和低通滤波相结合的结构,有效减少了输出波形的谐波分量。考虑到系统便携化的需要,在设计时尽量选择集成度高、低功耗的器件,充分缩小系统的体积和重量。论文给出了陀螺电源系统的软件设计方法。该软件系统采用模块化结构,便于调试和修改,采用C语言编写控制程序,完成样机运行控制、SPWM控制波形的生成、故障检测及处理、A/D采样等任务,并给出了各模块的流程图。同时采取了软件抗干扰措施,使软件运行更加稳定。在研究与设计的基础上制作了原理性样机,完成了系统整机的调试工作,对电源样机的功能和性能进行了大量的测试实验并给出了详细的实验结果。由实验结果可知,电源样机各部分功能模块均能正常工作,性能良好。电源输出电压为36V,稳定度≤0.15%,输出频率为400Hz,稳定度≤0.2%,输出波形正弦化程度高、谐波小,满足陀螺仪对电源的各项指标要求,具有稳定性好、集成度高、功耗低的特点,实现了电源的便携、小巧。论文在最后提出了今后系统的改进方法和措施。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 陀螺马达简介及电源设计要求
• 1.3 逆变电源发展现状
• 1.3.1 逆变技术的发展过程
• 1.3.2 逆变电源应用及国内外研究现状
• 1.3.3 现代逆变电源的发展趋势
• 1.4 论文主要工作
• 第二章 系统工作原理及结构
• 2.1 逆变电源基本原理和分类
• 2.1.1 逆变电源基本结构
• 2.1.2 逆变电源分类
• 2.2 SPWM 控制技术
• 2.2.1 等效面积法
• 2.2.2 自然采样法
• 2.2.3 规则采样法
• 2.3 SPWM 波形的生成
• 2.3.1 SPWM 的DSP 生成原理
• 2.3.2 载波比和调制度的选择
• 2.3.3 SPWM 开关点的计算
• 2.4 衡量逆变电源的性能指标
• 2.5 系统整体结构
• 第三章 系统硬件设计
• 3.1 DSP 系统
• 3.1.1 DSP 芯片的选型
• 3.1.2 DSP 最小系统
• 3.2 逆变电路
• 3.2.1 逆变器件的选型
• 3.2.2 驱动电路
• 3.2.3 内部保护及抗干扰措施
• 3.3 故障检测电路
• 3.3.1 电流检测
• 3.3.2 缺相检测
• 3.4 滤波电路
• 3.4.1 输出滤波器的整体结构
• 3.4.2 滤波器参数的选择
• 3.5 信号电平转换电路
• 3.6 电源转换电路
• 3.7 硬件抗干扰措施
• 第四章 系统软件设计
• 4.1 软件总体结构
• 4.2 初始化子程序
• 4.3 SPWM 信号的生成
• 4.4 缺相检测子程序
• 4.5 A/D 采样子程序
• 4.6 驱动功率保护子程序
• 4.7 软件抗干扰措施
• 第五章 实验结果分析
• 5.1 电源样机结构
• 5.2 系统功能测试
• 5.3 系统性能测试
• 5.3.1 三相输出电压测量
• 5.3.2 三相输出频率测量
• 5.3.3 输出三相电流的测量
• 5.3.4 输出波形频谱及谐波分析
• 5.4 电源系统实测指标
• 第六章 全文总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢