C2000 Launchpad數字電源口袋實驗平臺開發

李劍波， 韓 明， 徐科軍

(合肥工業大學 電氣與自動化工程學院， 安徽 合肥 230009)

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C2000 Launchpad數字電源口袋實驗平臺開發

李劍波， 韓 明， 徐科軍

(合肥工業大學 電氣與自動化工程學院， 安徽 合肥 230009)

針對目前高校電源技術實驗裝置大、靈活性差、電壓等級高的現狀，研制了以TI C2000Launchpad為核心控制器，基于口袋實驗室理念的數字電源實驗套件。該實驗套件包括TMS320F28027最小系統、母板、液晶，以及降壓、升壓、翻轉和升降壓四個電源電路模塊，可以完成開環調壓實驗、峰值電流控制實驗和雙閉環控制實驗，具有結構緊湊，體積小，攜帶方便等特點，特別適用于學生進行課外活動和參加創新比賽。

數字電源； 口袋實驗平臺； 數字信號處理器； 降壓； 升壓； 翻轉； 升降壓

0 引 言

電源技術是高校電氣工程、自動化、電子信息類專業必不可少的一門專業課，也是后續課程的基礎，學好這門課對每一個電氣、自動化的大學生都尤為重要。要想真正學好電源技術僅僅停留在教材上是遠遠不夠的，實踐和實驗環節必不可少[1]。高校配有的實驗裝置體積大，不便于拓展，也不能應用于學生的創新比賽。同時，實驗設備電壓等級較高，學生需要在老師的指導下在實驗室進行實驗。課堂實驗時間相對有限，不利于學生課后復習，也不便于學生在課外參加實踐活動。而且，實驗箱大多屬于全封閉構造的模擬電源，學生不能看到內部分立電子器件，不利于學生動手能力的培養。相對于模擬電源，數字電源發展速度更快，應用范圍更廣。在高校推廣使用數字電源，可使學生專業知識緊跟科技發展的步伐。

針對電源實驗系統的現狀，我們研發數字電源教學實驗套件。該實驗套件基于口袋實驗室思路進行設計，通過更換不同的模塊，實現不同拓撲結構的功能，完成不同的實驗，集成度高，成本低，使用方便，不僅適用于課堂實驗，也方便學生參加課外活動，對于學生自主學習能力和動手能力的提高有很大幫助。同時，該實驗套件電壓等級較低，安全性高，靈活性強，是大實驗箱的很好補充，并且此實驗套件由分立元件搭建而成，在學習電源的同時，也可以學習DSP技術和模擬電路技術，有利于學生對專業知識的融會貫通。

1 設計理念

口袋實驗室理念是數字電源實驗套件最大的特點和設計出發點。本著不僅能在課堂上進行實驗，同時課后也可在寢室做實驗的思路，將實驗套件設計成手掌大小，可以輕松放入口袋或者書包中，隨身攜帶。

基于口袋實驗室理念，套件以TI C2000 Launchpad為主控平臺，包括一塊母板和若干塊模塊(子板)：Buck(降壓)模塊、Boost (升壓)模塊、Cuk(反壓)模塊、Sepic(升降壓)模塊、液晶顯示模塊和TMS320F28027[1-5]最小系統，其架構如圖1所示。

圖1 數字電源實驗套件組成

將C2000 Launchpad、液晶顯示、和電壓變換模塊分別插在母板上就組成了一套系統，通過更換電壓變換模塊可以實現不同的拓撲結構，完成不同的功能。

2 硬件研制

整個系統包括控制部分和電壓變換部分。控制核心采用的是TI C2000 Launchpad ,包括TMS320F28027型DSP、板載仿真器、撥碼開關以及BoosterPack。電壓變化部分由輔助電源電路、斬波電路、輸出電流檢測電路、輸出電壓檢測電路和驅動電路組成。系統的硬件原理框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件原理框圖

以Buck模塊為例。Buck模塊包括降壓斬波電路、驅動電路、輸出電流采樣電路和輸出電壓采樣電路，電路采用分析元件搭建，可以更好地體現電路結構與功能，Buck模塊的電路原理圖如圖3所示。

圖3 Buck模塊電路原理圖

3 軟件研制

整個系統采用模塊化設計方法，將系統各個功能組合成獨立模塊，由主監控程序來統一調用，這樣就控制了程序設計的復雜性，縮短了開發周期，同時易于維護和功能擴展。整個系統主要由主監控模塊、初始化模塊、采樣模塊、中斷模塊及顯示模塊等組成。其中初始化模塊主要對系統、外設以及變量進行初始化，采樣模塊完成對數據的采樣以及模數轉換，中斷模塊完成對系統的PI調節以及對占空比的改變，顯示模塊完成輸出電壓、輸出電流的顯示。其軟件框圖如圖4所示。

圖4 系統軟件框圖

4 實驗項目

4.1 開環調壓實驗

通過直接給定PWM占空比控制Buck降壓電路輸出電壓，輸出電壓通過CCS Watch Window觀察，也可以用萬用表測量。輸出電流反饋到片上比較器，與設置的觸發電流進行比較，當降壓電路輸出電流大于觸發電流時，表示電路出現故障，比較器輸出一個觸發信號，使PWM占空比置零，起到過流保護作用。控制原理框圖如圖5所示。

圖5 開環降壓實驗控制原理圖

4.2 峰值電流控制實驗

在峰值電流模式控制下，當占空比Duty>50%時，電路不能穩定工作，限制了峰值電流控制方式的應用，必須加以斜坡補償進行改善。斜坡補償同時簡化了過載和短路保護。在參考電流處加入斜坡補償[6-7]的峰值電流模式控制原理框圖如圖6所示。

圖6 峰值電流控制原理框圖

4.3 雙閉環控制實驗

為了保證系統的穩定、快速和可靠性，降壓型數字電源系統采用雙閉環控制，控制原理框圖如圖7所示。雙閉環控制中的外環為電壓環，主要起穩定電壓和抗負載擾動作用；內環為電流環，主要起穩定電流作用。參考電壓與輸出電壓反饋量形成偏差，經電壓調節后產生電流參考量，電壓調節采用PI調節方式[8-10]。參考電流經斜坡補償后與電流反饋量送入比較器，通過比較器控制ePWM模塊，實現數字電源系統的輸出電壓的控制。

圖7 雙閉環控制原理框圖

5 結 語

以TI C2000 DSP最小系統為核心，采用TI的集成芯片，基于口袋實驗室的設計理念，開發了基于C2000 DSP的數字電源實驗套件。該實驗套件通過更換不同的模塊，實現不同拓撲結構的功能，完成不同的實驗，具有結構緊湊、體積小、攜帶方便、安全等特點，不僅適用于課堂教學，也適用于學生在課后學習。數字電源實驗套件涉及多門學科，包括電源技術、DSP應用技術、傳感器與檢測技術和自動控制技術。

本文研制的數字電源實驗套件作為展品，應邀參加了美國德州儀器(TI)公司大學計劃在浙江大學舉行的2014年TI公司中國大學電源教育者會議和在青島舉行的2015年TI公司中國大學電源教育者會議，得到兄弟院校老師的關注。同時，我們已將技術產權轉讓給TI公司,由TI公司批量生產2 000套，正向國內各高校推廣。

[1] Texas Instruments Inc.TMS320x2802x, 2803x Piccolo Enhanced Pulse Width Modulator (ePWM) Module Reference Guide[Z]. December 2008.

[2] Texas Instruments Inc. TMS320F2802x/TMS320F2802xx Piccolo System Control and Interrupts Reference Guide[Z]. December 2008.

[3] Texas Instruments Inc. TMS320x28xx, 28xxx DSP Peripheral Reference Guide[Z]. June 2003.

[4] Texas Instruments Inc.TMS320x2802x,2803x Piccolo Analog-to-Digital Converter (ADC) and Comparator Reference Guide[Z]. December 2008.

[5] 任潤柏，姜建明，姚 鋼，等.TMS320F2802X DSC原理及源碼解讀—基于TI Piccolo系列[M].北京：北京航空航天出版社，2013.

[6] 韋 楓，吳 金.基于斜波補償的電流模式PWM DC-DC系統穩定性分析[J].電子器件，2003,26(4)：461-463.[7] 王 磊，陳修強.峰值電流模式控制中的斜波補償技術[J].山西電子技術，2009.

[8] 張 興.電力電子技術[M].北京：科學出版社，2010.

[9] 王孝武.自動控制理論[M].北京：機械工業出版社，2009.

[10] Ron Lenk..實用開關電源設計[M].王正仕，張軍明，譯.北京：人民郵電出版社,2006.

Development of Digital Power Pocket Experiment Platform Based on C2000 Launchpad

LIJian-bo，HANMing，XUKe-jun

(School of Electrical and Automation Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

According to the current situation, experimental devices for power technology in colleges and universities are large, poor flexibility and high voltage level. To solve these problems, we developed a digital power experimenter's kit based on the concept of pocket laboratory experiment. TI C2000 Launchpad was used as core controller. The kit also applies TMS320F28027, system board, LCD, and has a compact structure, a small size. It has functions of Buck, Boost, Cuk and Sepic. It can do the open-loop regulator experiments, peak current control experiments and dual-loop control experiment. It is portable and convenient, especially, is suitable to students in extracurricular activities and innovation competition.

digital power; pocket experiment platform; digital signal processor; buck; boost; cuk; sepic

2015-12-01

2013年安徽省質量工程項目(2013jxms009)

李劍波(1992-)，男，江蘇無錫人，碩士生,研究方向：嵌入式系統。Tel.：18788898093；E-mail：ljb624990170@163.com

徐科軍(1956-)，男，江蘇無錫人，博士，教授，博士生導師,研究方向：傳感器技術，自動化儀表和數字信號處理。

Tel.: 0551-62901412; E-mail: dsplab@ hfut.edu.cn

TP 27

A

1006-7167(2016)09-0148-03