C2000 Launchpad数字电源口袋实验平台开发

李剑波， 韩 明， 徐科军

(合肥工业大学 电气与自动化工程学院， 安徽 合肥 230009)



C2000 Launchpad数字电源口袋实验平台开发

李剑波， 韩 明， 徐科军

(合肥工业大学 电气与自动化工程学院， 安徽 合肥 230009)

针对目前高校电源技术实验装置大、灵活性差、电压等级高的现状，研制了以TI C2000Launchpad为核心控制器，基于口袋实验室理念的数字电源实验套件。该实验套件包括TMS320F28027最小系统、母板、液晶，以及降压、升压、翻转和升降压四个电源电路模块，可以完成开环调压实验、峰值电流控制实验和双闭环控制实验，具有结构紧凑，体积小，携带方便等特点，特别适用于学生进行课外活动和参加创新比赛。

数字电源； 口袋实验平台； 数字信号处理器； 降压； 升压； 翻转； 升降压

0 引 言

电源技术是高校电气工程、自动化、电子信息类专业必不可少的一门专业课，也是后续课程的基础，学好这门课对每一个电气、自动化的大学生都尤为重要。要想真正学好电源技术仅仅停留在教材上是远远不够的，实践和实验环节必不可少[1]。高校配有的实验装置体积大，不便于拓展，也不能应用于学生的创新比赛。同时，实验设备电压等级较高，学生需要在老师的指导下在实验室进行实验。课堂实验时间相对有限，不利于学生课后复习，也不便于学生在课外参加实践活动。而且，实验箱大多属于全封闭构造的模拟电源，学生不能看到内部分立电子器件，不利于学生动手能力的培养。相对于模拟电源，数字电源发展速度更快，应用范围更广。在高校推广使用数字电源，可使学生专业知识紧跟科技发展的步伐。

针对电源实验系统的现状，我们研发数字电源教学实验套件。该实验套件基于口袋实验室思路进行设计，通过更换不同的模块，实现不同拓扑结构的功能，完成不同的实验，集成度高，成本低，使用方便，不仅适用于课堂实验，也方便学生参加课外活动，对于学生自主学习能力和动手能力的提高有很大帮助。同时，该实验套件电压等级较低，安全性高，灵活性强，是大实验箱的很好补充，并且此实验套件由分立元件搭建而成，在学习电源的同时，也可以学习DSP技术和模拟电路技术，有利于学生对专业知识的融会贯通。

1 设计理念

口袋实验室理念是数字电源实验套件最大的特点和设计出发点。本着不仅能在课堂上进行实验，同时课后也可在寝室做实验的思路，将实验套件设计成手掌大小，可以轻松放入口袋或者书包中，随身携带。

基于口袋实验室理念，套件以TI C2000 Launchpad为主控平台，包括一块母板和若干块模块(子板)：Buck(降压)模块、Boost (升压)模块、Cuk(反压)模块、Sepic(升降压)模块、液晶显示模块和TMS320F28027[1-5]最小系统，其架构如图1所示。

图1 数字电源实验套件组成

将C2000 Launchpad、液晶显示、和电压变换模块分别插在母板上就组成了一套系统，通过更换电压变换模块可以实现不同的拓扑结构，完成不同的功能。

2 硬件研制

整个系统包括控制部分和电压变换部分。控制核心采用的是TI C2000 Launchpad ,包括TMS320F28027型DSP、板载仿真器、拨码开关以及BoosterPack。电压变化部分由辅助电源电路、斩波电路、输出电流检测电路、输出电压检测电路和驱动电路组成。系统的硬件原理框图如图2所示。

图2 系统硬件原理框图

以Buck模块为例。Buck模块包括降压斩波电路、驱动电路、输出电流采样电路和输出电压采样电路，电路采用分析元件搭建，可以更好地体现电路结构与功能，Buck模块的电路原理图如图3所示。

图3 Buck模块电路原理图

3 软件研制

整个系统采用模块化设计方法，将系统各个功能组合成独立模块，由主监控程序来统一调用，这样就控制了程序设计的复杂性，缩短了开发周期，同时易于维护和功能扩展。整个系统主要由主监控模块、初始化模块、采样模块、中断模块及显示模块等组成。其中初始化模块主要对系统、外设以及变量进行初始化，采样模块完成对数据的采样以及模数转换，中断模块完成对系统的PI调节以及对占空比的改变，显示模块完成输出电压、输出电流的显示。其软件框图如图4所示。

图4 系统软件框图

4 实验项目

4.1 开环调压实验

通过直接给定PWM占空比控制Buck降压电路输出电压，输出电压通过CCS Watch Window观察，也可以用万用表测量。输出电流反馈到片上比较器，与设置的触发电流进行比较，当降压电路输出电流大于触发电流时，表示电路出现故障，比较器输出一个触发信号，使PWM占空比置零，起到过流保护作用。控制原理框图如图5所示。

图5 开环降压实验控制原理图

4.2 峰值电流控制实验

在峰值电流模式控制下，当占空比Duty>50%时，电路不能稳定工作，限制了峰值电流控制方式的应用，必须加以斜坡补偿进行改善。斜坡补偿同时简化了过载和短路保护。在参考电流处加入斜坡补偿[6-7]的峰值电流模式控制原理框图如图6所示。

图6 峰值电流控制原理框图

4.3 双闭环控制实验

为了保证系统的稳定、快速和可靠性，降压型数字电源系统采用双闭环控制，控制原理框图如图7所示。双闭环控制中的外环为电压环，主要起稳定电压和抗负载扰动作用；内环为电流环，主要起稳定电流作用。参考电压与输出电压反馈量形成偏差，经电压调节后产生电流参考量，电压调节采用PI调节方式[8-10]。参考电流经斜坡补偿后与电流反馈量送入比较器，通过比较器控制ePWM模块，实现数字电源系统的输出电压的控制。

图7 双闭环控制原理框图

5 结 语

以TI C2000 DSP最小系统为核心，采用TI的集成芯片，基于口袋实验室的设计理念，开发了基于C2000 DSP的数字电源实验套件。该实验套件通过更换不同的模块，实现不同拓扑结构的功能，完成不同的实验，具有结构紧凑、体积小、携带方便、安全等特点，不仅适用于课堂教学，也适用于学生在课后学习。数字电源实验套件涉及多门学科，包括电源技术、DSP应用技术、传感器与检测技术和自动控制技术。

本文研制的数字电源实验套件作为展品，应邀参加了美国德州仪器(TI)公司大学计划在浙江大学举行的2014年TI公司中国大学电源教育者会议和在青岛举行的2015年TI公司中国大学电源教育者会议，得到兄弟院校老师的关注。同时，我们已将技术产权转让给TI公司,由TI公司批量生产2 000套，正向国内各高校推广。

[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] 任润柏，姜建明，姚 钢，等.TMS320F2802X DSC原理及源码解读—基于TI Piccolo系列[M].北京：北京航空航天出版社，2013.

[6] 韦 枫，吴 金.基于斜波补偿的电流模式PWM DC-DC系统稳定性分析[J].电子器件，2003,26(4)：461-463.[7] 王 磊，陈修强.峰值电流模式控制中的斜波补偿技术[J].山西电子技术，2009.

[8] 张 兴.电力电子技术[M].北京：科学出版社，2010.

[9] 王孝武.自动控制理论[M].北京：机械工业出版社，2009.

[10] Ron Lenk..实用开关电源设计[M].王正仕，张军明，译.北京：人民邮电出版社,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年安徽省质量工程项目(2013jxms009)

李剑波(1992-)，男，江苏无锡人，硕士生,研究方向：嵌入式系统。Tel.：18788898093；E-mail：ljb624990170@163.com

徐科军(1956-)，男，江苏无锡人，博士，教授，博士生导师,研究方向：传感器技术，自动化仪表和数字信号处理。

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

TP 27

A

1006-7167(2016)09-0148-03