摘要：介紹了利用硬件描述語言VHDL設(shè)計的一種基于CPLD的PWM控制電路，該PWM控制電路具有PWM開關(guān)頻率可調(diào)，同側(cè)2路信號互鎖、延時時間可調(diào)、接口簡單等特點，可應(yīng)用于現(xiàn)代直流伺服系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：PWM控制電路CPLDVHDL

在直流伺服控制系統(tǒng)中，通過專用集成芯片或中小規(guī)模的數(shù)字集成電路構(gòu)成的傳統(tǒng)PWM控制電路往往存在電路設(shè)計復(fù)雜，體積大，抗干擾能力差以及設(shè)計困難、設(shè)計周期長等缺點因此PWM控制電路的模塊化、集成化已成為發(fā)展趨勢。它不僅可以使系統(tǒng)體積減小、重量減輕且功耗降低，同時可使系統(tǒng)的可靠性大大提高。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是專用集成電路（ASIC）設(shè)計技術(shù)的日趨完善，數(shù)字化的電子自動化設(shè)計（EDA）工具給電子設(shè)計帶來了巨大變革，尤其是硬件描述語言的出現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)電路原理圖設(shè)計系統(tǒng)工程的諸多不便。針對以上情況，本文給出一種基于復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）的PWM控制電路設(shè)計和它的仿真波形。

1PWM控制電路基本原理

為了實現(xiàn)直流伺服系統(tǒng)的H型單極模式同頻PWM可逆控制，一般需要產(chǎn)生四路驅(qū)動信號來實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換控制。當(dāng)PWM控制電路工作時，其中H橋一側(cè)的兩路驅(qū)動信號的占空比相同但相位相反，同時隨控制信號改變并具有互鎖功能；而另一側(cè)上臂為低電平，下臂為高電平。另外，為防止橋路同側(cè)對管的導(dǎo)通，還應(yīng)當(dāng)配有延時電路。設(shè)計的整體模塊見圖1所示。其中，d[7:0]矢量用于為微機(jī)提供調(diào)節(jié)占空比的控制信號，cs為微機(jī)提供控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制信號，clk為本地晶振頻率，qout[3:0]矢量為四路信號輸出。其內(nèi)部原理圖如圖2所示。

該設(shè)計可得到脈沖周期固定（用軟件設(shè)置分頻器I9可改變PWM開關(guān)頻率，但一旦設(shè)置完畢，則其脈沖周期將固定）、占空比決定于控制信號、分辨力為1／256的PWM信號。I8模塊為脈寬鎖存器，可實現(xiàn)對來自微機(jī)的控制信號d[7：0]的鎖存,d[7：0]的向量值用于決定PWM信號的占空比。clk本地晶振在經(jīng)I9分頻模塊分頻后可為PWM控制電路中I12計數(shù)器模塊和I11延時模塊提供內(nèi)部時鐘。I12計數(shù)器在每個脈沖的上升沿到來時加1，當(dāng)計數(shù)器的數(shù)值為00H或由0FFH溢出時，它將跳到00H時，cao輸出高電平至I7觸發(fā)器模塊的置位端，I7模塊輸出一直保持高電平。當(dāng)I8鎖存器的值與I12計數(shù)器中的計數(shù)值相同時，信號將通過I13比較器模塊比較并輸出高電平至I7模塊的復(fù)位端，以使I7模塊輸出低電平。當(dāng)計數(shù)器再次溢出時，又重復(fù)上述過程。I7為RS觸發(fā)器，經(jīng)過它可得到兩路相位相反的脈寬調(diào)制波，并可實現(xiàn)互鎖。I11為延時模塊，可防止橋路同側(cè)對管的導(dǎo)通，I10模塊為脈沖分配電路，用于輸出四路滿足設(shè)計要求的信號。CS為I10模塊的控制信號，用于控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

摘要：SA8282是英國MITEL公司推出的三相PWM發(fā)生器集成芯片。該芯片采用全數(shù)字化操作，工作方式靈活、頻率范圍寬、精度很高并可與微處理器接口以實現(xiàn)智能化控制。文中介紹了該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、引腳功能、主要特點和工作原理，給出了典型的應(yīng)用電路。

關(guān)鍵詞：PWM發(fā)生器；SA8282；微處理器

1SA8282的功能特點

PWM控制技術(shù)是通過控制電路按一定規(guī)律來控制開關(guān)管的通斷,以得到一組等幅而不等寬的矩形脈沖波形并使其逼近正弦電壓波形。其方法有模擬方法和數(shù)字方法兩種，其中模擬方法的電路比較復(fù)雜,且有溫漂現(xiàn)象，會影響精度,降低系統(tǒng)的性能。數(shù)字方法則是按照不同的數(shù)字模型用計算機(jī)算出各切換點并將其存入內(nèi)存,然后通過查表及必要的計算生成PWM波，因此數(shù)字方法受內(nèi)存影響較大,且與系統(tǒng)精度之間存在著矛盾。SA8282是英國MITEL公司生產(chǎn)的全數(shù)字化三相PWM發(fā)生器，它頻率范圍寬、精度高，并可與微處理器進(jìn)行接口,同時能夠完成外圍控制功能,因而可實現(xiàn)智能化。

SA8282采用28腳DIP封裝。圖1是其引腳排列圖，其各引腳的功能說明如下：

AD0～AD7：八位地址與數(shù)據(jù)復(fù)用總線，用于從微處理器接受地址與數(shù)據(jù)信息。

摘要：隨著集成電路設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，在片上系統(tǒng)（SoC）中，越來越多地使用各種功能IP核部件構(gòu)成系統(tǒng)?？偩€是這些部件連接的主要方式，目前有數(shù)家公司和組織研發(fā)了多種面向SoC設(shè)計的總線系統(tǒng)。本文介紹SoC中常用的三種片上總線AMBA、Wishbone和Avalon，分析和比較其特性，并針對其不同的特點闡述其使用范圍。

關(guān)鍵詞：SoC片上總線AMBAWishboneAvalon

引言

嵌入式系統(tǒng)是當(dāng)今計算機(jī)工業(yè)發(fā)展的一個熱點。隨著超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，半導(dǎo)體工業(yè)進(jìn)入深亞微米時代，器件特征尺寸越來越小，芯片規(guī)模越來越大，可以在單芯片上集成上百萬到數(shù)億只晶體管。如此密集的集成度使我們現(xiàn)在能夠在一小塊芯片上把以前由CPU和若干I/O接口等數(shù)塊芯片實現(xiàn)的功能集成起來，由單片集成電路構(gòu)成功能強(qiáng)大的、完整的系統(tǒng)，這就是我們通常所說的片上系統(tǒng)SoC（SystemonChip）。由于功能完整，SoC逐漸成為嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的主流。

SoC相比板上系統(tǒng)，具有許多優(yōu)點：

①充分利用IP技術(shù)，減少產(chǎn)品設(shè)計復(fù)雜性和開發(fā)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)的時間；

Maxim推出的新型I／O端口擴(kuò)展器是為那些需要額外增加I／O口的應(yīng)用而設(shè)計的，這些通用器件能夠為電路設(shè)計人員提供具有過壓保護(hù)的邏輯輸入端口或漏極開路邏輯輸出端口，其過壓額定值為5.5V或7V。

這些端口的輸出可以用作LED驅(qū)動器，并可提供閃爍和PWM亮度控制功能。該系列產(chǎn)品將18個擴(kuò)展端口集成在4mm2的薄型QFN封裝內(nèi)，而10端口擴(kuò)展器則采用尺寸更小的3mm2薄型QFN封裝。由于蜂窩電話、PDA、膝上型電腦需要將監(jiān)視和控制功能集中在一個很小的區(qū)域內(nèi)，設(shè)計人員沒有足夠的空間從主ASIC引出一簇I／O口線，因而只有引出兩條線作為I2C總線，這就需要小尺寸、功耗極低的端口擴(kuò)展芯片，而且要求這種芯片非常便宜，并具有極高的可靠性，同時還要易于使用。此外，還要占用極少的處理器資源。

1設(shè)計需求

Maxim的設(shè)計工程師經(jīng)過潛心研究，開發(fā)出了一系列的模塊。由于每種器件都已針對具體的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行了優(yōu)化，因此，這些器件在－40～＋125℃的汽車級溫度范圍內(nèi)可保持在1．2μA（典型值）和3．6μA（最大值）以內(nèi)的靜態(tài)電流。這些產(chǎn)品可工作在2V～＋3．6V電源電壓下，同時支持熱插拔。所有器件引腳（電源引腳除外）在關(guān)斷模式下保持高阻狀態(tài)，能夠承受至少6V的電壓，無論芯片是否加電，I／O端口和串口都可以處在帶電模式，因而非常適合熱插拔應(yīng)用。

圖1

2PWM亮度控制

摘要：TD340驅(qū)動器芯片是ST微電子公司推出的一種用于直流電機(jī)的控制器件，可用于驅(qū)動N溝道MOSFET管。文中介紹了TD340芯片的工作原理，給出了TD340芯片在直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用電路。

關(guān)鍵詞：TD340；直流電機(jī)調(diào)速；PWM

直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。直流電動機(jī)具有良好的起、制動性能和調(diào)速性能，易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，且調(diào)速后的效率很高，因此，采用硬件邏輯電路實現(xiàn)的PWM控制系統(tǒng)已在實踐中廣泛應(yīng)用，但是，這種方法的硬件電路比較復(fù)雜，一般也無計算機(jī)接口。而本文介紹的以TD340驅(qū)動器芯片為核心的直流電機(jī)PWM調(diào)速控制系統(tǒng)則可以大大簡化硬件電路。該系統(tǒng)不僅可以模擬控制，而且具有計算機(jī)接口，同時具有良好的保護(hù)功能。

1系統(tǒng)工作原理

直流電機(jī)脈寬調(diào)速通過改變控制電壓的脈沖寬度來改變加在直流電機(jī)上的平均電樞電壓的大小，從而改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖1所示為可逆的PWM變換器主電路的H型結(jié)構(gòu)形式。圖中，4個MOSFET管的基極驅(qū)動電壓分為兩組，其中Q2L和Q1H為一組，當(dāng)Q2L接收PWM信號導(dǎo)通時，Q1H常開；而Q2H和Q1L截止。這時，電機(jī)兩端得到電壓而旋轉(zhuǎn)，而且占空比越大，轉(zhuǎn)速越高。由于直流電機(jī)是一個感性負(fù)載，當(dāng)MOS關(guān)斷時，電機(jī)中的電流不能立即降到零，所以必須給這個電流提供一條釋放通路，否則將產(chǎn)生高壓破壞器件。處理這種情況的通常方法是在MOSFET管旁邊并聯(lián)一個二極管，使電流流過二極管，最后通過歐姆耗散的方式在二極管中消失。對于大電流，耗散是重要的排放方法。這里必須使用高速二極管。電機(jī)反轉(zhuǎn)時道理相同。

2TD340的引腳功能和控制特性

基于直流對電機(jī)驅(qū)動電路的使用需求，各大半導(dǎo)體廠商專門針對工業(yè)企業(yè)對直流電機(jī)的使用需求，推出了直流電機(jī)控制專用的集成電路，共同構(gòu)成了集成電路控制系統(tǒng)，該種電路控制系統(tǒng)自身具有集成化效果好、驅(qū)動電路簡單、外圍元減少，使用便捷等特點。另外，該電路在使用過程中也存在一定的缺點，輸出的功率相對較為有限，無法滿足大功率直流電機(jī)的驅(qū)動需求。本文針對驅(qū)動電路存在的不足，專門設(shè)計了大功率直流電機(jī)驅(qū)動電路，提升了驅(qū)動電路的設(shè)計效果。

1大功率直流電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計

1.1總體結(jié)構(gòu)

大功率直流電機(jī)驅(qū)動電路如圖1所示：從圖1中的總體結(jié)構(gòu)能夠看出電機(jī)驅(qū)動電路在控制信號方面具有重要作用，主要的控制信號包括電機(jī)轉(zhuǎn)向控制（DIR）及電機(jī)轉(zhuǎn)速控制（PWM）兩種。Vcc1是驅(qū)動邏輯電路中的部分電源，能夠為驅(qū)動電路提供電源，Vcc2、Vcc3也是驅(qū)動邏輯電路中的重要組成部分，在為大功率直流電機(jī)驅(qū)動電路進(jìn)行供電時，主要是采用雙電源供電方式。M+、M-作為直流電機(jī)的接口[1]。大功率直流電機(jī)驅(qū)動電路在供電過程中，為了取得良好的供電效果，需要將驅(qū)動電路電氣與控制電路電氣隔離開來，避免驅(qū)動電路在運行過程中對其他電路的運行效果造成較大的影響，避免電路運行過程中遭受到其他電路的干擾，給系統(tǒng)的邏輯預(yù)算造成較大的影響。加大對邏輯信號的控制和使用，充分利用信號來提升光電隔離效果，放大邏輯信號的作用，充分利用控制電路與驅(qū)動電路的作用，來驅(qū)動H橋上的下臂，在驅(qū)動直流電機(jī)，以完成對驅(qū)動電路系統(tǒng)的控制[2]。

1.2電機(jī)驅(qū)動邏輯電路分析

在對驅(qū)動電路圖進(jìn)行設(shè)計時，需要嚴(yán)格按照電器隔離的要求級Power MOSFET特性要求進(jìn)行設(shè)計，結(jié)合當(dāng)前工業(yè)行業(yè)對電路的使用要求，設(shè)計出了一款大功率直流電機(jī)驅(qū)動電路。驅(qū)動電路在實際的使用過程中，需要確保MCU端和電路輸入端進(jìn)行有效的連接，所設(shè)置的輸入信號主要包括DIR信號和PWM信號兩種。其中DIR信號主要是指數(shù)字信號，通常為0或1。而PMN信號為脈寬調(diào)制信號，被廣泛應(yīng)用與電機(jī)轉(zhuǎn)速控制中，需要確保兩種信號的有機(jī)連接，以此來提升信號控制效果，滿足工業(yè)企業(yè)對電機(jī)驅(qū)動邏輯電路的使用需求。通常電機(jī)驅(qū)動邏輯電路由 電機(jī)驅(qū)動邏輯電路、光電隔離和驅(qū)動放大器電路及H橋功率驅(qū)動電路共同組成[3]。電機(jī)驅(qū)動邏輯電路如圖2所示，控制信號PWM和DIR是電機(jī)驅(qū)動邏輯電路中的重要組成部分，主要用來收集MCU端送來的控制信號，信號會經(jīng)過與門氣74LS08和反向器74LS04運算后，來實現(xiàn)對光電隔離器的再驅(qū)動。將DIR作為方向控制信號，在輸入信號時需要輸入DOR2，將DIR1和轉(zhuǎn)速控制信號PWM，通過74LS08進(jìn)行預(yù)算，以得到轉(zhuǎn)速控制信號PWM2。需要確保PWM相遇DIR2轉(zhuǎn)速信號相運算后，以此來得到轉(zhuǎn)速信號PWM1，在對信號進(jìn)行控制時，主要分為兩組對信號進(jìn)行控制，將PWM1和DIR1作為一組，將PWM2和DIR2作為二組。PWM1和PWM2主要是用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而DIR1和DIR2主要是運用控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)向[4]。待DIR1為1時，DIR2為0時，在對電機(jī)驅(qū)動情況進(jìn)行記錄時，運算器74LS08需要分別于PWM相乘，從相乘后的結(jié)果能夠看出，PWM2計算所得的波形與PWM的波形相一致，說明兩者的輸出信號一致。如果DIR1為0時，DIR2為1時，說明PWM1與PWM兩者具有一致的波形信號。通過以上對電機(jī)驅(qū)動邏輯電路進(jìn)行分析的過程，能夠看出DIR1、PWM1，DIR2、PWM2兩組信號在邏輯運算中，有助于驅(qū)動廣電隔離電路，對提升廣電隔離電路使用效果具有重要作[5]。

1有限雙極性控制

全橋逆變器采用的是絕緣柵雙極晶體管，控制方式為有限雙極性控制[4]，如圖2所示。全橋逆變器的工作原理為：接通任一橋臂的兩個絕緣柵雙極晶體管，如IGBT1和IGBT3，接通時間ton，其值為DTs/2，（D為占空比，Ts為交替接通周期）。另一橋臂的晶體管IGBT2和IGBT4依次接通Ts/2。除IGBT1與IGBT4同時接通或IGBT2與IGBT3同時接通外，高頻變壓器的一次電壓和輸出電壓均為零。受負(fù)載電感的影響，負(fù)載處在一個交替接通周期內(nèi)可以形成穩(wěn)定的恒定電流。脈寬調(diào)制脈沖的寬度和負(fù)載的性質(zhì)共同決定了負(fù)載電流的大小。在晶體管IGBT2和IGBT4的脈寬調(diào)制波形設(shè)置一個死區(qū)時間，以防所有開關(guān)管同時接通而產(chǎn)生短路。輸出電流的調(diào)節(jié)通過IGBT1和IGBT3驅(qū)動信號的脈寬調(diào)節(jié)。

2數(shù)字脈寬調(diào)制

作為逆變電路的核心，輸入信號經(jīng)脈寬調(diào)制器與給定值比較后，轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ㄕ伎毡鹊拿}沖信號輸出并驅(qū)動電路，進(jìn)而對整個逆變電源的輸出進(jìn)行調(diào)整和控制。數(shù)字信號處理器中自帶有脈寬調(diào)制模塊，該模塊中具有8個I/O引腳，組成編號為PWM1H/PWM1L、PWM2H/PWM2L、PWM3H/PWM3L、PWM4H/PWM4L的4個高/低端引腳對，并分別由4個占空比發(fā)生器控制。I/O引腳對低端與高端的狀態(tài)在負(fù)載互補(bǔ)時恰好相反。脈寬調(diào)制模塊具有4種工作模式，能夠?qū)崿F(xiàn)有限雙極性控制。數(shù)字脈寬調(diào)制流程如圖3所示，其工作模式由脈寬調(diào)制時基控制寄存器設(shè)定。引腳對PWM1H/PWM1L設(shè)置為遞增/遞減模式時，可以控制全橋逆變器中的晶體管IGBT2和IGBT4；引腳對PWM2H/PWM2L設(shè)置為雙更新模式時，可以控制全橋逆變器中的晶體管IGBT1和IGBT3。無論何種工作模式，脈寬調(diào)制的定時周期均通過控制寄存器實現(xiàn)。IGBT2和IGBT4的占空比由占空比寄存器1設(shè)定，并在有限雙極性控制模式下設(shè)置為1；IGBT1和IGBT3的占空比由占空比寄存器2設(shè)定，并在有限雙極性控制模式下不斷更新，其更新數(shù)據(jù)由PI控制模塊根據(jù)反饋電流或電壓計算得到。脈寬調(diào)制時基控制寄存器的值在實時控制過程中不斷增加，并不斷與占空比寄存器的值進(jìn)行比較，直至兩者相等時輸出脈寬調(diào)制信號，并通過設(shè)置置位比較控制寄存器將輸出信號分為低有效和高有效。通過設(shè)置脈寬調(diào)制模塊自帶死區(qū)時間發(fā)生器的控制位，可以為PWM1H/PWM1L的死區(qū)時間設(shè)置插入位置和大小。2.3PI調(diào)節(jié)對于對象為慣性環(huán)節(jié)或滯后環(huán)節(jié)的連續(xù)控制系統(tǒng)，理想的控制方法是比例+積分（PI）控制，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定后不會出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差。由于高頻逆變電源的對象為二階慣性環(huán)節(jié)，因此適于采用增量式PI控制[5]。在由數(shù)字信號處理器控制的逆變電路中，采用軟件得到的高頻方波信號具有精準(zhǔn)的占空比和頻率，如圖4所示。圖中Ig和If分別為基準(zhǔn)電流和實測電流，e為兩者的差值，即電流偏差，Ig為數(shù)字信號處理器產(chǎn)生的方波電流。PI調(diào)節(jié)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制對象分別為脈寬調(diào)制模塊和全橋逆變電路。即將電流偏差e輸入PI控制器，由脈寬調(diào)制模塊輸出脈沖信號，以調(diào)節(jié)逆變電路的交替接通，進(jìn)而控制電流。

3實驗研究

該點焊實驗以自制的高頻逆變電路為電源，實際負(fù)載采用電阻箱，逆變電路采用有限雙極性控制功率，電壓波形如圖5所示。三段焊電流具有緩慢升降的作用，可用于復(fù)雜動態(tài)焊接過程，提高焊接工藝水平。三段焊電流的實現(xiàn)通過三個不同參數(shù)的設(shè)置實現(xiàn)，如圖6所示。電流波形的電流和時間分別設(shè)置為：1.0kA、6.5ms，1.5kA、7.0ms，2.0kA、8.0ms。跡示教的軌跡存儲功能，能夠完成不規(guī)則焊縫的多層多道焊接。（3）進(jìn)行了盾體焊接及切割試驗，獲取了相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)，驗證了所研發(fā)焊接/切割機(jī)器人應(yīng)用于盾體焊縫自動焊接及切割的可行性。

摘要：基于機(jī)械振動理論和控制理論，以TMS320F2407為核心處理器建立了一種數(shù)字式主動振動控制系統(tǒng)。設(shè)計了該系統(tǒng)硬件電路，并用軟件實現(xiàn)了控制策略。實驗表明，該系統(tǒng)有效地解決了主動振動控制的實時性問題，并使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，隔振效能大大提高。

關(guān)鍵詞：主動振動控制TMS320F2407實時性

主動振動控制具有隔振率高、適應(yīng)性強(qiáng)、可抗強(qiáng)沖擊振動等優(yōu)點，可使關(guān)鍵設(shè)備在惡劣沖擊振動環(huán)境下可靠工作。但是，主動振動控制系統(tǒng)對相位要求較為嚴(yán)格，要求系統(tǒng)具有極強(qiáng)的實時性，否則由于相位滯后，控制效果將會受到嚴(yán)重影響。因而在數(shù)字式主動振動控制系統(tǒng)中，通常在單片機(jī)難以達(dá)到實時性要求，本文采用高速DSP器件解決控制的實時性問題。

TMS320LF2407是TI公司專為實時控制而設(shè)計的高性能16位定點DSP器件，指令周期為33ns，其內(nèi)部集成了前端采樣A/D轉(zhuǎn)換器和后端PWM輸出硬件，在滿足系統(tǒng)實時性要求的同時可簡化硬件電路設(shè)計。本文在總線模擬主動控制系統(tǒng)設(shè)計作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，設(shè)計了以TMS320F2407為核心的數(shù)字式主動振動控制系統(tǒng)。

1主動振動控制系統(tǒng)及其數(shù)學(xué)模型

1.1控制系統(tǒng)工作原理

摘要：本文介紹了一款基于LM3404的LED手術(shù)無影燈恒流驅(qū)動調(diào)光電路，詳細(xì)論述了調(diào)光電路的硬件和軟件方案的設(shè)計及實測效果。電路采用單片機(jī)MSP430F1232控制LED驅(qū)動模塊，集成調(diào)光控制模塊，可實現(xiàn)對大功率LED手術(shù)無影燈進(jìn)行無極調(diào)光的功能，并且含有參數(shù)記憶模式，具有智能化、精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點，大大提高了LED手術(shù)無影燈的使用性能。

關(guān)鍵詞：LED手術(shù)無影燈；單片機(jī)；LM3404；調(diào)光控制

隨著LED照明技術(shù)的日新月異，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，從照明延伸到工業(yè)照明、汽車照明以及醫(yī)用照明等領(lǐng)域，LED手術(shù)無影燈便是醫(yī)院手術(shù)室必用設(shè)備之一，在醫(yī)生手術(shù)過程中發(fā)揮重要的照明作用[1]。與傳統(tǒng)手術(shù)照明燈具相比，LED手術(shù)無影燈具有節(jié)能環(huán)保、高光效、無熱輻射、壽命長等優(yōu)點，不僅壽命延長到3萬多小時，而且光照均勻，光質(zhì)好，不會散發(fā)出過量的熱，能避免手術(shù)區(qū)域中的組織干燥影響手術(shù)結(jié)果，相同照度下節(jié)能量更在70%以上。本文所介紹的電路集單片機(jī)、調(diào)光控制模塊于一體，可以實現(xiàn)LED亮度的無級調(diào)控，操作者可根據(jù)自身對亮度的適應(yīng)性隨意調(diào)節(jié)，使其達(dá)到理想的舒適度，并且該電路具有參數(shù)記憶模式，可根據(jù)個人的設(shè)置需求進(jìn)行存儲記憶，方便了操作者的使用。

1調(diào)光電路硬件設(shè)計

LED手術(shù)無影燈電路結(jié)構(gòu)框圖見圖1，采用大功率LED光源，設(shè)計參數(shù)為輸出電流400mA，精度±5%，PWM線性調(diào)光范圍為0~100%、具有輸出過流、過載保護(hù)功能。從圖1可以看出，該電路集成電源管理模塊、數(shù)據(jù)存儲器模塊、人機(jī)交互模塊以及調(diào)光控制模塊。中央控制器采用德州儀器（TI）公司的低功耗、高性能MSP430F1232單片機(jī)[2]作為核心控制器，用于進(jìn)行調(diào)光數(shù)據(jù)的設(shè)置與處理；電源管理模塊的作用是保證整個電路工作電壓的穩(wěn)定，保證無影燈亮度的穩(wěn)定性及設(shè)備的安全性；人機(jī)交互模塊負(fù)責(zé)LED無影燈照明亮度的調(diào)節(jié)與設(shè)置，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換傳遞給中央控制器；調(diào)光控制模塊通過接收來自單片機(jī)產(chǎn)生的PWM控制信號，與DC/DC變換控制器LM3404以及外圍電路組成本設(shè)計的調(diào)光控制模塊，達(dá)到對LED手術(shù)無影燈的亮度調(diào)節(jié)。本文針對調(diào)光控制模塊電路進(jìn)行了詳細(xì)描述。1.1LM3404介紹。單片機(jī)MSP430F1232產(chǎn)生的PWM控制信號與DC/DC變換控制器LM3404以及外圍電路組成本設(shè)計的調(diào)光控制模塊。LM3404是由德州儀器（TI）公司研發(fā)設(shè)計的內(nèi)部集成開關(guān)電源控制的芯片，是一款由可控電流源衍生的降壓型穩(wěn)壓器，可驅(qū)動大功率、高亮度發(fā)光二極管串，可以接受范圍在DC6V~DC42V的輸入電壓[3]。根據(jù)實際使用中手術(shù)對亮度和照度的需要，操作者對轉(zhuǎn)換器的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以維持通過LED陣列的恒定電流水平[3]。表1為LM3404管腳說明，該芯片具有以下特點：①使用DC6~42V的寬電壓范圍；②內(nèi)部集成N溝道MOSFET，最大輸出電流可達(dá)1.5A，滿足輸出電流400mA的要求；③內(nèi)部MOSFET的導(dǎo)通時間可通過外接電阻控制，以適應(yīng)不同負(fù)載時輸出電壓的波動；④根據(jù)PWM信號的占空比大小實現(xiàn)對大功率LED發(fā)光亮度的調(diào)節(jié)；⑤包含開路、短路、過溫等多種保護(hù)電路，保證電路的安全性；⑥可實現(xiàn)無電解電容的電路設(shè)計，確保電路壽命更長。VIN+通過R5與LM3404的Ron引腳相連，以使LM3404內(nèi)部的MOSFET開關(guān)管通過R2調(diào)節(jié)導(dǎo)通與關(guān)斷的時間；L1為儲能電感，R3與R4為電流采樣電阻，完成電路的輸出電流采樣；當(dāng)內(nèi)部MOSFET開關(guān)管處于高頻開關(guān)狀態(tài)時，通過L1將輸出到負(fù)載的電流穩(wěn)定在設(shè)定輸出值，電流通過VIN+、開關(guān)管MOSFET、儲能電感L1、LED、電流采樣電阻R4與R5、最終返回GND，通過L1電感的電流線性上升。在此過程中，L1存儲能量；當(dāng)MOSFET開關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)時，通過L1電感的電流由續(xù)流二極管D1提供給續(xù)流回路，L1儲存的能量釋放，為負(fù)載處提供工作電流，用以維持負(fù)載處電流的恒定；LM3404輸出采樣電流控制端CS根據(jù)采樣電阻的電壓變化來調(diào)節(jié)流過LED電流的大小，控制芯片恒流輸出；Q1為外接N溝道MOSFET，其漏極與LM3404的調(diào)光設(shè)置端DIM引腳相連，其源極則與電路的GND端相連，其柵極則與單片機(jī)的調(diào)光控制PWM信號相連接，通過調(diào)節(jié)PWM占空比大小最終實現(xiàn)對LED手術(shù)無影燈照明亮度的調(diào)節(jié)。在滿足調(diào)光功能的基礎(chǔ)上，還應(yīng)考慮到醫(yī)用設(shè)備電氣安全和電磁兼容的重要性，防止因醫(yī)療環(huán)境中其他電子電氣設(shè)備的相互干擾引起的安全故障。因此，在電路設(shè)計中采用Modbus冗余校驗法，排除錯誤干擾信號；采用完全的電氣隔離，增大電子器件的爬電距離和電氣間隙，以阻止電路各部分的相互影響；采用過壓和過流自動保護(hù)電路，當(dāng)電壓或電流超過規(guī)定值時，系統(tǒng)自動切斷電源，以保證設(shè)備的安全。1.3PWM調(diào)光信號的產(chǎn)生。高亮度發(fā)光二極管串的電流主要通過對LM3404的DIM端口進(jìn)行PWM調(diào)節(jié)，實際電流占設(shè)定電流值的比例取決于PWM的占空比[3]。在電路初次啟動完成上電后，作為中央控制器的單片機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)，此時產(chǎn)生的PWM調(diào)光信號占空比為固定設(shè)定值，LED手術(shù)無影燈照明的亮度為初始亮度。由于大功率LED會隨著使用時間的增加產(chǎn)生光衰，為使LED手術(shù)無影燈的光照強(qiáng)度在設(shè)計壽命時間內(nèi)始終保持最優(yōu)的照明效果，克服光衰造成的照度下降問題，該調(diào)光電路在工作一段時間后，單片機(jī)會根據(jù)實際工作時長由設(shè)定程序來補(bǔ)償調(diào)整PWM調(diào)光信號的占空比，保證LED光源的發(fā)光強(qiáng)度。另外，為適應(yīng)不同操作者對照明亮度的需求，操作者可根據(jù)自身習(xí)慣及醫(yī)療環(huán)境要求通過人機(jī)交互設(shè)定照明亮度，關(guān)閉照明燈具后單片機(jī)會將最后設(shè)定的亮度數(shù)值存儲于外部數(shù)據(jù)存儲器中；當(dāng)用戶再次開啟該LED手術(shù)無影燈照明時，單片機(jī)會按最后保存的照明模式進(jìn)行控制輸出。

2電路軟件程序設(shè)計

摘要：首先介紹了三電平PWM變換器的特點，比較了空間矢量控制方法、SHEPWM方法和SPWM方法的優(yōu)缺點。詳細(xì)地介紹了三電平中SPWM控制的原理，并討論了用DSPLF2407A來實現(xiàn)SPWM的方法。最后通過仿真和實驗驗證了SPWM控制方法的特點，實驗證實了用DSP實現(xiàn)三電平SPWM的方便性。

關(guān)鍵詞：三電平變換器；正弦脈沖寬度調(diào)制；數(shù)字處理器

1概述

二極管中點鉗位型的三電平逆變器[1]的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。由于二極管的鉗位，這種變換器每個功率開關(guān)管承受的最大電壓為直流側(cè)電壓的1/2，從而實現(xiàn)了用中低壓器件完成中高容量的變換。另外，由于相電壓有三種電平狀態(tài)，比傳統(tǒng)的二電平逆變器多了一個電平，其諧波水平明顯低于二電平變換器，輸出相同質(zhì)量電流波形的時候，開關(guān)頻率可以降低到兩電平的1/4。最后，由于采用了不對稱的雙向開關(guān)，能量可以雙向流動，可以很好地控制功率因數(shù)和實現(xiàn)電機(jī)四象限運行。然而，由于這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用了12個功率管，其控制方法也隨之復(fù)雜。另外，直流側(cè)中點電位的不平衡也是制約該拓?fù)涞囊粋€重要因素。

圖1

三電平變換器的控制方法主要有正弦波調(diào)制PWM(SPWM)，選擇性的消諧PWM(SHEPWM)，空間矢量PWM(SVPWM)。