程控多功能三相功率源的設(shè)計(jì)
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程控三相交流功率源的應(yīng)用十分廣泛，它被大量應(yīng)用于冶金、通信、化工、電力及軍工等諸多行業(yè)。用于交流調(diào)壓、調(diào)功、調(diào)光及電機(jī)軟啟動等工業(yè)自動化控制領(lǐng)域，還可以用于計(jì)量以及產(chǎn)品的性能試驗(yàn)等方面。用于計(jì)量和產(chǎn)品試驗(yàn)等領(lǐng)域的功率源對于其輸出波形要求較高，要求功率源輸出完整的正弦波信號，對于正弦波的失真度有一定的限制。目前此類交流功率源的實(shí)際輸出功率都很小，它們一般只強(qiáng)調(diào)單項(xiàng)指標(biāo)，即電流或電壓輸出。而用于電能表計(jì)量時(shí)，其功率源輸出的不是真實(shí)的功率，而是利用產(chǎn)生“虛功率”的方法來實(shí)現(xiàn)電能的計(jì)量。在某些產(chǎn)品的性能試驗(yàn)或計(jì)量過程中需要產(chǎn)生實(shí)際的交流功率，且要求其任意相的電流、電壓、相位都能夠獨(dú)立調(diào)節(jié)。目前的交流功率源都無法滿足要求，本文介紹的三相功率源就是為解決這個(gè)問題而設(shè)計(jì)的，它能輸出低失真度的正弦波信號，最大輸出功率200W，能實(shí)現(xiàn)任意相電壓、電流、相位的獨(dú)立調(diào)整，能夠產(chǎn)生既不平衡又不對稱的功率信號。
硬件設(shè)計(jì)
整機(jī)原理
為滿足程控功率源的功能要求，本設(shè)計(jì)采用的是多CPU結(jié)構(gòu)，由一個(gè)單片機(jī)作為控制單元，控制三個(gè)相互獨(dú)立的相信號發(fā)生器，產(chǎn)生三個(gè)互差120°的正弦電壓信號。每一相信號發(fā)生器都以一個(gè)單片機(jī)為核心，產(chǎn)生一個(gè)幅值和相位都可以調(diào)整的正弦電壓信號，該電壓信號經(jīng)功率放大器放大后輸出?？刂茊卧?fù)責(zé)管理鍵盤、液晶顯示及串口通信，控制相信號發(fā)生器按要求產(chǎn)生出三相交流電壓信號。控制單元通過I2C串行總線與各相信號發(fā)生器連接，并發(fā)送各種控制命令與數(shù)據(jù)。圖1為整機(jī)原理框圖。
相信號發(fā)生器
相信號發(fā)生器的原理如圖2所示。單片機(jī)選用Cygnal公司推出的C8051F016，該單片機(jī)是一種更適用于嵌入式系統(tǒng)低端機(jī)的、性能優(yōu)良的系統(tǒng)芯片。該系列單片機(jī)采用CIP-51內(nèi)核，指令系統(tǒng)與MCS-51完全兼容。它采用流水線結(jié)構(gòu)，淡化了機(jī)器周期的概念，指令以時(shí)鐘周期為運(yùn)行單位，因此大大地提高了指令運(yùn)行的速度，最大速度可達(dá)25MIPS。
C8051F016內(nèi)集成了高性能的、可變增益的、多通道的10位A/D轉(zhuǎn)換器，這是一個(gè)功能強(qiáng)大的ADC子系統(tǒng)，它包括一個(gè)9通道的模擬多路開關(guān)、一個(gè)可編程增益放大器和一個(gè)100ksps的12位分辨率的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置一個(gè)1.2V、15ppm/℃的電壓基準(zhǔn)。該子系統(tǒng)還集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器。
C8051F016還有兩個(gè)12位的電壓輸出方式的D/A轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、多種串行通信接口、溫度傳感器、看門狗以及利于在系統(tǒng)編程的Flash存儲器和JTAG接口及其片內(nèi)調(diào)試電路。
正弦信號的產(chǎn)生
相信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號的基本思想是，利用單片機(jī)按照正弦規(guī)律輸出數(shù)字信號，每次輸出的數(shù)字信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成正比于該數(shù)字信號的模擬信號，連續(xù)輸出后則產(chǎn)生一個(gè)模擬正弦波信號。一般情況，D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量UOUT=KUREF，就是說D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓的幅值取決于D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓UREF。因此，可利用對參考電壓的控制來改變信號發(fā)生器的輸出正弦電壓的有效值。
DAC0832是電流輸出的8位D/A轉(zhuǎn)換器，用它和兩級放大器構(gòu)成信號發(fā)生器的D/A轉(zhuǎn)換電路，輸出雙極性的正弦波電壓信號。利用C8051F016單片機(jī)內(nèi)部的12位DAC輸出一個(gè)可變的直流控制電壓，為DAC0832提供參考電壓UREF，單片機(jī)根據(jù)控制單元發(fā)出的輸出電壓設(shè)定值改變此控制電壓，則信號發(fā)生器輸出的交流電壓有效值由此控制電壓決定。
交流參數(shù)測量
為保證輸出信號滿足設(shè)定要求，單片機(jī)還要實(shí)時(shí)測量本相信號發(fā)生器的輸出電壓和電流的有效值。C8051F016內(nèi)部有8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，其最大轉(zhuǎn)換速率100KSPS，本裝置采用交流采樣原理完成交流參數(shù)的測量，可充分利用單片機(jī)的資源。
對于該信號發(fā)生器輸出的電流和電壓進(jìn)行交流采樣，將它們的信號進(jìn)行相應(yīng)的處理后分別加到模擬通道0和模擬通道1，單片機(jī)對它們進(jìn)行交流采樣，每周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)均為500點(diǎn)，然后對這些采樣值進(jìn)行計(jì)算，分別計(jì)算出電流和電壓的有效值。
除了測量交流電流和交流電壓，還要測量本信號發(fā)生器輸出電壓與相鄰信號發(fā)生器輸出電壓的相位差，以保證三相電壓的對稱性。方法是利用單片機(jī)內(nèi)部的比較器對相鄰兩輸出電壓進(jìn)行相位比較，測量出它們的相位差。測量時(shí)將兩相的輸出電壓取樣、整形，然后分別加到兩比較器的正端，由單片機(jī)進(jìn)行判斷，計(jì)算出相位差。
功率放大器
功率放大器是對前端的D/A轉(zhuǎn)換電路輸出的交流電壓信號進(jìn)行功率放大，以滿足功率源輸出功率的要求。功率放大器選用BB公司生產(chǎn)的單片大功率集成運(yùn)算放大器OPA541，該放大器芯片的最大工作電源電壓為±40V，最大輸出電流10A。除了具有良好的功率輸出特性外，還具有使用方便、電路調(diào)試簡單等優(yōu)點(diǎn)。功率放大電路如圖3所示。
使用該芯片進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意：
(1)輸出保護(hù)。當(dāng)負(fù)載為感性時(shí)，由于電流的滯后會引起電壓的反沖尖峰，該尖峰電壓出現(xiàn)在功放管的輸出端，極易擊穿其輸出級。為保證功放管安全，應(yīng)在其輸出端與電源之間并接高速快恢復(fù)二極管，其反向恢復(fù)時(shí)間小于100ns。
(2) 電流限制。為保證功放管工作在安全工作區(qū)內(nèi)，應(yīng)采用限流電阻進(jìn)行限流，以防止電流過大，當(dāng)電流超過設(shè)定的最大電流時(shí)，功放管就會自動保護(hù)，避免管子損壞。具體接法見圖3。限流電阻的選擇參照下式：
R=0.809/|IMAX|-0.057
式中IMAX為最大輸出電流。
(3) 消除耦合，抑制干擾。主要方法有：外殼接地，對功放管進(jìn)行屏蔽，防止外部干擾。輸入與輸出回路隔離，消除由于耦合電容引起的正反饋。
控制單元
控制單元是本裝置的核心，負(fù)責(zé)人機(jī)對話，接受鍵盤信息和串口的程控命令，向各相信號發(fā)生器發(fā)出控制命令，包括電壓幅值和相位值的設(shè)定值等。
控制單元電路如圖4所示。CPU采用PHILIPS公司的P89C660單片機(jī)，它片內(nèi)帶有16Kflash存儲器，既可并行編程又可以串行編程。它采用先進(jìn)的CMOS工藝的80C51內(nèi)核，指令集與80C51相同，但指令周期為6個(gè)時(shí)鐘周期，是傳統(tǒng)80C51的一半。內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的80C51增加了I2C串行接口、可編程計(jì)數(shù)器陣列、可編程時(shí)鐘輸出及Boot ROM等，使芯片功能更強(qiáng)大。顯示器選用清華蓬遠(yuǎn)的點(diǎn)陣式液晶圖形顯示模塊M-12864。該模塊內(nèi)藏點(diǎn)陣圖形顯示控制器，提供了行、列驅(qū)動器及顯示緩沖區(qū)RAM的接口，與單片機(jī)的接口十分方便，可顯示中文、西文及圖形等。8279是通用可編程鍵盤、顯示器接口芯片，它能管理64鍵的鍵盤，自動掃描、消抖、識別按鍵、給出鍵碼，且易于接口。
軟件設(shè)計(jì)
在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，分為控制單元和信號發(fā)生器兩部分進(jìn)行。其程序設(shè)計(jì)基本方法相同，都是先實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡練的主程序，然后在此基礎(chǔ)上，把所有要完成的功能編制成相應(yīng)的任務(wù)模塊。根據(jù)模塊各自的特點(diǎn)，或者由系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度，或者在響應(yīng)中斷后執(zhí)行，最后完成整個(gè)軟件系統(tǒng)的功能。
信號發(fā)生器主要軟件模塊有：
(1)系統(tǒng)自整定模塊：其功能是完成系統(tǒng)的自動整定，包括整機(jī)硬件設(shè)備的自檢、自診斷等。
(2)正弦信號發(fā)生模塊：將按照正弦規(guī)律變化的數(shù)據(jù)存放在存儲器當(dāng)中，CPU根據(jù)輸出電壓的頻率的設(shè)定值計(jì)算出正弦信號的周期，再計(jì)算輸出數(shù)據(jù)的間隔步長，按此步長周期性地輸出正弦數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)定的輸出電壓的幅值，計(jì)算D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓UREF值，由單片機(jī)內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換器輸出。
(3)數(shù)據(jù)采集及處理模塊：主要功能是按照交流采樣法完成交流電流和交流電壓信號的采樣并計(jì)算出其相應(yīng)的真有效值。測量相鄰兩相電壓之間的相位差。
(4)計(jì)算和調(diào)整模塊：根據(jù)控制單元設(shè)定的電壓及相鄰電壓相位差，計(jì)算、分析、確定調(diào)整方向和它的步長值，使輸出達(dá)到設(shè)定值。
控制單元主要軟件模塊有：
(1)鍵盤處理模塊和液晶顯示模塊：鍵盤處理模塊完成按鍵的識別功能，并在確認(rèn)有效按鍵后調(diào)用相應(yīng)按鍵功能函數(shù)進(jìn)行處理。顯示模塊則負(fù)責(zé)管理各級菜單，顯示參數(shù)的設(shè)定情況、執(zhí)行情況、以及儀器自檢等內(nèi)容。
(2) RS485通信模塊：完成異步串行口RS485接口管理功能，負(fù)責(zé)接收來自遠(yuǎn)程控制命令。
(3) I2C通信模塊： 完成裝置內(nèi)部控制命令及數(shù)據(jù)傳送的管理。負(fù)責(zé)發(fā)送功率源輸出的參數(shù)及控制命令，接收信號發(fā)生器送回的狀態(tài)信號。
主要技術(shù)指標(biāo)
該三相交流功率源的主要技術(shù)指標(biāo)如下：
● 輸出相電壓范圍 0～220V
● 輸出相電流范圍 0~7A
● 輸出頻率范圍 40～60Hz
● 每相最大輸出功率 200W
● 電壓、電流調(diào)節(jié)步長 0.5％
● 輸出電壓、電流精度≤0.5％
● 輸出頻率精度 ≤0.1Hz
● 輸出正弦波波形失真度≤0.8％
結(jié)語
程控三相交流功率源在結(jié)構(gòu)上采用了基于I2C串行總線的多CPU結(jié)構(gòu)，使得本裝置對輸出的控制能力具有較大的靈活性。在單片機(jī)的選型上充分利用內(nèi)部資源豐富、性能強(qiáng)大的單片機(jī)，大大地簡化了裝置的硬件設(shè)計(jì)。選擇單片大功率集成運(yùn)算放大器作為裝置的功率放大，可以簡化功放電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試，并使它的性能指標(biāo)得到提高?？傊炭厝嘟涣鞴β试淳哂懈飨喾謩e程控調(diào)幅、調(diào)相、正弦波功率輸出等強(qiáng)大的功能，又有操作方便、工作可靠等特點(diǎn)。它將給一些產(chǎn)品試驗(yàn)以及計(jì)量領(lǐng)域提供極其方便的試驗(yàn)設(shè)備和條件，并解決了某些難以解決的問題。■
參考文獻(xiàn)：
1．潘琢金，施國君 編著， C8051Fxxx 高速SOC單片及原理及應(yīng)用，北京航空航天大學(xué)出版社 2002年.
2． PHILIPS最新80C51系列單片機(jī)數(shù)據(jù)手冊，廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司.
3．BURR-BROWN IC DATABOOK，LINER PRODUCTS， 1995.
圖1 整機(jī)框圖
圖2 相信號發(fā)生器
圖3 功放原理圖
圖4 控制單元原理圖
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