精密交流電源中的數(shù)字控制分析

摘要：介紹了一個(gè)包含Intel 16位單片機(jī)的雙CPU高分辨率交流電源控制系統(tǒng)，并詳細(xì)闡述了其中采用的正弦信號(hào)數(shù)字合成技術(shù)及母線跟隨和分級(jí)控制方法。試驗(yàn)表明電源輸出正弦波形的各項(xiàng)性能指標(biāo)均有很高精度，能很好地滿足檢驗(yàn)精度的要求。

關(guān)鍵詞：程控電源；高分辨率；數(shù)字合成；雙CPU

Digital Control in High Resolution AC Power Supply

XU Yan-wen, LUB Zheng-yu, WANG You-sheng

Abstract:A high resolution AC power supply system controlled by dual-CPU(Intel 16)is presented.The digital synthesis, frequency conversion and phase shift of digital waveform is discussed in detail. The experiments show that the sinuous output has excellent precision and meet the needs of verification.

Keywords:Programmable power supply; High resolution; Digital synthesis; Dual-CPU

1 引言

電力系統(tǒng)中廣泛使用的各類變送器和控制繼電器，需要定期用更高等級(jí)的交流測試電源對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)。目前校驗(yàn)用電源種類繁多，但大多采用線性電源，其體積大、效率低。而開關(guān)電源克服了傳統(tǒng)線性電源的這些缺點(diǎn)，使其在各類精密儀表、儀器中的應(yīng)用前景看好。

國內(nèi)外高性能開關(guān)電源多采用半數(shù)字化智能控制，由單片機(jī)產(chǎn)生瞬時(shí)電壓（電流）反饋控制逆變器的基準(zhǔn)正弦波信號(hào)，模擬電路實(shí)現(xiàn)主功率電路的閉環(huán)控制。正弦信號(hào)產(chǎn)生有多種方法，其中直接數(shù)字頻率合成（DDS）因頻率切換速度快、分辨率高、易于調(diào)節(jié)而得到廣泛應(yīng)用。但是要實(shí)現(xiàn)高分辨率的頻率、相位、幅值調(diào)節(jié)必須提高CPU時(shí)鐘和增大存儲(chǔ)空間。本文將介紹以雙CPU為核心的控制系統(tǒng)，采用虛擬空間法和雙級(jí)D/A（數(shù)模轉(zhuǎn)換）輸出結(jié)構(gòu)，在有限的存儲(chǔ)空間和時(shí)鐘頻率下，產(chǎn)生高精度的多路可變頻、移相和調(diào)幅的參考波形。同時(shí)改善了傳統(tǒng)的直流母線參考電壓不變的控制方法，通過母線跟隨、分級(jí)控制，能夠使輸出級(jí)產(chǎn)生精度很高的三相電壓或電流波形。本系統(tǒng)既可獨(dú)立地作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源使用，也可應(yīng)用于各類變送器的測試、校驗(yàn)工作。

2 工作原理

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與基本工作原理描述

本交流電源主電路由整流、濾波、DC/DC變換、DC/AC變換等環(huán)節(jié)構(gòu)成。簡化結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理為：DC/DC級(jí)產(chǎn)生可控的直流母線電壓，為DC/AC級(jí)提供直流電壓；DC/AC級(jí)經(jīng)橋式電路以SPWM方式實(shí)現(xiàn)逆變，經(jīng)LC濾波輸出正弦電壓（或電流）。它采用雙環(huán)控制，由單片機(jī)產(chǎn)生的高精度AC電源基準(zhǔn)信號(hào)，與反饋電壓比較，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電壓誤差信號(hào)，作為內(nèi)電流環(huán)的給定信號(hào)。再與濾波電感 的 電 流 信 號(hào) 比 較 產(chǎn) 生 電 流 誤 差 信 號(hào) ， 最 后 與 三 角 波 合 成SPWM波 。 同 時(shí) ， 根 據(jù) DC/AC級(jí) 輸 出 幅 度 ， 由 單 片 機(jī) 為 DC/DC級(jí) 提 供 參 考 信 號(hào) 的 協(xié) 調(diào) 控 制 ， 使 DC/AC級(jí) 在 小 幅 度 輸 出 時(shí) 能 有 較 大 的 調(diào) 制 比 ， 以 抑 制 輸 出 級(jí) 的 開 關(guān) 紋 波 。 為 充 分 利 用 電 壓 傳 感 器 的 精 度 ， 通 過 不 同 量 程 間 自 動(dòng) 切 換 傳 感 器 的 采 樣 電 阻 ， 保 證 了 電 源 在 整 個(gè) 量 程 內(nèi) 的 精 度 。

圖 1 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 框 圖

2.2 微機(jī)控制部分

以兩片80C196KB為控制核心，進(jìn)行必要的外圍擴(kuò)展，簡化系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 微 機(jī) 控 制 原 理 圖
根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的不同，本系統(tǒng)由上位機(jī)模塊、下位機(jī)模塊和通信模塊三個(gè)部分組成。其中上位機(jī)模塊負(fù)責(zé)對(duì)主電路的全方位監(jiān)控及對(duì)各路參考信號(hào)基準(zhǔn)源的幅度、頻率、相位進(jìn)行調(diào)節(jié)；下位機(jī)模塊由多路高速并行D/A輸出精密參考信號(hào)；通信模塊主管上位機(jī)與工控機(jī)之間的信息交流以及上位機(jī)和下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送及共享。

2.3 DDS數(shù)字波形生成

本系統(tǒng)應(yīng)用DDS技術(shù)實(shí)現(xiàn)CPU控制的電源基準(zhǔn)波形。其原理框圖如圖3所示。

圖3 DDS原 理 框 圖

首先，將單位振幅正弦波的相位在2π弧度內(nèi)分成2A個(gè)點(diǎn)（即最小相間隔θmin=2π/2A）經(jīng)離散量化后存入ROM，構(gòu)成正弦表。通過相位累加器把頻率碼變換成相位取樣值。在時(shí)鐘（基準(zhǔn)頻率）控制下，相位累加器以Δθ（=nθmin,n=1,2...）為增量遞增，其輸出的相位數(shù)據(jù)對(duì)ROM尋址，查出的函數(shù)值經(jīng)D/A變換器變換成量化正弦波，經(jīng)低通濾波器可得正弦波電壓。最后輸出頻率為

f0=K·

式中：f0為時(shí)鐘頻率；

K為頻率碼；

2A為EPROM存儲(chǔ)波形的最大點(diǎn)數(shù)。

頻率的分辨率為

f0min=

當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器以每秒Nf速率從寄存器單元取數(shù)（N是一個(gè)信號(hào)周期里的采樣點(diǎn)數(shù)），輸出正弦波頻率是f，頻率分辨率為f1=（Nf）/2A。如果存的波形點(diǎn)數(shù)為p2A，并以整數(shù)p為間隔來取數(shù)據(jù)（從k跳至k＋p）,就可以不改變D/A刷新頻率而保持信號(hào)頻率仍為f。同時(shí)輸出正弦波的頻率分辨率提高了p倍，即f2=（Nf）/p2A。這說明，如果選擇一個(gè)存儲(chǔ)空間比較大的寄存器，就可以克服CPU時(shí)鐘頻率的限制。其實(shí)質(zhì)就是將時(shí)間上所面臨的困難轉(zhuǎn)到寄存器內(nèi)存空間上解決。

實(shí)際寄存器空間可能仍不夠大，可以采用插值等方法解決。由于單片機(jī)系統(tǒng)資源的限制，進(jìn)行插值計(jì)算也比較困難。假設(shè)輸出1Hz時(shí)要求的分辨率達(dá)到1‰即0.001Hz，EPROM中存有64k波形點(diǎn)，時(shí)鐘頻率為10k，那么實(shí)際可達(dá)到的分辨率僅為fmin==0.15Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。因此，本文提出了一個(gè)折衷的方法，即虛擬空間法。進(jìn)行DDS計(jì)算時(shí)，假設(shè)系統(tǒng)有16384k（224）的存儲(chǔ)空間（虛擬空間，即存儲(chǔ)的正弦波點(diǎn)數(shù)）。