基于微處理器和PWM的交流可調(diào)穩(wěn)壓電源

1 問(wèn)題的提出與現(xiàn)狀分析

　　教科書(shū)中介紹穩(wěn)壓電源時(shí)，幾乎毫無(wú)例外都介紹各種類型的直流穩(wěn)壓電源，交流電壓變換廣泛采用變壓器，交流電壓的穩(wěn)定主要依賴于電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。需要交流調(diào)壓時(shí)常采用可控硅斬波，利用導(dǎo)通角的變化實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓，這種調(diào)壓的缺點(diǎn)是輸出電壓波形嚴(yán)重畸變，對(duì)電網(wǎng)存在較為嚴(yán)重的諧波污染?？煽毓枵{(diào)壓波形如圖1所示。

圖1 可控硅調(diào)壓輸出波形

　　隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的普及與發(fā)展，尤其是在物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)中，作為計(jì)算機(jī)的感官——傳感器廣泛應(yīng)用于各種參數(shù)的檢測(cè)中，例如交流電橋檢測(cè)電路，如電容式壓力傳感器、電感式物位傳感器等等，為了保證檢測(cè)精度，需要頻率和幅值都很穩(wěn)定的交流電源。交流檢測(cè)電橋如圖2所示。

圖2 交流檢測(cè)電橋

　　通常單相交流電源的頻率穩(wěn)定度較高，由于電源內(nèi)阻和導(dǎo)線阻抗的存在，電網(wǎng)電壓幅值受負(fù)載電流的影響較大，一般是負(fù)載電流越大，電網(wǎng)電壓衰減也越大。因此設(shè)計(jì)交流穩(wěn)壓電源的主要任務(wù)就是適時(shí)地根據(jù)負(fù)載端電壓衰減狀況調(diào)節(jié)電壓幅值，使輸出電壓相對(duì)穩(wěn)定。

　　采用模擬量調(diào)壓可以獲得較好的輸出電壓波形，但是調(diào)壓設(shè)備自身?yè)p耗較大，能量傳輸效率較低；采用高頻率開(kāi)關(guān)量占空比調(diào)壓，能量傳輸效率高，由于開(kāi)關(guān)頻率較高，雖存在高次諧波污染，但定周期調(diào)占空比的調(diào)壓方式，諧波較易濾除。如何兼顧二者的優(yōu)勢(shì)，成為設(shè)計(jì)交流穩(wěn)壓電源的關(guān)鍵。

　　2 數(shù)控交流調(diào)壓原理

　　2.1 交流穩(wěn)壓基本原理

　　首先在只考慮電阻性負(fù)載的情況下，應(yīng)用微型計(jì)算機(jī)的反饋控制技術(shù)，結(jié)合數(shù)控交流調(diào)壓電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、脈寬調(diào)制、開(kāi)關(guān)晶體管脈沖驅(qū)動(dòng)電路、交流變極性輸出電路、LC脈沖續(xù)流濾波電路、交流幅值檢測(cè)電路、軟件定值與比較運(yùn)算、PID數(shù)控增益驅(qū)動(dòng)等電路組成交流可調(diào)穩(wěn)壓電源，組成方框如圖3所示。

圖3 數(shù)控交流穩(wěn)壓電源組成框圖

　　基本設(shè)計(jì)思想是在采樣的低電壓小電流端進(jìn)行微處理器的數(shù)控線性調(diào)壓，將幅值調(diào)校后的正弦交流信號(hào)作高頻采樣、AD轉(zhuǎn)換送微處理器，運(yùn)用微處理器的運(yùn)算功能，求解與正弦交流對(duì)應(yīng)的PWM輸出信號(hào)，經(jīng)脈沖驅(qū)動(dòng)電路作大幅值脈沖輸出，再經(jīng)續(xù)流濾波還原成波形平滑的大幅值正弦交流電。為了構(gòu)成可調(diào)的負(fù)反饋控制，對(duì)輸出的正弦交流電壓作分壓、采樣、整流、平均值濾波，此平均電壓值對(duì)應(yīng)正弦交流電壓有效值，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后送微處理器與鍵入的給定值做比較，用設(shè)定的算法把比較后產(chǎn)生的偏差信號(hào)轉(zhuǎn)換成小信號(hào)交流調(diào)壓電路的數(shù)字調(diào)節(jié)量，完成對(duì)輸出交流電壓的閉環(huán)負(fù)反饋控制，實(shí)現(xiàn)在微處理器控制下的交流穩(wěn)壓輸出。

　　由于采用集成芯片和少量外圍元件，整體電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。交流電壓的輸出控制采用軟件定周期調(diào)占空比的PWM方式，經(jīng)脈沖驅(qū)動(dòng)電路和脈沖續(xù)流濾波，使交流電源的輸出效率高，由于對(duì)輸入交流的采樣頻率高，使電源輸出的電壓波形好，當(dāng)電網(wǎng)電壓變化或負(fù)載變化時(shí)，交流穩(wěn)壓精度高（取決于數(shù)控位數(shù)）。輸出的正弦交流經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單濾波后，幾乎無(wú)波形畸變，無(wú)明顯的諧波污染。

　　特別適用于對(duì)交流電壓穩(wěn)定度要求較高，波形失真度小的檢測(cè)環(huán)境。能量傳輸過(guò)程是：交－直－交方式。

　　2.2 雙極性DA轉(zhuǎn)換與數(shù)字調(diào)壓控制

　　DA轉(zhuǎn)換電路有一個(gè)優(yōu)良的特性，簡(jiǎn)稱為“瞬態(tài)轉(zhuǎn)換，零階保持”。巧妙地應(yīng)用此電路。

圖4 數(shù)控交流調(diào)壓電路

圖5交流權(quán)值0100調(diào)壓仿真一

圖6 交流權(quán)值1111調(diào)壓仿真二