程控多功能三相功率源的設計

硬件設計
整機原理
為滿(mǎn)足程控功率源的功能要求，本設計采用的是多CPU結構，由一個(gè)單片機作為控制單元，控制三個(gè)相互獨立的相信號發(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)單片機為核心，產(chǎn)生一個(gè)幅值和相位都可以調整的正弦電壓信號，該電壓信號經(jīng)功率放大器放大后輸出?？刂茊卧撠煿芾礞I盤(pán)、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?？刂茊卧ㄟ^(guò)I2C串行總線(xiàn)與各相信號發(fā)生器連接，并發(fā)送各種控制命令與數據。圖1為整機原理框圖。
相信號發(fā)生器
相信號發(fā)生器的原理如圖2所示。單片機選用Cygnal公司推出的C8051F016，該單片機是一種更適用于嵌入式系統低端機的、性能優(yōu)良的系統芯片。該系列單片機采用CIP-51內核，指令系統與MCS-51完全兼容。它采用流水線(xiàn)結構，淡化了機器周期的概念，指令以時(shí)鐘周期為運行單位，因此大大地提高了指令運行的速度，最大速度可達25MIPS。
C8051F016內集成了高性能的、可變增益的、多通道的10位A/D轉換器，這是一個(gè)功能強大的ADC子系統，它包括一個(gè)9通道的模擬多路開(kāi)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轉換器，內置一個(gè)1.2V、15ppm/℃的電壓基準。該子系統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轉換器、電壓比較器、多種串行通信接口、溫度傳感器、看門(mén)狗以及利于在系統編程的Flash存儲器和JTAG接口及其片內調試電路。
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，利用單片機按照正弦規律輸出數字信號，每次輸出的數字信號經(jīng)D/A轉換器轉換成正比于該數字信號的模擬信號，連續輸出后則產(chǎn)生一個(gè)模擬正弦波信號。一般情況，D/A轉換器輸出的模擬量UOUT=KUREF，就是說(shuō)D/A轉換器輸出電壓的幅值取決于D/A轉換器的參考電壓UREF。因此，可利用對參考電壓的控制來(lái)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轉換器，用它和兩級放大器構成信號發(fā)生器的D/A轉換電路，輸出雙極性的正弦波電壓信號。利用C8051F016單片機內部的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，單片機根據控制單元發(fā)出的輸出電壓設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。
交流參數測量
為保證輸出信號滿(mǎn)足設定要求，單片機還要實(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內部有8路10位A/D轉換器，其最大轉換速率100KSPS，本裝置采用交流采樣原理完成交流參數的測量，可充分利用單片機的資源。
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)行相應的處理后分別加到模擬通道0和模擬通道1，單片機對它們進(jìn)行交流采樣，每周期內采樣點(diǎn)數均為500點(diǎn)，然后對這些采樣值進(jìn)行計算，分別計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(chēng)性。方法是利用單片機內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，由單片機進(jìn)行判斷，計算出相位差。
功率放大器
功率放大器是對前端的D/A轉換電路輸出的交流電壓信號進(jìn)行功率放大，以滿(mǎn)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、電路調試簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。功率放大電路如圖3所示。
使用該芯片進(jìn)行電路設計時(shí)應注意：
(1)輸出保護。當負載為感性時(shí)，由于電流的滯后會(huì )引起電壓的反沖尖峰，該尖峰電壓出現在功放管的輸出端，極易擊穿其輸出級。為保證功放管安全，應在其輸出端與電源之間并接高速快恢復二極管，其反向恢復時(shí)間小于100ns。
(2) 電流限制。為保證功放管工作在安全工作區內，應采用限流電阻進(jìn)行限流，以防止電流過(guò)大，當電流超過(guò)設定的最大電流時(shí)，功放管就會(huì )自動(dòng)保護，避免管子損壞。具體接法見(jiàn)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，負責人機對話(huà)，接受鍵盤(pán)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，它片內帶有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80C51的一半。內部硬件結構比傳統的80C51增加了I2C串行接口、可編程計數器陣列、可編程時(shí)鐘輸出及Boot ROM等，使芯片功能更強大。顯示器選用清華蓬遠的點(diǎn)陣式液晶圖形顯示模塊M-12864。該模塊內藏點(diǎn)陣圖形顯示控制器，提供了行、列驅動(dòng)器及顯示緩沖區RAM的接口，與單片機的接口十分方便，可顯示中文、西文及圖形等。8279是通用可編程鍵盤(pán)、顯示器接口芯片，它能管理64鍵的鍵盤(pán)，自動(dòng)掃描、消抖、識別按鍵、給出鍵碼，且易于接口。

軟件設計
在軟件設計時(shí)，分為控制單元和信號發(fā)生器兩部分進(jìn)行。其程序設計基本方法相同，都是先實(shí)現一個(gè)簡(jiǎn)練的主程序，然后在此基礎上，把所有要完成的功能編制成相應的任務(wù)模塊。根據模塊各自的特點(diǎn)，或者由系統統一調度，或者在響應中斷后執行，最后完成整個(gè)軟件系統的功能。
信號發(fā)生器主要軟件模塊有：
(1)系統自整定模塊：其功能是完成系統的自動(dòng)整定，包括整機硬件設備的自檢、自診斷等。
(2)正弦信號發(fā)生模塊：將按照正弦規律變化的數據存放在存儲器當中，CPU根據輸出電壓的頻率的設定值計算出正弦信號的周期，再計算輸出數據的間隔步長(cháng)，按此步長(cháng)周期性地輸出正弦數據。根據設定的輸出電壓的幅值，計算D/A轉換器的參考電壓UREF值，由單片機內部的D/A轉換器輸出。
(3)數據采集及處理模塊：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算出其相應的真有效值。測量相鄰兩相電壓之間的相位差。
(4)計算和調整模塊：根據控制單元設定的電壓及相鄰電壓相位差，計算、分析、確定調整方向和它的步長(cháng)值，使輸出達到設定值。
控制單元主要軟件模塊有：
(1)鍵盤(pán)處理模塊和液晶顯示模塊：鍵盤(pán)處理模塊完成按鍵的識別功能，并在確認有效按鍵后調用相應按鍵功能函數進(jìn)行處理。顯示模塊則負責管理各級菜單，顯示參數的設定情況、執行情況、以及儀器自檢等內容。
(2) RS485通信模塊：完成異步串行口RS485接口管理功能，負責接收來(lái)自遠程控制命令。
(3) I2C通信模塊： 完成裝置內部控制命令及數據傳送的管理。負責發(fā)送功率源輸出的參數及控制命令，接收信號發(fā)生器送回的狀態(tài)信號。

主要技術(shù)指標
該三相交流功率源的主要技術(shù)指標如下：
● 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、電流調節步長(cháng) 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％

結語(yǔ)
程控三相交流功率源在結構上采用了基于I2C串行總線(xiàn)的多CPU結構，使得本裝置對輸出的控制能力具有較大的靈活性。在單片機的選型上充分利用內部資源豐富、性能強大的單片機，大大地簡(jiǎn)化了裝置的硬件設計。選擇單片大功率集成運算放大器作為裝置的功率放大，可以簡(jiǎn)化功放電路的設計與調試，并使它的性能指標得到提高?？傊?，程控三相交流功率源具有各相分別程控調幅、調相、正弦波功率輸出等強大的功能，又有操作方便、工作可靠等特點(diǎn)。它將給一些產(chǎn)品試驗以及計量領(lǐng)域提供極其方便的試驗設備和條件，并解決了某些難以解決的問(wèn)題?！?BR>參考文獻：
1．潘琢金，施國君 編著(zhù)， C8051Fxxx 高速SOC單片及原理及應用，北京航空航天大學(xué)出版社 2002年.
2． PHILIPS最新80C51系列單片機數據手冊，廣州周立功單片機發(fā)展有限公司.
3．BURR-BROWN IC DATABOOK，LINER PRODUCTS， 1995.

圖1 整機框圖

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