基于DSP的程控交流電源的研制

關(guān)鍵詞：程控電源；數字信號處理器；數?；旌峡刂?；任意波形發(fā)生器

引言

程控交流電源是提供可調節的高精度交流電的電力電子裝置。這種交流電源主要應用于采用交流電供電的電氣設備的測試。本文所設計的程控交流電源不僅可以作為穩壓交流電源，輸出頻率、幅值可變的高純度正弦交流電壓，用以測試設備在正弦電壓供電下的性能；而且可以模擬電網(wǎng)電壓的畸變，產(chǎn)生所需的周期性畸變電壓，用以測試設備在供電電壓存在畸變時(shí)的性能；此外，還可模擬電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，產(chǎn)生所需要的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)電壓，用以測試設備在供電電壓存在動(dòng)態(tài)擾動(dòng)時(shí)的性能。

1 系統結構與控制原理

圖1給出了所研制的程控交流電源系統結構框圖。主電路由不控整流電路，全橋逆變器和輸出LC濾波器組成。單相全橋逆變器采用三角波比較方式的電流跟蹤型PWM技術(shù)[1]，逆變器輸出的脈寬調制波經(jīng)LC濾波輸出交流電壓。

圖1 電源系統結構圖

全橋逆變器的控制采用數?；旌峡刂品绞?。逆變電源的輸出電壓uo，濾波電容電流ic經(jīng)過(guò)霍爾傳感器和信號調理電路，得到參與控制的反饋信號uof及icf?？刂齐娐返臄底植糠植捎肨I公司的TMS320LF2407數字信號處理器作為主控芯片，使用DSP內部的模/數轉換模塊對輸出電壓反饋信號進(jìn)行采樣，通過(guò)數字PI控制器完成電壓有效值外環(huán)控制，保證輸出電壓有效值穩態(tài)無(wú)差。PI控制器的輸出乘以標準給定信號，經(jīng)數/模轉換后作為控制電路模擬部分的參考輸入信號。

模擬部分完成含濾波電容電流內環(huán)的電壓瞬時(shí)值反饋控制，其控制框圖如圖2所示。圖2中，ku和ki分別為電壓和電流調節器的增益。kPWM為PWM逆變器的等效增益，且kPWM=Ud/Ut，其中Ud為直流母線(xiàn)電壓，Ut為三角波幅值。kuf及kif分別為輸出電壓和電容電流的反饋系數；Δu是擾動(dòng)輸入，包括死區時(shí)間帶來(lái)的影響和直流側電壓波動(dòng)等；io為負載電流。

圖2 含濾波電容電流內環(huán)的電壓瞬時(shí)值反饋控制框圖

電容電流環(huán)可以對環(huán)內Δu和io的擾動(dòng)起到及時(shí)的調節作用，電壓控制環(huán)保證輸出電壓波形跟蹤參考輸入信號u＊。由圖2可得輸出電壓uo的表達式為

從uo的表達式可以看出，增大電壓調節器和電流調節器的增益可以有效地抑制Δu和io的擾動(dòng)，提高系統的性能；表達式中等號右邊第一項的系數為輸出電壓對參考輸入信號的閉環(huán)傳遞函數，只要該傳遞函數的截止頻率足夠高，逆變器就可對頻率范圍不超過(guò)截止頻率的任意參考輸入信號進(jìn)行線(xiàn)性放大。

2 DSP軟件實(shí)現

DSP芯片是為快速實(shí)現各種數字信號處理算法而設計的具有特殊結構的高性能微處理器[2]。本系統中DSP芯片的主要任務(wù)是：

1）與外部D/A轉換器構成高精度的波形發(fā)生器，提供參考電壓信號；

2）對給定電壓有效值和反饋電壓有效值的偏差進(jìn)行PI調節。

2.1 基于DSP的波形發(fā)生器

程控交流電源輸出電壓可編程的特點(diǎn)是通過(guò)參考電壓信號的可編程性來(lái)實(shí)現的。參考電壓信號可以是正弦波（頻率、幅值可根據需要設定），也可在正弦波上疊加諧波，還可以是動(dòng)態(tài)變化的信號波?？梢?jiàn)，高精度的可編程波形發(fā)生器是程控交流電源的關(guān)鍵環(huán)節。

本系統中，基于DSP的正弦波發(fā)生器采用異步查表方式，即查表時(shí)間間隔保持不變。存儲器中正弦表的數據是單位振幅正弦曲線(xiàn)在2π弧度內N等分后得到的離散的N個(gè)點(diǎn)處的正弦函數值，即

S(i)=sin(i2π/N)，i=0，1，...，N－1 （1）

令步長(cháng)為

Δ=fTsN （2）

式中：Ts為查表時(shí)間間隔；

f為正弦信號頻率。

正弦信號是按如下方法產(chǎn)生的：以固定的查表時(shí)間間隔Ts向D/A發(fā)送需要進(jìn)行轉換的數據，以Δ作為步長(cháng)來(lái)讀取正弦表中的數據。當取值點(diǎn)落在正弦表中相鄰兩點(diǎn)之間時(shí)，采用線(xiàn)性插值法來(lái)計算需要轉換的數據[3]，計算公式為

式中：i為整數，0≤i≤N－1；

d為小數，0≤d1。

正弦信號的頻率分辨率為

Δf=1/2mTsN （4）

式中：m為步長(cháng)Δ的小數部分所對應的二進(jìn)制位數。

諧波信號是按式（2）計算各次諧波頻率所對應的步長(cháng)，根據這些步長(cháng)查找正弦表中的數據，按線(xiàn)性插值法計算各次諧波的波形數據，然后將這些數據乘以對應諧波的幅值并與基波數據相加，這樣得到的和就是諧波信號的輸出數據。

2.2 軟件結構

本電源系統中參考波形的生成和電壓有效值控制是通過(guò)對DSP芯片的軟件編程來(lái)實(shí)現的。全部程序由主程序、ADC中斷子程序和定時(shí)器中斷子程序組成。主程序在完成對系統和變量的初始化后，主要進(jìn)行電壓有效值和PI控制器的運算；ADC中斷子程序的功能是讀取對輸出電壓反饋信號的轉換結果；定時(shí)器中斷子程序進(jìn)行參考波形數據的計算，并將波形數據送入外部D/A轉換器。

3 實(shí)驗結果

采用上述主電路結構和控制方式研制了一臺輸出功率為500VA，頻率變化范圍15Hz～1kHz，頻率分辨率為0.01Hz，電壓變化范圍20～115V的原理樣機?？蛰d時(shí)正弦電壓輸出波形如圖3所示。

在基波頻率為50Hz的正弦波上疊加諧波后輸出電壓波形如圖4所示，圖4（a）為疊加三次諧波后的輸出電壓波形，三次諧波含量為50％；圖4（b）為疊加二次諧波（40％）、三次諧波（20％）、五次諧波（30％）后的輸出電壓波形。

動(dòng)態(tài)變化時(shí)的輸出電壓波形如圖5所示。圖5（a）中輸出電壓從100Hz/20V逐漸向250Hz/50V變化；圖5(b)中輸出電壓在100Hz/60V和200Hz/30V之間交替變化。

4 結語(yǔ)

本文對程控交流電源系統及其控制電路進(jìn)行了分析，所采用的數?；旌峡刂品绞嚼肈SP系統精度高的特點(diǎn)產(chǎn)生高精度的參考電壓信號，電壓有效值外環(huán)保證輸出電壓有效值穩態(tài)無(wú)差，濾波電容電流和電壓瞬時(shí)值控制環(huán)提高了系統的動(dòng)態(tài)特性，使得輸出電壓能較快地跟蹤參考電壓信號。實(shí)驗結果表明，該程控交流電源輸出波形質(zhì)量好，運行可靠，在電氣設備測試中具有很好的應用價(jià)值。