基于微處理器和PWM的交流可調穩壓電源

1 問(wèn)題的提出與現狀分析

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

圖1 可控硅調壓輸出波形

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

圖2 交流檢測電橋

　　通常單相交流電源的頻率穩定度較高，由于電源內阻和導線(xiàn)阻抗的存在，電網(wǎng)電壓幅值受負載電流的影響較大，一般是負載電流越大，電網(wǎng)電壓衰減也越大。因此設計交流穩壓電源的主要任務(wù)就是適時(shí)地根據負載端電壓衰減狀況調節電壓幅值，使輸出電壓相對穩定。

　　采用模擬量調壓可以獲得較好的輸出電壓波形，但是調壓設備自身?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，但定周期調占空比的調壓方式，諧波較易濾除。如何兼顧二者的優(yōu)勢，成為設計交流穩壓電源的關(guān)鍵。

　　2 數控交流調壓原理

　　2.1 交流穩壓基本原理

　　首先在只考慮電阻性負載的情況下，應用微型計算機的反饋控制技術(shù)，結合數控交流調壓電路、模數轉換電路、脈寬調制、開(kāi)關(guān)晶體管脈沖驅動(dòng)電路、交流變極性輸出電路、LC脈沖續流濾波電路、交流幅值檢測電路、軟件定值與比較運算、PID數控增益驅動(dòng)等電路組成交流可調穩壓電源，組成方框如圖3所示。

圖3 數控交流穩壓電源組成框圖

　　基本設計思想是在采樣的低電壓小電流端進(jìn)行微處理器的數控線(xiàn)性調壓，將幅值調校后的正弦交流信號作高頻采樣、AD轉換送微處理器，運用微處理器的運算功能，求解與正弦交流對應的PWM輸出信號，經(jīng)脈沖驅動(dòng)電路作大幅值脈沖輸出，再經(jīng)續流濾波還原成波形平滑的大幅值正弦交流電。為了構成可調的負反饋控制，對輸出的正弦交流電壓作分壓、采樣、整流、平均值濾波，此平均電壓值對應正弦交流電壓有效值，經(jīng)AD轉換后送微處理器與鍵入的給定值做比較，用設定的算法把比較后產(chǎn)生的偏差信號轉換成小信號交流調壓電路的數字調節量，完成對輸出交流電壓的閉環(huán)負反饋控制，實(shí)現在微處理器控制下的交流穩壓輸出。

　　由于采用集成芯片和少量外圍元件，整體電路結構簡(jiǎn)單。交流電壓的輸出控制采用軟件定周期調占空比的PWM方式，經(jīng)脈沖驅動(dòng)電路和脈沖續流濾波，使交流電源的輸出效率高，由于對輸入交流的采樣頻率高，使電源輸出的電壓波形好，當電網(wǎng)電壓變化或負載變化時(shí)，交流穩壓精度高（取決于數控位數）。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。

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

　　2.2 雙極性DA轉換與數字調壓控制

　　DA轉換電路有一個(gè)優(yōu)良的特性，簡(jiǎn)稱(chēng)為“瞬態(tài)轉換，零階保持”。巧妙地應用此電路。

圖4 數控交流調壓電路

圖5交流權值0100調壓仿真一

圖6 交流權值1111調壓仿真二