基于DSP的程控交流電源的研制

關(guān)鍵詞：程控電源；數(shù)字信號(hào)處理器；數(shù)?；旌峡刂疲蝗我獠ㄐ伟l(fā)生器

引言

程控交流電源是提供可調(diào)節(jié)的高精度交流電的電力電子裝置。這種交流電源主要應(yīng)用于采用交流電供電的電氣設(shè)備的測(cè)試。本文所設(shè)計(jì)的程控交流電源不僅可以作為穩(wěn)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(cè)試設(shè)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(cè)試設(shè)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(cè)試設(shè)備在供電電壓存在動(dòng)態(tài)擾動(dòng)時(shí)的性能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制原理

圖1給出了所研制的程控交流電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(diào)制波經(jīng)LC濾波輸出交流電壓。

圖1 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

全橋逆變器的控制采用數(shù)?；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(hào)調(diào)理電路，得到參與控制的反饋信號(hào)uof及icf?？刂齐娐返臄?shù)字部分采用TI公司的TMS320LF2407數(shù)字信號(hào)處理器作為主控芯片，使用DSP內(nèi)部的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對(duì)輸出電壓反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，通過(guò)數(shù)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(wěn)態(tài)無(wú)差。PI控制器的輸出乘以標(biāo)準(zhǔn)給定信號(hào)，經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換后作為控制電路模擬部分的參考輸入信號(hào)。

模擬部分完成含濾波電容電流內(nèi)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(diào)節(jié)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(shù)；Δu是擾動(dòng)輸入，包括死區(qū)時(shí)間帶來(lái)的影響和直流側(cè)電壓波動(dòng)等；io為負(fù)載電流。

圖2 含濾波電容電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時(shí)值反饋控制框圖

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

從uo的表達(dá)式可以看出，增大電壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的增益可以有效地抑制Δu和io的擾動(dòng)，提高系統(tǒng)的性能；表達(dá)式中等號(hào)右邊第一項(xiàng)的系數(shù)為輸出電壓對(duì)參考輸入信號(hào)的閉環(huán)傳遞函數(shù)，只要該傳遞函數(shù)的截止頻率足夠高，逆變器就可對(duì)頻率范圍不超過(guò)截止頻率的任意參考輸入信號(hào)進(jìn)行線性放大。

2 DSP軟件實(shí)現(xiàn)

DSP芯片是為快速實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法而設(shè)計(jì)的具有特殊結(jié)構(gòu)的高性能微處理器[2]。本系統(tǒng)中DSP芯片的主要任務(wù)是：

1）與外部D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成高精度的波形發(fā)生器，提供參考電壓信號(hào)；

2）對(duì)給定電壓有效值和反饋電壓有效值的偏差進(jìn)行PI調(diào)節(jié)。

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(hào)的可編程性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。參考電壓信號(hào)可以是正弦波（頻率、幅值可根據(jù)需要設(shè)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(hào)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(jié)。

本系統(tǒng)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(chǔ)器中正弦表的數(shù)據(jù)是單位振幅正弦曲線在2π弧度內(nèi)N等分后得到的離散的N個(gè)點(diǎn)處的正弦函數(shù)值，即

S(i)=sin(i2π/N)，i=0，1，...，N－1 （1）

令步長(zhǎng)為

Δ=fTsN （2）

式中：Ts為查表時(shí)間間隔；

f為正弦信號(hào)頻率。

正弦信號(hào)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(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，以Δ作為步長(zhǎng)來(lái)讀取正弦表中的數(shù)據(jù)。當(dāng)取值點(diǎn)落在正弦表中相鄰兩點(diǎn)之間時(shí)，采用線性插值法來(lái)計(jì)算需要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)[3]，計(jì)算公式為

式中：i為整數(shù)，0≤i≤N－1；

d為小數(shù)，0≤d1。

正弦信號(hào)的頻率分辨率為

Δf=1/2mTsN （4）

式中：m為步長(zhǎng)Δ的小數(shù)部分所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制位數(shù)。

諧波信號(hào)是按式（2）計(jì)算各次諧波頻率所對(duì)應(yīng)的步長(zhǎng)，根據(jù)這些步長(zhǎng)查找正弦表中的數(shù)據(jù)，按線性插值法計(jì)算各次諧波的波形數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)乘以對(duì)應(yīng)諧波的幅值并與基波數(shù)據(jù)相加，這樣得到的和就是諧波信號(hào)的輸出數(shù)據(jù)。

2.2 軟件結(jié)構(gòu)

本電源系統(tǒng)中參考波形的生成和電壓有效值控制是通過(guò)對(duì)DSP芯片的軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)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(duì)系統(tǒng)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(yùn)算；ADC中斷子程序的功能是讀取對(duì)輸出電壓反饋信號(hào)的轉(zhuǎn)換結(jié)果；定時(shí)器中斷子程序進(jìn)行參考波形數(shù)據(jù)的計(jì)算，并將波形數(shù)據(jù)送入外部D/A轉(zhuǎn)換器。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用上述主電路結(jié)構(gòu)和控制方式研制了一臺(tái)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(jī)?？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(jié)語(yǔ)

本文對(duì)程控交流電源系統(tǒng)及其控制電路進(jìn)行了分析，所采用的數(shù)模混合控制方式利用DSP系統(tǒng)精度高的特點(diǎn)產(chǎn)生高精度的參考電壓信號(hào)，電壓有效值外環(huán)保證輸出電壓有效值穩(wěn)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(tǒng)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(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該程控交流電源輸出波形質(zhì)量好，運(yùn)行可靠，在電氣設(shè)備測(cè)試中具有很好的應(yīng)用價(jià)值。