精密交流電源中的數(shù)字控制

摘要：介紹了一個(gè)包含Intel 16位單片機(jī)的雙CPU高分辨率交流電源控制系統(tǒng)，并詳細(xì)闡述了其中采用的正弦信號(hào)數(shù)字合成技術(shù)及母線跟隨和分級(jí)控制方法。試驗(yàn)表明電源輸出正弦波形的各項(xiàng)性能指標(biāo)均有很高精度，能很好地滿足檢驗(yàn)精度的要求。

關(guān)鍵詞：程控電源；高分辨率；數(shù)字合成；雙CPU

Digital Control in High Resolution AC Power Supply

XU Yan-wen, LU? Zheng-yu, WANG You-sheng 

Abstract:A high resolution AC power supply system controlled by dual-CPU(Intel 16)is presented.The digital synthesis, frequency conversion and phase shift of digital waveform is discussed in detail. The experiments show that the sinuous output has excellent precision and meet the needs of verification.

Keywords:Programmable power supply; High resolution; Digital synthesis; Dual-CPU

1  引言

    電力系統(tǒng)中廣泛使用的各類變送器和控制繼電器，需要定期用更高等級(jí)的交流測(cè)試電源對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)。目前校驗(yàn)用電源種類繁多，但大多采用線性電源，其體積大、效率低。而開(kāi)關(guān)電源克服了傳統(tǒng)線性電源的這些缺點(diǎn)，使其在各類精密儀表、儀器中的應(yīng)用前景看好。

    國(guó)內(nèi)外高性能開(kāi)關(guān)電源多采用半數(shù)字化智能控制，由單片機(jī)產(chǎn)生瞬時(shí)電壓（電流）反饋控制逆變器的基準(zhǔn)正弦波信號(hào)，模擬電路實(shí)現(xiàn)主功率電路的閉環(huán)控制。正弦信號(hào)產(chǎn)生有多種方法，其中直接數(shù)字頻率合成（DDS）因頻率切換速度快、分辨率高、易于調(diào)節(jié)而得到廣泛應(yīng)用。但是要實(shí)現(xiàn)高分辨率的頻率、相位、幅值調(diào)節(jié)必須提高CPU時(shí)鐘和增大存儲(chǔ)空間。本文將介紹以雙CPU為核心的控制系統(tǒng)，采用虛擬空間法和雙級(jí)D/A（數(shù)模轉(zhuǎn)換）輸出結(jié)構(gòu)，在有限的存儲(chǔ)空間和時(shí)鐘頻率下，產(chǎn)生高精度的多路可變頻、移相和調(diào)幅的參考波形。同時(shí)改善了傳統(tǒng)的直流母線參考電壓不變的控制方法，通過(guò)母線跟隨、分級(jí)控制，能夠使輸出級(jí)產(chǎn)生精度很高的三相電壓或電流波形。本系統(tǒng)既可獨(dú)立地作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源使用，也可應(yīng)用于各類變送器的測(cè)試、校驗(yàn)工作。

2  工作原理

2.1  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與基本工作原理描述

    本交流電源主電路由整流、濾波、DC/DC變換、DC/AC變換等環(huán)節(jié)構(gòu)成。簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理為：DC/DC級(jí)產(chǎn)生可控的直流母線電壓，為DC/AC級(jí)提供直流電壓；DC/AC級(jí)經(jīng)橋式電路以SPWM方式實(shí)現(xiàn)逆變，經(jīng)LC濾波輸出正弦電壓（或電流）。它采用雙環(huán)控制，由單片機(jī)產(chǎn)生的高精度AC電源基準(zhǔn)信號(hào)，與反饋電壓比較，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電壓誤差信號(hào)，作為內(nèi)電流環(huán)的給定信號(hào)。再與濾波電感 的 電 流 信 號(hào) 比 較 產(chǎn) 生 電 流 誤 差 信 號(hào) ， 最 后 與 三 角 波 合 成SPWM波 。 同 時(shí) ， 根 據(jù) DC/AC級(jí) 輸 出 幅 度 ， 由 單 片 機(jī) 為 DC/DC級(jí) 提 供 參 考 信 號(hào) 的 協(xié) 調(diào) 控 制 ， 使 DC/AC級(jí) 在 小 幅 度 輸 出 時(shí) 能 有 較 大 的 調(diào) 制 比 ， 以 抑 制 輸 出 級(jí) 的 開(kāi) 關(guān) 紋 波 。 為 充 分 利 用 電 壓 傳 感 器 的 精 度 ， 通 過(guò) 不 同 量 程 間 自 動(dòng) 切 換 傳 感 器 的 采 樣 電 阻 ， 保 證 了 電 源 在 整 個(gè) 量 程 內(nèi) 的 精 度 。

圖 1  系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 框 圖

2.2  微機(jī)控制部分

    以兩片80C196KB為控制核心，進(jìn)行必要的外圍擴(kuò)展，簡(jiǎn)化系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2  微 機(jī) 控 制 原 理 圖 

    根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的不同，本系統(tǒng)由上位機(jī)模塊、下位機(jī)模塊和通信模塊三個(gè)部分組成。其中上位機(jī)模塊負(fù)責(zé)對(duì)主電路的全方位監(jiān)控及對(duì)各路參考信號(hào)基準(zhǔn)源的幅度、頻率、相位進(jìn)行調(diào)節(jié)；下位機(jī)模塊由多路高速并行D/A輸出精密參考信號(hào)；通信模塊主管上位機(jī)與工控機(jī)之間的信息交流以及上位機(jī)和下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送及共享。

2.3  DDS數(shù)字波形生成

    本系統(tǒng)應(yīng)用DDS技術(shù)實(shí)現(xiàn)CPU控制的電源基準(zhǔn)波形。其原理框圖如圖3所示。 

圖3  DDS原 理 框 圖

    首先，將單位振幅正弦波的相位在2π弧度內(nèi)分成2A個(gè)點(diǎn)（即最小相間隔θmin=2π/2A）經(jīng)離散量化后存入ROM，構(gòu)成正弦表。通過(guò)相位累加器把頻率碼變換成相位取樣值。在時(shí)鐘（基準(zhǔn)頻率）控制下，相位累加器以Δθ（=nθmin,n=1,2...）為增量遞增，其輸出的相位數(shù)據(jù)對(duì)ROM尋址，查出的函數(shù)值經(jīng)D/A變換器變換成量化正弦波，經(jīng)低通濾波器可得正弦波電壓。最后輸出頻率為

   f0=K·

式中：f0為時(shí)鐘頻率；

      K為頻率碼；

      2A為EPROM存儲(chǔ)波形的最大點(diǎn)數(shù)。

    頻率的分辨率為

     f0min=

    當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器以每秒Nf速率從寄存器單元取數(shù)（N是一個(gè)信號(hào)周期里的采樣點(diǎn)數(shù)），輸出正弦波頻率是f，頻率分辨率為f1=（Nf）/2A。如果存的波形點(diǎn)數(shù)為p2A，并以整數(shù)p為間隔來(lái)取數(shù)據(jù)（從k跳至k＋p）,就可以不改變D/A刷新頻率而保持信號(hào)頻率仍為f。同時(shí)輸出正弦波的頻率分辨率提高了p倍，即f2=（Nf）/p2A。這說(shuō)明，如果選擇一個(gè)存儲(chǔ)空間比較大的寄存器，就可以克服CPU時(shí)鐘頻率的限制。其實(shí)質(zhì)就是將時(shí)間上所面臨的困難轉(zhuǎn)到寄存器內(nèi)存空間上解決。

    實(shí)際寄存器空間可能仍不夠大，可以采用插值等方法解決。由于單片機(jī)系統(tǒng)資源的限制，進(jìn)行插值計(jì)算也比較困難。假設(shè)輸出1Hz時(shí)要求的分辨率達(dá)到1‰即0.001Hz，EPROM中存有64k波形點(diǎn)，時(shí)鐘頻率為10k，那么實(shí)際可達(dá)到的分辨率僅為fmin==0.15Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。因此，本文提出了一個(gè)折衷的方法，即虛擬空間法。進(jìn)行DDS計(jì)算時(shí)，假設(shè)系統(tǒng)有16384k（224）的存儲(chǔ)空間（虛擬空間，即存儲(chǔ)的正弦波點(diǎn)數(shù)）。

    頻率控制碼：K=fo＊224/fclk（fo，fclk分別為D/A輸出和計(jì)算機(jī)時(shí)鐘的頻率）每累加一次，將相位累加器的低8位舍去后作為相位地址傳給下位機(jī)，下位機(jī)再依此地址在64k（216）EEPROM中取數(shù)送D/A輸出。當(dāng)相位累加器的第8位沒(méi)有發(fā)生變化（進(jìn)位加1），則仍保持上一次的地址值輸出（相當(dāng)于四舍五入），而下位機(jī)也仍然取同一地址中的值輸出。通過(guò)四舍五入的辦法用最近的點(diǎn)代替實(shí)際輸出，精度上能符合要求，且大大簡(jiǎn)化了程序，并且用較小的存儲(chǔ)空間實(shí)現(xiàn)了高精度的波形合成，將輸出分辨率提高到fmin===0.0006Hz，比原來(lái)增加了250多倍。圖4為波形合成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖4  DDS實(shí) 現(xiàn) 的 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu)

    由上位機(jī)（CPU）根據(jù)工控機(jī)傳送來(lái)的工作參數(shù)，按DDS原理進(jìn)行計(jì)算，得到各點(diǎn)的相位地址，通過(guò)雙口RAM送給下位機(jī)。同時(shí)將相應(yīng)幅值通過(guò)D/A-Ⅱ輸出作為下位機(jī)D/A-Ⅰ的參考電壓。下位機(jī)（CPU）D/A-Ⅰ以一定的刷新頻率（時(shí)鐘頻率）對(duì)各路進(jìn)行查表，輸出所需要的可調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相的正弦波形。正弦波數(shù)據(jù)被存在空間大小為32k的EEPROM中（實(shí)際存儲(chǔ)1/2周期波形）。

2.4  提高精度的其它手段

    1）利用數(shù)字電位器為DC/DC變換器提供參考信號(hào)，產(chǎn)生協(xié)調(diào)直流母線電壓的控制信號(hào)。XICOR公司的X9241數(shù)字電位器具有四個(gè)非易失性數(shù)控電位器，利用I/O口模擬I2C總線，能十分方便地對(duì)主電路母線電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。目前本文實(shí)驗(yàn)的交流輸出幅值（x）與數(shù)字電位器輸出值（y）之間的關(guān)系為y=ax＋b，輸出的直流給定信號(hào)與交流輸出成線性關(guān)系，使逆變級(jí)母線電壓與輸出值隨時(shí)匹配，大幅壓縮了輸出級(jí)的開(kāi)關(guān)紋波。輸出偏置值b使得輸出低電壓、電流值時(shí)母線電壓仍能保證輸出級(jí)正常工作。

    2）利用切換傳感器采樣電阻可以改變采樣范圍，對(duì)輸出進(jìn)行分級(jí)管理。通過(guò)8255擴(kuò)展I/O口設(shè)置分檔標(biāo)志，將輸出分成若干檔。例如，三相可調(diào)電壓源輸出范圍為2～100V，則根據(jù)精度要求分為兩檔，2～30V和30～100V。本系統(tǒng)幅度控制D/A分辨率為212，每檔分辨率均可達(dá)到1/212，即調(diào)節(jié)細(xì)度最小能達(dá)到0.0005V。將單片機(jī)資源和硬件電路資源充分結(jié)合，大大提高了系統(tǒng)調(diào)幅精度。

3  實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1  電源達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)

    1)頻率范圍    0.2～400Hz，調(diào)節(jié)細(xì)度1‰； 

    2)相位范圍    0°～360°，調(diào)節(jié)細(xì)度0.01°；

    3)電壓輸出    3相，2～100V，調(diào)節(jié)細(xì)度1‰；

    4)電流輸出    3相，0.2～35A，調(diào)節(jié)細(xì)度1‰；

    5)總畸變率    <2％。

3.2  輸出波形

    設(shè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：時(shí)鐘頻率fclk=10kHz，32k空間EEPROM存儲(chǔ)半個(gè)正弦波點(diǎn)值。

    兩組實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示，圖5（a）表示調(diào)幅、調(diào)相（相移90°）及調(diào)頻（步進(jìn)量為0.01Hz）波形，圖5（b）表示不同頻率輸出波形。

a)  不 同 相 位 、 幅 度 、 頻 率 波 形

b)  不 同 頻 率 波 形

圖 5  實(shí) 驗(yàn) 波 形

    這些信號(hào)被成功地應(yīng)用于1kWSPWM的電壓源和電流源變換器。

4  結(jié)語(yǔ)

    本精密數(shù)控交流電源，利用DDS原理合成正弦波，并采取虛擬空間法，將時(shí)間上所面臨的問(wèn)題轉(zhuǎn)化到內(nèi)存空間上進(jìn)行處理，只需選取一定的存儲(chǔ)空間，就可以極大地提高AC電源的頻率和移相精度；幅值由專門的D/A控制，使調(diào)節(jié)細(xì)度也得到了很大提高；母線電壓的跟隨調(diào)節(jié)與采樣電壓分級(jí)調(diào)節(jié)均有效地利用了軟、硬件資源，使系統(tǒng)性能大有改善。由于采用了一系列新技術(shù)，使裝置精度大大提高。

      該精密交流開(kāi)關(guān)電源體積小，精度高，適用于電力系統(tǒng)繼電保護(hù)電路的儀器、儀表的校驗(yàn)，具有很好的應(yīng)用前景。