基于微處理器和PWM的交流可調(diào)穩(wěn)壓電源

  1 問題的提出與現(xiàn)狀分析

　　教科書中介紹穩(wěn)壓電源時(shí)，幾乎毫無例外都介紹各種類型的直流穩(wěn)壓電源，交流電壓變換廣泛采用變壓器，交流電壓的穩(wěn)定主要依賴于電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。需要交流調(diào)壓時(shí)常采用可控硅斬波，利用導(dǎo)通角的變化實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓，這種調(diào)壓的缺點(diǎn)是輸出電壓波形嚴(yán)重畸變，對(duì)電網(wǎng)存在較為嚴(yán)重的諧波污染。可控硅調(diào)壓波形如圖1所示。

圖1 可控硅調(diào)壓輸出波形

　　隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的普及與發(fā)展，尤其是在物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)中，作為計(jì)算機(jī)的感官——傳感器廣泛應(yīng)用于各種參數(shù)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(wěn)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(wěn)定度較高，由于電源內(nèi)阻和導(dǎo)線阻抗的存在，電網(wǎng)電壓幅值受負(fù)載電流的影響較大，一般是負(fù)載電流越大，電網(wǎng)電壓衰減也越大。因此設(shè)計(jì)交流穩(wěn)壓電源的主要任務(wù)就是適時(shí)地根據(jù)負(fù)載端電壓衰減狀況調(diào)節(jié)電壓幅值，使輸出電壓相對(duì)穩(wěn)定。

　　采用模擬量調(diào)壓可以獲得較好的輸出電壓波形，但是調(diào)壓設(shè)備自身損耗較大，能量傳輸效率較低；采用高頻率開關(guān)量占空比調(diào)壓，能量傳輸效率高，由于開關(guān)頻率較高，雖存在高次諧波污染，但定周期調(diào)占空比的調(diào)壓方式，諧波較易濾除。如何兼顧二者的優(yōu)勢，成為設(shè)計(jì)交流穩(wěn)壓電源的關(guān)鍵。

　　2 數(shù)控交流調(diào)壓原理

　　2.1 交流穩(wěn)壓基本原理

　　首先在只考慮電阻性負(fù)載的情況下，應(yīng)用微型計(jì)算機(jī)的反饋控制技術(shù)，結(jié)合數(shù)控交流調(diào)壓電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、脈寬調(diào)制、開關(guān)晶體管脈沖驅(qū)動(dòng)電路、交流變極性輸出電路、LC脈沖續(xù)流濾波電路、交流幅值檢測電路、軟件定值與比較運(yùn)算、PID數(shù)控增益驅(qū)動(dòng)等電路組成交流可調(diào)穩(wěn)壓電源，組成方框如圖3所示。

圖3 數(shù)控交流穩(wěn)壓電源組成框圖

　　基本設(shè)計(jì)思想是在采樣的低電壓小電流端進(jìn)行微處理器的數(shù)控線性調(diào)壓，將幅值調(diào)校后的正弦交流信號(hào)作高頻采樣、AD轉(zhuǎn)換送微處理器，運(yùn)用微處理器的運(yùn)算功能，求解與正弦交流對(duì)應(yīng)的PWM輸出信號(hào)，經(jīng)脈沖驅(qū)動(dòng)電路作大幅值脈沖輸出，再經(jīng)續(xù)流濾波還原成波形平滑的大幅值正弦交流電。為了構(gòu)成可調(diào)的負(fù)反饋控制，對(duì)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(duì)應(yīng)正弦交流電壓有效值，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后送微處理器與鍵入的給定值做比較，用設(shè)定的算法把比較后產(chǎn)生的偏差信號(hào)轉(zhuǎn)換成小信號(hào)交流調(diào)壓電路的數(shù)字調(diào)節(jié)量，完成對(duì)輸出交流電壓的閉環(huán)負(fù)反饋控制，實(shí)現(xiàn)在微處理器控制下的交流穩(wěn)壓輸出。

　　由于采用集成芯片和少量外圍元件，整體電路結(jié)構(gòu)簡單。交流電壓的輸出控制采用軟件定周期調(diào)占空比的PWM方式，經(jīng)脈沖驅(qū)動(dòng)電路和脈沖續(xù)流濾波，使交流電源的輸出效率高，由于對(duì)輸入交流的采樣頻率高，使電源輸出的電壓波形好，當(dāng)電網(wǎng)電壓變化或負(fù)載變化時(shí)，交流穩(wěn)壓精度高（取決于數(shù)控位數(shù)）。輸出的正弦交流經(jīng)過簡單濾波后，幾乎無波形畸變，無明顯的諧波污染。

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

　　2.2 雙極性DA轉(zhuǎn)換與數(shù)字調(diào)壓控制

　　DA轉(zhuǎn)換電路有一個(gè)優(yōu)良的特性，簡稱為“瞬態(tài)轉(zhuǎn)換，零階保持”。巧妙地應(yīng)用此電路。

圖4 數(shù)控交流調(diào)壓電路

圖5交流權(quán)值0100調(diào)壓仿真一

圖6 交流權(quán)值1111調(diào)壓仿真二[!--empirenews.page--]

　　將其移植到交流調(diào)壓電路中，參看圖4數(shù)控交流調(diào)壓電路?；鶞?zhǔn)電壓輸入端，接來自電網(wǎng)的交流采樣電壓，運(yùn)放反向輸入的權(quán)值電流受基準(zhǔn)電壓與數(shù)控開關(guān)兩方面控制，基準(zhǔn)電壓是正弦的則輸出電壓反向后也按正弦規(guī)律變化。來自單片機(jī)的數(shù)字量改變數(shù)控開關(guān)狀態(tài)，則可改變輸出正弦交流電壓的幅值。其輸出電壓表達(dá)式為：uo=－Rf （ΣIi）。參看圖5交流權(quán)值調(diào)壓仿真一、圖6交流權(quán)值調(diào)壓仿真二。當(dāng)交流采樣電壓一定時(shí)調(diào)反饋電阻Rf使輸出電壓幅值在0~2.5V范圍內(nèi)受數(shù)字量控制，若數(shù)字量是二進(jìn)制8位，則可控量化級(jí)數(shù)是2的8次方為256，典型芯片有如DAC0832，調(diào)壓步進(jìn)值近似為10mV，調(diào)壓過程幾乎是連續(xù)可調(diào)。

　　2.3 交流幅值采樣與AD轉(zhuǎn)換控制

　　相對(duì)于工頻50Hz而言，逐位比較型ADC0809的轉(zhuǎn)換速度已經(jīng)足夠快了，可以省去采樣保持電路。又由于ADC轉(zhuǎn)換工作于直流狀態(tài)，對(duì)來自DAC0832的雙極型交流信號(hào)需加直流偏置，芯片ADC0809的最高位則表示幅值的正負(fù)。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量傳輸給單片機(jī)作為PWM的數(shù)據(jù)。ADC0809與單片機(jī)的連接電路參看圖7。

圖7 ADC0809與單片機(jī)的連接電路

圖8 單片機(jī)PWM脈寬驅(qū)動(dòng)電路

圖9 單電源變極性交流輸出仿真電路 [!--empirenews.page--]

　　2.4 單片機(jī)PWM與輸出驅(qū)動(dòng)

　　單片機(jī)采用定周期調(diào)占空比的方式實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)制。其輸出有兩種方式可供選擇，一種輸出方式的脈沖寬度受來自ADC0809的直流偏置+交流幅值的數(shù)據(jù)控制，脈寬高、低電平延時(shí)量按正弦脈動(dòng)直流規(guī)律變化，這種方式的輸出電路和程序編寫都簡單，但輸出端需增加隔直流電容，適用于輸出功率不大的應(yīng)用場合，如圖8單片機(jī)PWM脈寬驅(qū)動(dòng)電路所示；另一種是以ADC0809輸出的最高數(shù)字位作為正負(fù)符號(hào)位（所加的直流偏置幅值），對(duì)負(fù)數(shù)求補(bǔ)后再?zèng)Q定輸出脈沖寬度，這相當(dāng)于用軟件整流，輸出的脈寬按全波整流波形的規(guī)律變化，為使輸出電壓按正弦交流變化，輸出電路需增加極性變換電路，不需要隔直流電容，單片機(jī)需增加變極性控制端子，這種方式適用于輸出功率較大且不適用隔直流電容的應(yīng)用場合。

　　請(qǐng)參看圖9單電源變極性交流輸出仿真電路。

　　3 單片機(jī)PWM的交流穩(wěn)壓原理

　　電源在實(shí)際使用中往往由于電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流的變化導(dǎo)致電壓波動(dòng)，嚴(yán)重影響電橋測量的精確度。要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，必然要引入閉環(huán)的負(fù)反饋控制。對(duì)交變的正弦信號(hào)，如何確定給定值和反饋值是實(shí)現(xiàn)交流穩(wěn)壓的關(guān)鍵。

　　3.1 交流給定值的確定

　　交流給定值的確定有很多方法，如采用數(shù)表法確定每一采樣時(shí)刻的給定值，此方法需要的存儲(chǔ)空間很大，而且要求精度越高，所需存儲(chǔ)空間越大，不太適合存儲(chǔ)空間有限的單片機(jī)。一種簡單有效的方法是采用默認(rèn)值加鍵入增減值作為給定值，這是一個(gè)數(shù)字量，對(duì)應(yīng)著正常交流輸入情況下的交流輸出有效值。

　　3.2 反饋值的檢測與量化

　　對(duì)實(shí)際輸出的交流電壓作全波整流和平均值檢測，然后量化為數(shù)字量，可采用的方法也很多，如模數(shù)轉(zhuǎn)換型或壓頻變換計(jì)數(shù)型均可。此數(shù)字量對(duì)應(yīng)著實(shí)際輸出的交流有效值。在調(diào)試過程中，調(diào)試程序中的相關(guān)參數(shù)，或調(diào)試電路參數(shù)，使正常情況下輸出的電壓有效值達(dá)到給定值時(shí)，反饋的數(shù)字量等于給定值數(shù)字量。

　　3.3 偏差信號(hào)的PID調(diào)節(jié)

　　不論是電網(wǎng)電壓變化，或是負(fù)載電流的變化，都反映在穩(wěn)壓電源輸出電壓的變化上，應(yīng)用單片機(jī)對(duì)反饋值與給定值的差值作數(shù)字PID調(diào)節(jié)，輸出的數(shù)字量用以調(diào)節(jié)輸入端的數(shù)控增益放大器，只要滿足閉環(huán)反饋控制為負(fù)反饋性質(zhì)，就可實(shí)現(xiàn)無靜差的穩(wěn)壓控制，使交流輸出電壓有效值穩(wěn)定在給定值上。

　　如果只要求輸出電壓穩(wěn)定，允許有靜差存在，可以只采用P比例度控制，這樣可使控制算法大為簡化。有關(guān)P、PI、PD、PID控制性能對(duì)比如圖10PID階躍響應(yīng)曲線所示。

圖10 PID階躍響應(yīng)曲線

　　由圖示階躍響應(yīng)曲線可知，P和PD控制算法都存在靜差。

　　如果將電網(wǎng)電壓的變化作前饋檢測，與微處理器的閉環(huán)負(fù)反饋控制結(jié)合構(gòu)成前饋－反饋控制，則會(huì)在電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)提高控制的響應(yīng)速度，使電網(wǎng)電壓的波動(dòng)不影響穩(wěn)壓輸出，取得更好的穩(wěn)壓效果。

　　3.4 PID控制算法的特點(diǎn)

　　PID是經(jīng)典的工業(yè)過程控制算法，通常應(yīng)用于工作速度不很高的控制過程中。根據(jù)不同的控制對(duì)象和控制要求，可分別采用比例控制P，比例－積分控制PI，比例－微分控制PD和比例－積分－微分控制PID。其中比例控制的主要作用是對(duì)偏差的放大量，以提高控制靈敏度，但輸出量是以偏差的存在為依存的，通常輸出存在靜差；積分控制的主要作用就是消除靜差，但會(huì)使響應(yīng)速度減??；微分控制則可提高響應(yīng)速度，也存在靜差。有階躍響應(yīng)曲線圖10還可以看出，采用PID調(diào)節(jié)是響應(yīng)速度最快的無靜差控制。

　　4 單片機(jī)PWM調(diào)制交流穩(wěn)壓電路計(jì)算機(jī)仿真

　　4.1控制電路計(jì)算機(jī)仿真的特點(diǎn)

　　目前流行的電子仿真軟件有好幾款，其中PROTEUS嵌入式系統(tǒng)仿真與開發(fā)平臺(tái)是一款可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路、模擬電路、微控制器系統(tǒng)仿真以及PCB設(shè)計(jì)等功能的EDA軟件。

　　從元件的選取到連線，直至電路的調(diào)試、分析和軟件的編譯，都在計(jì)算機(jī)中完成，所有的工作先在虛擬環(huán)境下進(jìn)行。可以在原理圖設(shè)計(jì)階段對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行評(píng)估、驗(yàn)證，看是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求和技術(shù)指標(biāo)，并可以通過改變元件參數(shù)使整個(gè)電路性能達(dá)到最優(yōu)化。這就避免了傳統(tǒng)電子電路設(shè)計(jì)中方案更換帶來的多次重復(fù)購買元器件及制板，在節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間與經(jīng)費(fèi)的同時(shí)，提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

　　現(xiàn)代化教學(xué)越來越多地使用多媒體教學(xué)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室電腦教學(xué)，這為開展一定量的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了基礎(chǔ)。仿真實(shí)驗(yàn)中不需要擔(dān)心元器件的損壞，也不需要設(shè)立太多的條條框框，學(xué)生可以放心大膽地從多方位對(duì)仿真電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，作更深層次的分析探討。

　　PROTEUS軟件提供了三十多個(gè)元器件庫，有數(shù)千種元器件，涉及電阻、電容、電感、二極管、晶體管、MOS管、變壓器、繼電器、各種放大器、各種激勵(lì)源、300多種微處理器、各種門電路和各種終端等。提供的儀表有：交直流電壓表、交直流電流表、邏輯分析儀、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、信號(hào)發(fā)生器、多蹤示波器等。作為交互式可視化仿真軟件，提供數(shù)碼管、液晶屏、LED、按鈕、鍵盤等外設(shè)，同時(shí)支持圖形化的分析功能，具有直流工作點(diǎn)、瞬態(tài)特性、交直流參數(shù)掃描、頻率特性、傅里葉、失真、噪聲分析等多種分析功能，可將仿真曲線繪制到圖表中。可見擁有了仿真軟件，如同擁有了一個(gè)龐大的實(shí)驗(yàn)室。

　　4.2 交流穩(wěn)壓電路計(jì)算機(jī)仿真電路與輸出波形

　　圖11是電阻性負(fù)載的交流穩(wěn)壓電源仿真電路圖，圖12給出了示波器檢測的波形圖，圖中黃色為單片機(jī)脈寬輸出波形，藍(lán)色為晶體管脈沖驅(qū)動(dòng)波形，紅色為脈沖續(xù)流濾波后輸出的正弦交流波形，綠色為提供參考的輸入交流波形。由輸出波形可知除有一定延時(shí)外，無任何波形畸變，無諧波污染。仿真實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)交流電源頻率提高到100Hz時(shí)，輸出波形平滑度仍相當(dāng)好。圖12是有續(xù)流時(shí)的濾波輸出電壓波形；圖13是切斷二極管續(xù)流支路后的脈沖驅(qū)動(dòng)波形和交流輸出電壓波形，可以看到明顯的輸出電壓波形畸變和諧波污染現(xiàn)象。由此可知續(xù)流濾波對(duì)輸出電壓波形的重要性。

圖11 PWM調(diào)制交流穩(wěn)壓計(jì)算機(jī)仿真電路[!--empirenews.page--]

圖12 PWM調(diào)制50HZ穩(wěn)壓電源輸出波形

　　圖13 無續(xù)流濾波的交流穩(wěn)壓仿真波形圖

　　圖14、圖15是當(dāng)電網(wǎng)電壓有效值變化時(shí)，相對(duì)穩(wěn)定的交流輸出電壓波形。由輸出波形圖可知，當(dāng)輸入交流電壓在±25％范圍變化時(shí)，輸出交流電壓有效值都能保持恒定，且輸出波形無畸變。

圖14 電網(wǎng)電壓升高時(shí)的交流穩(wěn)壓輸出

 圖15 電網(wǎng)電壓降低時(shí)的交流穩(wěn)壓輸出

　　由圖15、圖16可知當(dāng)電網(wǎng)頻率變化時(shí)，輸出電壓的相移量發(fā)生變化，頻率越高相移越大，當(dāng)采用RL負(fù)載時(shí)輸出的相移量增大。如果需要在不同工作頻率下保持零相移，可以采用前饋控制方法，在小信號(hào)調(diào)壓控制端采用微機(jī)控制的移相補(bǔ)償來消除滯后的相移量。

圖16 電源頻率為25Hz時(shí)的交流穩(wěn)壓輸出

圖17電源頻率為100Hz時(shí)的交流穩(wěn)壓輸出

　　5 結(jié)束語

　　綜合上述對(duì)微機(jī)控制的PWM調(diào)制交流調(diào)壓實(shí)驗(yàn)仿真電路及輸出波形的分析可知，這是一款性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡單、值得推廣的交流可調(diào)穩(wěn)壓電源。作者僅以此新穎的設(shè)計(jì)，獻(xiàn)給正在蓬勃發(fā)展中的中國物聯(lián)網(wǎng)！祝愿祖國的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)取得更大成就！