基于DSP的程控交流電源的研制

摘要：介紹了一種基于DSP的程控交流電源。該交流電源不僅能夠輸出頻率幅值，可變的正弦電壓，而且能夠輸出周期性畸變電壓。電源系統(tǒng)采用數(shù)?；旌峡刂?，數(shù)字部分實(shí)現(xiàn)高精度的波形發(fā)生器和電壓有效值控制；模擬部分完成電壓電流瞬時(shí)值控制。最后給出原理樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)波形。 關(guān)鍵詞：程控電源；數(shù)字信號處理器；數(shù)?；旌峡刂?；任意波形發(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，產(chǎn)生所需要的動態(tài)擾動電壓，用以測試設(shè)備在供電電壓存在動態(tài)擾動時(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)?；旌峡刂品绞健Ｄ孀冸娫吹妮敵鲭妷簎o，濾波電容電流ic經(jīng)過霍爾傳感器和信號調(diào)理電路，得到參與控制的反饋信號uof及icf?？刂齐娐返臄?shù)字部分采用TI公司的TMS320LF2407數(shù)字信號處理器作為主控芯片，使用DSP內(nèi)部的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對輸出電壓反饋信號進(jìn)行采樣，通過數(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)無差。PI控制器的輸出乘以標(biāo)準(zhǔn)給定信號，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。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是擾動輸入，包括死區(qū)時(shí)間帶來的影響和直流側(cè)電壓波動等；io為負(fù)載電流。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)可以對環(huán)內(nèi)Δu和io的擾動起到及時(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，提高系統(tǒng)的性能；表達(dá)式中等號右邊第一項(xiàng)的系數(shù)為輸出電壓對參考輸入信號的閉環(huán)傳遞函數(shù)，只要該傳遞函數(shù)的截止頻率足夠高，逆變器就可對頻率范圍不超過截止頻率的任意參考輸入信號進(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；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(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)是通過參考電壓信號的可編程性來實(shí)現(xiàn)的。參考電壓信號可以是正弦波（頻率、幅值可根據(jù)需要設(shè)定），也可在正弦波上疊加諧波，還可以是動態(tài)變化的信號波?？梢姡呔鹊目删幊滩ㄐ伟l(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）令步長為Δ=fTsN （2）式中：Ts為查表時(shí)間間隔；f為正弦信號頻率。正