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基于DSP的程控交流电源的研制
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' i* }2 c& B& U: R 摘要：介绍了一种基于DSP的程控交流电源。该交流电源不仅能够输出频率幅值，可变的正弦电压，而且能够输出周期性畸变电压。电源系统采用数模混合控制，数字部分实现高精度的波形发生器和电压有效值控制；模拟部分完成电压电流瞬时值控制。最后给出原理样机的实验波形。 ( o. g# ?" q/ X8 ~6 ^. L/ ?
关键词：程控电源；数字信号处理器；数模混合控制；任意波形发生器
, d, |2 Q P. j/ W% k7 m 引言
; F& G% n5 R9 X; l 程控交流电源是提供可调节的高精度交流电的电力电子装置。这种交流电源主要应用于采用交流电供电的电气设备的测试。本文所设计的程控交流电源不仅可以作为稳压交流电源，输出频率、幅值可变的高纯度正弦交流电压，用以测试设备在正弦电压供电下的性能；而且可以模拟电网电压的畸变，产生所需的周期性畸变电压，用以测试设备在供电电压存在畸变时的性能；此外，还可模拟电网电压的波动，产生所需要的动态扰动电压，用以测试设备在供电电压存在动态扰动时的性能。- b4 g2 I$ t+ ]3 ~! a K
1 系统结构与控制原理
( D \1 B$ `3 q) M. f) Y4 n 图1给出了所研制的程控交流电源系统结构框图。主电路由不控整流电路，全桥逆变器和输出LC滤波器组成。单相全桥逆变器采用三角波比较方式的电流跟踪型PWM技术[1]，逆变器输出的脉宽调制波经LC滤波输出交流电压。
; P* w) m* g# I+ j3 C% ] 全桥逆变器的控制采用数模混合控制方式。逆变电源的输出电压uo，滤波电容电流ic经过霍尔传感器和信号调理电路，得到参与控制的反馈信号uof及icf。控制电路的数字部分采用TI公司的TMS320LF2407数字信号处理器作为主控芯片，使用DSP内部的模/数转换模块对输出电压反馈信号进行采样，通过数字PI控制器完成电压有效值外环控制，保证输出电压有效值稳态无差。PI控制器的输出乘以标准给定信号，经数/模转换后作为控制电路模拟部分的参考输入信号。' |4 N3 k3 {% `/ F4 @ _, A
模拟部分完成含滤波电容电流内环的电压瞬时值反馈控制，其控制框图如图2所示。图2中，ku和ki分别为电压和电流调节器的增益。kPWM为PWM逆变器的等效增益，且kPWM=Ud/Ut，其中Ud为直流母线电压，Ut为三角波幅值。kuf及kif分别为输出电压和电容电流的反馈系数；Δu是扰动输入，包括死区时间带来的影响和直流侧电压波动等；io为负载电流。- P3 |( X1 ~* {% J5 q& x
电容电流环可以对环内Δu和io的扰动起到及时的调节作用，电压控制环保证输出电压波形跟踪参考输入信号u＊。由图2可得输出电压uo的表达式为
) z& I3 v' d7 B! |
$ R( V& S9 N2 V& L$ v8 R0 m
W3 P3 F6 \7 H i: X9 |+ F6 O! v3 X/ m* W. S, o: e
8 S$ Q3 f& @7 `1 {) A
从uo的表达式可以看出，增大电压调节器和电流调节器的增益可以有效地抑制Δu和io的扰动，提高系统的性能；表达式中等号右边第一项的系数为输出电压对参考输入信号的闭环传递函数，只要该传递函数的截止频率足够高，逆变器就可对频率范围不超过截止频率的任意参考输入信号进行线性放大。! d+ w! N8 d( Y i* F
2 DSP软件实现1 L' r5 P- n7 }1 n& u( V; h5 q1 `+ s
DSP芯片是为快速实现各种数字信号处理算法而设计的具有特殊结构的高性能微处理器[2]。本系统中DSP芯片的主要任务是：% d4 m d" I- I3 L/ c5 t! B
1）与外部D/A转换器构成高精度的波形发生器，提供参考电压信号；
! U. p# @! |$ I/ J/ d2 y 2）对给定电压有效值和反馈电压有效值的偏差进行PI调节。' J0 Z7 _* k1 x6 I
2.1 基于DSP的波形发生器
. j( |- L$ g; w& j" g; U) C 程控交流电源输出电压可编程的特点是通过参考电压信号的可编程性来实现的。参考电压信号可以是正弦波（频率、幅值可根据需要设定），也可在正弦波上叠加谐波，还可以是动态变化的信号波。可见，高精度的可编程波形发生器是程控交流电源的关键环节。
( L+ ^7 j$ _2 g: m 本系统中，基于DSP的正弦波发生器采用异步查表方式，即查表时间间隔保持不变。存储器中正弦表的数据是单位振幅正弦曲线在2π弧度内N等分后得到的离散的N个点处的正弦函数值，即6 M4 l* r) R( L: ?$ j7 ]
S(i)=sin(i2π/N)，i=0，1，...，N－1 （1）9 d; e) }+ b0 }, a3 v
令步长为
1 q# D7 o% v$ j* N9 c; A# w5 @ Δ=fTsN （2）
& r7 Y+ t' A6 f$ w1 m" ? R& } 式中：Ts为查表时间间隔；/ V3 q% {0 y( U8 V- z5 R
f 为正弦信号频率。
& I | h: L) ^8 T1 Q0 P! f 正弦信号是按如下方法产生的：以固定的查表时间间隔Ts向D/A发送需要进行转换的数据，以Δ作为步长来读取正弦表中的数据。当取值点落在正弦表中相邻两点之间时，采用线性插值法来计算需要转换的数据[3]，计算公式为
4 v/ V4 G, S( u4 ^0 {; f
: U) {( D' U( G4 j# b8 `
1 b. G# _- F, o4 h! w$ @: r3 M' G% b% B ?0 w2 u
0 P1 M# X5 ]* C
式中：i为整数，0≤i≤N－1；5 r8 N! C5 n# y; y0 ?
d为小数，0≤d<1。6 p( k8 S5 R0 p% I$ w
正弦信号的频率分辨率为8 F9 F7 N4 j( z
Δf=1/2mTsN （4）' E1 G: \2 n9 v4 _) k0 z4 \
式中：m为步长Δ的小数部分所对应的二进制位数。' c: @; Y$ W# V+ F8 b8 [
谐波信号是按式（2）计算各次谐波频率所对应的步长，根据这些步长查找正弦表中的数据，按线性插值法计算各次谐波的波形数据，然后将这些数据乘以对应谐波的幅值并与基波数据相加，这样得到的和就是谐波信号的输出数据。
3 O+ B7 l: b0 I/ I 2.2 软件结构& d) |6 w. J0 p6 B% h" i- f
本电源系统中参考波形的生成和电压有效值控制是通过对DSP芯片的软件编程来实现的。全部程序由主程序、ADC中断子程序和定时器中断子程序组成。主程序在完成对系统和变量的初始化后，主要进行电压有效值和PI控制器的运算；ADC中断子程序的功能是读取对输出电压反馈信号的转换结果；定时器中断子程序进行参考波形数据的计算，并将波形数据送入外部D/A转换器。
6 }7 Z9 ^8 [- H% \7 v$ ~ 3 实验结果
& ^! Z" P/ T; a' w( V# y+ d 采用上述主电路结构和控制方式研制了一台输出功率为500VA，频率变化范围15Hz～1kHz，频率分辨率为0.01Hz，电压变化范围20～115V的原理样机。空载时正弦电压输出波形如图3所示。
0 A$ |' {# Z6 x/ O9 l2 o3 O
$ Y. B- U- q ~0 a/ {: |& n
" m$ s N0 ?% X+ k4 `& @( s: d0 ]. t
在基波频率为50Hz的正弦波上叠加谐波后输出电压波形如图4所示，图4（a）为叠加三次谐波后的输出电压波形，三次谐波含量为50％；图4（b）为叠加二次谐波（40％）、三次谐波（20％）、五次谐波（30％）后的输出电压波形。
2 d+ O. d) D- G& u( w0 g+ n6 Y
# |, ]) Q* ~4 p; U2 a- ~( k% O- f. n1 x/ w* S( l0 a% k
动态变化时的输出电压波形如图5所示。图5（a）中输出电压从100Hz/20V逐渐向250Hz/50V变化；图5(b)中输出电压在100Hz/60V和200Hz/30V之间交替变化。* q) M* ]3 T) R( E' p1 J0 H
3 Y& n0 f3 P* x: g2 G
. k" f3 J7 {% ~4 G5 b! k
) W0 x i! |0 M }; M* d
* P5 e! G! v; Z' E z6 w
4 结语# c; f: _# `; e' H* Z% a
文对程控交流电源系统及其控制电路进行了分析，所采用的数模混合控制方式利用DSP系统精度高的特点产生高精度的参考电压信号，电压有效值外环保证输出电压有效值稳态无差，滤波电容电流和电压瞬时值控制环提高了系统的动态特性，使得输出电压能较快地跟踪参考电压信号。实验结果表明，该程控交流电源输出波形质量好，运行可靠，在电气设备测试中具有很好的应用价值。 |
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