精密交流電源中的數字控制

摘要：介紹了一個包含Intel 16位單片機的雙CPU高分辨率交流電源控制系統，并詳細闡述了其中采用的正弦信號數字合成技術及母線跟隨和分級控制方法。試驗表明電源輸出正弦波形的各項性能指標均有很高精度，能很好地滿足檢驗精度的要求。

關鍵詞：程控電源；高分辨率；數字合成；雙CPU

Digital Control in High Resolution AC Power Supply

XU Yan-wen, LUB 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的交流測試電源對其進行校驗。目前校驗用電源種類繁多，但大多采用線性電源，其體積大、效率低。而開關電源克服了傳統線性電源的這些缺點，使其在各類精密儀表、儀器中的應用前景看好。

國內外高性能開關電源多采用半數字化智能控制，由單片機產生瞬時電壓（電流）反饋控制逆變器的基準正弦波信號，模擬電路實現主功率電路的閉環控制。正弦信號產生有多種方法，其中直接數字頻率合成（DDS）因頻率切換速度快、分辨率高、易于調節而得到廣泛應用。但是要實現高分辨率的頻率、相位、幅值調節必須提高CPU時鐘和增大存儲空間。本文將介紹以雙CPU為核心的控制系統，采用虛擬空間法和雙級D/A（數模轉換）輸出結構，在有限的存儲空間和時鐘頻率下，產生高精度的多路可變頻、移相和調幅的參考波形。同時改善了傳統的直流母線參考電壓不變的控制方法，通過母線跟隨、分級控制，能夠使輸出級產生精度很高的三相電壓或電流波形。本系統既可獨立地作為標準信號源使用，也可應用于各類變送器的測試、校驗工作。

2 工作原理

2.1 系統結構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變換等環節構成。簡化結構如圖1所示，其工作原理為：DC/DC級產生可控的直流母線電壓，為DC/AC級提供直流電壓；DC/AC級經橋式電路以SPWM方式實現逆變，經LC濾波輸出正弦電壓（或電流）。它采用雙環控制，由單片機產生的高精度AC電源基準信號，與反饋電壓比較，經PI調節后產生電壓誤差信號，作為內電流環的給定信號。再與濾波電感 的 電 流 信 號 比 較 產 生 電 流 誤 差 信 號 ， 最 后 與 三 角 波 合 成SPWM波 。 同 時 ， 根 據 DC/AC級 輸 出 幅 度 ， 由 單 片 機 為 DC/DC級 提 供 參 考 信 號 的 協 調 控 制 ， 使 DC/AC級 在 小 幅 度 輸 出 時 能 有 較 大 的 調 制 比 ， 以 抑 制 輸 出 級 的 開 關 紋 波 。 為 充 分 利 用 電 壓 傳 感 器 的 精 度 ， 通 過 不 同 量 程 間 自 動 切 換 傳 感 器 的 采 樣 電 阻 ， 保 證 了 電 源 在 整 個 量 程 內 的 精 度 。

圖 1 系 統 結 構 框 圖

2.2 微機控制部分

以兩片80C196KB為控制核心，進行必要的外圍擴展，簡化系統框圖如圖2所示。

圖2 微 機 控 制 原 理 圖