基于DSP的程控交流電源的研制

關鍵詞：程控電源；數字信號處理器；數模混合控制；任意波形發生器

引言

程控交流電源是提供可調節的高精度交流電的電力電子裝置。這種交流電源主要應用于采用交流電供電的電氣設備的測試。本文所設計的程控交流電源不僅可以作為穩壓交流電源，輸出頻率、幅值可變的高純度正弦交流電壓，用以測試設備在正弦電壓供電下的性能；而且可以模擬電網電壓的畸變，產生所需的周期性畸變電壓，用以測試設備在供電電壓存在畸變時的性能；此外，還可模擬電網電壓的波動，產生所需要的動態擾動電壓，用以測試設備在供電電壓存在動態擾動時的性能。

1 系統結構與控制原理

圖1給出了所研制的程控交流電源系統結構框圖。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[1]，逆變器輸出的脈寬調制波經LC濾波輸出交流電壓。

圖1 電源系統結構圖

全橋逆變器的控制采用數模混合控制方式。逆變電源的輸出電壓uo，濾波電容電流ic經過霍爾傳感器和信號調理電路，得到參與控制的反饋信號uof及icf。控制電路的數字部分采用TI公司的TMS320LF2407數字信號處理器作為主控芯片，使用DSP內部的模/數轉換模塊對輸出電壓反饋信號進行采樣，通過數字PI控制器完成電壓有效值外環控制，保證輸出電壓有效值穩態無差。PI控制器的輸出乘以標準給定信號，經數/模轉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環的電壓瞬時值反饋控制，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節器的增益。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；Δu是擾動輸入，包括死區時間帶來的影響和直流側電壓波動等；io為負載電流。

圖2 含濾波電容電流內環的電壓瞬時值反饋控制框圖

電容電流環可以對環內Δu和io的擾動起到及時的調節作用，電壓控制環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的表達式為

從uo的表達式可以看出，增大電壓調節器和電流調節器的增益可以有效地抑制Δu和io的擾動，提高系統的性能；表達式中等號右邊第一項的系數為輸出電壓對參考輸入信號的閉環傳遞函數，只要該傳遞函數的截止頻率足夠高，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行線性放大。

2 DSP軟件實現

DSP芯片是為快速實現各種數字信號處理算法而設計的具有特殊結構的高性能微處理器[2]。本系統中DSP芯片的主要任務是：

1）與外部D/A轉換器構成高精度的波形發生器，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行PI調節。

2.1 基于DSP的波形發生器

程控交流電源輸出電壓可編程的特點是通過參考電壓信號的可編程性來實現的。參考電壓信號可以是正弦波（頻率、幅值可根據需要設定），也可在正弦波上疊加諧波，還可以是動態變化的信號波。可見，高精度的可編程波形發生器是程控交流電源的關鍵環節。

本系統中，基于DSP的正弦波發生器采用異步查表方式，即查表時間間隔保持不變。存儲器中正弦表的數據是單位振幅正弦曲線在2π弧度內N等分后得到的離散的N個點處的正弦函數值，即

S(i)=sin(i2π/N)，i=0，1，...，N－1 （1）

令步長為

Δ=fTsN （2）

式中：Ts為查表時間間隔；

f為正弦信號頻率。

正弦信號是按如下方法產生的：以固定的查表時間間隔Ts向D/A發送需要進行轉換的數據，以Δ作為步長來讀取正弦表中的數據。當取值點落在正弦表中相鄰兩點之間時，采用線性插值法來計算需要轉換的數據[3]，計算公式為

式中：i為整數，0≤i≤N－1；

d為小數，0≤d1。

正弦信號的頻率分辨率為

Δf=1/2mTsN （4）

式中：m為步長Δ的小數部分所對應的二進制位數。

諧波信號是按式（2）計算各次諧波頻率所對應的步長，根據這些步長查找正弦表中的數據，按線性插值法計算各次諧波的波形數據，然后將這些數據乘以對應諧波的幅值并與基波數據相加，這樣得到的和就是諧波信號的輸出數據。

2.2 軟件結構

本電源系統中參考波形的生成和電壓有效值控制是通過對DSP芯片的軟件編程來實現的。全部程序由主程序、ADC中斷子程序和定時器中斷子程序組成。主程序在完成對系統和變量的初始化后，主要進行電壓有效值和PI控制器的運算；ADC中斷子程序的功能是讀取對輸出電壓反饋信號的轉換結果；定時器中斷子程序進行參考波形數據的計算，并將波形數據送入外部D/A轉換器。

3 實驗結果

采用上述主電路結構和控制方式研制了一臺輸出功率為500VA，頻率變化范圍15Hz～1kHz，頻率分辨率為0.01Hz，電壓變化范圍20～115V的原理樣機。空載時正弦電壓輸出波形如圖3所示。

在基波頻率為50Hz的正弦波上疊加諧波后輸出電壓波形如圖4所示，圖4（a）為疊加三次諧波后的輸出電壓波形，三次諧波含量為50％；圖4（b）為疊加二次諧波（40％）、三次諧波（20％）、五次諧波（30％）后的輸出電壓波形。

動態變化時的輸出電壓波形如圖5所示。圖5（a）中輸出電壓從100Hz/20V逐漸向250Hz/50V變化；圖5(b)中輸出電壓在100Hz/60V和200Hz/30V之間交替變化。

4 結語

本文對程控交流電源系統及其控制電路進行了分析，所采用的數模混合控制方式利用DSP系統精度高的特點產生高精度的參考電壓信號，電壓有效值外環保證輸出電壓有效值穩態無差，濾波電容電流和電壓瞬時值控制環提高了系統的動態特性，使得輸出電壓能較快地跟蹤參考電壓信號。實驗結果表明，該程控交流電源輸出波形質量好，運行可靠，在電氣設備測試中具有很好的應用價值。