精密交流电源中的数字控制分析

摘要：介绍了一个包含Intel 16位单片机的双CPU高分辨率交流电源控制系统，并详细阐述了其中采用的正弦信号数字合成技术及母线跟随和分级控制方法。试验表明电源输出正弦波形的各项性能指标均有很高精度，能很好地满足检验精度的要求。

关键词：程控电源；高分辨率；数字合成；双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

电力系统中广泛使用的各类变送器和控制继电器，需要定期用更高等级的交流测试电源对其进行校验。目前校验用电源种类繁多，但大多采用线性电源，其体积大、效率低。而开关电源克服了传统线性电源的这些缺点，使其在各类精密仪表、仪器中的应用前景看好。

国内外高性能开关电源多采用半数字化智能控制，由单片机产生瞬时电压（电流）反馈控制逆变器的基准正弦波信号，模拟电路实现主功率电路的闭环控制。正弦信号产生有多种方法，其中直接数字频率合成（DDS）因频率切换速度快、分辨率高、易于调节而得到广泛应用。但是要实现高分辨率的频率、相位、幅值调节必须提高CPU时钟和增大存储空间。本文将介绍以双CPU为核心的控制系统，采用虚拟空间法和双级D/A（数模转换）输出结构，在有限的存储空间和时钟频率下，产生高精度的多路可变频、移相和调幅的参考波形。同时改善了传统的直流母线参考电压不变的控制方法，通过母线跟随、分级控制，能够使输出级产生精度很高的三相电压或电流波形。本系统既可独立地作为标准信号源使用，也可应用于各类变送器的测试、校验工作。

2 工作原理

2.1 系统结构与基本工作原理描述

本交流电源主电路由整流、滤波、DC/DC变换、DC/AC变换等环节构成。简化结构如图1所示，其工作原理为：DC/DC级产生可控的直流母线电压，为DC/AC级提供直流电压；DC/AC级经桥式电路以SPWM方式实现逆变，经LC滤波输出正弦电压（或电流）。它采用双环控制，由单片机产生的高精度AC电源基准信号，与反馈电压比较，经PI调节后产生电压误差信号，作为内电流环的给定信号。再与滤波电感 的 电 流 信 号 比 较 产 生 电 流 误 差 信 号 ， 最 后 与 三 角 波 合 成SPWM波 。 同 时 ， 根 据 DC/AC级 输 出 幅 度 ， 由 单 片 机 为 DC/DC级 提 供 参 考 信 号 的 协 调 控 制 ， 使 DC/AC级 在 小 幅 度 输 出 时 能 有 较 大 的 调 制 比 ， 以 抑 制 输 出 级 的 开 关 纹 波 。 为 充 分 利 用 电 压 传 感 器 的 精 度 ， 通 过 不 同 量 程 间 自 动 切 换 传 感 器 的 采 样 电 阻 ， 保 证 了 电 源 在 整 个 量 程 内 的 精 度 。

图 1 系 统 结 构 框 图

2.2 微机控制部分

以两片80C196KB为控制核心，进行必要的外围扩展，简化系统框图如图2所示。

图2 微 机 控 制 原 理 图
根据实现功能的不同，本系统由上位机模块、下位机模块和通信模块三个部分组成。其中上位机模块负责对主电路的全方位监控及对各路参考信号基准源的幅度、频率、相位进行调节；下位机模块由多路高速并行D/A输出精密参考信号；通信模块主管上位机与工控机之间的信息交流以及上位机和下位机之间的数据传送及共享。

2.3 DDS数字波形生成

本系统应用DDS技术实现CPU控制的电源基准波形。其原理框图如图3所示。

图3 DDS原 理 框 图

首先，将单位振幅正弦波的相位在2π弧度内分成2A个点（即最小相间隔θmin=2π/2A）经离散量化后存入ROM，构成正弦表。通过相位累加器把频率码变换成相位取样值。在时钟（基准频率）控制下，相位累加器以Δθ（=nθmin,n=1,2...）为增量递增，其输出的相位数据对ROM寻址，查出的函数值经D/A变换器变换成量化正弦波，经低通滤波器可得正弦波电压。最后输出频率为

f0=K·

式中：f0为时钟频率；

K为频率码；

2A为EPROM存储波形的最大点数。

频率的分辨率为

f0min=

当D/A转换器以每秒Nf速率从寄存器单元取数（N是一个信号周期里的采样点数），输出正弦波频率是f，频率分辨率为f1=（Nf）/2A。如果存的波形点数为p2A，并以整数p为间隔来取数据（从k跳至k＋p）,就可以不改变D/A刷新频率而保持信号频率仍为f。同时输出正弦波的频率分辨率提高了p倍，即f2=（Nf）/p2A。这说明，如果选择一个存储空间比较大的寄存器，就可以克服CPU时钟频率的限制。其实质就是将时间上所面临的困难转到寄存器内存空间上解决。

实际寄存器空间可能仍不够大，可以采用插值等方法解决。由于单片机系统资源的限制，进行插值计算也比较困难。假设输出1Hz时要求的分辨率达到1‰即0.001Hz，EPROM中存有64k波形点，时钟频率为10k，那么实际可达到的分辨率仅为fmin==0.15Hz，远远不能满足要求。因此，本文提出了一个折衷的方法，即虚拟空间法。进行DDS计算时，假设系统有16384k（224）的存储空间（虚拟空间，即存储的正弦波点数）。