精密交流电源中的数字控制

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