強克坤

(安徽工業(yè)大學(xué)電氣信息學(xué)院，馬鞍山243002)

0 引言

交直流電壓源廣泛地應(yīng)用于產(chǎn)品測試和新產(chǎn)品研發(fā)，頻率和相位連續(xù)可調(diào)的高精度交流電壓源價格較為昂貴，而小功率直流電壓源價格較低，且廣泛應(yīng)用于電力電子實驗室中［1］［2］。本文研究了一種使用小功率直流電壓源經(jīng)過前級Boost升壓電路后，再逆變成幅值相位連續(xù)可調(diào)的高精度可編程交流電壓源。可編程交流電源以TI公司生產(chǎn)的數(shù)字信號處理器(TMS320F2812)為核心處理器，該處理器是TI生產(chǎn)的專門針對工控行業(yè)的處理器，具有運算速度快，AD精度高，控制方便，價格適中等優(yōu)點［3］。數(shù)字信號處理器主要完成AD采樣，運算處理，PWM輸出及其與上位機通信。主電路的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 主電路拓撲結(jié)構(gòu)

1 工作狀態(tài)分析

由圖1可知，本文所研究的可編程交流電源主要由一個前級Boost電路和一個后級逆變電路組成。Boost電路把低壓電壓源轉(zhuǎn)化成高壓，進而滿足后級逆變單元幅值調(diào)節(jié)的要求。設(shè)定交流電壓的幅值和頻率由上位機給定，通過SPI通信將設(shè)定參數(shù)傳遞給數(shù)字信號處理器，進而控制開關(guān)管S2，S3，S4，S5導(dǎo)通的占空比，產(chǎn)生所需的交流電壓。

1.1 Boost電路分析

當(dāng)功率開關(guān)管S1導(dǎo)通時，電感L1兩端的電壓為直流電壓源電壓E，電感L1的電流線性上升，L1所儲存的能量增加，二極管D1承受反向電壓而截止，電容C1提供后級能量，電容儲存的能量減小。當(dāng)功率開關(guān)管S1截止時，二極管D1承受正向電壓導(dǎo)通，電感L1所存儲的能量與直流電壓源共同通過二極管D1對電容C1充電并為負載提供能量，電感L1的電流線性下降，電容存儲的能量增加。

1.2 逆變電路分析

逆變電路的調(diào)制可分為單極性調(diào)制，雙極性調(diào)制和倍頻調(diào)制［4］。倍頻調(diào)制與其它兩種調(diào)制方式相比，開關(guān)管的等效頻率增加一倍，因而使用倍頻調(diào)制，可以減小濾波器的尺寸，減少開關(guān)管的開關(guān)損耗，進而提高整機效率［5］。調(diào)制波與雙三角波載波進行比較，當(dāng)調(diào)制波大于三角波載波1時，S2為高電平，S3為低電平，反之，S2則為低電平，S3則為高電平。當(dāng)調(diào)制波大于三角波載波2時，S4為低電平，S5為高電平，反之，S4則為高電平，S5為低電平，如圖2所示。當(dāng)S2、S5同時導(dǎo)通時，兩橋臂中點電壓UAB等于E，當(dāng)S3、S4同時導(dǎo)通時，兩橋臂中點電壓UAB等于－E，否則，兩橋臂中點電壓UAB為0。直流電壓源經(jīng)SPWM調(diào)制后，通過LC濾波器后輸出高性能的正弦交流電壓。

圖2 倍頻調(diào)制

2 控制策略分析

PI算法具有控制簡單，易于實現(xiàn)，穩(wěn)定性好等優(yōu)點，因而廣泛地應(yīng)用于開關(guān)電源中［6］。前級Boost電路采用PI控制，直流電壓源電壓在10－30V范圍內(nèi)可調(diào)，設(shè)定電容C1兩端的電壓輸出為100V。電壓傳感器檢測電容C1兩端電壓，經(jīng)過調(diào)理后進入DSP的AD采樣，與設(shè)定電壓值做差進行PI運算。PI的運算結(jié)果與載波進行比較，當(dāng)反饋電壓值小于設(shè)定電壓值時，PI運算結(jié)果增大，開關(guān)管S1的占空比增加，進而使輸出電壓增大。當(dāng)反饋電壓值大于設(shè)定電壓值時，PI的運算結(jié)果減小，開關(guān)管S1的占空比減小，進而使C1兩端電壓降低。通過對占空比的不斷調(diào)節(jié)，使輸出電壓值與設(shè)定電壓值相等。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種儀器對輸入交流電壓的品質(zhì)有了更高的要求。為滿足各種儀器儀表的需要，該逆變電路采用電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制［7］。與單電壓環(huán)控制相比，雙環(huán)控制能夠提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。電壓傳感器和電流傳感器分別采樣逆變器的輸出電壓和輸出電流，傳感器的輸出經(jīng)過調(diào)理后進行DSP的AD采樣。輸出電壓給定的幅值值和頻率由上位機給定，設(shè)定電壓值與AD采樣電壓值進行PI運算，其輸出結(jié)果作為電流值的給定，與AD采樣的電流值進行比例運算，其輸出的結(jié)果與兩個三角波載波作比較，產(chǎn)生 PWM1、PWM2、PWM3、PWM4信號，分別作為功率開關(guān)管S2、S3、S4、S5的驅(qū)動信號。

3 軟件設(shè)計

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括上位機軟件設(shè)計和DSP控制器的軟件的設(shè)計。其中，DSP控制器的軟件設(shè)計主要包括與上位機通信的設(shè)計，控制算法的設(shè)計及主程序的設(shè)計。系統(tǒng)運行后，DSP首先進行系統(tǒng)初始化，AD初始化，IO口初始化，定時器初始化和中斷初始化及使能。主程序主要是清看門狗程序，防止程序意外跑飛?？刂扑惴ㄔ诙〞r器1的中斷中完成。在定時器1的中斷中，完成Boost電路的閉環(huán)PI控制及PWM1輸出，啟動AD采樣，逆變器的電壓外環(huán)PI控制及電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)比例控制，及其 PWM2、PWM3、PWM4、PWM5的輸出。與上位機的通信在SPI中斷中完成。DSP運行后一直在主程序清看門狗，等待中斷事件發(fā)生。當(dāng)定時器1發(fā)生中斷請求后，程序執(zhí)行定時器1的中斷，然后清中斷標(biāo)志，定時器1中斷完成后進入主程序等待下一個中斷請求。當(dāng)SPI發(fā)生中斷請求后，程序執(zhí)行SPI中斷，完成與上位機之間的通信，然后清中斷標(biāo)志進入主程序，等待下一次中斷請求。逆變電路的程序流程圖如圖3所示。

圖3 逆變中斷子程序

4 實驗

為了驗證電路拓撲結(jié)構(gòu)和控制算法的有效性，制作一臺以DSP為核心處理器的實驗樣機。前級Boost輸入直流電壓源電壓在10－30V可調(diào)，Boost輸出電壓設(shè)定值為120V，逆變器輸出交流電壓，頻率可調(diào)。圖4為設(shè)定交流電壓輸出由頻率50Hz，有效值30V到頻率25Hz，有效值60V的突變波形其中縱軸每格代表50V，橫軸每格代表10ms。圖5為輸出電壓有效值設(shè)定為60V，50Hz的正弦波，輸出電阻負載由20Ω到10Ω突變的波形圖，其中1為電壓輸出波形，2為電流輸出波形，電壓每格代表50V，電流每格代表5A，橫格每格代表時間25ms。從實驗結(jié)果可以看出，當(dāng)負載發(fā)生突變時，輸出電壓可以很快達到穩(wěn)定，動態(tài)性能優(yōu)越。

圖4 交流電壓幅值頻率突變波形

圖5 電阻負載突變時電壓電流波形圖

5 結(jié)束語

本文介紹了一種以直流電壓源為輸入，經(jīng)過前級Boost升壓電路及后級逆變輸出電路產(chǎn)生幅值相位可調(diào)的可編程的交流電源。該交流電源以數(shù)字信號處理器為核心處理器，采用輸出電壓電流雙環(huán)控制，進行倍頻調(diào)制，實驗結(jié)果證明了使用雙環(huán)控制的輸出交流電壓動態(tài)性能優(yōu)越。

［1］楊李杰，沈頌華，白小清.基于DSP的可編程交流電源［J］.電力電子技術(shù)，2005，39(4)：100-102.

［2］張合林，孫培德.用滯環(huán)控制實現(xiàn)的可編程電源［J］.微計算機信息，2003，19(9)：75-76.

［3］蘇奎峰，呂強，常天慶，等.TMS320X281X DSP原理及C程序開發(fā)［M］.北京：北京航空航天出版社，2008：135-150.

［4］趙青，范洪峰，呂征宇.單極性SPWM的兩種控制方法與過零點輸出特性比較［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2004，7(3)：133-137.

［5］賀冬梅，蔡麗娟，陳靈敏.幾種Boost電路的功率損耗分析與實驗研究［J］.電力電子技術(shù)，2005，39(6)：70-73.

［6］謝少軍，陳萬.電壓電流雙閉環(huán)瞬時值控制級聯(lián)逆變器研究［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2004，36(5)：589-594.

［7］陳江輝，謝運祥，黃敏俊，等.基于雙環(huán)控制的Buck DA-AC逆變器［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，37(2)：147-150.