基于DSP的程控交流电源的研制

摘要：介绍了一种基于DSP的程控交流电源。该交流电源不仅能够输出频率幅值，可变的正弦电压，而且能够输出周期性畸变电压。电源系统采用数模混合控制，数字部分实现高精度的波形发生器和电压有效值控制；模拟部分完成电压电流瞬时值控制。最后给出原理样机的实验波形。 关键词：程控电源；数字信号处理器；数模混合控制；任意波形发生器引言程控交流电源是提供可调节的高精度交流电的电力电子装置。这种交流电源主要应用于采用交流电供电的电气设备的测试。本文所设计的程控交流电源不仅可以作为稳压交流电源，输出频率、幅值可变的高纯度正弦交流电压，用以测试设备在正弦电压供电下的性能；而且可以模拟电网电压的畸变，产生所需的周期性畸变电压，用以测试设备在供电电压存在畸变时的性能；此外，还可模拟电网电压的波动，产生所需要的动态扰动电压，用以测试设备在供电电压存在动态扰动时的性能。1 系统结构与控制原理图1给出了所研制的程控交流电源系统结构框图。主电路由不控整流电路，全桥逆变器和输出LC滤波器组成。单相全桥逆变器采用三角波比较方式的电流跟踪型PWM技术[1]，逆变器输出的脉宽调制波经LC滤波输出交流电压。图1 电源系统结构图全桥逆变器的控制采用数模混合控制方式。逆变电源的输出电压uo，滤波电容电流ic经过霍尔传感器和信号调理电路，得到参与控制的反馈信号uof及icf。控制电路的数字部分采用TI公司的TMS320LF2407数字信号处理器作为主控芯片，使用DSP内部的模/数转换模块对输出电压反馈信号进行采样，通过数字PI控制器完成电压有效值外环控制，保证输出电压有效值稳态无差。PI控制器的输出乘以标准给定信号，经数/模转换后作为控制电路模拟部分的参考输入信号。模拟部分完成含滤波电容电流内环的电压瞬时值反馈控制，其控制框图如图2所示。图2中，ku和ki分别为电压和电流调节器的增益。kPWM为PWM逆变器的等效增益，且kPWM=Ud/Ut，其中Ud为直流母线电压，Ut为三角波幅值。kuf及kif分别为输出电压和电容电流的反馈系数；Δu是扰动输入，包括死区时间带来的影响和直流侧电压波动等；io为负载电流。含滤波电容电流内环的电压瞬时值反馈控制框图电容电流环可以对环内Δu和io的扰动起到及时的调节作用，电压控制环保证输出电压波形跟踪参考输入信号u＊。由图2可得输出电压uo的表达式为
从uo的表达式可以看出，增大电压调节器和电流调节器的增益可以有效地抑制Δu和io的扰动，提高系统的性能；表达式中等号右边第一项的系数为输出电压对参考输入信号的闭环传递函数，只要该传递函数的截止频率足够高，逆变器就可对频率范围不超过截止频率的任意参考输入信号进行线性放大。2 DSP软件实现DSP芯片是为快速实现各种数字信号处理算法而设计的具有特殊结构的高性能微处理器[2]。本系统中DSP芯片的主要任务是：1）与外部D/A转换器构成高精度的波形发生器，提供参考电压信号；2）对给定电压有效值和反馈电压有效值的偏差进行PI调节。2.1 基于DSP的波形发生器程控交流电源输出电压可编程的特点是通过参考电压信号的可编程性来实现的。参考电压信号可以是正弦波（频率、幅值可根据需要设定），也可在正弦波上叠加谐波，还可以是动态变化的信号波。可见，高精度的可编程波形发生器是程控交流电源的关键环节。本系统中，基于DSP的正弦波发生器采用异步查表方式，即查表时间间隔保持不变。存储器中正弦表的数据是单位振幅正弦曲线在2π弧度内N等分后得到的离散的N个点处的正弦函数值，即S(i)=sin(i2π/N)，i=0，1，...，N－1 （1）令步长为Δ=fTsN （2）式中：Ts为查表时间间隔；f为正弦信号频率。正