基于DSP的可编程交流电源研究.pdf

口研究报告口 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 - 1 0 4 1 ． 2 0 1 1 ． 0 5 ． 0 0 2 基 于 D S P的可编程交流 电源研 究 强克坤 安徽工业大学 电气信息学院， 马鞍山 2 4 3 0 0 2 仪器仪表用户 摘要交直流电压源是电源实验室与科研机构必不可少的工具， 针对幅值和相位连续可调交流电压源价格昂贵而直流电压 源价格便宜且广泛应用于实验室中。本文研究了一种以直流电压源为输入 ， 幅值频率可调的可编程电源。该电路由一个前 级 B o o s t 电路和一个后级全桥逆变电路组成。同时， 逆变电路采用倍频调制， 电压电流双环控制， 动态眭能优越。通过制作 一 台以DS P为核心处理器的样机。 验证了控制策略的优越性。 关键 词 可编程交流电源 ； 双环控制 ；S P WM 中图分类号 T H8 6 1 文献标志码 A Pr o g r a mma b l e AC po we r s up pl y r e s e a r c h ba s e d o n DS P O I ANG Ke k u n S c h o o l o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g a n d I n f o r ma t i o n ， A n h u i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Ma a n s h a n 2 3 4 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t AC a n d DC v o lt a g e s o u r c e is i n d i s p e n s a b l e t o ol i n t h e p o we r l a b o r a t o r ie s a n d r e s e ar c h i n s t it u t i o n s．Co n t i n u o u s - ly a d j u s t a b l e a mp l it u d e a n d p h a s e o f A C v o lt a g e s o u r c e is e x p e n s i v e ，wh i le D C v o l t a g e s o u r c e i s c h e a p e r a n d wid e - s p r e a d ．I n t h i s p a p e r ，w e r e a l iz e p r o g r a mma b l e p o we r ，t h a t o u t p u t a d j u s t a b l e a mp l it u d e f r e q u e n c y u s i n g D C v o lt a g e s ou r c ．e．T h e c i r c u i t c o n s i s t s o f B o o s t c i r c u i t a n d f u l l b r i d g e i n v er t e r c i r c u i t ．I n v e r t e r c i r c u i t u s e f r e q u e n c y mo d u la t io n， d o u b l e - lo o p c o n t r o l ，a n d d y n a mic p erf or ma n c e i s s u p e r i o r ．A t l a s t ，we mak e t h e p r o t o t y p e b a s e d o n DSP，t h a t v e r if y t h e s u p e r i o r it y o f t h e c o n t r o l s t r a t e g y ． K e y wo r d sp r o g r a mma b le AC p o wer s o u r c e； d o u b le lo o p c o n t r o l SP W M 0 引言 交直流电压源广泛地应用于产 品测试和新产品 研发 ， 频率和相位连续可调的高精度交流电压源价格 较为昂贵， 而小功率直流电压源价格较低， 且广泛应 用于电力电子实验室中 儿 。本文研究了一种使用 小功率直流电压源经过前级 B o o s t 升压电路后 ， 再逆 变成幅值相位连续可调的高精度可编程交流电压源。 可编程交流 电源 以 T I 公 司生产 的数字信号处理器 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2 为核心处理器 ， 该处理器是 T T 生产 的专门针对工控行业的处理器， 具有运算速度快， A D 精度高， 控制方便， 价格适中等优点 ] 。数字信号处 理器主要完成 A D采样 ， 运算处理 ， P WM输 出及其 与 上位机通信。主电路的拓扑结构如图 1 所示。 图 1 主电路拓扑结构 1 工作状态分析 由图 1可知 ， 本文所研究 的可编程交流电源主要 由一个前 级 B o o s t 电路 和一个后 级逆变 电路 组成。 B o o s t 电路把低压电压源转化成高压， 进而满足后级 [ 7 ]彭朋， 韩伟力， 赵一鸣， 周建锁， 董浩然． 基于 R F I D的物联 网安全需求研究[ J ] ． 计算机安全， 2 0 1 1 ， 0 1 7 5 ． 7 9 ． [ 8 ]朱红儒 ， 齐曼鹏． 物联网安全问题不容忽视[ N ] ． 北京 人 民邮电， 2 0 1 0 ．-0 2 - 0 4 7 [ 9 ]李振汕． 物联 网安全问题研究 [ J ] ． 物联网安全研究 2 0 1 0， 1 2 1 ． 3 ． 4 EI C Vo 1 ． 1 8 2 0 1 1 No． 5 作者简介 顾鹏 1 9 8 8 一 ， 女， 硕士研究生， 通信与信息系统专 业； 任家富 1 9 6 5 - ， 男， 教授， 从事通信技术应用、 澳 量控制技 术应用、 核技术应用； 吴贵莎 1 9 8 6 一 ， 女， 硕士研究生， 通信与 信息系统专业。 收稿日期 2 0 1 1 - 0 4 2 8 欢迎光临本刊网站 h t t p ／ ／ w w w． e ic ． c o m． c a 仪器仪表用户 逆变单元幅值调节的要求。设定交流 电压的幅值 和 频率由上位机给定， 通过 S P I 通信将设定参数传递给 数字信号处理器， 进而控制开关管 s 2 ， s 3 ， s 4 ， s 5 导通 的占空比， 产生所需 的交流电压 。 1 ． 1 B o o s t 电路分析 当功率开关管 S 1 导通时， 电感 L 1 两端的电压为 直流电压源 电压 E， 电感 L 1的电流线性上升 ， L 1所 储存 的能量增加 ， 二极管 D l承受反 向电压 而截 止 ， 电容 c 1 提供后级能量 ， 电容储存的能量减小。当功 率开关管 s l 截止时， 二极管 D 1 承受正向电压导通， 电感 L 1 所存储的能量与直流电压源共同通过二极管 D 1对电容 C 1充电并为负载提供能量 ， 电感 L 1 的 电 流线性下降， 电容存储的能量增加。 1 ． 2 逆变电路分析 逆变电路的调制可分为单极性调制， 双极性调制 和倍频调 制E 4 ] 。倍频 调 制与其 它两 种调 制 方式 相 比， 开关管的等效频率增加一倍， 因而使用倍频调制， 可以减小滤波器的尺寸 ， 减少开关 管的开关损耗 ， 进 而提高整机效率 j 。调制波与双三角波载波进行比 较 ， 当调制 波大于三角波载波 1时， s 2为高电平 ， s 3 为低 电平 ， 反之 ， S 2则 为低 电平 ， S 3则为高 电平。当 调制波大于三角波载波 2时 ， S 4为低电平 ， s 5为高电 平， 反之， s 4 则为高电平， s 5 为低电平， 如图2 所示。当 s 2 、 s 5同时导通时， 两桥臂中点电压 U A B等于E ， 当s 3 、 S 4 同时导通时， 两桥臂中点电压U A B等于一 E ， 否则， 两 桥臂中点电压 U A B为 0 。直流电压源经 S P WM调制后， 通过 L C滤波器后输出商I生能的正弦交流电压。 议 2 l 调 一 罐 竹 { 磷 皿 i H _ } 。{ _ 二f lI 1 I 一 1』- _』L H lI ] 广 图 2 倍频 调制 2 控制策略分析 P I 算法具有控制简单， 易于实现， 稳定性好等优 点 ， 因而广泛地应用 于开关 电源 中 J 。前级 B o o s t 电 路采用 P I 控制 ， 直流电压源 电压在 1 03 0 V范 围内 可调， 设定电容 c 1 两端的电压输出为 1 0 0 V 。电压传 感器检测电容 c 1 两端电压， 经过调理后进人 D S P的 A D采样， 与设定电压值做差进行 P I 运算。P I 的运 算结果与载波进行比较， 当反馈电压值小于设定电压 值时， P I 运算结果增大， 开关管 s 1的占空比增加， 进 而使输出电压增大。当反馈电压值大于设定电压值 欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息 时， P I 的运算结果减小， 开关管 s l 的占空比减小， 进 而使 c 1 两端电压降低。通过对占空比的不断调节， 使输出电压值与设定电压值相等。 随着电力电子技术的发展， 各种仪器对输入交流 电压的品质有了更高的要求。为满足各种仪器仪表 的需要， 该逆变电路采用电压外环， 电流内环的双环 控制。。 J 。与单电压环控制相比， 双环控制能够提高 系统的动态性能。电压传感器和电流传感器分别采 样逆变器的输出电压和输出电流， 传感器的输出经过 调理后进行 D S P的 A D采样。输出电压给定的幅值 值和频率由上位机给定， 设定电压值与 A D采样电压 值进行 P I 运算， 其输出结果作为电流值的给定， 与 A D采样的电流值进行 比例运算， 其输出的结果与两 个三角波载波作比较 ， 产生 P WM1 、 P W M2 、 P WM 3、 P WM 4 信号， 分别作为功率开关管s 2 、 s 3 、 S 4 、 s 5的驱动信号。 3 软件设计 该系统 的软件设计主要包括上位机软件设计和 D S P控制器的软件的设计。其中， D S P控制器的软件 设计主要包括与上位机通信的设计， 控制算法的设计 及主程序的设计 。系统运行后 ， D S P首先进行 系统初 始化， A D初始化， I O口初始化， 定时器初始化和中断 初始化及使能。主程序主要是清看门狗程序， 防止程 序意外跑飞。控制算法在定时器 1的中断中完成。 在定时器 1的中断中， 完成 B o o s t 电路的闭环 P I 控制 及 P WM1 输出， 启动 A D采样， 逆变器的电压外环 P I 控制 及 电 流 内环 的 闭环 比 例 控 制 ， 及 其 P WM 2 、 P WM3 、 P WM 4、 P WM 5的输 出。与上 位机 的通信 在 S P I 中断中完成 。D S P运行后一直在 主程 序清看 门 狗， 等待中断事件发生。当定时器 1 发生中断请求 后 ， 程序执行定时器 1的中断， 然后清中断标志， 定时 器 1中断完成后进入主程序等待下一个中断请求。 当S P I 发生中断请求后， 程序执行 S P I 中断， 完成与 上位机之间的通信， 然后清中断标志进入主程序， 等待 下一次中断请求。逆变电路的程序流程图如图3所示。 图 3 逆变中断子程序 EI C VO 1 ． 1 8 2 01 1 No． 5 5 口研究报告口 4实验 为了验证电路拓扑结构和控制算法的有效性， 制 作一台以 D S P为核心处理器的实验样机。前级 B o o s t 输入直流电压源 电压在 1 03 0 V可调 ， B o o s t 输 出电 压设定值为 1 2 0 V， 逆变器输 出交流 电压 ， 频率可调。 图 4为设定交流 电压输 出由频率 5 0 H z ， 有效值 3 0 V 到频率2 5 H z ， 有效值 6 0 V的突变波形其中纵轴每格 代表 5 0 V ， 横轴每格代表 1 0 m s 。图 5为输出电压有 效值设定为 6 0 V， 5 0 H z的正弦波， 输出电阻负载 由 2 0 Q到 l 0 Q突变的波形图， 其中1 为电压输出波形， 2为电流输 出波形 ， 电压 每格代表 5 0 V， 电流每格代 表5 A， 横格每格代表时间2 5 m s 。从实验结果可以看 出， 当负载发生突变时， 输出电压可以很快达到稳定， 动态性能优越 。 厂 、 I n ／ 3 ． ． ⋯ ⋯ ／ 。． 1I、 。．．1 U V 图4 交流电压幅值 频 率突变波形 2 蒎 l 图5 电阻负载突变时 电压电流波形图 5 结束语 本文介绍了一种以直流电压源为输入 ， 经过前级 仪器仪表用户 B o o s t 升压电路及后级逆变输出电路产生幅值相位可 调的可编程的交流电源。该交流电源以数字信号处 理器为核心处理器， 采用输出电压电流双环控制， 进 行倍频调制 ， 实验结果证 明了使用双环控制的输出交 流 电压动态性能优越。口 参考文献 [ 1 ]杨李杰， 沈颂华， 白小清．基于 D S P的可编程交流电 源[ J ] ．电力电子技术 ， 2 0 0 5 ， 3 9 4 1 0 0 - 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