基于DSP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243002)

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［1］［2］。本文研究了一种使用小功率直流电压源经过前级Boost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TI公司生产的数字信号处理器(TMS320F2812)为核心处理器，该处理器是TI生产的专门针对工控行业的处理器，具有运算速度快，AD精度高，控制方便，价格适中等优点［3］。数字信号处理器主要完成AD采样，运算处理，PWM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Boost电路和一个后级逆变电路组成。Boost电路把低压电压源转化成高压，进而满足后级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SPI通信将设定参数传递给数字信号处理器，进而控制开关管S2，S3，S4，S5导通的占空比，产生所需的交流电压。

1.1 Boost电路分析

当功率开关管S1导通时，电感L1两端的电压为直流电压源电压E，电感L1的电流线性上升，L1所储存的能量增加，二极管D1承受反向电压而截止，电容C1提供后级能量，电容储存的能量减小。当功率开关管S1截止时，二极管D1承受正向电压导通，电感L1所存储的能量与直流电压源共同通过二极管D1对电容C1充电并为负载提供能量，电感L1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［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［5］。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，S2为高电平，S3为低电平，反之，S2则为低电平，S3则为高电平。当调制波大于三角波载波2时，S4为低电平，S5为高电平，反之，S4则为高电平，S5为低电平，如图2所示。当S2、S5同时导通时，两桥臂中点电压UAB等于E，当S3、S4同时导通时，两桥臂中点电压UAB等于－E，否则，两桥臂中点电压UAB为0。直流电压源经SPWM调制后，通过LC滤波器后输出高性能的正弦交流电压。

图2 倍频调制

2 控制策略分析

PI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［6］。前级Boost电路采用PI控制，直流电压源电压在10－30V范围内可调，设定电容C1两端的电压输出为100V。电压传感器检测电容C1两端电压，经过调理后进入DSP的AD采样，与设定电压值做差进行PI运算。PI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，PI运算结果增大，开关管S1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时，PI的运算结果减小，开关管S1的占空比减小，进而使C1两端电压降低。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［7］。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DSP的AD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AD采样电压值进行PI运算，其输出结果作为电流值的给定，与AD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 PWM1、PWM2、PWM3、PWM4信号，分别作为功率开关管S2、S3、S4、S5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DSP控制器的软件的设计。其中，DSP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，DSP首先进行系统初始化，AD初始化，IO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Boost电路的闭环PI控制及PWM1输出，启动AD采样，逆变器的电压外环PI控制及电流内环的闭环比例控制，及其 PWM2、PWM3、PWM4、PWM5的输出。与上位机的通信在SPI中断中完成。DSP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SPI发生中断请求后，程序执行SPI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

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DSP为核心处理器的实验样机。前级Boost输入直流电压源电压在10－30V可调，Boost输出电压设定值为120V，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50Hz，有效值30V到频率25Hz，有效值60V的突变波形其中纵轴每格代表50V，横轴每格代表10ms。图5为输出电压有效值设定为60V，50Hz的正弦波，输出电阻负载由20Ω到10Ω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50V，电流每格代表5A，横格每格代表时间25ms。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。

图4 交流电压幅值频率突变波形

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Boost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。

［1］杨李杰，沈颂华，白小清.基于DSP的可编程交流电源［J］.电力电子技术，2005，39(4)：100-102.

［2］张合林，孙培德.用滞环控制实现的可编程电源［J］.微计算机信息，2003，19(9)：75-76.

［3］苏奎峰，吕强，常天庆，等.TMS320X281X DSP原理及C程序开发［M］.北京：北京航空航天出版社，2008：135-150.

［4］赵青，范洪峰，吕征宇.单极性SPWM的两种控制方法与过零点输出特性比较［J］.电源技术应用，2004，7(3)：133-137.

［5］贺冬梅，蔡丽娟，陈灵敏.几种Boost电路的功率损耗分析与实验研究［J］.电力电子技术，2005，39(6)：70-73.

［6］谢少军，陈万.电压电流双闭环瞬时值控制级联逆变器研究［J］.南京航空航天大学学报，2004，36(5)：589-594.

［7］陈江辉，谢运祥，黄敏俊，等.基于双环控制的Buck DA-AC逆变器［J］.华南理工大学学报：自然科学版，2009，37(2)：147-150.