【導讀】國內外高性能開關電源多采用半數字化智能控制，由單片機產生瞬時電壓（電流）反饋控制逆變器的基準正弦波信號，模擬電路實現主功率電路的閉環控制。正弦信號產生有多種方法，其中直接數字頻率合成（DDS）因頻率切換速度快、分辨率高、易于調節而得到廣泛應用。
但是要實現高分辨率的頻率、相位、幅值調節必須提高CPU時鐘和增大存儲空間。本文將介紹以雙CPU為核心的控制系統，采用虛擬空間法和雙級D/A（數模轉換）輸出結構，在有限的存儲空間和時鐘頻率下，產生高精度的多路可變頻、移相和調幅的參考波形。同時改善了傳統的直流母線參考電壓不變的控制方法，通過母線跟隨、分級控制，能夠使輸出級產生精度很高的三相電壓或電流波形。本系統既可獨立地作為標準信號源使用，也可應用于各類變送器的測試、校驗工作。
工作原理
系統結構與基本工作原理描述
本交流電源主電路由整流、濾波、DC/DC變換、DC/AC變換等環節構成。簡化結構如圖1所示，其工作原理為：DC/DC級產生可控的直流母線電壓，為DC/AC級提供直流電壓；DC/AC級經橋式電路以SPWM方式實現逆變，經LC濾波輸出正弦電壓（或電流）。它采用雙環控制，由單片機產生的高精度AC電源基準信號，與反饋電壓比較，經PI調節后產生電壓誤差信號，作為內電流環的給定信號。再與濾波電感的電流信號比較產生電流誤差信號，最后與三角波合成SPWM波。同時，根據DC/AC級輸出幅度，由單片機為DC/DC級提供參考信號的協調控制，使DC/AC級在小幅度輸出時能有較大的調制比，以抑制輸出級的開關紋波。為充分利用電壓傳感器的精度，通過不同量程間自動切換傳感器的采樣電阻，保證了電源在整個量程內的精度。
圖1：系統結構框圖
微機控制部分
以兩片80C196KB為控制核心，進行必要的外圍擴展，簡化系統框圖如圖2所示。
圖2 ：微機控制原理圖
根據實現功能的不同，本系統由上位機模塊、下位機模塊和通信模塊三個部分組成。其中上位機模塊負責對主電路的全方位監控及對各路參考信號基準源的幅度、頻率、相位進行調節；下位機模塊由多路高速并行D/A輸出精密參考信號；通信模塊主管上位機與工控機之間的信息交流以及上位機和下位機之間的數據傳送及共享。
DDS數字波形生成
本系統應用DDS技術實現CPU控制的電源基準波形。其原理框圖如圖3所示。
圖3：DDS原理框圖
首先，將單位振幅正弦波的相位在2π弧度內分成2A個點（即最小相間隔θmin=2π/2A）經離散量化后存入ROM，構成正弦表。通過相位累加器把頻率碼變換成相位取樣值。在時鐘（基準頻率）控制下，相位累加器以Δθ（=nθmin,n=1,2...）為增量遞增，其輸出的相位數據對ROM尋址，查出的函數值經D/A變換器變換成量化正弦波，經低通濾波器可得正弦波電壓。最后輸出頻率為
當D/A轉換器以每秒Nf速率從寄存器單元取數（N是一個信號周期里的采樣點數），輸出正弦波頻率是f，頻率分辨率為f1=（Nf）/2A。如果存的波形點數為p2A，并以整數p為間隔來取數據（從k跳至k＋p）,就可以不改變D/A刷新頻率而保持信號頻率仍為f。同時輸出正弦波的頻率分辨率提高了p倍，即f2=（Nf）/p2A。這說明，如果選擇一個存儲空間比較大的寄存器，就可以克服CPU時鐘頻率的限制。其實質就是將時間上所面臨的困難轉到寄存器內存空間上解決。
實際寄存器空間可能仍不夠大，可以采用插值等方法解決。由于單片機系統資源的限制，進行插值計算也比較困難。假設輸出1Hz時要求的分辨率達到1‰即0.001Hz，EPROM中存有64k波形點，時鐘頻率為10k，遠遠不能滿足要求。因此，本文提出了一個折衷的方法，即虛擬空間法。進行DDS計算時，假設系統有16384k（224）的存儲空間（虛擬空間，即存儲的正弦波點數）。
頻率控制碼：K=fo＊224/fclk（fo，fclk分別為D/A輸出和計算機時鐘的頻率）每累加一次，將相位累加器的低8位舍去后作為相位地址傳給下位機，下位機再依此地址在64k（216）EEPROM中取數送D/A輸出。當相位累加器的第8位沒有發生變化（進位加1），則仍保持上一次的地址值輸出（相當于四舍五入），而下位機也仍然取同一地址中的值輸出。通過四舍五入的辦法用最近的點代替實際輸出，精度上能符合要求，且大大簡化了程序，并且用較小的存儲空間實現了高精度的波形合成，比原來增加了250多倍。圖4為波形合成的系統結構。
圖4：DDS實現的系統結構
由上位機（CPU）根據工控機傳送來的工作參數，按DDS原理進行計算，得到各點的相位地址，通過雙口RAM送給下位機。同時將相應幅值通過D/A-Ⅱ輸出作為下位機D/A-Ⅰ的參考電壓。下位機（CPU）D/A-Ⅰ以一定的刷新頻率（時鐘頻率）對各路進行查表，輸出所需要的可調幅、調頻、調相的正弦波形。正弦波數據被存在空間大小為32k的EEPROM中（實際存儲1/2周期波形）。
提高精度的其它手段
1）利用數字電位器為DC/DC變換器提供參考信號，產生協調直流母線電壓的控制信號。XICOR公司的X9241數字電位器具有四個非易失性數控電位器，利用I/O口模擬I2C總線，能十分方便地對主電路母線電壓進行調節。目前本文實驗的交流輸出幅值（x）與數字電位器輸出值（y）之間的關系為y=ax＋b，輸出的直流給定信號與交流輸出成線性關系，使逆變級母線電壓與輸出值隨時匹配，大幅壓縮了輸出級的開關紋波。輸出偏置值b使得輸出低電壓、電流值時母線電壓仍能保證輸出級正常工作。
2）利用切換傳感器采樣電阻可以改變采樣范圍，對輸出進行分級管理。通過8255擴展I/O口設置分檔標志，將輸出分成若干檔。例如，三相可調電壓源輸出范圍為2～100V，則根據精度要求分為兩檔，2～30V和30～100V。本系統幅度控制D/A分辨率為212，每檔分辨率均可達到1/212，即調節細度最小能達到0.0005V。將單片機資源和硬件電路資源充分結合，大大提高了系統調幅精度。
實驗結果
電源達到的技術指標
1)頻率范圍 0.2～400Hz，調節細度1‰；
2)相位范圍 0°～360°，調節細度0.01°；
3)電壓輸出 3相，2～100V，調節細度1‰；
4)電流輸出 3相，0.2～35A，調節細度1‰；
5)總畸變率 <2％。
輸出波形
設實驗參數為：時鐘頻率fclk=10kHz，32k空間EEPROM存儲半個正弦波點值。
兩組實驗波形如圖5所示，圖5（a）表示調幅、調相（相移90°）及調頻（步進量為0.01Hz）波形，圖5（b）表示不同頻率輸出波形。
a) 不同相位、幅度、頻率波形
b) 不同頻率波形
圖5： 實驗波形
這些信號被成功地應用于1kWSPWM的電壓源和電流源變換器。
本精密數控交流電源，利用DDS原理合成正弦波，并采取虛擬空間法，將時間上所面臨的問題轉化到內存空間上進行處理，只需選取一定的存儲空間，就可以極大地提高AC電源的頻率和移相精度；幅值由專門的D/A控制，使調節細度也得到了很大提高；母線電壓的跟隨調節與采樣電壓分級調節均有效地利用了軟、硬件資源，使系統性能大有改善。由于采用了一系列新技術，使裝置精度大大提高。
該精密交流開關電源體積小，精度高，適用于電力系統繼電保護電路的儀器、儀表的校驗，具有很好的應用前景。
