【导读】国内外高性能开关电源多采用半数字化智能控制，由单片机产生瞬时电压（电流）反馈控制逆变器的基准正弦波信号，模拟电路实现主功率电路的闭环控制。正弦信号产生有多种方法，其中直接数字频率合成（DDS）因频率切换速度快、分辨率高、易于调节而得到广泛应用。
但是要实现高分辨率的频率、相位、幅值调节必须提高CPU时钟和增大存储空间。本文将介绍以双CPU为核心的控制系统，采用虚拟空间法和双级D/A（数模转换）输出结构，在有限的存储空间和时钟频率下，产生高精度的多路可变频、移相和调幅的参考波形。同时改善了传统的直流母线参考电压不变的控制方法，通过母线跟随、分级控制，能够使输出级产生精度很高的三相电压或电流波形。本系统既可独立地作为标准信号源使用，也可应用于各类变送器的测试、校验工作。
工作原理
系统结构与基本工作原理描述
本交流电源主电路由整流、滤波、DC/DC变换、DC/AC变换等环节构成。简化结构如图1所示，其工作原理为：DC/DC级产生可控的直流母线电压，为DC/AC级提供直流电压；DC/AC级经桥式电路以SPWM方式实现逆变，经LC滤波输出正弦电压（或电流）。它采用双环控制，由单片机产生的高精度AC电源基准信号，与反馈电压比较，经PI调节后产生电压误差信号，作为内电流环的给定信号。再与滤波电感的电流信号比较产生电流误差信号，最后与三角波合成SPWM波。同时，根据DC/AC级输出幅度，由单片机为DC/DC级提供参考信号的协调控制，使DC/AC级在小幅度输出时能有较大的调制比，以抑制输出级的开关纹波。为充分利用电压传感器的精度，通过不同量程间自动切换传感器的采样电阻，保证了电源在整个量程内的精度。
图1：系统结构框图
微机控制部分
以两片80C196KB为控制核心，进行必要的外围扩展，简化系统框图如图2所示。
图2 ：微机控制原理图
根据实现功能的不同，本系统由上位机?？椤⑾挛换？楹屯ㄐ拍？槿霾糠肿槌?。其中上位机?？楦涸鸲灾鞯缏返娜轿患嗫丶岸愿髀凡慰夹藕呕荚吹姆?、频率、相位进行调节；下位机?？橛啥嗦犯咚俨⑿蠨/A输出精密参考信号；通信?？橹鞴苌衔换牍た鼗涞男畔⒔涣饕约吧衔换拖挛换涞氖荽图肮蚕?。
DDS数字波形生成
本系统应用DDS技术实现CPU控制的电源基准波形。其原理框图如图3所示。
图3：DDS原理框图
首先，将单位振幅正弦波的相位在2π弧度内分成2A个点（即最小相间隔θmin=2π/2A）经离散量化后存入ROM，构成正弦表。通过相位累加器把频率码变换成相位取样值。在时钟（基准频率）控制下，相位累加器以Δθ（=nθmin,n=1,2...）为增量递增，其输出的相位数据对ROM寻址，查出的函数值经D/A变换器变换成量化正弦波，经低通滤波器可得正弦波电压。最后输出频率为
当D/A转换器以每秒Nf速率从寄存器单元取数（N是一个信号周期里的采样点数），输出正弦波频率是f，频率分辨率为f1=（Nf）/2A。如果存的波形点数为p2A，并以整数p为间隔来取数据（从k跳至k＋p）,就可以不改变D/A刷新频率而保持信号频率仍为f。同时输出正弦波的频率分辨率提高了p倍，即f2=（Nf）/p2A。这说明，如果选择一个存储空间比较大的寄存器，就可以克服CPU时钟频率的限制。其实质就是将时间上所面临的困难转到寄存器内存空间上解决。
实际寄存器空间可能仍不够大，可以采用插值等方法解决。由于单片机系统资源的限制，进行插值计算也比较困难。假设输出1Hz时要求的分辨率达到1‰即0.001Hz，EPROM中存有64k波形点，时钟频率为10k，远远不能满足要求。因此，本文提出了一个折衷的方法，即虚拟空间法。进行DDS计算时，假设系统有16384k（224）的存储空间（虚拟空间，即存储的正弦波点数）。
频率控制码：K=fo＊224/fclk（fo，fclk分别为D/A输出和计算机时钟的频率）每累加一次，将相位累加器的低8位舍去后作为相位地址传给下位机，下位机再依此地址在64k（216）EEPROM中取数送D/A输出。当相位累加器的第8位没有发生变化（进位加1），则仍保持上一次的地址值输出（相当于四舍五入），而下位机也仍然取同一地址中的值输出。通过四舍五入的办法用最近的点代替实际输出，精度上能符合要求，且大大简化了程序，并且用较小的存储空间实现了高精度的波形合成，比原来增加了250多倍。图4为波形合成的系统结构。
图4：DDS实现的系统结构
由上位机（CPU）根据工控机传送来的工作参数，按DDS原理进行计算，得到各点的相位地址，通过双口RAM送给下位机。同时将相应幅值通过D/A-Ⅱ输出作为下位机D/A-Ⅰ的参考电压。下位机（CPU）D/A-Ⅰ以一定的刷新频率（时钟频率）对各路进行查表，输出所需要的可调幅、调频、调相的正弦波形。正弦波数据被存在空间大小为32k的EEPROM中（实际存储1/2周期波形）。
提高精度的其它手段
1）利用数字电位器为DC/DC变换器提供参考信号，产生协调直流母线电压的控制信号。XICOR公司的X9241数字电位器具有四个非易失性数控电位器，利用I/O口模拟I2C总线，能十分方便地对主电路母线电压进行调节。目前本文实验的交流输出幅值（x）与数字电位器输出值（y）之间的关系为y=ax＋b，输出的直流给定信号与交流输出成线性关系，使逆变级母线电压与输出值随时匹配，大幅压缩了输出级的开关纹波。输出偏置值b使得输出低电压、电流值时母线电压仍能保证输出级正常工作。
2）利用切换传感器采样电阻可以改变采样范围，对输出进行分级管理。通过8255扩展I/O口设置分档标志，将输出分成若干档。例如，三相可调电压源输出范围为2～100V，则根据精度要求分为两档，2～30V和30～100V。本系统幅度控制D/A分辨率为212，每档分辨率均可达到1/212，即调节细度最小能达到0.0005V。将单片机资源和硬件电路资源充分结合，大大提高了系统调幅精度。
实验结果
电源达到的技术指标
1)频率范围 0.2～400Hz，调节细度1‰；
2)相位范围 0°～360°，调节细度0.01°；
3)电压输出 3相，2～100V，调节细度1‰；
4)电流输出 3相，0.2～35A，调节细度1‰；
5)总畸变率 <2％。
输出波形
设实验参数为：时钟频率fclk=10kHz，32k空间EEPROM存储半个正弦波点值。
两组实验波形如图5所示，图5（a）表示调幅、调相（相移90°）及调频（步进量为0.01Hz）波形，图5（b）表示不同频率输出波形。
a) 不同相位、幅度、频率波形
b) 不同频率波形
图5： 实验波形
这些信号被成功地应用于1kWSPWM的电压源和电流源变换器。
本精密数控交流电源，利用DDS原理合成正弦波，并采取虚拟空间法，将时间上所面临的问题转化到内存空间上进行处理，只需选取一定的存储空间，就可以极大地提高AC电源的频率和移相精度；幅值由专门的D/A控制，使调节细度也得到了很大提高；母线电压的跟随调节与采样电压分级调节均有效地利用了软、硬件资源，使系统性能大有改善。由于采用了一系列新技术，使装置精度大大提高。
该精密交流开关电源体积小，精度高，适用于电力系统继电?；さ缏返囊瞧鳌⒁潜淼男Ｑ?，具有很好的应用前景。
