《電子技術應用》
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基于MSP430的紋波功率電源設計
2016年電子技術應用第9期
李龍龍，李國富，陳 沒，李永亮，劉之方
中國電力科學研究院，北京100192
摘要： 直流輸電系統(tǒng)中避雷器的老化試驗需要一種能產生特殊紋波波形的高壓試驗電源，為此設計了一種程控紋波功率電源。該電源基于MSP430單片機實現(xiàn)總體控制，采用D/A轉換和幅值控制，生成高精度、穩(wěn)定可靠的試驗紋波，然后通過功率放大器進行電壓和功率放大，通過采樣模塊采集輸出波形，完成反饋閉環(huán)。介紹了紋波功率電源的硬件原理和軟件結構，試驗結果表明，該電源可以無失真地生成閥電壓和橋電壓紋波波形，輸出電壓有效值最大為60 V，輸出電壓穩(wěn)定度在1%以內，頻率穩(wěn)定度在0.5%以內，可以滿足避雷器老化試驗對紋波波形的要求。
中圖分類號： TN86
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.09.034
中文引用格式： 李龍龍，李國富，陳沒，等. 基于MSP430的紋波功率電源設計[J].電子技術應用，2016，42(9)：129-132.
英文引用格式： Li Longlong，Li Guofu，Chen Mo，et al. Design of ripple signal power supply based on MSP430[J].Application of Electronic Technique，2016，42(9)：129-132.
Design of ripple signal power supply based on MSP430
Li Longlong，Li Guofu，Chen Mo，Li Yongliang，Liu Zhifang
China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China
Abstract： Aging test of arrester in DC transmission system needs a high voltage test power supply which can generate a kind of special ripple waveform. For this requirement, a programmable ripple waveform power supply is designed. The power supply uses MSP430 as control MCU, and uses D/A converter and amplitude control to produce high-precision reliable test ripple waveform, then uses power amplifier to amplify the voltage and power. The paper introduces the hardware principle and software structure in detail. Experimental results show that, the power supply can generate valve voltage and bridge voltage accurately, the maximum output voltage can up to 60V, and voltage stability is less than 1%, the frequency stability is less than 0.5%. The power supply can meet the test requirement of ripple waveform for arrester aging test.
Key words : ripple signal generator；MSP430；aging test；power supply

0 引言

　　特高壓直流避雷器是特高壓直流輸電工程中必不可少的設備。相對于交流輸電系統(tǒng)避雷器而言，高壓直流輸電避雷器的使用工況更為復雜。直流避雷器根據安裝位置的不同，承受各種不同波形的長期運行電壓，由直流分量、交流分量和各種高頻分量疊加組成，特別是閥避雷器和橋避雷器，其電壓波形中既含有顯著的直流分量，也有一個諧波電壓十分豐富的紋波分量，如圖1所示[1-3]。

圖像 001.png

　　直流避雷器在各種波形下的功率損耗特性不同，老化性能具有很大的差別，為了高壓直流輸電工程的安全可靠運行，必須對高壓直流避雷器的老化性能進行嚴格考核，最直接有效的方法是應用避雷器在實際高壓直流輸電工程中承受的長期運行電壓進行加速老化試驗[5]。

　　目前國內外比較通用的做法是采用縮小比例的背靠背高壓直流輸電系統(tǒng)產生相關的試驗波形。但是試驗表明，在加上避雷器負載后，試驗電壓波形畸變嚴重，而且該試驗裝置控制復雜，成本高，無法直接應用于生產過程中的避雷器老化試驗。為了保證特高壓直流輸電工程的可靠運行，提高高壓直流輸電系統(tǒng)避雷器老化性能試驗的可靠性，在有無避雷器負載的情況下都能保證電壓波形穩(wěn)定可靠，沒有畸變，需要采用數字化方法研制一種新的能夠產生所需紋波波形的大功率試驗電源。

1 系統(tǒng)結構

　　試驗電源由紋波信號發(fā)生器、功率放大器、采樣顯示、升壓變壓器組成，如圖2所示。微處理器負責硬件總體控制，接收上位機控制系統(tǒng)的控制命令。D/A數模轉換器負責將紋波數字量轉換成模擬量，輸出紋波信號。幅值控制模塊負責控制紋波輸出電壓的大小，功率放大器進行紋波信號的功率放大，從而驅動變壓器進行再一次電壓放大。采樣模塊負責采集功率放大器的輸出電壓波形，將采樣得到的波形量發(fā)送到上位機控制系統(tǒng)，進行波形關鍵參數對比計算，從而實時修正輸出結果。紋波功率電源是試驗電源的核心組成部分，對整套電源的可靠運行起著關鍵作用。

圖像 002.png

2 系統(tǒng)硬件設計

　　2.1 紋波信號發(fā)生器

　　國內生產的信號發(fā)生器大部分利用分立元件及模擬集成電路構成，可靠度和準確度有限，一般只能產生固定波形如正弦波、三角波、方波等，無法滿足實驗要求[5]。本文采用基于單片機設計的紋波信號發(fā)生器，其優(yōu)點是輸出波形可調，頻率穩(wěn)定，電壓精度高。

　　紋波信號發(fā)生器主要分為控制電路、紋波輸出電路、幅值控制電路三部分?？刂齐娐芬?a class="innerlink" href="http://theprogrammingfactory.com/tags/MSP430" title="MSP430" target="_blank">MSP430F5438單片機為核心，加上一些外圍電路組成，主要完成通信、數據接口、控制波形輸出電路和幅值控制電路的正常工作等功能。

　　2.1.1 紋波輸出電路

　　紋波輸出電路的功能是將離散的數字量轉換為連續(xù)的模擬量，數模轉換的瞬間毛刺、非線性、數字噪聲等是影響紋波發(fā)生器性能的主要因素[4]。同時，由于數模轉換速度對換流器換相時的電壓躍變時間具有重要影響，因而在選擇數模轉換芯片時需要綜合考慮轉換時間和轉換精度對紋波發(fā)生器性能的影響。本文選用了DAC0800數模轉換芯片，它是電流輸出型的高速8位D/A轉換芯片，電流輸出建立時間僅為100 ns，使用簡單方便。

　　DAC0800和一級放大器構成電壓對稱偏移的雙極性輸出數模轉換電路，電路原理圖如圖3所示。

圖像 003.png

　　運算放大器OP1的作用為將DAC0800的輸出電流轉換為對應的輸出電壓Vout，OP2為電壓跟隨器，用于防止由于后級電路輸入阻抗的變化而導致的輸出電壓信號畸變。當R1=R2=R3=R4時，輸出電壓Vout與DAC0800的輸入紋波編碼D的關系為：

　　Vout=VREF(2D-255)/256

　　根據公式可以得到DAC0800輸入數字量D和輸出電壓Vout之間的關系如表1所示。MSP430中地址計數器在時序脈沖下順序讀取數據存儲器中的紋波波形數據，波形數據在CPU的控制下通過I/O口發(fā)送到DAC0800進行數字量向模擬量的轉換，當地址計數器溢出后，剛好讀取完一個周期的數據，然后進行下一次循環(huán)。

圖像 009.png

　　2.1.2 幅值控制電路

　　幅值控制電路的目的是根據需要隨時調節(jié)紋波輸出電壓的大小。根據表1可知，通過改變數模轉換模塊中DAC0800的參考電壓VREF可以達到改變輸出電壓Vout的目的。可采用如圖3所示相同的電路作為幅值控制電路，輸出電壓作為紋波生成模塊中DAC0800的參考電壓。

　　2.2 采樣電路

　　采樣電路的主要功能是采集功率放大器輸出電壓，進行模數轉換后將數字量通過MSP430發(fā)送至上位機進行數據處理，同時發(fā)送到串口屏實現(xiàn)波形顯示。采樣電路主要包括紋波電壓調節(jié)電路、A/D轉換芯片及其控制電路兩部分。

　　2.2.1 A/D采樣芯片

　　由于功率放大器輸出電壓波形復雜，因而A/D芯片需要較高的采樣率和采樣速度才能準確還原，綜合考慮后本文采用AD1674作為核心模數轉換芯片。AD1674的控制功能真值表見表2。

圖像 010.png

　　AD1674模擬量輸入端有兩種輸入方式，本文選取單極性輸入方式，模擬量輸入范圍選取為10 V，則模擬量輸入電壓值Vin與轉換結果D的對應關系如下：

　　Vin=10D/4 096

　　2.2.2 紋波電壓調節(jié)電路

　　紋波電壓調節(jié)電路的主要目的是保證輸入電壓值在0~10 V之間，不至于超過AD1674模擬量輸入端的電壓限值。紋波電壓調節(jié)電路的原理見圖4。

圖像 004.png

　　功率放大器輸出端VS1和VS2分別通過10:1的電阻分壓器（虛線框內）降壓后作為紋波電壓調節(jié)電路的信號輸入，經過差分放大電路，輸出電壓Vo。理想情況下，根據放大器的“虛短”和“虛斷”的計算原則，令R1=R2=R3=R4，可得：

　　Vo=VS1-VS2

　　令R5=R6，從而Vout點的電壓值為：

　　QQ圖片20161117094632.png

　　OP2為電壓跟隨器，避免后級電路阻抗變化影響紋波電壓值的準確度。R7是限流電阻，D1和D2作為保護二極管，保證AD1674的輸入電壓Vin始終不超過其限值。

3 系統(tǒng)軟件設計

　　3.1 下位機軟件

　　MSP430硬件程序總體結構如圖5所示，軟件通過中斷方式完成紋波信號的生成和幅值控制。首先初始化各種全局變量，初始化時鐘、通信和定時器，然后開中斷進入死循環(huán)，等待中斷到來執(zhí)行相應的中斷子程序。本設計中有2個如圖6所示的中斷子程序，分別為數據接收中斷和定時器中斷。數據接收中斷用來接收上位機通過串口發(fā)送的波形數據和幅值數據。定時器中斷按照通用定時器設定的定時周期，通過I/O口輸出紋波波形數據到數模轉換器。

圖像 005.png

圖像 006.png

　　3.2 上位機軟件

　　本系統(tǒng)中，上位機軟件的功能是通過配置輸入波形參數，計算出試驗波形的數字量和幅值量，并將數字量發(fā)送到下位機控制芯片MSP430中。用戶在使用上位機控制程序時，只需要在界面上輸入所需要的波形參數：參考電壓、荷電率、觸發(fā)角、換相角，就可以自動計算出相應的波形數據，并與下位機進行通信和設置。

圖像 007.png


圖像 008.png

4 實驗結果

　　本文進行了輸出電壓測試，測試波形如圖7和圖8所示，輸出電壓有效值最大為50 V，從圖中可看出波形沒有畸變，非線性失真小。

　　在0~50 V范圍內輸出一組給定電壓，閥電壓和橋電壓輸出有效值的測量數據如表3和表4所示。

圖像 011.png

圖像 012.png

　　從表中可以看出，閥電壓和橋電壓的電壓穩(wěn)定度都在1%以內，D/A轉換存在一定的誤差，紋波信號發(fā)生器受外界噪聲的干擾從而引起輸出電壓的波動等原因是造成輸出電壓產生誤差的重要因素。輸出頻率的波動主要受晶振穩(wěn)定性的影響。

5 結語

　　本文設計了一套基于MSP430單片機的用于避雷器老化試驗的紋波功率電源，相對于傳統(tǒng)的波形生成方法，該電源可根據波形參數在上位機中任意設置所需的試驗波形，輸出電壓任意調節(jié)，電壓波形無畸變精度高，并可在功率放大器輸出側加升壓變壓器進一步升壓，輸出電壓最高可達上千伏。該電源運行穩(wěn)定，輸出功率大，完全可以滿足避雷器閥片老化試驗的相關要求。另外，只要修改上位機的波形數字量生成算法，該電源就可以成為能產生任意波形的電壓功率源，實用價值高。

　　參考文獻

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