前言
程控三相交流功率源的應(yīng)用十分廣泛，它被大量應(yīng)用于冶金、通信、化工、電力及軍工等諸多行業(yè)。用于交流調(diào)壓、調(diào)功、調(diào)光及電機(jī)軟啟動(dòng)等工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域，還可以用于計(jì)量以及產(chǎn)品的性能試驗(yàn)等方面。用于計(jì)量和產(chǎn)品試驗(yàn)等領(lǐng)域的功率源對(duì)于其輸出波形要求較高，要求功率源輸出完整的正弦波信號(hào)，對(duì)于正弦波的失真度有一定的限制。目前此類交流功率源的實(shí)際輸出功率都很小，它們一般只強(qiáng)調(diào)單項(xiàng)指標(biāo)，即電流或電壓輸出。而用于電能表計(jì)量時(shí)，其功率源輸出的不是真實(shí)的功率，而是利用產(chǎn)生“虛功率”的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的計(jì)量。在某些產(chǎn)品的性能試驗(yàn)或計(jì)量過(guò)程中需要產(chǎn)生實(shí)際的交流功率，且要求其任意相的電流、電壓、相位都能夠獨(dú)立調(diào)節(jié)。目前的交流功率源都無(wú)法滿足要求，本文介紹的三相功率源就是為解決這個(gè)問(wèn)題而設(shè)計(jì)的，它能輸出低失真度的正弦波信號(hào)，最大輸出功率200W，能實(shí)現(xiàn)任意相電壓、電流、相位的獨(dú)立調(diào)整，能夠產(chǎn)生既不平衡又不對(duì)稱的功率信號(hào)。
硬件設(shè)計(jì) 整機(jī)原理
為滿足程控功率源的功能要求，本設(shè)計(jì)采用的是多CPU結(jié)構(gòu)，由一個(gè)單片機(jī)作為控制單元，控制三個(gè)相互獨(dú)立的相信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生三個(gè)互差120°的正弦電壓信號(hào)。每一相信號(hào)發(fā)生器都以一個(gè)單片機(jī)為核心，產(chǎn)生一個(gè)幅值和相位都可以調(diào)整的正弦電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后輸出?？刂茊卧?fù)責(zé)管理鍵盤(pán)、液晶顯示及串口通信，控制相信號(hào)發(fā)生器按要求產(chǎn)生出三相交流電壓信號(hào)?？刂茊卧ㄟ^(guò)I2C串行總線與各相信號(hào)發(fā)生器連接，并發(fā)送各種控制命令與數(shù)據(jù)。圖1為整機(jī)原理框圖。
圖1 整機(jī)框圖相信號(hào)發(fā)生器
相信號(hào)發(fā)生器的原理如圖2所示。單片機(jī)選用Cygnal公司推出的C8051F016，該單片機(jī)是一種更適用于嵌入式系統(tǒng)低端機(jī)的、性能優(yōu)良的系統(tǒng)芯片。該系列單片機(jī)采用CIP-51內(nèi)核，指令系統(tǒng)與MCS-51完全兼容。它采用流水線結(jié)構(gòu)，淡化了機(jī)器周期的概念，指令以時(shí)鐘周期為運(yùn)行單位，因此大大地提高了指令運(yùn)行的速度，最大速度可達(dá)25MIPS。
圖2 相信號(hào)發(fā)生器
C8051F016內(nèi)集成了高性能的、可變?cè)鲆娴摹⒍嗤ǖ赖?0位A/D轉(zhuǎn)換器，這是一個(gè)功能強(qiáng)大的ADC子系統(tǒng)，它包括一個(gè)9通道的模擬多路開(kāi)關(guān)、一個(gè)可編程增益放大器和一個(gè)100ksps的12位分辨率的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置一個(gè)1.2V、15ppm/℃的電壓基準(zhǔn)。該子系統(tǒng)還集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測(cè)器。
C8051F016還有兩個(gè)12位的電壓輸出方式的D/A轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、多種串行通信接口、溫度傳感器、看門狗以及利于在系統(tǒng)編程的Flash存儲(chǔ)器和JTAG接口及其片內(nèi)調(diào)試電路。
正弦信號(hào)的產(chǎn)生
相信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號(hào)的基本思想是，利用單片機(jī)按照正弦規(guī)律輸出數(shù)字信號(hào)，每次輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成正比于該數(shù)字信號(hào)的模擬信號(hào)，連續(xù)輸出后則產(chǎn)生一個(gè)模擬正弦波信號(hào)。一般情況，D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量UOUT=KUREF，就是說(shuō)D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓的幅值取決于D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓UREF。因此，可利用對(duì)參考電壓的控制來(lái)改變信號(hào)發(fā)生器的輸出正弦電壓的有效值。
DAC0832是電流輸出的8位D/A轉(zhuǎn)換器，用它和兩級(jí)放大器構(gòu)成信號(hào)發(fā)生器的D/A轉(zhuǎn)換電路，輸出雙極性的正弦波電壓信號(hào)。利用C8051F016單片機(jī)內(nèi)部的12位DAC輸出一個(gè)可變的直流控制電壓，為DAC0832提供參考電壓UREF，單片機(jī)根據(jù)控制單元發(fā)出的輸出電壓設(shè)定值改變此控制 電壓，則信號(hào)發(fā)生器輸出的交流電壓有效值由此控制電壓決定。
交流參數(shù)測(cè)量
為保證輸出信號(hào)滿足設(shè)定要求，單片機(jī)還要實(shí)時(shí)測(cè)量本相信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓和電流的有效值。
C8051F016內(nèi)部有8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，其最大轉(zhuǎn)換速率100KSPS，本裝置采用交流采樣原理完成交流參數(shù)的測(cè)量，可充分利用單片機(jī)的資源。
對(duì)于該信號(hào)發(fā)生器輸出的電流和電壓進(jìn)行交流采樣，將它們的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理后分別加到模擬通道0和模擬通道1，單片機(jī)對(duì)它們進(jìn)行交流采樣，每周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)均為500點(diǎn)，然后對(duì)這些采樣值進(jìn)行計(jì)算，分別計(jì)算出電流和電壓的有效值。
除了測(cè)量交流電流和交流電壓，還要測(cè)量本信號(hào)發(fā)生器輸出電壓與相鄰信號(hào)發(fā)生器輸出電壓的相位差，以保證三相電壓的對(duì)稱性。方法是利用單片機(jī)內(nèi)部的比較器對(duì)相鄰兩輸出電壓進(jìn)行相位比較，測(cè)量出它們的相位差。測(cè)量時(shí)將兩相的輸出電壓取樣、整形，然后分別加到兩比較器的正端，由單片機(jī)進(jìn)行判斷，計(jì)算出相位差。
功率放大器
功率放大器是對(duì)前端的D/A轉(zhuǎn)換電路輸出的交流電壓信號(hào)進(jìn)行功率放大，以滿足功率源輸出功率的要求。功率放大器選用BB公司生產(chǎn)的單片大功率集成運(yùn)算放大器OPA541，該放大器芯片的最大工作電源電壓為±40V，最大輸出電流10A。除了具有良好的功率輸出特性外，還具有使用方便、電路調(diào)試簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。功率放大電路如圖3所示。
圖3 功放原理圖
使用該芯片進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意： (1)輸出保護(hù)。當(dāng)負(fù)載為感性時(shí)，由于電流的滯后會(huì)引起電壓的反沖尖峰，該尖峰電壓出現(xiàn)在功放管的輸出端，極易擊穿其輸出級(jí)。為保證功放管安全，應(yīng)在其輸出端與電源之間并接高速快恢復(fù)二極管，其反向恢復(fù)時(shí)間小于100ns。 (2) 電流限制。為保證功放管工作在安全工作區(qū)內(nèi)，應(yīng)采用限流電阻進(jìn)行限流，以防止電流過(guò)大，當(dāng)電流超過(guò)設(shè)定的最大電流時(shí)，功放管就會(huì)自動(dòng)保護(hù)，避免管子損壞。具體接法見(jiàn)圖3。限流電阻的選擇參照下式： R=0.809/|IMAX|-0.057 式中IMAX為最大輸出電流。 (3) 消除耦合，抑制干擾。主要方法有：外殼接地，對(duì)功放管進(jìn)行屏蔽，防止外部干擾。輸入與輸出回路隔離，消除由于耦合電容引起的正反饋。
控制單元
控制單元是本裝置的核心，負(fù)責(zé)人機(jī)對(duì)話，接受鍵盤(pán)信息和串口的程控命令，向各相信號(hào)發(fā)生器發(fā)出控制命令，包括電壓幅值和相位值的設(shè)定值等。
圖4 控制單元原理圖
控制單元電路如圖4所示。CPU采用PHILIPS公司的P89C660單片機(jī)，它片內(nèi)帶有16Kflash存儲(chǔ)器，既可并行編程又可以串行編程。它采用先進(jìn)的CMOS工藝的80C51內(nèi)核，指令集與80C51相同，但指令周期為6個(gè)時(shí)鐘周期，是傳統(tǒng)80C51的一半。內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的80C51增加了I2C串行接口、可編程計(jì)數(shù)器陣列、可編程時(shí)鐘輸出及Boot ROM等，使芯片功能更強(qiáng)大。顯示器選用清華蓬遠(yuǎn)的點(diǎn)陣式液晶圖形顯示模塊M-12864。該模塊內(nèi)藏點(diǎn)陣圖形顯示控制器，提供了行、列驅(qū)動(dòng)器及顯示緩沖區(qū)RAM的接口，與單片機(jī)的接口十分方便，可顯示中文、西文及圖形等。8279是通用可編程鍵盤(pán)、顯示器接口芯片，它能管理64鍵的鍵盤(pán)，自動(dòng)掃描、消抖、識(shí)別按鍵、給出鍵碼，且易于接口。
軟件設(shè)計(jì)
在軟件設(shè)計(jì) 時(shí)，分為控制單元和信號(hào)發(fā)生器兩部分進(jìn)行。其程序設(shè)計(jì)基本方法相同，都是先實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)練的主程序，然后在此基礎(chǔ)上，把所有要完成的功能編制成相應(yīng)的任務(wù)模塊。根據(jù)模塊各自的特點(diǎn)，或者由系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度，或者在響應(yīng)中斷后執(zhí)行，最后完成整個(gè)軟件系統(tǒng)的功能。
信號(hào)發(fā)生器主要軟件模塊有： (1)系統(tǒng)自整定模塊：其功能是完成系統(tǒng)的自動(dòng)整定，包括整機(jī)硬件設(shè)備的自檢、自診斷等。 (2)正弦信號(hào)發(fā)生模塊：將按照正弦規(guī)律變化的數(shù)據(jù)存放在存儲(chǔ)器當(dāng)中，CPU根據(jù)輸出電壓的頻率的設(shè)定值計(jì)算出正弦信號(hào)的周期，再計(jì)算輸出數(shù)據(jù)的間隔步長(zhǎng)，按此步長(zhǎng)周期性地輸出正弦數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)定的輸出電壓的幅值，計(jì)算D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓UREF值，由單片機(jī)內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換器輸出。 (3)數(shù)據(jù)采集及處理模塊：主要功能是按照交流采樣法完成交流電流和交流電壓信號(hào)的采樣并計(jì)算出其相應(yīng)的真有效值。測(cè)量相鄰兩相電壓之間的相位差。 (4)計(jì)算和調(diào)整模塊：根據(jù)控制單元設(shè)定的電壓及相鄰電壓相位差，計(jì)算、分析、確定調(diào)整方向和它的步長(zhǎng)值，使輸出達(dá)到設(shè)定值。
控制單元主要軟件模塊有： (1)鍵盤(pán)處理模塊和液晶顯示模塊：鍵盤(pán)處理模塊完成按鍵的識(shí)別功能，并在確認(rèn)有效按鍵后調(diào)用相應(yīng)按鍵功能函數(shù)進(jìn)行處理。顯示模塊則負(fù)責(zé)管理各級(jí)菜單，顯示參數(shù)的設(shè)定情況、執(zhí)行情況、以及儀器自檢等內(nèi)容。 (2) RS485通信模塊：完成異步串行口RS485接口管理功能，負(fù)責(zé)接收來(lái)自遠(yuǎn)程控制命令。 (3) I2C通信模塊： 完成裝置內(nèi)部控制命令及數(shù)據(jù)傳送的管理。負(fù)責(zé)發(fā)送功率源輸出的參數(shù)及控制命令，接收信號(hào)發(fā)生器送回的狀態(tài)信號(hào)。
主要技術(shù)指標(biāo) 該三相交流功率源的主要技術(shù)指標(biāo)如下： ● 輸出相電壓范圍 0～220V ● 輸出相電流范圍 0~7A ● 輸出頻率范圍 40～60Hz ● 每相最大輸出功率 200W ● 電壓、電流調(diào)節(jié)步長(zhǎng) 0.5％ ● 輸出電壓、電流精度≤0.5％ ● 輸出頻率精度 ≤0.1Hz ● 輸出正弦波波形失真度≤0.8％
結(jié)語(yǔ)
程控三相交流功率源在結(jié)構(gòu)上采用了基于I2C串行總線的多CPU結(jié)構(gòu)，使得本裝置對(duì)輸出的控制能力具有較大的靈活性。在單片機(jī)的選型上充分利用內(nèi)部資源豐富、性能強(qiáng)大的單片機(jī)，大大地簡(jiǎn)化了裝置的硬件設(shè)計(jì)。選擇單片大功率集成運(yùn)算放大器作為裝置的功率放大，可以簡(jiǎn)化功放電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試，并使它的性能指標(biāo)得到提高?？傊炭厝嘟涣鞴β试淳哂懈飨喾謩e程控調(diào)幅、調(diào)相、正弦波功率輸出等強(qiáng)大的功能，又有操作方便、工作可靠等特點(diǎn)。它將給一些產(chǎn)品試驗(yàn)以及計(jì)量領(lǐng)域提供極其方便的試驗(yàn)設(shè)備和條件，并解決了某些難以解決的問(wèn)題。