程控多功能三相功率源的设计

程控多功能三相功率源的设计

前言
     程控三相交流功率源的应用十分广泛，它被大量应用于冶金、通信、化工、电力及军工等诸多行业。用于交流调压、调功、调光及电机软启动等工业自动化控制领域，还可以用于计量以及产品的性能试验等方面。用于计量和产品试验等领域的功率源对于其输出波形要求较高，要求功率源输出完整的正弦波信号，对于正弦波的失真度有一定的限制。目前此类交流功率源的实际输出功率都很小，它们一般只强调单项指标，即电流或电压输出。而用于电能表计量时，其功率源输出的不是真实的功率，而是利用产生“虚功率”的方法来实现电能的计量。在某些产品的性能试验或计量过程中需要产生实际的交流功率，且要求其任意相的电流、电压、相位都能够独立调节。目前的交流功率源都无法满足要求，本文介绍的三相功率源就是为解决这个问题而设计的，它能输出低失真度的正弦波信号，最大输出功率 200W，能实现任意相电压、电流、相位的独立调整，能够产生既不平衡又不对称的功率信号。

硬件设计
整机原理  
     为满足程控功率源的功能要求，本设计采用的是多CPU结构，由一个单片机作为控制单元，控制三个相互独立的相信号发生器，产生三个互差120°的正弦电压信号。每一相信号发生器都以一个单片机为核心，产生一个幅值和相位都可以调整的正弦电压信号，该电压信号经功率放大器放大后输出。控制单元负责管理键盘、液晶显示及串口通信，控制相信号发生器按要求产生出三相交流电压信号。控制单元通过I2C串行总线与各相信号发生器连接，并发送各种控制命令与数据。图1 为整机原理框图。

                      图1 整机框图
相信号发生器
     相信号发生器的原理如图2所示。单片机选用Cygnal公司推出的C8051F016，该单片机是一种更适用于嵌入式系统低端机的、性能优良的系统芯片。该系列单片机采用CIP-51内核，指令系统与MCS-51完全兼容。它采用流水线结构，淡化了机器周期的概念，指令以时钟周期为运行单位，因此大大地提高了指令运行的速度，最大速度可达25MIPS。

       图2 相信号发生器
  
     C8051F016内集成了高性能的、可变增益的、多通道的10位A/D转换器，这是一个功能强大的ADC子系统，它包括一个9通道的模拟多路开关、一个可编程增益放大器和一个100ksps的12位分辨率的逐次逼近型A/D转换器，内置一个1.2V、15ppm/℃的电压基准。该子系统还集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器。

    C8051F016还有两个12位的电压输出方式的D/A转换器、电压比较器、多种串行通信接口、温度传感器、看门狗以及利于在系统编程的Flash存储器和JTAG接口及其片内调试电路。  

正弦信号的产生
     相信号发生器产生正弦信号的基本思想是，利用单片机按照正弦规律输出数字信号，每次输出的数字信号经D/A转换器转换成正比于该数字信号的模拟信号，连续输出后则产生一个模拟正弦波信号。一般情况，D/A转换器输出的模拟量UOUT=KUREF，就是说D/A转换器输出电压的幅值取决于D/A转换器的参考电压UREF。因此，可利用对参考电压的控制来改变信号发生器的输出正弦电压的有效值。

    DAC0832是电流输出的8位 D/A转换器，用它和两级放大器构成信号发生器的D/A转换电路，输出双极性的正弦波电压信号。利用C8051F016单片机内部的12位DAC输出一个可变的直流控制电压，为DAC0832提供参考电压UREF，单片机根据控制单元发出的输出电压设定值改变此控制电压，则信号发生器输出的交流电压有效值由此控制电压决定。

交流参数测量
    为保证输出信号满足设定要求，单片机还要实时测量本相信号发生器的输出电压和电流的有效值。C8051F016内部有8路10位A/D转换器，其最大转换速率100KSPS，本装置采用交流采样原理完成交流参数的测量，可充分利用单片机的资源。  

    对于该信号发生器输出的电流和电压进行交流采样，将它们的信号进行相应的处理后分别加到模拟通道0和模拟通道1，单片机对它们进行交流采样，每周期内采样点数均为500点，然后对这些采样值进行计算，分别计算出电流和电压的有效值。
     除了测量交流电流和交流电压，还要测量本信号发生器输出电压与相邻信号发生器输出电压的相位差，以保证三相电压的对称性。方法是利用单片机内部的比较器对相邻两输出电压进行相位比较，测量出它们的相位差。测量时将两相的输出电压取样、整形，然后分别加到两比较器的正端，由单片机进行判断，计算出相位差。

功率放大器
    功率放大器是对前端的D/A转换电路输出的交流电压信号进行功率放大，以满足功率源输出功率的要求。功率放大器选用BB公司生产的单片大功率集成运算放大器OPA541，该放大器芯片的最大工作电源电压为±40V，最大输出电流10A。除了具有良好的功率输出特性外，还具有使用方便、电路调试简单等优点。功率放大电路如图3所示。

              图3 功放原理图

    使用该芯片进行电路设计时应注意：
(1)输出保护。当负载为感性时，由于电流的滞后会引起电压的反冲尖峰，该尖峰电压出现在功放管的输出端，极易击穿其输出级。为保证功放管安全，应在其输出端与电源之间并接高速快恢复二极管，其反向恢复时间小于100ns。
(2) 电流限制。为保证功放管工作在安全工作区内，应采用限流电阻进行限流，以防止电流过大，当电流超过设定的最大电流时，功放管就会自动保护，避免管子损坏。具体接法见图3。限流电阻的选择参照下式：  
R=0.809/|IMAX|-0.057  
式中IMAX为最大输出电流。  
(3) 消除耦合，抑制干扰。主要方法有：外壳接地，对功放管进行屏蔽，防止外部干扰。输入与输出回路隔离，消除由于耦合电容引起的正反馈。

控制单元  
    控制单元是本装置的核心，负责人机对话，接受键盘信息和串口的程控命令，向各相信号发生器发出控制命令，包括电压幅值和相位值的设定值等。

                图4 控制单元原理图

     控制单元电路如图4所示。CPU采用PHILIPS公司的P89C660单片机，它片内带有16Kflash存储器，既可并行编程又可以串行编程。它采用先进的CMOS工艺的80C51内核，指令集与80C51相同，但指令周期为6个时钟周期，是传统80C51的一半。内部硬件结构比传统的80C51增加了I2C串行接口、可编程计数器阵列、可编程时钟输出及Boot ROM等，使芯片功能更强大。显示器选用清华蓬远的点阵式液晶图形显示模块M-12864。该模块内藏点阵图形显示控制器，提供了行、列驱动器及显示缓冲区RAM的接口，与单片机的接口十分方便，可显示中文、西文及图形等。8279是通用可编程键盘、显示器接口芯片，它能管理64键的键盘，自动扫描、消抖、识别按键、给出键码，且易于接口。

软件设计
    在软件设计时，分为控制单元和信号发生器两部分进行。其程序设计基本方法相同，都是先实现一个简练的主程序，然后在此基础上，把所有要完成的功能编制成相应的任务模块。根据模块各自的特点，或者由系统统一调度，或者在响应中断后执行，最后完成整个软件系统的功能。

    信号发生器主要软件模块有：
(1)系统自整定模块：其功能是完成系统的自动整定，包括整机硬件设备的自检、自诊断等。
(2) 正弦信号发生模块：将按照正弦规律变化的数据存放在存储器当中，CPU根据输出电压的频率的设定值计算出正弦信号的周期，再计算输出数据的间隔步长，按此步长周期性地输出正弦数据。根据设定的输出电压的幅值，计算D/A转换器的参考电压UREF值，由单片机内部的D/A转换器输出。
(3)数据采集及处理模块：主要功能是按照交流采样法完成交流电流和交流电压信号的采样并计算出其相应的真有效值。测量相邻两相电压之间的相位差。
(4)计算和调整模块：根据控制单元设定的电压及相邻电压相位差，计算、分析、确定调整方向和它的步长值，使输出达到设定值。

    控制单元主要软件模块有：
(1)键盘处理模块和液晶显示模块：键盘处理模块完成按键的识别功能，并在确认有效按键后调用相应按键功能函数进行处理。显示模块则负责管理各级菜单，显示参数的设定情况、执行情况、以及仪器自检等内容。
(2) RS485通信模块：完成异步串行口RS485接口管理功能，负责接收来自远程控制命令。
(3) I2C通信模块： 完成装置内部控制命令及数据传送的管理。负责发送功率源输出的参数及控制命令，接收信号发生器送回的状态信号。

主要技术指标
该三相交流功率源的主要技术指标如下：
● 输出相电压范围 0～220V
● 输出相电流范围 0~7A  
● 输出频率范围 40～60Hz
● 每相最大输出功率 200W
● 电压、电流调节步长 0.5％
● 输出电压、电流精度≤0.5％
● 输出频率精度 ≤0.1Hz
● 输出正弦波波形失真度≤0.8％

结语
     程控三相交流功率源在结构上采用了基于I2C串行总线的多CPU结构，使得本装置对输出的控制能力具有较大的灵活性。在单片机的选型上充分利用内部资源丰富、性能强大的单片机，大大地简化了装置的硬件设计。选择单片大功率集成运算放大器作为装置的功率放大，可以简化功放电路的设计与调试，并使它的性能指标得到提高。总之，程控三相交流功率源具有各相分别程控调幅、调相、正弦波功率输出等强大的功能，又有操作方便、工作可靠等特点。它将给一些产品试验以及计量领域提供极其方便的试验设备和条件，并解决了某些难以解决的问题。