但是要實(shí)現(xiàn)高分辨率的頻率、相位、幅值調(diào)節(jié)必須提高CPU時(shí)鐘和增大存儲(chǔ)空間。本文將介紹以雙CPU為核心的控制系統(tǒng)，采用虛擬空間法和雙級(jí)D/A（數(shù)模轉(zhuǎn)換）輸出結(jié)構(gòu)，在有限的存儲(chǔ)空間和時(shí)鐘頻率下，產(chǎn)生高精度的多路可變頻、移相和調(diào)幅的參考波形。同時(shí)改善了傳統(tǒng)的直流母線參考電壓不變的控制方法，通過(guò)母線跟隨、分級(jí)控制，能夠使輸出級(jí)產(chǎn)生精度很高的三相電壓或電流波形。本系統(tǒng)既可獨(dú)立地作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源使用，也可應(yīng)用于各類變送器的測(cè)試、校驗(yàn)工作。

工作原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(huán)節(jié)構(gòu)成。簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理為：DC/DC級(jí)產(chǎn)生可控的直流母線電壓，為DC/AC級(jí)提供直流電壓；DC/AC級(jí)經(jīng)橋式電路以SPWM方式實(shí)現(xiàn)逆變，經(jīng)LC濾波輸出正弦電壓（或電流）。它采用雙環(huán)控制，由單片機(jī)產(chǎn)生的高精度AC電源基準(zhǔn)信號(hào)，與反饋電壓比較，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電壓誤差信號(hào)，作為內(nèi)電流環(huán)的給定信號(hào)。再與濾波電感的電流信號(hào)比較產(chǎn)生電流誤差信號(hào)，最后與三角波合成SPWM波。同時(shí)，根據(jù)DC/AC級(jí)輸出幅度，由單片機(jī)為DC/DC級(jí)提供參考信號(hào)的協(xié)調(diào)控制，使DC/AC級(jí)在小幅度輸出時(shí)能有較大的調(diào)制比，以抑制輸出級(jí)的開關(guān)紋波。為充分利用電壓傳感器的精度，通過(guò)不同量程間自動(dòng)切換傳感器的采樣電阻，保證了電源在整個(gè)量程內(nèi)的精度。

圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

微機(jī)控制部分
   
以兩片80C196KB為控制核心，進(jìn)行必要的外圍擴(kuò)展，簡(jiǎn)化系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 ：微機(jī)控制原理圖

根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的不同，本系統(tǒng)由上位機(jī)模塊、下位機(jī)模塊和通信模塊三個(gè)部分組成。其中上位機(jī)模塊負(fù)責(zé)對(duì)主電路的全方位監(jiān)控及對(duì)各路參考信號(hào)基準(zhǔn)源的幅度、頻率、相位進(jìn)行調(diào)節(jié)；下位機(jī)模塊由多路高速并行D/A輸出精密參考信號(hào)；通信模塊主管上位機(jī)與工控機(jī)之間的信息交流以及上位機(jī)和下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送及共享。

DDS數(shù)字波形生成
   
本系統(tǒng)應(yīng)用DDS技術(shù)實(shí)現(xiàn)CPU控制的電源基準(zhǔn)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(nèi)分成2A個(gè)點(diǎn)（即最小相間隔θmin=2π/2A）經(jīng)離散量化后存入ROM，構(gòu)成正弦表。通過(guò)相位累加器把頻率碼變換成相位取樣值。在時(shí)鐘（基準(zhǔn)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(shù)據(jù)對(duì)ROM尋址，查出的函數(shù)值經(jīng)D/A變換器變換成量化正弦波，經(jīng)低通濾波器可得正弦波電壓。最后輸出頻率為
   
當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器以每秒Nf速率從寄存器單元取數(shù)（N是一個(gè)信號(hào)周期里的采樣點(diǎn)數(shù)），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(diǎn)數(shù)為p2A，并以整數(shù)p為間隔來(lái)取數(shù)據(jù)（從k跳至k＋p）,就可以不改變D/A刷新頻率而保持信號(hào)頻率仍為f。同時(shí)輸出正弦波的頻率分辨率提高了p倍，即f2=（Nf）/p2A。這說(shuō)明，如果選擇一個(gè)存儲(chǔ)空間比較大的寄存器，就可以克服CPU時(shí)鐘頻率的限制。其實(shí)質(zhì)就是將時(shí)間上所面臨的困難轉(zhuǎn)到寄存器內(nèi)存空間上解決。
   
實(shí)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(jī)系統(tǒng)資源的限制，進(jìn)行插值計(jì)算也比較困難。假設(shè)輸出1Hz時(shí)要求的分辨率達(dá)到1‰即0.001Hz，EPROM中存有64k波形點(diǎn)，時(shí)鐘頻率為10k，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。因此，本文提出了一個(gè)折衷的方法，即虛擬空間法。進(jìn)行DDS計(jì)算時(shí)，假設(shè)系統(tǒng)有16384k（224）的存儲(chǔ)空間（虛擬空間，即存儲(chǔ)的正弦波點(diǎn)數(shù)）。
   
頻率控制碼：K=fo＊224/fclk（fo，fclk分別為D/A輸出和計(jì)算機(jī)時(shí)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(jī)，下位機(jī)再依此地址在64k（216）EEPROM中取數(shù)送D/A輸出。當(dāng)相位累加器的第8位沒(méi)有發(fā)生變化（進(jìn)位加1），則仍保持上一次的地址值輸出（相當(dāng)于四舍五入），而下位機(jī)也仍然取同一地址中的值輸出。通過(guò)四舍五入的辦法用最近的點(diǎn)代替實(shí)際輸出，精度上能符合要求，且大大簡(jiǎn)化了程序，并且用較小的存儲(chǔ)空間實(shí)現(xiàn)了高精度的波形合成，比原來(lái)增加了250多倍。圖4為波形合成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖4：DDS實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)   

由上位機(jī)（CPU）根據(jù)工控機(jī)傳送來(lái)的工作參數(shù)，按DDS原理進(jìn)行計(jì)算，得到各點(diǎn)的相位地址，通過(guò)雙口RAM送給下位機(jī)。同時(shí)將相應(yīng)幅值通過(guò)D/A-Ⅱ輸出作為下位機(jī)D/A-Ⅰ的參考電壓。下位機(jī)（CPU）D/A-Ⅰ以一定的刷新頻率（時(shí)鐘頻率）對(duì)各路進(jìn)行查表，輸出所需要的可調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相的正弦波形。正弦波數(shù)據(jù)被存在空間大小為32k的EEPROM中（實(shí)際存儲(chǔ)1/2周期波形）。

提高精度的其它手段
   
1）利用數(shù)字電位器為DC/DC變換器提供參考信號(hào)，產(chǎn)生協(xié)調(diào)直流母線電壓的控制信號(hào)。XICOR公司的X9241數(shù)字電位器具有四個(gè)非易失性數(shù)控電位器，利用I/O口模擬I2C總線，能十分方便地對(duì)主電路母線電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。目前本文實(shí)驗(yàn)的交流輸出幅值（x）與數(shù)字電位器輸出值（y）之間的關(guān)系為y=ax＋b，輸出的直流給定信號(hào)與交流輸出成線性關(guān)系，使逆變級(jí)母線電壓與輸出值隨時(shí)匹配，大幅壓縮了輸出級(jí)的開關(guān)紋波。輸出偏置值b使得輸出低電壓、電流值時(shí)母線電壓仍能保證輸出級(jí)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(duì)輸出進(jìn)行分級(jí)管理。通過(guò)8255擴(kuò)展I/O口設(shè)置分檔標(biāo)志，將輸出分成若干檔。例如，三相可調(diào)電壓源輸出范圍為2～100V，則根據(jù)精度要求分為兩檔，2～30V和30～100V。本系統(tǒng)幅度控制D/A分辨率為212，每檔分辨率均可達(dá)到1/212，即調(diào)節(jié)細(xì)度最小能達(dá)到0.0005V。將單片機(jī)資源和硬件電路資源充分結(jié)合，大大提高了系統(tǒng)調(diào)幅精度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

電源達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)
   
1)頻率范圍    0.2～400Hz，調(diào)節(jié)細(xì)度1‰；
2)相位范圍    0°～360°，調(diào)節(jié)細(xì)度0.01°；
3)電壓輸出    3相，2～100V，調(diào)節(jié)細(xì)度1‰；
4)電流輸出    3相，0.2～35A，調(diào)節(jié)細(xì)度1‰；
5)總畸變率    <2％。

輸出波形
   
設(shè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：時(shí)鐘頻率fclk=10kHz，32k空間EEPROM存儲(chǔ)半個(gè)正弦波點(diǎn)值。
   
兩組實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示，圖5（a）表示調(diào)幅、調(diào)相（相移90°）及調(diào)頻（步進(jìn)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(shí)驗(yàn)波形  

這些信號(hào)被成功地應(yīng)用于1kWSPWM的電壓源和電流源變換器。

本精密數(shù)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(shí)間上所面臨的問(wèn)題轉(zhuǎn)化到內(nèi)存空間上進(jìn)行處理，只需選取一定的存儲(chǔ)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(diào)節(jié)細(xì)度也得到了很大提高；母線電壓的跟隨調(diào)節(jié)與采樣電壓分級(jí)調(diào)節(jié)均有效地利用了軟、硬件資源，使系統(tǒng)性能大有改善。由于采用了一系列新技術(shù)，使裝置精度大大提高。
     
該精密交流開關(guān)電源體積小，精度高，適用于電力系統(tǒng)繼電保護(hù)電路的儀器、儀表的校驗(yàn)，具有很好的應(yīng)用前景。