程控三相精密線性功率源的設(shè)計(jì)

1 引言

當(dāng)前在儀表、醫(yī)療、自動(dòng)測(cè)試行業(yè)廣泛要求高精度的三相電源。目前交流穩(wěn)壓調(diào)壓方式大致可以分為三種：一是機(jī)械調(diào)壓穩(wěn)壓式；二是脈寬調(diào)制（PWM）逆變穩(wěn)壓方式；三是線性放大逆變方式。這三種工作方式各有優(yōu)缺點(diǎn)：機(jī)械調(diào)壓穩(wěn)壓式反應(yīng)速度慢，且只能輸出與市電頻率一致的電壓；脈寬調(diào)制（PWM）逆變穩(wěn)壓方式輸出功率范圍寬、效率高、輸出電壓中高頻噪聲和波形失真較大，不易實(shí)現(xiàn)三相電源的相位控制；線性放大逆變方式容易實(shí)現(xiàn)輸出交流的高精度、高穩(wěn)定度、反應(yīng)速度快、但電源效率較低，實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)電源調(diào)整需要輸出電壓分檔。

本文充分考慮了某些行業(yè)對(duì)程控、高精度、三相電源的要求及對(duì)功率輸出相對(duì)要求較低的情況，采用了線性放大逆變方式。其主要特點(diǎn)是：采用新型功放模塊主振放大式電路，電路全集成化、體積小、穩(wěn)定性好、可靠性高，輸出的交流電壓、電流、頻率均可程控或手控，并具有過(guò)載保護(hù)功能。

2 主要性能指標(biāo)

其主要性能指標(biāo)如下：

輸出電壓0～380V；
輸出電流0～2A；
輸出功率≥3×80W；
失真度≤0?8％；
頻率穩(wěn)定度≤10－6；
三相不對(duì)稱度≤0?02°。
3 總體構(gòu)成及原理

該三相交流電源的總體原理框圖如圖1所示。主要由時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生器、二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、具有緩沖特性的D/A轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算放大器及線性功率放大器、光電耦合過(guò)載保護(hù)電路、同步跟隨電源、直流電源電路等部分組成。整個(gè)電路由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。

圖1 總體原理框圖

程控三相精密線性功率源基本原理是首先利用單片存儲(chǔ)器產(chǎn)生三路三相高穩(wěn)定的正弦波信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)三路信號(hào)的幅度、頻率同步控制，然后利用大功率的功放器件，將三路信號(hào)進(jìn)行功率放大，最后隔離輸出形成三相功率源信號(hào)。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 系統(tǒng)軟件及控制方式

系統(tǒng)軟件采用LabWindow/CVI等專用儀器軟件編制，其豐富的圖形編輯和強(qiáng)大的功能數(shù)據(jù)分析處理庫(kù)，較其它通用軟件有明顯的優(yōu)勢(shì)。

系統(tǒng)采取同步發(fā)送方式，其中一組28位的串行碼流專門傳輸數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖2），前8位為密碼信號(hào)碼，只有滿足本通信協(xié)議的數(shù)據(jù)才能進(jìn)入后續(xù)電路，保證了信號(hào)發(fā)送與接收的糾錯(cuò)及抗干擾能力；4位的電源號(hào)表示最多可16個(gè)電源模塊同時(shí)工作；4位的電流數(shù)據(jù)表示電流分16檔；12位的電壓數(shù)據(jù)保證了交流電源輸出的高精度。

圖2 串形碼流數(shù)據(jù)示意圖

4.2 三相穩(wěn)定波形的產(chǎn)生

首先介紹波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，這里以選用27256作存儲(chǔ)器為例詳細(xì)說(shuō)明正弦波的數(shù)字量化及其存儲(chǔ)方法。27256的容量為32k×8，將其等分為四區(qū)，即0000H～1FFFH范圍的8k單元定義為A相區(qū)；2000H～3FFFH范圍的8k單元為B相區(qū)；4000H～5FFFH范圍的8k單元為C相區(qū)；6000H～7FFFH范圍的8k單元為放置清零信號(hào)的D區(qū)。將一個(gè)周期的正弦波在時(shí)間坐標(biāo)方向上等分為7200點(diǎn)。A、B、C三區(qū)各存放一個(gè)周期的正弦波數(shù)據(jù)（參見(jiàn)圖3）。這里A相區(qū)每一單元的數(shù)據(jù)選定為0°～359.95°，某一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的正弦函數(shù)值加上80H，其中以0°對(duì)應(yīng)的正弦函數(shù)值為第一點(diǎn)存在0000H首單元，每隔0.05°取一點(diǎn)，存入下一單元；B相區(qū)相對(duì)于A相區(qū)滯后120°，其中該區(qū)的第一點(diǎn)為240°對(duì)應(yīng)的正弦函數(shù)值，每隔0.05°取一點(diǎn)；C相區(qū)相對(duì)于A相區(qū)超前120°，其中該區(qū)的第一點(diǎn)為120°對(duì)應(yīng)的正弦函數(shù)值，每隔0.05°取一點(diǎn)。每區(qū)存放7200點(diǎn)數(shù)據(jù)，即一個(gè)周期的正弦波數(shù)據(jù)。D區(qū)的前7200點(diǎn)為00H，第7200個(gè)數(shù)據(jù)為80H，用來(lái)產(chǎn)生計(jì)數(shù)器清零信號(hào)，其它點(diǎn)為任意數(shù)值。

圖3 三相正弦波存儲(chǔ)示意圖

其簡(jiǎn)要工作過(guò)程為：波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器EPROM在地址計(jì)數(shù)器的控制下，前三個(gè)時(shí)鐘依次輸出A相區(qū)的第一個(gè)數(shù)據(jù)、B相區(qū)的第一個(gè)數(shù)據(jù)、C相區(qū)的第一個(gè)數(shù)據(jù)，并分別在三路D/A的第一級(jí)緩沖器中鎖存，當(dāng)?shù)谒膫€(gè)時(shí)鐘到來(lái)時(shí)將三路D/A第一級(jí)緩沖器中的數(shù)據(jù)同時(shí)存到第二級(jí)緩沖器中完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，經(jīng)運(yùn)算放大器同時(shí)輸出三相信號(hào)的各一點(diǎn)。再經(jīng)過(guò)四個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生第二點(diǎn)，以此類推，4×7200個(gè)時(shí)鐘到來(lái)后完成了一個(gè)周期的三路正弦波信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程，同時(shí)最后一個(gè)時(shí)鐘在波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的D區(qū)輸出作用下產(chǎn)生清零信號(hào)將計(jì)數(shù)器清零，準(zhǔn)備產(chǎn)生下一個(gè)周期三相正弦波。

4.3 線性功率放大

乙類線性功率放大穩(wěn)壓方式及功率合成：由于采用線性放大交流穩(wěn)壓方式的最大難題是如何降低放大模塊上的功耗。為了減小失真，目前一般采用乙類功放，其各指標(biāo)計(jì)算公式如下：

1）輸出功率Po

Po=(1/2)·(Uom2/Rl)

式中：Uom——輸出電壓峰值；Rl——負(fù)載電阻。

2）管耗Pc

Pc=（2/Rl）(Ec·Uom/π－Uom2/4)=Po〔(4/π)·Ec/Uom－1〕

式中：Ec——電源電壓。

3）效率η

η=(π/4)·Uom/Ec

顯見(jiàn)，如果Ec恒定，為了獲得相同的輸出功率，輸出電壓幅度減小，管耗增大，特別是極限情況下，例如電源電壓是輸出電壓的十倍時(shí)，效率僅0.078根本就輸不出功率，即使能輸出，也沒(méi)有這樣的功放器件可供選用。

為解決上述問(wèn)題，采取了電源電壓Ec與輸出電壓幅度Uom的同步跟隨技術(shù)，如圖4所示。如果基本滿足Ec≈Uom的條件，則η≈0.78，Pc≈0.27Po。其功率的效率能始終保持較高值，且管耗僅與輸出功率有關(guān)，不至于出現(xiàn)輸出電壓降低，放大器功耗增加的現(xiàn)象，從而有效防止功放因過(guò)熱而損壞。

圖4 電源電壓與輸出電壓幅度關(guān)系圖

采用供電電源的自動(dòng)調(diào)整及功率合成技術(shù)，最大限度地解決了降低功率放大器件的功耗和增大輸出功率的相互制約問(wèn)題。但功率合成一直是大功率輸出的一大難題，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，采用圖5所示的功率合成原理，有效地解決了這一問(wèn)題。由于主功率放大與從功率放大的輸出電壓大小與相位完全一致，實(shí)現(xiàn)了兩功放輸出電流的直接相加，最終形成了多功放的功率的合成。圖5僅列舉了兩功率的合成情況，多功放合成的原理也完全一致。

圖5 多功放的功率合成

4.4 過(guò)載保護(hù)

1)總線與模塊的隔離為了保證計(jì)算機(jī)與模塊絕對(duì)隔離，而采用光電耦合技術(shù)，但要特別注意的是總線與模塊的GND1與GND2絕對(duì)不能共地（見(jiàn)圖6）。

圖6 光電耦合隔離電路

2)過(guò)載保護(hù)電路一般電源的電流檢測(cè)都是利用電阻串聯(lián)的方法來(lái)完成的，在檢測(cè)電流較大時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響電路的正常工作及電源精度。而采用新型器件MAX471進(jìn)行電流的檢測(cè)可以解決上述問(wèn)題。具體電路如圖7所示。當(dāng)RS＋流向RS－的電流為1A時(shí)，OUT端輸出＋1V的電壓，相當(dāng)于1A/V電流電壓轉(zhuǎn)換器。

圖7 MAX417構(gòu)成的電流檢測(cè)電路

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的程控三相精密線性功率源的設(shè)計(jì)方法，是各種技術(shù)有機(jī)的融合，不但解決了三相正弦波的產(chǎn)生、功率放大及合成、過(guò)流保護(hù)等問(wèn)題，而且實(shí)際產(chǎn)生的三相電壓具有波形好、頻率調(diào)節(jié)方便、可靠性高等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)證明其三相不對(duì)稱度≤0?02°。根據(jù)該設(shè)計(jì)制做的系列三相正弦波信號(hào)模塊已用于某大型自動(dòng)測(cè)試設(shè)備，工作穩(wěn)定可靠。