（电力电子与电力传动专业论文）三相程控电度表校验台用pwm电源的研究.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho fp w mp o w e r s u p p l yf o r p r o g r a m - c o n t r o l l e dc h e c k e ro fe l e c t r i cm e t e r a b s t r a c t p r o g r a m - c o n t r o l l e dc h e c k e ro fe l e c t r i cm e t e rd e v i c eh a sb e e nw i d e l ya p p l i e d ， a n dc h e c kt h ep o w e ri sn e c e s s a r ye q u i p m e n tf o rc h e c k e ro fe l e c t r i cm e t e r , e a c h o n eo rs e v e r a lc h e c k e r sw i l ln e e dap o w e r a t p r e s e n t ，e l e c t r i c m e t e r m a n u f a c t u r e r sm a i n l yu s et r a d i t i o n a ll i n e a rp o w e rs u p p l yb o t ha th o m ea n d a b r o a d i ti sg e n e r a l l ya d o p t e da bp u s h - p u l la n dc o m p l e m e n t a r ys y m m e t r i c a l c i r c u i t ，p o w e rd e v i c e sw o r ki na m p l i f i c a t i o ns t a t e ，i t sp i p ep r e s s u r ed r o p ，h i g h p o w e rc o n s u m p t i o n ，l o wo u t p u tp o w e r ，i n e f f i c i e n c ya n dw o r k i n gt e m p e r a t u r ei s h i g h ，l a r g en u m b e ro fr a d i a t o rf i na n dc o o l i n gf a n ，b i gv o l u m ea n ds t r o n gn o i s e ， s h o r tl i f e ，p o o rl o a dc a p a c i t y t h e r e f o r e ，i nt h ei n d u s t r yo ft h ee l e c t r i cm e t e r ，i ti s a nu r g e n tn e e dt od e v e l o ph i g h p o w e r , h i g he f f i c i e n c ya n de n e r g y s a v i n g ，l o n g l i f ef o rc h e c k i n gt h ep o w e ro fe l e c t r i cm e t e r t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h ep r e s e n td e v e l o p m e n to fp o w e rs u p p l yf o r c h e c k e ro fe l e c t r i cm e t e rb o t ha th o m ea n da b r o a d ，a n a l y z e st h ep e r f o r m a n c eo fa l i n e a rp o w e rs u p p l yf o rc h e c k e ro fe l e c t r i c m e t e r ，p o i n t so u tt h ee x i s t i n g p r o b l e m si nt h ea p p l i c a t i o n ，c l e a r st h ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ea n ds c i e n t i f i cv a l u e o fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n th i g h p o w e r , h i g he f f i c i e n c ya n de n e r g ys a v i n ga n d l o n g l i f ep w mp o w e rs u p p l yf o rp r o g r a m - c o n t r o l l e dc h e c k e ro fe l e c t r i cm e t e r t h e na c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h ep o w e rt e c h n i c a ld a t aa n a l y z e dt h e p w mp o w e rt e c h n i c a ld i f f i c u l t i e s ，a n da r o u n ds o l v e dt h et e c h n i c a lp r o b l e m s ， i n t r o d u c e dt h et o p i co ft h ea d o p t e dk e yt e c h n i c a ls c h e m ed e t a i l e d l y i nt h ed e s i g n o fp o w e rc o n t r o ls y s t e mu s i n g1 i n e a ra n dn o n l i n e a r , v e c t o r , s c a l a r , l o c a la n d g l o b a lm u l t i p l ef e e d b a c kt e c h n o l o g y , s o l v e dp r o b l e m ss u c h a s p h a s et r a c k ， n o n l i n e a rd i s t o r t i o n se t c ，a n du s i n gd i r e c t d i g i t a lw a v es y n t h e s i st e c h n o l o g y , p r o d u c i n gap u r es i n ew a v es i g n a ls p e c t r u ms i g n a l 嬲s y s t e ms i g n a ls o u r c e i n a d d i t i o n ，w ea d o p tm e a s u r e so ft h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yt oi m p r o v et h e s y s t e mo fe l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y i nt h i sp a p e r , t h eb a s i cp r i n c i p l eo fo u r i i - 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 r e s e a r c hb a s e do nt h ec h e c k e ro fe l e c t r i cm e t e rp o w e rs u p p l yf o rh a r d w a r ed e s i g n ， a n ds o m em o d u l e sm a t l a bs i m u l a t i o na n a l y s i s ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r eg i v e n e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g nh a sa c h i e v e dt h ee x p e c t e dg o a l s k e y w o r d sp r o g r a m - c o n t r o l l e dc h e c k e ro fe l e c t r i cm e t e r , p w ms t a n d a r dp o w e r s u p p l y , s t e a d yi n c r e a s ec i r c u i t i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文三相程控电度表校验台用 p w m 电源的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期 间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不包 含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：弓k 昌五 日期：2 0 0 9 0 3 2 0 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 三相程控电度表校验台用p w m 电源的研究系本人在哈尔滨理工大学 攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈 尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全 了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关 部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内 容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密囡。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：锨昌五 日期：2 0 0 9 0 3 2 0 翩魏p 诽 隰2 0 0 9 0 3 2 0 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题来源于“科技部科研院所技术开发研究专项资金项目三相程控 电度表校验台用p w m 电源的研究 。 1 2 程控电度表校验台用电源发展概况 1 2 1 程控电度表校验台用电源国内外研究现状 在国内各厂家制造的程控功率电源，多数采用最先进的数字波形合成技术 及p c 程控技术，如中国计量科学研究院研制的w a v e 3 5 0 0 三相功率源、河南 思达的j c d 4 0 6 0 三相电源及哈尔滨仪器仪表研究所生产的y s 7 9 三相程控稳功 源均采用该技术。但在功放这个最重要的环节上还都采用传统的线性功放。 国际上，程控功率电源主要在两个方面上发展。一是和国内主流电源一样 以多功能、多波形( 一般含谐波) 、低失真为主，一般采用线性功放，主要用 于试验室或用于仪表的形式试验等。另一类主要是为电度表生产线等场合而设 计的。输出功率大、功能简单是这类电源的特点。这类电源的信号发生器和前 一类一样也多采用数字合成技术，从功放上看多采用脉宽调制技术，其输出功 率可作得很大。但由于受功放工作原理限制一般不含谐波，失真度一般只能做 到l 左右，但都有良好的可程控性。由该程控电源加p c 机和挂表架及系统软 件，就可构成全自动电度表校验台。这类产品以日本电气检定所、德国e m h 公 司等为代表。但国外这类产品的价格都非常高，德国e m h 公司生产的三相程控 功率电源价格在几十万元，所以在国内一直没有推广开1 1 , 2 1 。 1 2 2 目前应用中存在的问题 根据有关资料 3 1 ，我国地市级供电局的计量部门对单相电度表的检定多采用 电工型台体进行手工校验，检验的方法仍然是采用以表校验表的方法，检定过 程非常烦琐，大量的手工误差，加上表量的增加，既要提高校表量的产量，又 要确保检定的准确性，只有提高校验装置自动化水平这一途径。面对这一需求， 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 电度表校验装置生产厂家( 如龙电电气集团、羊城公司等) 先后推出了电度表 程控校验装置，用计算机控制程控校验装置的先进技术代替传统的手工校验， 实现电度表校验的自动化、无纸化。例如，广州羊城公司的y c 1 8 9 1 a 型程控 校验装置，利用先进的程控数字合成源技术和计算机管理，完成单相电度表进 行全自动程控校验。但上述的程控电度表校验装置有其自身的缺点，它实际上 还是以表校验表的方式，只不过是简单地替代了人工校对的过程和提高自动化 水平，校表的准确度并没有提高多少，综合误差为校对误差和程控源误差之综 合。 校验电源是电度表校验台的必备设备，每一个或几个校验台就需要一个电 源。绝大多数电度表厂家推出的电度表校验装置采用线性电源供电，而传统的 线性电源一般采用甲乙类推挽互补对称电路，功率器件工作在放大状态，器件 的管压降大，功耗大，输出功率低，效率低，并且在大电流输出时效率极低， 在过载工作时温度高，需要散热片数量多、体积大，寿命短，成本高，最重要 的是带负载能力差，加之线性功放因工作原理限制不适于长期连续工作。这些 电源均无法用于生产线，这是目前本行业国产电源存在的主要问题。 1 3 电源技术的发展 1 3 1 电力电子技术的发展概况 随着1 9 世纪初电磁学原理的发现，电力技术得到了很大的发展，各种电气 设备如变压器、发电机、电动机相继出现，电能成为人们生活中不可缺少的部 分。随后，晶体管特别是三极管的出现促使电子学进入一个新的台阶，集成电 路和微电子技术的进一步发展成为可能。伴随着电力技术和电子技术的发展， 许多新的控制技术和方法也诞生了。至今，随着用户对供电要求的提高，电力 技术、电子技术和控制技术融为一体成为一门新兴的交叉学科电力电子技 术【4 1 。 现代电力电子技术的发展方向，是从以低频技术处理问题为主的传统电力 电子学，向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。八十年代末 期和九十年代初期发展起来的以m o s f e t 和i g b t 为代表的集高频、高压和大 电流于一体的功率半导体复合器件，表明传统电力电子技术已经进入现代电力 电子时代。 当前，电力电子作为节能、节材、自动化、智能化、机电一体化的基础， 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不 远的将来，电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用，实现高效率与 高品质用电相结合【5 i 。 1 3 2 电源技术 电源是实现电能变换和功率传递的主要设备，是一种技术含量高、知识面 宽，更新换代快的产品。此产品现今已广泛应用到农业、能源、交通、运输、 信息、航空、航天、航运、国防、教育、文化等领域。从日常生活到最尖端的 科学都离不开电源技术的参与和支持，而电源技术和产业对提高一个国家劳动 生产率的水平，即提高一个国家单位能耗的产出水平，具有举足轻重的作用。 在当前信息时代，上述各行各业都在迅猛地发展，发展的同时又对电源产业提 出了更多更高的要求。如节能、节电、节材、缩体、减重、防止污染、改善环 境、可靠、安全等。这就迫使电源工作者在电源研发过程中不断探索，寻求各 种相关技术，做出合格电源产品，以满足各行各业的要求，从而又无形地带动 了相关技术的高速发展。而正由于这些技术的高速发展又推动了电源产业的发 展。 当前电源产业占主导地位的产品门类有：各种线性类稳压电源、通信用 a c d c 开关电源、d c d c 开关电源、交流变频调速电源、电解电镀电源、高频 逆变式整流焊接电源、中频感应加热电源、电力操作电源、正弦波逆变电源、 大功率高频高压直流稳压电源、绿色照明电源、化学电源、u p s 电源、可靠高 效低污染的光伏逆变电源、风光互补型电源等。而与电源相关的技术有：高频 变换技术、功率转换技术、数字化控制技术、全谐振高频软开关变换技术、同 步整流技术、高度智能化技术、诸多的电磁兼容相关技术、各种形式的功率因 数校正技术、各种保护技术、并联均流控制技术、脉宽调制技术、各种变频调 速技术、各种智能监测技术、各种智能化充电技术、微机控制技术、各种集成 化技术、网络技术、各种形式的驱动技术和先进的工艺技术【6 1 。 1 3 3 电力电子技术与电源技术 电力电子技术已发展成为一门完整的、自成体系的高科技科学，而电源技 术又属于电力电子技术的范畴。现代电源技术是应用电力电子半导体器件，综 合自动控制、计算机( 微处理器) 技术和电磁技术的多学科边缘交叉技术。在 各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用，是现代电力电子技术的具 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 体应用。 电力电子技术的发展带动了电源技术的发展，而电源技术的发展有效地促 进了电源产业的发展。迄今为止电源制造业已成为非常重要的基础产业，并广 泛应用于各个部门，其发展趋势继续朝高频、高效、高密度化、低压、大电流 化和多元化发展。而封装结构、外形尺寸日趋国际标准化，以适应全球一体化 市场的要求，进而使电源产业进入国际市场。 总而言之，电力电子及开关电源技术因应用的需求不断向前发展，新技术 的出现又会使许多应用产品更新换代，还会开拓更多更新的应用领域。开关电 源代替线性电源和相控电源是大势所趋。因此，同样具有几十亿产值需求的电 力操作电源系统的国内市场正在启动，并将很快发展起来。还有其它许多以开 关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着专业人士去开发【7 1 。 1 4 研究程控电度表校验台用p w m 电源的必要性 我国的电度表产销量世界第一，电度表行业是仪器仪表行业中国产表占有 率最高的行业，年产量约为五千万台，年产值超过2 0 亿元，不但能够满足国内 市场的需求，并有1 3 的产品出口，年出口增长率达到2 8 。电度表行业是一 个具有国际竞争力的行业，随着我国加入w t o 及国内城乡电网改造和一户一 表工作的进行，其发展将更加迅速。但作为电度表生产重要环节之一的电度表 校验水平却明显跟不上发展，多数厂家仍在使用传统的电工式电度表校验台， 一般都配有p c 机，可进行采样及数据处理，由于电源不可程控，只能手动，根 本谈不上真正的自动化生产，工作效率一直无法提高，可靠性也难以保证嘲。 虽然国内已有厂家开始生产电子式校验台，研发的重点都放在电度表校验 自动化和高精度程控信号源设计两项技术上，这两项技术的不断发展直接推动 了电度表校验装置的更新换代。但因程控电源均采用线性功放，而线性电源又 因功放原理限制，其输出效率低、输出功率小，只适合试验室这类校表数量少、 实验功能多的场合，而不适应大批量的生产线。国外产品也只有德国e m h 的全 自动电度表校验台进入了我国，因采用p w m 程控功率电源，其输出功率大， 输出效率高，完全适应电度表生产线，但因价格太高，因此一直无法推广。为 解决此问题，我们开始了p w m 程控功率电源的研究工作。 p w m 三相程控标准功率电源，也是电源行业近年来急需的一种新型设备， 作为标准仪器使用该电源的设计思想与研究的技术路线都与现有电源相比出现 了本质的不同。在本项目的功率源研究中将涉及较多的理论问题及技术难点， 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 如数字波形合成及预置失真技术，p w m 功放及自适应反馈技术等。上述这些技 术的突破对于开发生产大功率程控标准功率电源及其相关的大功率高稳定度功 率电源都具有重要的理论意义，并将带来巨大的经济效益。 传统线性电源不适合电度表校验台用电源，本课题研究的电度表校验台用 p w m 电源主要具有以下特点： 1 电源输出功率大，效率高，功耗小，寿命长； 2 高稳定度； 3 f 氐失真度； 4 强电磁干扰； 5 宽输出范围； 6 成本低； 7 带负载能力强。 1 5 本课题研究的主要内容 本课题在分析了目前程控电度表校验台用电源特点的基础上，并针对目前 电度表校验台用电源应用中存在的问题，进行了本课题的研究。其具体内容如 下： 1 简述电度表校验台用电源国内外研究现状及目前应用中存在的问题，明 确研究本课题的重要意义和科学价值。 2 依据项目性能指标的要求提出总体设计方案，并对s p w m 三种典型的实 现方法进行比较分析，确定硬件调制法生成s p w m 波。 3 对电度表校验台用线性电源性能的分析，指出本课题的技术难点，给出 解决措施。 4 硬件电路设计。对本课题关键技术中提高系统稳定度，减小输出信号的 失真环节的硬件电路进行设计，其中包括积分调节器的电路、误差放大电路、 增益可调放大器设计，非线性反馈电路设计。 5 仿真分析。运用m a t l a b s i n m u l i n k 环境对电源系统提出的关键技术方 案进行仿真验证。 6 电磁兼容分析。通过电磁兼容理论的研究，对研究系统中存在的电磁兼 容性分析将有很大的帮助。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章p w m 电源总体设计方案 2 1 程控电度表校验台用p w m 电源技术指标 本课题技术指标如下： 1 电压输出量程：6 0 0 v 、3 8 0 v 、2 2 0 v 、l o o v ： 2 电压调节范围：8 0 - 1 2 0 量程； 3 电流输出量程：3 m a - - 1 2 0 a ： 4 功率：每一相电压或电流输出功率可达1 8 0 0 w ； 5 输出功率稳定度：0 0 1 3 r a i n ； 6 输出电压、电流波形失真度：0 5 ； 7 输出频率范围：4 5 - - 6 5 h z ； 8 相位调节：0 0 一3 6 0 0 ； 9 相角分辨力：o 0 1 0 ： 1 0 可设置2 2 1 次谐波的幅度和相位； 1 1 可实现市电跟踪。 2 2 程控电度表校验台用p w m 电源总体设计方案 我们研究的电度表校验台采用p w m 控制技术的电源，其输出功率比线性 电源要大许多，这样可以用一台电源驱动更多的电度表负载，节省很大的空间。 在本电源系统中采用直接数字波合成技术构成信号源，功放输出用的是p w m 功放电路。根据系统技术指标的要求，我们对p w m 电源系统进行总体方案设 计，其原理图如图2 1 所示。它由信号发生器、p w m 功放、输出变压( 变流) 器、滤波器、电压( 电流) 互感器、反馈网络、p c 及控制中心、仪用接口、面 板显示、键盘等组成。 哈尔滨理1 = 大学1 二学硕士学位论文 图2 l 三相程控电度表校验台用p w m 电源的原理图 f i g 2 1w o r k i n gp r i n c i p l ed i a g r a mo f t h r e e - p h a s ep r o g r a m m a b l ep o w e rs u p p l y 2 2 1 信号发生器 信号发生器原理图如图2 2 所示，它采用直接数字波合成技术，产生可程 控调幅、调相、调频的三相正弦信号( 六路并含直流基准) 输出。 图2 - 2 信号发生器原理框图 f i g 2 2p r i n c i p l eb l o c kd i a g r a mo fs i g n a lg e n e r a t o r 直接数字波合成技术从相位概念出发直接合成所需波形的一种新合成原 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 理。近年来，随着微电子技术的迅速发展，直接数字频率合成器( d i r e c td i g i t a l f r e q u e n c ys y n t h e s i s 简称d d s 或d d f s ) 得到了飞速的发展，它以有别于其它 频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的姣姣者。具体体现 在相对带宽宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可产生宽带 正交信号及其他多种调制信号、可编程和全数字化、控制灵活方便等方面，并 具有极高的性价比 9 , 1 0 1 。 直接数字波合成技术工作原理是由代表时间的电子计数器同波形存储器的 地址相连，波形存储器各单元中存放对应的波形函数值，当计数器工作时，可 从波形存储器中依次取出对应的函数值，再经过波形合成器便可在其输出端得 到所需的波形。 2 2 1 1 正弦波的产生产生正弦波的方法按其所用电路可分为模拟信号产生电 路和数字信号产生电路。模拟信号产生电路是以模拟电路( 例如运算放大器) 为基础而构成的信号产生电路。模拟信号产生电路的特点是：输出频率和相位 采用电位器调节，可以连续调整。采用稳幅电路，保证输出幅度有很高的稳定 性。但相位及频率的长时间稳定性较差，调节相位时对幅度有影响，相位及频 率无法直接显示，而且电路调试困难，工艺结构复杂，难以实现程控。 数字信号产生电路是以数字电路( 例如计数器、存储器) 为基础而构成的 信号源，其特点是输出频率和相位的调节是用计数的方法实现的，所以不能连 续调节，但输出幅度、频率、相位的长时间稳定性好，相位调节时不影响输出 幅度，与计算机接口方便，数字电路容易调试，工艺结构简单 1 m 2 1 。 本文选择采用数字信号电路产生正弦波。其波形产生的基本思想是：首先 对需产生的正弦信号波形进行分解和量化，然后按顺序将波形的幅值以数字信 息的形式存贮于存贮器中。工作时，再以相同的顺序取幅值信息，经d a 电路 变换成模拟量，输出希望得到的正弦波形。 2 2 1 2 波形的分解与量化假设欲得到的正弦波如图2 3 所示。 图2 - 3 正弦波的分解与量化 f i g 2 - 3t h ed e c o m p o s i t i o na n dq u a n t i z a t i o no f s i n ew a v e 8 哈尔滨理工大学1 = 学硕士学位论文 在一个周期内等分成1 6 段，即一个完整的正弦波是由1 6 个点组成，每两 点间相隔以3 6 0 0 1 6 = 2 2 5 0 。在幅值峰峰之间共分成1 0 0 个等级。很显然，要 使波形逼真，一个周期内分解的点数和幅度量化级数越多越好。但是分解的点 数越多，产生一个完整的正弦波所需的数据量就越大。一般是根据相位的调节 细度来选择分解的点数。当相位调节细度为1 0 时，可取3 6 0 点，当调节细度为 0 1 0 时，可取3 6 0 0 点。因此，相位调节细度越高，应分解的点数就越多，所需 数据量就越大。根据本课题设计要求，相位调节细度为0 0 1 0 ，所以应取3 6 0 0 0 点。实际上，对于三相电压电流六个波形数据来说，如果取3 6 0 0 0 点，则存储 量太大，而对于基波和最高2 1 次谐波来说，3 6 0 0 个点就可以满足要求了，此时 量化级数取2 5 6 ，即使用8 位的d a 转换，可以满足失真度要求。为了达到相 位调节0 0 1 0 的要求，在各相的取点时间上需要做特殊的硬件处理。 2 2 1 3 波形的合成信号发生器原理图2 2 中，频率合成器以时钟为基准产生与 输出信号同频率的方波，在频率合成器中设定或改变这个方波的频率就可以设 定或调节输出频率。通过频率跟踪器跟踪市频，接通开关后，其输出频率将跟 踪市频，这个方波再通过锁相环将基频提高3 6 0 0 倍，以这个信号为基准供计数 器计数，设定或改变计数器的初值，即可设定或调整相位。波形存储器内存正 弦波数据( 共3 6 0 0 点) ，按计数器的计数值依次取出，经波形合成器转换为正 弦波，波形的合成过程如图2 4 所示。 ，广 广_ 1 厂1 广 蛤1 “ 巫一波形计数器h r o mhd ah 滤波眇 i ，_ ji _ ji _ ji _ j 图2 4 正弦波的合成原理图 f i g 2 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fs i n ew a v es y n t h e s i s 假定在r o m 里已存贮好了正弦波波形信息。在脉冲信号关作用下，波形 计数器依次送出r o m 的地址信号0 3 5 9 9 。这样就依次取出存在r o m 里的各点 幅值的数字信息，并送入d a 。在d a 中把幅值的数字信息变为相应的模拟量 ( 例如电流) ，再经运算放大器把电流信号变为双极性的电压信号。由于运放输 出的电压信号是与各点数字量呈现相应的阶梯波形，就是说，它里面含有高次 谐波，所以经低通滤波器滤除高次谐波，这样才可得到光滑的正弦波输出【l 射。 2 2 1 4 正弦波调节正弦波幅度、频率、相位的调节都是采用数字的方法。 1 数字调幅因m d a c 为乘法式d a 卜即输出值( 电压) 等于输入数据 乘以基准电压。因此调节基准电压就可以调幅，其原理如图2 5 所示。调幅电 路是由m d a c l 构成波形合成器，由m d a c 2 构成可调直流基准。当调整或设置 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 r 图2 5 调幅电路原理图 f i g 2 - 5p r i n c i p l ed i a g r a mo f m o d u l a t i o nc i r c u i t m d a c 2 的输入数据时，其输出直流将随之改变。当输入为最大值时输出为u e ， 当输入下降时输出线性下降，当输入数据为0 时输出为0 。同时m d a c l 的正 弦波幅值也随着从满度变为o ，从而就实现了程控调幅。因功率放大器的反馈网 络需交流和直流两套基准，因此u j 和u 肼还将作为基准信号使用。信号发生器 的输出信号经前置放大器、模拟乘法器、调制电路，把正弦波调制成正弦脉宽 波，并由这个脉宽信号通过p w m 控制器控制桥式开关管的通断，由此得到有 功率输出的正弦脉宽波，再经过滤波后还原成正弦波。 2 数字变频 ( 1 ) 输出正弦波的频率z 与波形计数器的脉冲频率z 的关系 假设要形成频率为，的正弦波，在一个周期内又分为3 6 0 0 个点，则送给波 形计数器的脉冲频率万应为： z = 3 6 0 0 f ,( 2 - 1 ) 因此，当要求输出的频率能在( 4 5 , - 4 6 ) h z 范围内连续变化时，送给波形计数 器的脉冲频率应为 z = 3 6 0 0 ( 4 5 6 5 ) h z = ( 16 2 0 0 0 - 2 3 4 0 0 0 ) h z( 2 2 ) 也就是说，只要送给波形计数器的脉冲频率为( 1 6 2 0 0 0 2 3 4 0 0 0 ) h z ，则得到 正弦波的输出频率范围是( 4 5 4 6 ) h z 。 ( 2 ) 锁相环工作原理 要使脉冲频率能在( 1 6 2 0 0 0 - 2 3 4 0 0 0 ) h z 如此宽的范围内连续可调，并且有很 高的稳定度，就必须用到以锁相环为基础的频率合成技术。所谓的频率合成技 术，就是将一个基准频率兀( 通常是由晶体管提供的高稳定度的频率) 变成一 系列的新频率z = 脱，并且这些新频率的稳定度要与基准频率相当。例如：厶 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 的稳定度为l o - 6 ，则新频率的稳定度也能达到1 0 巧。即利用频率跟踪和相位捕 捉原理，将基准频率 变换成一系列成倍数关系的新频率z 。 频率合成技术常常用到锁相环电路，所谓锁相，就是自动实现相位同步。 能完成两个电信号相位( 即频率) 同步的闭环系统叫做锁相环。锁相环主要包 括三个部分：相位比较器，低通滤波器和压控振荡器，如图2 6 所示： 图2 - 6 锁相环原理图 f i g 2 - 6p r i n c i p l ed i a g r a mo fp h a s e - l o c k e dl o o p 相位比较器的一个输入端接基准信号u 、，另一个输入端接比较信号 【，。、，比较信号一般是从压控振荡器的输出端取出的。比较器把它们的相位进 行比较，产生一个与两信号的相位差缈成正比的误差电压u 。，玑再经低通滤 波器滤除高频成分后，得到平均电压u d 。u d 作控制电压，加在压控振荡器的 控制端，使振荡频率f 向厶靠拢，直至= 0 。当这两个频率的差值为o 时，相 位差保持恒定，称为相位锁定。相位锁定后，锁相环还具有“捕捉 能力。就 是说，如果输出信号频率f 再次发生变化，偏离磊值( 在锁相环捕捉范围内) ， 锁相环就能捕捉到f ，强迫它锁定在厶，锁相环属于负反馈系统，故有捕捉能 力【1 4 i 。 在锁相反馈环路内加入不同的运算网络时，f 与兀就有不同的运算关系。 频率合成时，在反馈环内，加入分频器，使，：与磊有倍频关系，如图2 7 所示： 图2 7 频率合成电路原理图 f i g 2 7t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo ff f e q u e n c ys y n t h e s i sc i r c u i t ：经分频后与基准频率兀相比较，锁定时f , n = f o 即 z = 氓( 2 3 ) 如果分频系数是可变频的，这时即可得到不同的f ，从而实现了频率的 合成。分频系数可通过计算机来设定不同的值，以便得到不同的频率输出， 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 这就是程控调节频率。在测试电源中，当基准频率为3 6 0 h z 时，欲使输出频率 为( 1 6 2 0 0 0 2 3 4 0 0 0 ) h z ，则分频系数应取为 n = ( 1 6 2 0 0 0 - 2 3 4 0 0 0 ) h z 3 6 0 h z = 4 5 0 - 6 5 0( 2 - 4 ) 通过预置不同的分频系数，可以达到改变波形计数器脉冲频率f 的目的。 为了满足频率调节细度为0 0 0 1 h z 的要求，实际预置数应扩大一千倍为 4 5 0 0 0 0 - 6 5 0 0 0 0 。若当f o = 3 6 0h z 时，分频系数设定为5 0 0 0 0 0 时， f = l v f o = 5 0 0 0 0 0 3 6 0 h z = 1 8 1 0 7h z 。由于输出频率f 扩大了一千倍，所以在 送给波形计数器前应缩小一千倍。根据式( 2 1 ) 知，此时输出的正弦波频率为 l | = t 3 6 0 0 1 0 0 0 = 5 0 h z 。 3 数字移相数字移相的实现，实际上是控制波形合成时波形计数器的清零 时间，既可以用硬件实现，也可以采用软件实现。软件移相是在产生电压、电 流波形时，从存储器的不同存储单元开始读取数据。例如当电流波形从0 点读 取数据时，而电压波形从第6 0 0 个点读取数据，电流波形就落后电压波形6 0 0 【1 5 l 。 2 2 2 p w m 电源功放 2 2 2 1p w m 控制技术采样控制理论中一个重要结论：冲量相等而形状不同的 窄脉冲加在具有惯性环节上时，其效果基本相同。p w m 控制技术就是以该结论 为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列 幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。 按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小， 也可改变输出频率【l6 。 s p w m 法就是以前面提到的采样控制理论的重要结论为理论基础，用脉冲 宽度按正弦规律变化并和正弦波等效的p w m 波形即为s p w m 波形。s p w m 波 形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出 的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆 变电路输出电压的频率和幅值。s p w m 法是一种比较成熟的、目前使用较广泛 的p w m 法，该方法的实现有以下几种方案： 1 等面积法该方法实际是s p w m 法原理的直接阐释，用同样数量等幅而不 等宽的矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算各脉冲的宽度和间隔，并把这些数 据存于计算机中，通过查表的方式生成p w m 信号控制开关器件的通断，以达 到预期的目的。由于此方法是以s p w m 控制的基本原理为出发点，可以准确地 计算出各开关器件的通断时刻，其所得的波形很接近正弦波，但其存在计算繁 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 琐，数据占用内存大，不能实时控制的缺点。 2 软件生成法由于微机技术的发展使用软件生成s p w m 波形变得比较容 易，因此软件生成法也就应运而生。软件生成法其实就是用软件来实现调制的 方法，即自然采样法和规则采样法两种基本算法。 自然采样法以正弦波为调制波，等腰三角波为载波进行比较，在两个波形 的自然交点时刻控制开关器件的通断。其优点是所得s p w m 波形最接近正弦波， 但由于三角波与正弦波交点有任意性，脉冲中心在一个周期内不等距，从而脉 宽表达式是一个超越方程，计算繁琐，难以实时控制；规则采样法是对自然采 样法的改进，其主要优点是计算简单，便于在线实时运算，其中非对称规则采 样法因阶数多而更接近正弦波。其缺点是直流电压利用率较低，线性控制范围 较小。 3 硬件调制法硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的，其 原理就是把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对 载波的调制得到所期望的p w m 波形。通常采用等腰三角波作为载波，当调制 信号波为正弦波时，所得到的波形就是s p w m 波形。其实现方法简单，用模拟 电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，然后将三角波信号与正弦波信号 接到比较器两输入端，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对开关器件的 通断进行控制，比较器方波输出即为s p w m 信号。s p w m 调制技术依据输出滤 波器的前端电压s p w m 波的极性不同分为单极性和双极性两种控制方式，通常 采用双极性控制方式【i7 1 。 通过上面三种可选方案的分析，最后趋向于采用硬件调制法来实现所需的 s p w m 波。 2 2 2 2 脉宽调制型运算放大器s a 0 8 本课题研究的p w m 电源功率器件采用脉 宽调制集成模块s a 0 8 ，并以它为核心构成满足电度表校验台技术指标要求的电 源。 1 芯片简介s a 0 8 是美国a p e x 公司生产的大功率脉宽调制型功放，具有效 率高，输出电流大，h 桥驱动负载等特点。s a 0 8 内部晶振的固定振荡频率为 4 2 k h z ，外部振荡器输入的振荡频率经过二分频后作为内部4 个大功率i g b t 管 的开关频率。4 个大功率i g b t 管组成一个电桥电路，在每个半桥的下面都有一 个电流采样管脚，可以采样大功率i g b t 管的电流大小及方向，以实现四象限 控制。在s h d n 管脚上输入一个高电平信号可以关断h 电桥的四个输出i g b t 管，在器件的内部还有过流和过热保护模块，以实现器件的过流和过热保护功 能。s a 0 8 原理框图如图2 8 所示【侣】： 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 v c c + p w m p w m 承a m p c l k o u t c l k i n a n d o 1 0 电流控制 i卜 p w m_ j 匿 】 【 】【舅j l 一一， 一 5 8 0 k 8 4 7 0 p f - 输出驱动 r - j 匡 】 【】 【 围l 2 r - a 鬲3 臣i l幽l 7 5 关断控制 6 图2 8s a 0 8 原理图 f i g 2 - 8p d n e i p l eb l o c kd i a g r a mo fs a 0 $ 2 s a 0 8 使用说明 ( 1 ) 模拟输入( + p w m ) + p w m 的输入信号前需要叠加5 v 的电压，使输入到比较器同名端的正弦 波信号的中心电压为+ 5 v 。当+ p w m p w m 时，a o u t b o u t ，内部的动作控 制处理器会产生p w m 信号来驱动功率管的开关动作1 1 9 l 。 ( 2 ) 时钟电路和三角波发生器 s a 0 8 内部有时钟发生电路，时钟频率设置为4 5 k h z ，般情况下c l k o u t 管脚和c l k i n 管脚相连。但也可由外部来提供时钟信号，使用外部时钟是为了 同步。时钟信号的2 分频后被输入到三角波发生电路是由4 5 k q 电阻和1 0 0 p f 电容构成的r c 积分电路，然后输入到p w m r a m p 引脚产生三角波。此外， 在外部时钟信号的频率低于4 5 k h z 时需要在p w m r a m p 引脚和地之间加一电 容，该电容与内部电容相并联，以使方波的峰峰值达到4 v 。 ( 3 ) 保护电路 除了外部可编程电流限制外，s a 0 8 内部还有电流限制电路，他们感应高端 电流信号。保护门限电流被设置为不间断输出电流1 4 0 。当输出与地短路时， 则保护电路触发关断功率管。当由于某种错误使输出功率管的温度高于1 6 5 0 c 时，温度保护电路也会关断功率输出管。 ( 4 ) 电流限制 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 s a 0 8 有两个负载电路传感引脚i s e n s e 和i s l 刚s e b 。在电压模式下两引脚可以直 接短路，但在电流模式下应该分别加r u u r r 电阻直接接地。两种模式的电路图 如图2 9 所示。 j r a ) 电压模式 a ) v o l t a g em o d e v 0 v b ) 电流模式 b ) c u r r e n tm o d e 图2 - 9 限流保护电路图 f i g 2 - 9t h ec i r c u i td i a g r a mo fc u r r e n tl i m i t i n gp r o t e c t i o n 其中，电阻r l i m l t 建议选用非感性的，且引线长度应短。另外，在i s e n s e 上容易产生固定的开关噪声尖峰，这个尖峰很可能跨过限流门限值1 0