（电力电子与电力传动专业论文）多路数控精密开关电源的控制系统研究.pdf

浙江大学硕士掌位论文 a b s t r a c t h a v i n go v e r c o m e t h ed i s a d v a n t a g e so fp o n d e r o u s ，i n e f f i c i e n ti i n e a rp o w e rs o u r c e s w i t c h p o w e rs u p p l i e sa r ew i d e l ya p p l i e di np o w e rm o t i o n ，i n d u s t r i a l ，c o m m u n i c a t i o n ，p c ，o f f i c e a n d f a m i l ye l e c t r o n i c se q u i p m e n te t c b u tt h er i p p l ea n dl o wp r e c i s i o nm a k e i t i m p o s s i b l e t or e p l a c el i n e a rp o w e rs o u r c ec o m p l e t e l y d i g i t a lc o n t r o ic a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f s w i t c hc o n v e r t e ra n di so n eo ft h ed i r e c t i o n so f p r e c i s es o u r c e ah i g h p e r f o r m a n c e i n t e g r a t em u l t i o u t p u ts w i t c hp o w e rs u p p l yi su s e da sa ne x a m p l et oi i l u s t r a t et h em a i n t e c h n i q u e so fd i g i t a lc o n t r o l l e di n t e l l i g e n ts o u r c em o d u l e a c c o r d i n g t ot h ec o n t r o i r e q u i r e m e n t ad u a l c p u d u a l r a m b a s e d c o n t r oj s y s t e m c o m p l e t e st h ec a l c u l a t i o n ，o u t p u t ss y n c h r o n i z a f i o no fm u l t i s i g n a lr e f e r e n c es o u r c e ，t h e s e r i ajc o m m u n i c a t i o n t h ea d j u s t m e n to fd cb u sa n dt h ei n t e l l i g e n tg r a d a t i o nd u a ir a m c a n i m p r o v e t h e r e l i a b i l i t y a n dr e a l t i m e r e s p o n s es p e e d a ft h es a m el i m e t h e f o l l o w i n g a d j u s t m e n t a n ds a m p l i n gr e s i s t o r g r a d a t i o n m a k ef u l lu s eo fs o f t w a r ea n d h a r d w a r e ，a n dg i v eg r e a th e l pt ot h eh i g hr e s o l u t i o n t w os e t so f u n i q u ep r o t o c o i a r eu s e di nd u a l c p ud a t ae x c h a n g ea n ds c ( s e r i a l c o m m u n i c a t i o n ) w i t hp cf oe n s u r et h ee f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t yf i f i ( f i r s ti nf ir s t0 u t ) d u a l - r a mp r o t o c o lc o m b i n i n gt h ea d v a n t a g e so fh a r d w a r ed e t e c t i o na n ds o f t w a r ej u d g e h a r m o n i z e st h et i m es e q u e n c ew i t hh i g hs e c u r i t ys h o r tf r a m e si ns cp r o t o c o jm a k et h e d a t ac o n s t r u c t i o nc l e a ra n d e a s y t ob ei d e n t i f i e da tt h es a m et i m e ，t h e p e r f e c t f a u l _ c o r r e c t i o ns y s t e mr e d u c e st h ep o s s i b i l i t yo fd a t at r a n s f e re r r o r a s i g n a l g e n e r a t e ds c h e m e t h a ti su s e di nh i g hs o l u t i o na cs o u r c ei sp r e s e n t e db a s e do n t h er e a s o n a b l eu s a g eo fs y s t e ms o u r c e b yd i s c u s s i n gt h em e t h o d so fc o u n t e r - o u t p u t ， p l l ( p h a s e l o c k e dl o o p ) o u t p u ta n dd d s ( d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z a t i o n ) 一o u t p u t ，d d s - b a s e dd u m m y s p a c em e t h o di s b r o u g h to u ta n d i tc o n v e r t st h et i m ep r o b l e mi n t os p a c e i m p r o v e st h e r e s o l u t i o no fb o t h f r e q u e n c ya n dp h a s e s h i f t h a r m o n i cc a na l s ob e g e n e r a t e db yt h i sw a y t h es c h e m e sa b o v ea r eu s e di nah i g hr e s o l u t i o n m u l t i o u t p u td i g i t a lc o n t r o ls w i t c h c o n v e r t e r ：u l t i m a t e l yt e s tt h e i rf e a s i b i l i t ya n d s u p er i o r i t y i i 第一毒 绪论一数学化穰黛 静关电域的藏，状拽嵌展 第一章绪论 数字他糖密开关电源的现状及发展 1 ，1 数字他的开关毫源 能源在社会现代化方葱起整关键作用。电力愈子技术以其灵活的功率变换方式，疲用于 各种高性能、高功率鬻度、高效率的电能变换装鬣中，在2 1 世纪必将得到大力发展。丽开 美疑潦是电力电子援术孛占有缀大建重弱一个重簧方嚣。 开关电源技术运川功率变换器进行电能变换，经过变换电能，可以满足备种用电璎求。 由予其离效带糍霹带来巨大经济效薤，瓣嚣；| 起 奎会各方甏麓重援 | 霉褥嚣避速推广。 与传统的相控电源对比，开关功率变换器有以下特点；采用高频变压器取代笨重的 工频变压器，使稳压电源的体拣和霞量大大减多、同时降 氐了噪音；相控整流器的功率 因数随可控硅导通角的变化丽变化，两经过校正的奸关电源功率因数基本不受受载变化的影 响 开机的冲击电流可限制在额定输入电流水平；由于体积小、重量辍，可设计为模 块臻构，检修维护筠挚。 由于其小型化、露艇轻、隔离良好、具有多路输出的优良特性，汗关电源已广泛应用在 谱摇诗葬辊、彩色奄视撬、程控交换橇等邀子浚冬土。辘蓑集裁诧强发热提褰， 接露俘越 来越少，使得开关电源的设计、生产、调整和维修臼益简单化，其成本不断降低，特别是大 功率m o s 管技术豹避遴发展，将开关毫潦韵工作频率商端籀震戮1 5 0 - 2 k 辩z 。开美电源 具有高稳定性和高性价比，将髓益取代使用工频建压器的线性调整稳压电源。 为了使开关电源小型轻重他，应提赢汗关工作频率，为了实现高速晌应藏铆，通常采甩 模拟电路进 亍控制。模拟控剖帮其固有静优点，磺如电路成熟、瘟鼹方便、实时性好等。但 也存在许多固有的缺点： ( 1 ) 鞫采镉大璧豹分敖元掌 羁媳竣扳，鼹致疆终或本糠裹，系统弱霹靠洼下降| ( 2 ) 由于人工调试器什的存在，如可调电位器，母致生产效率降低及控制系统的一致性差； ( 3 ) 器件老纯及熬漂移溺题熬存在，导致追潦输斑性能下降，甚至簿致输蠢失黢； ( 4 ) 产品升级换代困难，对同型号的模拟控制开关电源，升级过程比较复杂，每一个新型 的开关电源都要求重新设计、带9 造撩蒂i 系统； ( 5 ) 模拟控制的开关电源的监控功能有照，一旦出现赦障，技术人员往往需亲赴现场。8 0 浙溉犬掌硕士掌位论冀 年代以撒，为了掇离开关电源的通值功能及驻示功能，歼关电渊的设计采用了微她理器， 毽由哥徽签理器静速度闻露，舞关电源静控枣| 仍采餍模攘窀踌避行。 数字化、网络优已经成为信息社会啻匀主流。随着漪性能的微处理器m c u ( m i c r o c o m p u t e ru n i t ) 及数字信号处理d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 控粥嚣的出璃，开关电源静 垒数字控幕壤为现实。赣始理器彝d s p 能够窭8 口地读取婚潦竣氆，磬实对她诗算如p w m ( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) 输出值，使得一些先进的控制策略应用予开关电谢的控制成为可 裁。慰子遵变迄源丈警 # 线淫瞧孑囊蓑豹装嚣，蹲强行对 f 鼗经负鹱动态变纯产宝斡谶渡避 行渤态补偿，从而使输出谐波达到可以接受的水平。 露薪，关予警糍邀漂模块躲定义葳括准淹泰蟋确。京静落法燕模头藐够与势孬送行更 多的信息交流，如模块能够向外提供其内部的工作状态和参数，并能够接受外部豹命令和参 数，鑫葫改变工作状态和输出参鼗。也霄一种说法褥内莺攀片祝的穰源模块称麓管髓的邀源 模块。电源摸块智糍他的一个露簧原因篷为了实斑无人缓守，理此，电源模块其奏与外界通 信盼能力便照个重溪的内容。内置单片机是增强通信能力的方便廉价的手段。同时，在数 揍聚集、薮簿势凝、条 孛控裁等考瑟，攀蓐规誊廷容器窭瓿秘。因戡，在蟹撩窀潺模块中逶 常都由单片机来实现智能化方甜的功能。 嚣l 。 袭达了砖绞餐鼗惠源模袭静耱常冕缱捣。在这静蘩稳篷，主囊攀奄跨翁鲻耀控 制和故障保护都是由模拟电路实现。单片机负责电路参数和故障信号的采集，并将这蝗数据 抟戮夕 赛，麓蹲接受辫器静蠢令帮数禚，控裁主电路酶热嚣、关梳鞠谪节控截舔酌路定基准。 2 舔1 1 绪统譬驻电滁模袭静常觅蘩梅 ，s 一章 蜡论藏字 匕精葚 开英电谪e 垂巍状及美晨 豳1 2数字化智挠电源模块钧结构 图1 2 则表达了数字他智能电源模块的缩构。与传统智能电渊模块相眈，一个豫著的区 别就在于：这秘结构将主电躜赫控铡环也移交绘擎片视翅离数款方法处理。裁蠢j 还可以看出， 这种结构节省了一个d a 环节。 数字纯智能毫滋模凌是铮对谚统餐能电源模块熬不蹩蓰密静，数字诧缝够减少堡产遥程 中的不确建因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一 致性等工稷游瑟，辍天嫱援离生产效率耨产蒹静哥维护槛+ 开关电源采用数字控制，具有以f 明显优点： ( j ) 易子采用先进的控制方法和智能控制策略使电源模块的智能化程度熙高，性能筵完美。 ( 2 ) 控割爱滔，系统丹级方镄，甚至研双在线修改控制葬法，蕊不必改动矮囊二线路。 ( 3 ) 控制系统的可靠性提高，易于标准化，可以针对不同的系统( 或不同型号的产晶) ，采 蠲统一熬控割皈，嚣其楚慰控利欺嚣徽一攫调整嚣麓。 ( 4 ) 系统维护方便，一咀出现故障，可以很方便地通过r s 2 3 2 接口或r s 4 8 5 接口或u s b 接 墨进行调试，数簿查询，掰雯记荣鲞谗，敬薄诊断，软俘蛰鬟，甚至羧翻参数静在线穆 改、调试：也w 以通过m o d e m 远程操作。 ( 5 ) 系统的一致健好，成本低，生产伟l 造方便。由于控帝软件不像模拟器件那样存在差异， 所以，其一致性很好。鼬予采用软件控制，控制板的体积将大大减小。生产成本下降。 ( 6 ) 易组成高可靠性的多模块逆变电源并联运行系统。为了得到商性能的并联运行逆变电源 系统，每个势联运行豹逆变奄源攀元攥块都采弱全数字他控剃。易予在摸块之瓣更好地 进行均流控制和通讯或者在模块中实现复杂的均流控制算法( 不需要通讯) ，从而实现 离霹纛缝、裹笼余痉静逆变毫源并联运纷系统翔i 2 l 埘唆 浙江火啦硕士攀位幸x 赶 1 2糙密的开关电源 随着现代科技的e 速发展，许多高新技术产晶需要配备尚质量、商效率、高可靠性、高 精度的交流电源才能f ：作，要求电源的电雎、电流、频率、相位和波形等参数可进行蜜时监 测茅u 犍确控制，尤其牲医疗、仪袋、自动生产线测试、检验等场台还霈要高精度、高稳定性 的曼榴电源。 疆藏北类电源妁控裁一般聚耀模拟方式，所蕊娅麴一些趣疆是：簦先，由于囊载多为感 性负载，采用大功率线性放大器，其效率不高，功放发热比较严重。输出功率大时发热厢害， 不寰长蹲瓣遮符；英玖，线链珐搴藏夫嚣熬臻藏罄王俸在线性簸夫嚣，姿簸爨避鼗霹容荔蓬 出它的安全工作区，造成功率傺永久损坏，输出功率一般不高于5 k w ；较大功率的该类电 源国内不能生产，全靠进日，价格幕贵。随着瞧力电子技术的发展，脉宽调靠递变电溺因其 具有效率高、输出功率夫、故障保护容搦等优点，已在许多领域得到广泛应用。本节将对精 密齑流电源和精密交流电源的系统构成及优缺点潋行讨论。 精密直流稳压屯淄广泛应翅子各融大型精密仪器彝l 设鑫，特别是电力系统光人擅守整流 电源装置中。这些仪器和设备对稳压电源的稳定魔、纹波等指标有相当高的要求。电源通常 采瓣二缀豫藏，甍一级稳妥采瓣裁萃麴稳蘧蓉稳爨( 孩稳瞧鼹) ，繁二缀采惩鑫髂簧肇轼谖 整型稳压电路。第一级具有一定稳压作用的输出电压作为第二级的输入，减小了电网电源的 波动瓣输出嚷压的嚣璃，大大攥舞了电源静稳定系数”1 。琥代运用电潦不仅蘩蒜离效、耩密、 适用范围宽、安全性好而且还錾求体积小、重凝轻、便于携带。如果采用线性稳压电源或 晶闸管相控稳征电源作预稳级，将不得不使用体积庞大笨整的工频嶷压器和相应的滤波器 件，其效率指标也不够离。为了艇决这个阏题，预稳级采用慈频开美电源1 6 1 ，并在直淡输出 端配置性能较好的噪声滤波器。原理如图1 3 。 4 2 2 0 v 圈1 - 32 级精密直流电源 第章r 论一欺譬：化精黛 开关电嘏的现状趿曩最 预稳电路稳定的是线性丰商密稳压稳流电路( 精稳电路) 中调撼镣的压降+ 而其输 d i n 精 稳电路的电压和电流蝌随稽稔电路酶工律状况自动作耜摩静调整。这样既能适应稳压和稳流 两釉工作状态对预稳电路的不阅要求，又可使调接管的压晦和损耗限制在缀低的水平上，从 而大大减小了其散热鞭求，提离了整机效率。此外，采取相应的屏蔽措施，滋能减小开关电 源驹尖峰噪声，在保诞精度要求的翦摄1 f 往整机驰体积、燕量和成本大握度减小，效枣明显 提高。 运秘秀美窀鼹蕊线性电爨混会鹣壤糍奄添熬撬效率方程毫錾提高，瞧受疆稳器美电滚翡 局限。在稳压状态下的输出电压范围还不够宽其效率也有待进一步提高。采用高频逆变技 术静薪一筏数控开关蠢滚毫潦豫壶予冀优秀瓣懿矮翥较凝的可嚣性，与线髓教丈稻稽控整 流戮置相比，所有参数值均提离了几个数量级，工作原理框图见豳1 4 。 蹙 流 输 入 圈1 - 4数控高频歼关直流电源 交流输入的电压电检测控刿电路监视，并实现输入过艨、欠压缺蝴保护功能及软扁动韵 控制，e m i 滤波器对交流输入作净化处理，滤除高频干扰，吸收瞬态冲击，并抑制撼流器 亳频变换对交滚屯嬲嬲反匈予扰污染。兰糖交漉经整滚、滤波嚣变戏壹滚，藏渡经裹频逆变 为瀚频交流，高频交流又经商频变压器隅离，再经高频按流、滤波转换成稳定的直流输出。 p w m 踩宽调鞠技术霹渡实疆输窭奄压、邀滚麓挖篱l 帮调繁，礁僳毫滚麓稳宠及霹溯梭。故 障保护能在输出短路、过压、欠压及模块内部过温时，提供各种保护功能。c p u 监控中心 窭蕊工作参数的数据聚集，工作狭态酶控制及通讯。通过窜行通讯鞠，模块与模块、模块与 系统能进行j 邑主式双向通讯，模块能接受系统电滕、电流及保护域德鲍设置馕息，也黢向系 统传送本模块的工作参数和状态信息。冀正实现了高频直流模块的数字化、智能化。在高频 变换电路设计中采用鼹先进的霄潺籍位鞠零电压、零电流软骨关技本，变换效率 9 0 ，可 靠性离。开燕器件选州先进的i g b t ，容量大，速度快，体积小。以2 2 0 v 1 0 a 直流究电模 块为铡，重鬃仅8 k g 体积坟菇瓣容量鞠控宅深魏l 1 0 。 用高频歼关充电模块组成微机型直流电源柜，可以采用n + i 铸份方式，多模块并联组 5 浙江大榷司e 士学位论文 含，冗余设计，大大提高系统可靠性。并可通过r s 4 8 5 和r s 2 3 2 串行通讯口与后台做控设 备进行被向通信，实域电力直流电源系统酶“回避”( “遥涮、遥润、遥信、邋控”) 。 电子式三相交流糕密功率源能输出离糙度，窝稳定度以及幅值、翘位、频率精密可调的 三相电压和电流，在c i 频仪器仪表校验中得到了广泛应用。 毽萎誊交渡稳压电强抟调匿方式大致可以分为三秘；一是搬槭调基稳嚣式，站用电子电路 控制步进电机调节调乐器来稳雕；二是线性放大邋变方式；三是脉蹴调制( p w m ) 逆变稳 莲方蕊。这三狰工 笙方式各毒莰疑点：撬壤谖压稳蘧式龟漂结构篱挚、臻率露天可小，魑璃 应速度慢、稳压精度低，只能输出与市电频率一致的电压：线性放大逆变方式容易实现输出 交流瓣频率可调，毫精鹱、离稳定度、反应速度抉，毽电潦效率较 氐，实瑗大蕊萄内龟潦调 整需簧输出电压分档；脉宽调制( p w m ) 逆变稳服方式输出功率范嘲宽、效率高、可靠性 高、响应速度快、频率诃变，但输出电压中高频噪声和波形必真较大，不易实现三相电源的 相位控割。 以模拟方式控制的交流稳压电源，在结构上大多采用自耦调压变压器和改变主变压器 嚣、副边匝数弱方法，不仅体积巍夫、生产藏本裹，嚣虽效率镊、聂嶷速瘦蠖、稳压范翳窄。 由于线性功率放大器具有设计简单、波形失真度小等优点，功率源中可以用来进行功率放大。 蟊蘸糍功率源中大鄯囊徽橇控裁豹耩密磁弦信号源帮线性功率放大嚣维成辩酬鹾撑“。 圈1 - 5线性交流功率源 徽规控制电路根掘稷控波形发生器产生的定频率、摆佼秘幅度妁三翊电援( 电流) 信 号，分别送至三相电压( 电流) 驱动电路、经驱动电路放大的信号，驱动三柏电压( 电流) 功率羧大嚣，产生三摇耄基源 程滚滚) 。在囊率救夫嚣设鬟了毫漉鼗样毫臻，敬撵痿弩经 驱动电路返回微机控制电路，从黼实现对输出电压短路、输出电流开路的故障监测和保护。 为扩大输出电聪鬟程，输出端热糠窭变垂箍进行电遂转换，这样耀可满足各种电薤量程静要 求( 对于电流输出，还设置了恒流电路，以保证输出电流的稳定) 。 荣崩线性电源，结褥简单、稳定度及线性度高。但线性功率放大器的效率 低，特别是 工频电工式仪表多为感性负载，此时线性功率放大器发热甄为严重。 6 第一章 绪论一数字 匕耩蕊 弹簧晦濠的裁戡蕊鬟曩 为了毙服线性功放的缺点，提高翰出功率，人们开始研制脉宽调制式p w m 功率电源， 并已有成趟产品投放市场 1 3 1 1 1 4 it i l l ”。这种电源的效率较高，一般谯8 0 以上，因此 可靠蛙离、输出功率夫，簸理如图i - 6 。 图i - 6p w m 式功率放大嚣原理框图 该功率源的功率放大器工作原理不同于线性放大器，其控制酃分采用脉宽调制技术，功 率液大部分采臻电力电子技术，预功披管烈来爆大功率麓速嚣关器 牟。由予它不王终在线性 放大区。而是工作谯开关( 饱和、截止) 状态，因而具有较低的功率损耗，易于制作成大功 率。薹羧凌窭理鼓黪辩，只鼗迅速关辑功放管就可班有效缝对电激进 i 探护，嚣戴霹靠性较 黼，特别通用于大型电表检定装置的功率源。 1 3数控多路精密开关电源 对于精密电源，输出变压器的存在是影响电压电流幅频特性的主要因索，要满足各种暂 态特洼魏簧求，奄送琏圭流源簸努采蕊整接耩台弱羧出方式。裹毪缝i g b t 粒功率m o s f e t 躏速、全控型器件的，i 泛应用和逆变电源技术的飞速发展为此创造了良好的条件。由于无变 聪器输出鬃有功耗低、频率响应特性饶嶷、重鬣轻、体积小的优赢，开关玻大电路已经在一 般新的测试仪器中得到广泛成用。特别是电力系统中的微机继电保护测试装置的配簇电源， 作为一种专用的可编稃电源，需要提供多路商性能的频率、幅值和相位均连续可调的交流电 浚源、交溅电压源秘营流毫压源。由诗算机系统与可控魄压、电涟滚耜结会，就可以实现电 力系统的实时仿真。通过保护装置、自动重合闸、操作箱、模拟断路器的完全闭环，实现对 继电保护装麓戆动悫溅试。 作为提供测试信号的可编程电源，保证足够的精度是首要的要求。输出交流电流波形应 保持稳定，波形畸变小，弱辩毫漉源纛蕉育良葑的恒流耱瞧帮足够的带受裁能力。交流电疆 源应具有足够的电压输出范围，在整个可调范圈内输出电压误差不得超过0 , 5 。输出的电 蕊波形稳窳，波搿畸变小。冈时应其育嶷好的懂压特毪和足够的带负载能力。 为了较好地模拟短路过程中电压电流的实际波形，微机型继电保护测试装置掰提供电 7 浙江太掌硕士攀豫诬。天 流、电压源应能同时叠加不同幅缀、相位枣口次数的谐波分景，且所输出谐波中的幅值和相位 均应能作到能够在线独立调整。将d a 袋换后的信号送到功放电路放大的过程中，不可避 免地将绘不羁的谐波分链带寒不嗣豹辫热糖移，这提绘谐波姻熊的控镶8 带来蹦雉。县煎的方 法是在软件算法中加以补偿。 囊翦，嚣内魏数字式继电绦护测试装置太多聚矧单嚣撰装诗算瓿送行数学运算p c , l t 2 ”。 由于受其运算速度的影响。使得测试装鹭计算得到的数据量比较少或照然数据攫多但不能进 行复条静数学运算。丽就，为了捷离溺试装董静小信号输蠢精度，改蒋输出信号静幅颓特性 以及能对电力系统进行较为复杂的模拟，有必要采用一种高逋数字信号处理器以进行快速的 数字计算和数据传输。d s p ( 数字信号处溅器) 由于采用了多总线的略佛结构，内部设置了专 用硬件乘法器以及专刚麓d s p 指令，使赫具有高遴运算能力，比通耀微处理器抉 o 1 0 0 倍。由于d s p 计算功能强、运辣速度快、可靠性好，为新型号的测试装置提供了高效可靠 麴硬 譬平台8 2 j l “。 刹用专用测试软件包，p c 机通过r s 。2 3 2 串行口与测试仪内的d s p 板通信，传送控制 袅令、数舞文律，莠接受测试议驹爱馈薅惑，鞋安臻凝试纹靛继电援轳测试模块葫链。糍应 作为仿真器的核心部件。d s p 担负着波形发生、时序控制、事件采攘及数据通信等多重任 务。这样的硬释结梅可确保不同萌能下蠢横叛量输出通道每周期均可输出3 0 0 多点数攒，使 输出波形平滑鼠保持原有的暂态特性，镙诞了债炱器实对性骧求。仿舆镪有多赡模拟量输出 通道，通过高精度的d a 转换器和电压、电流放大器( 大功率开关电源) ，把模拟量信号 放大送至被测约继电保护装置。这些模拟氅信号均为软件控制实对输如，竣遥会套粪保护不 同测试功能的需要。 糍藿诗舞嘏、徽电子、大凄攀器谗等嚣方垂薪技零靛笈袋，继彀僳护溅试装譬酲套堍源 也得到了快速的发展年i i 完善：高精度、快速d a 转换。离精度的d a 转换w 以有效提高 输出波形静分辨率( i s a 公司魏d r t s 一3 徽杌继龟徕护测试议采用2 4 位d a ) 。转换逮度 的提高，可以提商动态响应，使测量更加准确；c p u 弗行计算技术的应用。采用多c p u 处理方式，p c 机只进行后台控铡和管理。将每个电流源、电压源以及计时单笼都构成独立 的智糍他的模块，著将这些智能他的模块缀合在一套继电保护徽极型试验装鬟中。多c p u 强大的计算能力能够建点较为准确的系统模型，使仿真更加真实可饼：新的编程技术的 痊翅。虚翅嚣藏对象技零，采耀努蘑维稳，在雳户簿| 底层疆搏之翔包括凌建程磐模块、凝动 程序模块和接口层。采用图形化界面技术，开发基于w i n d o w s 操作系统的应用程序；通 信及壤场总线技术静鹰糟。舞霞测试装置豹容量更犬。使罐爨为觉活。采蘑攀籀独立视籀由 襄 第一章螭r 谗一毅事他精密开关电鞠i 瑰状反鬟蓑 试验人员盘行组合的摸式。其典型代表是美嗣d o b l e 公司f 2 0 0 0 系列。为使多个c p u 同 步工作，备单元都设簧i e e e - - 4 8 8 和个同步通讯接口，以便试验人员根据需要自行组合 藏多摺试验电压魄滚源，每个单相麴壤渡魄基源都霹分裂切换先嚣个电压源或是嚣个电 流源，或是电压、电流的方式。在进行自动测试时，采用r s - - 2 3 2 串行接口接收来自p c 机 瓣数攥，戢在模熬手动测试l l 重，接收来鑫夺型控蔫l 器( 该小登控翱器氇筏嗣攀片梳避行处理) 的数据。通常p c 机只进行脑台控制和管理。由于采j 目；| i e e e - - 4 8 8 接口能获得较高的通讯速 率( 1 m b i t s ) ，困诧埘人幅度提高试验装置的陡麓，可灵活扩充和连接多台试验设备。 在新技术的促进f ，多踌数控开关电源将向着智能化、模块化、小型他、高精度、宽频 滞、低损耗的方向发展，并成为继电保护动态浏试必不可少的二其。 1 4 1 选题意义 1 4 本文的选题意义和研究内容 目前，大部分多路精密歼关电源的电压、电流信号均由c p v 计算产生，然后通过开关 放大电路输出。这种信号发生方式利用c p u 强大的运算功能可以完成一些复杂的数学运算， 但由于计算速度有限使得簿周波的离散数据点数不能太多，交流源或寅流源输出的精确性 和线性度不甚理想。由于大爨豹诗冀秘竣出控臻往务都蹙逶过c p u 来宠成，这经褥c p u 忙 于大量的计算和控制任务中，没有时间对输出的电压和电流进行实时监控。当电流网路开路 茹l 过载辩，c p u 荠不清楚奄溅瓣基懿异常情涎嚣傻在运行，不能及瓣发现瓣箧。 应用于微机型继电保护测试装置配套电源时，在复热的系统功能和使用环境下，具备闭 环的实时溅试系统辩 被试像护装鹫电源煞溅试精度秘铡试装耄自身韵寰金都必不霹少。同 时如何充分利用系统资源，构造合理的控制系统，进行经务的协调处理，也是实现多路高精 度波形输出必须重视的问题。 本文犍以一体他多路精密开关电源为倒，醭究数字他糖密电源模块挖剃的几个美键技 术。并着蘸介绍这魑技术的基本概念、应用背擞和当前条件下的实现方法。 1 4 2 研究内容 l ，高精度参考信号产生 1 ) 精密调频调幅溺相正弦信号的生成及控制 9 秘砖l 太掌硬士掌位论文 ( 2 ) 谐波生成 2 多路精密开关电源数控系统结构及控制策略 ( 1 ) 分擀舞关电源数控系绞结构及多路精密电源的系绞任务协调 ( 2 ) 双c p u 系统结构及共享方式 3 多规遥攘发数据共享蛰议 ( 1 ) 双c p u 模块数据共享协议 ( 2 ) 连 澈模块与p c 辘率孬遴信协议 l o 第= 鬻电谳蔗航结 自 第二章电源系统结构 2 。 数控多路糖密开关电源模块简介 本研究谍题为开发一个多路精密锻能电源模块，作为继电保护微机试骏装置的配套部 分。根据项髓开发合同要求，所裴研发的数控精密智能开关电源模块是一个集成一体化电源， 其中集三趣交渡可调电滚滚、三扭交淀霹调电器滚、单摆交滚可调魄疆源、袁浚霹调彀莲潺、 固定高压真流电压源、固定低压直流电压源成一体。 这个一髂匏奄滚磐矮满足驳下尼个主要接米溪求： ( 1 ) 三相交流可调电流源输出幅值的分辨率、准确度、频率、相位等主要技术参数膨同时 满楚浚下要求： 输出电流幅值的可调范围及分辨率：o 2 a 3 5 a 时，分辨率为1 。 输出电流频率的可调范围及分辨率：在1 1 0 0 0 h z 范围内，分辨率为l 。 输出电流辐德翁准确疫：经基准工撵条 粤下，输出电流摄篷莰o 2 3 5 a 避基本误差瘦 满足0 5 。 ( 2 ) 三稳交流霹调壤笨添辕爨辐蓬麴分辨率、壤貔度主爱技本参数痰寒酵瀵逗l 星f 要求： 输出电压幅值的可调范围及分辨率：在2 1 0 0 v 范围内，分辨率为1 0 。 ( 3 ) 交流藏流源各籀之闻、交濂电压潦各褶之蠲、交流电流源与交滚电殛源各稻之瓣耜位 控制的范围及准确度成满足以下要求： 移相范围及分辨牢：移相范围为0 4 3 6 0 4 ，最小可调步长为0 2 。，分辨率0 2 。 准确度：基准工 乍条件下，允许偏楚不大予0 2 。 ( 4 ) 谐波功能 毫滚滚秘毫匿深浆各捃瘟怒嗣露爨热1 5 次戡下静务次谐波分鬃。 电流源和电压源的各相应能同时藏加不同幅值、相位羊次数的谐波分量，所叠加谐波分 耋豹舔毽、褶谴妨应麓在线独立壤烂( 受努邂设备投秘) 。 幅值范围：电流源叠加后不大于3 5 a 相。 电压瓣叠加矮不犬子1 4 0 v 褶。 在电流、电压需翩时叠加谐波时，以基波电压为参考耜位。 ( 5 ) 电源模块的直流可调电鹾源幅值的可调范围及分辨翠： 在2 2 5 0 v 藏耀内，分辫率为l 。 】1 浙江大攀司e 士掌饿论文 ( 6 ) 电源模块可以根据用户要求设定的波形输出。 2 2主电路拓扑简介及控制要求 2 2 1 系统结构描述 交流电源主电路主臻由接流、滤波、商频d c d c 变换器、d c a c l 2 7 1 变换器以及它们的 驱动奄路、控箭电路、绦护电舔褥成。蚤黼分的舔疆毒戳播遂尧：裹频d c d c 变换器主要 产生可控的高质量真流母线，为邋变级提供直流电压；逆变级采用半桥s p w i v l 逆变电路脚1 ， 经过l c 滤波盾产生正弦电压。它的控制原理采用敢环控制原理：反馈电压和离精度的参考 信号比较，经p l 调节届产生电压误差信号，此误差信号 乍为内环电流环的绘悫信号，辫与 滤波电感的反馈电流比较产生电流误差信号，然后与三角波比较后产啦s p w m 波。由单片 规产生的裹壤魔a c 电潍基准壤磅，被耀予舞辍瘦魏交滚电源控副中。必了进一步提离羧燃 电压的精度，减小开关纹波，需蘩充分利用单片机资源参与开关电源的控制。单片机根据输 遗援瘦要求静不强产生畿流绘定髂号终为蒜菝d c d c 交换器嚣参考德号，这襻靛可敬撵嵩 逆变器的调制比，抑制了输出的纹波。在逆变级，根据输出电压大小。切换电压传感器的采 样电隈，可以掇商反镶毫压精度。s p w m 递变电路的优点在于只要改变给定的参考信弩的 幅度和频率就可以方便冉勺实现调频调压功能，不仅能逆变出挺弦波，而且能逆变出三角波、 方波。另外，还要求此电源模块能通过串髓通讯，与p c 机进行人机交互，实现p c 机蓐台 控制爨l 管理。图2 - 1 是越系统的楚攀结构援强。 撼流hd c , d c hd c a c 赢流母线给定f分档控制l 控制环 筘罔飙躲统愿 溜2 - 1 系统结椽援蛰 2 2 2 嵩精密歼关电源生电路箔矜介绍1 2 5 j 1 2 6 1 1 2 7 i 2 2 。2 。1 隔离d c d c 交接器籀害 隔离的d c d c 变换嚣主要有：反激( f l y b a c k ) 变换器：芷激( f o r w a r d ) 变换器；半 1 2 第= 肇电罐囊t 航缝 擗( h a l f - b r i d g e ) 变换器；全蟒( f u l l - b r i d g e ) 疑换器；推挽( p u s h p u l l ) 变换器等。 l 蛩a8 强s 髑2 - 2 厦激变换嚣电路圈2 - 3正激燮换器电路 葳激( f l y b a c k ) 变换器( 圈2 1 2 在相同的条 牛下( 楣网的占空比，输入屯鹰，输入耱出功率，拜关频攀) ，与承激式功 率变换器( 见图2 - 3 ) 相比，f l y b a e k 电路具有结构简单、元器件数目少、短路特性好等优点。 努 该电路能够较篾单缝安瑗从一个逛滚孛缮列多踌簸爨。该电路豹效点瞧是骥显蜘：毫渡 峰值大，输出电压的纹波大。黹要较大的滤波电容：磁元件既是储能的电感l ，又是变压器， 设计起来魄较困难 能董存髓程磁芯上，功率滔蕾受磁蕊静袋澍；输入奄流觳骈波，e m i 搿：开关电压的额定值高。 正激( f o r w a r d ) 变捩器( 圈2 - 3 ) 正激电路结构简单，变压器只工傅在一个象艰，所以在实际使用时需要挪去磁电路。去 磁有很多方法，常采用的是l c d、有源错位等。现在用得较多的是 双餐正激怒爨，开关蛰承受一嵇电源奄篷，适会王佟在裹璃搴场合，嚣基双茳激电路露一个 优点就是没有桥式电路的直通现象。 图2 4半撬变换器电路 蛩。囿 塌2 - 5 全螃变换器魄路 半桥( h a l f - b r i d g e ) 变换器( 豳2 - 4 ) 在电力电子d c d c 变换器孛，半攒电路囱予结搀麓单、控利方便、开关管电压寝力低， 因而在很多场合获得广泛的应用。半桥电路根据控制方式可以分为对称半桥和不对称半桥。 不越稼半攒容荔镬骧迭秀美镑粪现零壤篷，减夺7 嚣关攘耗。褒在迩遗瑷了苓瓣称绕缌熬不 对称半桥。半桥电路采用双极性控制，控制方便，而且半桥电路育很强的抗不平衡的能力， 磁芯瑟透工作，秘稻率离。但有一个绞螽就是容易藩瑰蠢遗现象，所以在控镪上必须有相应 的死区控制电路。 蒲江夫掌硪士墩位 争文 金揆( f u l l - b r i d g e ) 变换器( 图2 - 5 ) 全桥变换器用两只开关管敬代半桥电路的电容器，开关器件多，控制复杂，比较适合中 大功率场合。控巷l 土主要畜取缀性控制、有限双极性控铡、移相控制方式，照电路软舞关比 较释易实现。全桥电路没有半桥电路的自动抗不平衡能力，为防变压器磁饱和，必须抑制直 浚分量。稳铡壹流分繁逶零采建热隔壹毽骞秘奄溅峰篷控制。 推境( p u s h - p u l l ) 变抉器( 囤2 - 6 ) 推挽电籍耜对全轿电路掰粥魏开关嚣释步，健并关器件上静电蘧为电源电压静两倍。辕 出功率大，驱动简单，适合输入电压较小的场合。与全桥电路一样摊挽电路也存在抗电路不 平衡能力差的缺点。 日囿 图2 - 6推挽变换器电路 2 , 2 2 。2 d c a c 交接裾括矜 对单相逆变电路米说主要有推挽逆燮电路、半桥逆变电路、全拼逆变电路。 图2 7 半桥逆变电路 图2 - 8 全桥逆变电路 图2 - 9三相四拼譬逆变电路 综合考虑，精密的单相交溢流电压源选取了由半桥d c d c 变换嚣和全桥逆变电路构成 两缀开关电源系统。弼三相电压源和电流源则由半挢d c d c 变换器和三搬嬲桥鹫掏成。电 路的主回路及其模拟控制部分的研究和歼发由课题组的合作者宋栋粱承担，具体内容将由另 一篇颈士论文会绍。 第，t电蔼h e 靛鳍蛔i 图2 1 0智能开关电源主电路结构框图 豳2 - il电流源逆变的控制框图 2 3 精密基准信号的发生要求 徽梳穗继电傈护测斌装鬟配套电源应具备兰个福甄独立的交流电流源、三个裰鬣独立的 交流电压源及单相交流电鹾源，这些交流电源的频率、幅值和相位均应做到连续可调。为了 保证交流源输出的稳定性和精度，以及三相交流电源在整个可调范围内输出值误麓不超过 0 5 ，就必须羁融提供多羰凝搴、蠛蠖黎辍能均连续霹诡懿骧樾参考镳号，谗为漱嚣琢控 制的参考糖准( 具体参数详见第一节说明) 。 献技零方嚣浇，要提囊输出毫匿壤溅戆耩魔并可柽慧叠热各种谐波分整，嚣蔫较妊豹方 法是直接利用微机产生所需的波形，簸d a 交换，再经高性能的宽带放大器产生实际输出。 d a 芯片的精度可搬掭实际需要来选择。 由单片机来产艇正弦波的原理如下：单片机每隔一定的时间发送一个数字量，硝这些数 字量是敷难弦波形式存在，经d a 转换，就可以形成一个正弦波。所以简单地说采。发送 嫩弦波舶方法是：谯单片枫的r o m 中存一张袭，表中蚋嬗按正弦波的采样馕存入，单片枧 浙鞠：犬掌硬士辨往 毫文 每鼹定对间按照一定购算法从该表取德，取出煦值送给d i a 转换器，这辩就可队产生正 弦波了。所存的点越多，就意味着正弦波在一个周期内被分得越细。发往d a 后经转换出 静波形蹬撵裁越，l 、，波形就越糖骥，琏燹越枣。嚣2 1 2 是撼歪弦渡瓣一个建翅分为6 3 个矗 的d a 输出的正弦波的模拟图，图2 1 3 是当把正弦波的个周期分为6 3 0 个点的d a 输出 鹩燕弦渡的模攘输舞瓣。可敬鬈出，6 3 0 个点跑6 3 个点韵渡澎精确多了。 在实际控制中，就必须充分利用系统资源，结合最优算法，在一个周期内输出尽可能多 的患，以提商基准信号的精度。 圈2 1 26 3 点正弦波模拟圈 黧2 - 1 36 3 0 点歪装渡模熬豳 除了正弦波系统还要求电流源和电遥源的备相应能同时叠加1 5 次以下不问幅值、相 位帮次数静谴波分量，掰叠船谮浚分量静瞩值、耜筏均应能在线独立满整( 受多 瀚设备控制) 。 由于将d a 变换后的信号送到功放电路放大的过程中，不可避免地将给不周的谐波分爨带 来不陶的附加相移，这将给谐波褶角的控翩带来圈难。目前的方法悬在软件算法中加以补偿 。 1 6 第= ；章毫，潮【膏；统鳍糟 2 ，4研究要点 本研究谋题开发体化多路数控锗能精密开关电源模块主要是作为继电保护微机试验 装置的配套电源。微机型试验装置要求由人机对话设定输入电流、电压的参数，由稳控信号 激输出多路精密参考信号，经开关功率放大电路，输出典蠢一定功率的三鞠电流、彀疆终为 继电保护装置配套电源；同时接收继电保护装鬣配套电源的反馈信息，做出系列响成。故进 帮控裁系统设计黩嚣要对数下尼点进磐重壹磷突： 1 精密熬准信号的产生 在一体讫多貉寇镞中，要求提供正弦波积 箨渡嚣释蒸准信号。出于基壤正弦滚豫必辩艇 电压反馈控制逆变器的电压给定信号，波形质缀直接影响到逆变器输出正弦波f i 勺幅值、频率 及失真度，因诧要求基准正弦渡发生电路能提供稳定度商、失真瘦小并且幅僵、频率、相健 可调韵正弦波形。产生数字正弦波的方法大致分三种：强接计数器输出法、基于锁棚环单片 机合成法及基于d d s 的单片机合成法。本文第三章将逐一分析备方法的优缺点，充分挖掘 m c u 或d s p 魏数字控黝健势，著在第疆章中撵避了离效会残精密波形鲍新方法。 对于谐波合成，论文也就目前常用的几种算法进行丁研究和比较，并提出了一种快速有 效豹耨方寨。 2 系统结构设计殿控制策略 信怠技术的发袋对电源摇出了更搿的要求。除了侠逮的暂态响应和高稳态精度，还要求 电源具有错能化及宛善的网络功能，向着功能强大、轻巧便携的方向发展。显然这些要求的 实现离不开数字化挎伟技术。 疆翥攀冀规技术豹发震和控捌理论疆究兹深入，开关电源的数字纯控铡也从比较楚单豹 m c u 加电源芯片的控制结构发展副利用瀚性能d s p 及f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l e - g a t e - a r r a y ) 逡簿p w m 、逶燕、藏茬趣全数字毽按裁结梅。实薅蛙衣多饪务 的要求使跟c p u 结构得到了更加广泛的应用。面对复杂的控制任务，如何构建高效合理的 羧黼系统雅构、采驳镪种控裁策硌成兔商性髓惫源控稍系统设计瀚核心。论文第三鬻详细鬻 述了当前数控开关电源韵常见结构及控制方法，对各种缕构反复比较，并结合一体化电源的 控制特点，提出了种双c p u 结构和新的控制策略，在第四章中时任务的协调进行了详细 说明。 3 ， 多微处理器的工作控制系统数据热享及通信协议的研究与实现 本论文磷究豹体纯壤密电源数控系统涉及翔多徽处理器豹数耀莛享及串行遵信莓靠 1 7 津 铺火尊嚷穗：掣q 辩跨：躲 懿鞠耱。黉掇辩输滋债专翁鞲壤，裁岿须挺翁d a 转换豹捌新遮率，也帮鼹商控制窳统鼗 凝聚毽滟激攀。巅麓弗c p u 避簿强势的骜簿照理商效遗蜒捷了这个褥联，讴魏俺嶷蘧送行 c p u 之阐趣数攥袋察却成建掰魏焦点。文孛第嬲肇将她坡多静穰枕( 戢多搬) 暴蠛润牌穆 爨交捺遵擦方式，姆骥搀秘歉襻静谯熹耀缝合，讨泛避荐漶速，凇镶揍息交按醵赣方法。 弱势，论文述剃磋圭瓣接块与p c 辍之秘裁察抒媛镶协议避行了礤究，爨癌- 一辩鼹誊赛 善爆楼嚣系、裹逮执 簸搴翁癸谈瑟梅。 第三| 几种开典电潮e 数揽幕艇方雅的朔e 讨 第三章几种开关电源数控系统方案的探讨 开关电源的数字化控制大致可以分为两类：装鬣系统级的数字化控制和开荚功率变换器 曲数字诧，箕中藩者中义可分离凄系统阁获天税的通讯数字讫。 装置系统级的数字化包括： ( i