1 問題的提出與現(xiàn)狀分析

　　教科書中介紹穩(wěn)壓電源" title="穩(wěn)壓電源">穩(wěn)壓電源時(shí),，幾乎毫無例外都介紹各種類型的直流穩(wěn)壓電源，交流" title="交流">交流電壓變換廣泛采用變壓器,，交流電壓的穩(wěn)定主要依賴于電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定,。需要交流調(diào)壓時(shí)常采用可控硅斬波,，利用導(dǎo)通角的變化實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓，這種調(diào)壓的缺點(diǎn)是輸出電壓波形嚴(yán)重畸變,，對(duì)電網(wǎng)存在較為嚴(yán)重的諧波污染,。可控硅調(diào)壓波形如圖1所示,。

圖1 可控硅調(diào)壓輸出波形

　　隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的普及與發(fā)展,，尤其是在物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)中，作為計(jì)算機(jī)的感官——傳感器廣泛應(yīng)用于各種參數(shù)的檢測中,，例如交流電橋檢測電路,，如電容式壓力傳感器,、電感式物位傳感器等等,，為了保證檢測精度，需要頻率和幅值都很穩(wěn)定的交流電源,。交流檢測電橋如圖2所示,。

圖2 交流檢測電橋

　　通常單相交流電源的頻率穩(wěn)定度較高，由于電源內(nèi)阻和導(dǎo)線阻抗的存在,，電網(wǎng)電壓幅值受負(fù)載電流的影響較大,，一般是負(fù)載電流越大，電網(wǎng)電壓衰減也越大,。因此設(shè)計(jì)交流穩(wěn)壓電源的主要任務(wù)就是適時(shí)地根據(jù)負(fù)載端電壓衰減狀況調(diào)節(jié)電壓幅值,，使輸出電壓相對(duì)穩(wěn)定。

　　采用模擬量調(diào)壓可以獲得較好的輸出電壓波形,，但是調(diào)壓設(shè)備自身損耗較大,，能量傳輸效率較低；采用高頻率開關(guān)量占空比調(diào)壓,，能量傳輸效率高,，由于開關(guān)頻率較高，雖存在高次諧波污染,，但定周期調(diào)占空比的調(diào)壓方式,，諧波較易濾除。如何兼顧二者的優(yōu)勢,，成為設(shè)計(jì)交流穩(wěn)壓電源的關(guān)鍵,。

　　2 數(shù)控交流調(diào)壓原理

　　2.1 交流穩(wěn)壓基本原理

　　首先在只考慮電阻性負(fù)載的情況下，應(yīng)用微型計(jì)算機(jī)的反饋控制技術(shù),，結(jié)合數(shù)控交流調(diào)壓電路,、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、脈寬調(diào)制,、開關(guān)晶體管脈沖驅(qū)動(dòng)電路,、交流變極性輸出電路,、LC脈沖續(xù)流濾波電路、交流幅值檢測電路,、軟件定值與比較運(yùn)算,、PID數(shù)控增益驅(qū)動(dòng)等電路組成交流可調(diào)" title="可調(diào)">可調(diào)穩(wěn)壓電源，組成方框如圖3所示,。

圖3 數(shù)控交流穩(wěn)壓電源組成框圖

　　基本設(shè)計(jì)思想是在采樣的低電壓小電流端進(jìn)行微處理器" title="微處理器">微處理器的數(shù)控線性調(diào)壓,，將幅值調(diào)校后的正弦交流信號(hào)作高頻采樣、AD轉(zhuǎn)換送微處理器,，運(yùn)用微處理器的運(yùn)算功能,，求解與正弦交流對(duì)應(yīng)的PWM" title="PWM">PWM輸出信號(hào)，經(jīng)脈沖驅(qū)動(dòng)電路作大幅值脈沖輸出,，再經(jīng)續(xù)流濾波還原成波形平滑的大幅值正弦交流電,。為了構(gòu)成可調(diào)的負(fù)反饋控制，對(duì)輸出的正弦交流電壓作分壓,、采樣,、整流、平均值濾波,，此平均電壓值對(duì)應(yīng)正弦交流電壓有效值,，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后送微處理器與鍵入的給定值做比較，用設(shè)定的算法把比較后產(chǎn)生的偏差信號(hào)轉(zhuǎn)換成小信號(hào)交流調(diào)壓電路的數(shù)字調(diào)節(jié)量,，完成對(duì)輸出交流電壓的閉環(huán)負(fù)反饋控制,，實(shí)現(xiàn)在微處理器控制下的交流穩(wěn)壓輸出。

　　由于采用集成芯片和少量外圍元件,，整體電路結(jié)構(gòu)簡單,。交流電壓的輸出控制采用軟件定周期調(diào)占空比的PWM方式，經(jīng)脈沖驅(qū)動(dòng)電路和脈沖續(xù)流濾波,，使交流電源的輸出效率高,，由于對(duì)輸入交流的采樣頻率高，使電源輸出的電壓波形好,，當(dāng)電網(wǎng)電壓變化或負(fù)載變化時(shí),，交流穩(wěn)壓精度高（取決于數(shù)控位數(shù)）。輸出的正弦交流經(jīng)過簡單濾波后,，幾乎無波形畸變,，無明顯的諧波污染。

　　特別適用于對(duì)交流電壓穩(wěn)定度要求較高,，波形失真度小的檢測環(huán)境,。能量傳輸過程是：交－直－交方式。

　　2.2 雙極性DA轉(zhuǎn)換與數(shù)字調(diào)壓控制

　　DA轉(zhuǎn)換電路有一個(gè)優(yōu)良的特性,，簡稱為“瞬態(tài)轉(zhuǎn)換,，零階保持”,。巧妙地應(yīng)用此電路。

圖4 數(shù)控交流調(diào)壓電路

圖5交流權(quán)值0100調(diào)壓仿真一

圖6 交流權(quán)值1111調(diào)壓仿真二

　　將其移植到交流調(diào)壓電路中,，參看圖4數(shù)控交流調(diào)壓電路,。基準(zhǔn)電壓輸入端,，接來自電網(wǎng)的交流采樣電壓,，運(yùn)放反向輸入的權(quán)值電流受基準(zhǔn)電壓與數(shù)控開關(guān)兩方面控制，基準(zhǔn)電壓是正弦的則輸出電壓反向后也按正弦規(guī)律變化,。來自單片機(jī)的數(shù)字量改變數(shù)控開關(guān)狀態(tài),，則可改變輸出正弦交流電壓的幅值。其輸出電壓表達(dá)式為：uo=－Rf （ΣIi）,。參看圖5交流權(quán)值調(diào)壓仿真一,、圖6交流權(quán)值調(diào)壓仿真二。當(dāng)交流采樣電壓一定時(shí)調(diào)反饋電阻Rf使輸出電壓幅值在0~2.5V范圍內(nèi)受數(shù)字量控制,，若數(shù)字量是二進(jìn)制8位,，則可控量化級(jí)數(shù)是2的8次方為256，典型芯片有如DAC0832,，調(diào)壓步進(jìn)值近似為10mV，調(diào)壓過程幾乎是連續(xù)可調(diào),。

　　2.3 交流幅值采樣與AD轉(zhuǎn)換控制

　　相對(duì)于工頻50Hz而言,，逐位比較型ADC0809的轉(zhuǎn)換速度已經(jīng)足夠快了，可以省去采樣保持電路,。又由于ADC轉(zhuǎn)換工作于直流狀態(tài),，對(duì)來自DAC0832的雙極型交流信號(hào)需加直流偏置，芯片ADC0809的最高位則表示幅值的正負(fù),。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量傳輸給單片機(jī)作為PWM的數(shù)據(jù),。ADC0809與單片機(jī)的連接電路參看圖7。

圖7 ADC0809與單片機(jī)的連接電路

圖8 單片機(jī)PWM脈寬驅(qū)動(dòng)電路

圖9 單電源變極性交流輸出仿真電路

　　2.4 單片機(jī)PWM與輸出驅(qū)動(dòng)

　　單片機(jī)采用定周期調(diào)占空比的方式實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)制,。其輸出有兩種方式可供選擇,，一種輸出方式的脈沖寬度受來自ADC0809的直流偏置+交流幅值的數(shù)據(jù)控制，脈寬高,、低電平延時(shí)量按正弦脈動(dòng)直流規(guī)律變化,，這種方式的輸出電路和程序編寫都簡單，但輸出端需增加隔直流電容,，適用于輸出功率不大的應(yīng)用場合,，如圖8單片機(jī)PWM脈寬驅(qū)動(dòng)電路所示；另一種是以ADC0809輸出的最高數(shù)字位作為正負(fù)符號(hào)位（所加的直流偏置幅值）,，對(duì)負(fù)數(shù)求補(bǔ)后再?zèng)Q定輸出脈沖寬度,，這相當(dāng)于用軟件整流,，輸出的脈寬按全波整流波形的規(guī)律變化，為使輸出電壓按正弦交流變化,，輸出電路需增加極性變換電路,，不需要隔直流電容，單片機(jī)需增加變極性控制端子,，這種方式適用于輸出功率較大且不適用隔直流電容的應(yīng)用場合,。

　　請(qǐng)參看圖9單電源變極性交流輸出仿真電路。

　　3 單片機(jī)PWM的交流穩(wěn)壓原理

　　電源在實(shí)際使用中往往由于電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流的變化導(dǎo)致電壓波動(dòng),，嚴(yán)重影響電橋測量的精確度,。要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，必然要引入閉環(huán)的負(fù)反饋控制,。對(duì)交變的正弦信號(hào),，如何確定給定值和反饋值是實(shí)現(xiàn)交流穩(wěn)壓的關(guān)鍵。

　　3.1 交流給定值的確定

　　交流給定值的確定有很多方法,，如采用數(shù)表法確定每一采樣時(shí)刻的給定值,，此方法需要的存儲(chǔ)空間很大，而且要求精度越高,，所需存儲(chǔ)空間越大,，不太適合存儲(chǔ)空間有限的單片機(jī)。一種簡單有效的方法是采用默認(rèn)值加鍵入增減值作為給定值,，這是一個(gè)數(shù)字量,，對(duì)應(yīng)著正常交流輸入情況下的交流輸出有效值。

　　3.2 反饋值的檢測與量化

　　對(duì)實(shí)際輸出的交流電壓作全波整流和平均值檢測,，然后量化為數(shù)字量,，可采用的方法也很多，如模數(shù)轉(zhuǎn)換型或壓頻變換計(jì)數(shù)型均可,。此數(shù)字量對(duì)應(yīng)著實(shí)際輸出的交流有效值,。在調(diào)試過程中，調(diào)試程序中的相關(guān)參數(shù),，或調(diào)試電路參數(shù),，使正常情況下輸出的電壓有效值達(dá)到給定值時(shí)，反饋的數(shù)字量等于給定值數(shù)字量,。

　　3.3 偏差信號(hào)的PID調(diào)節(jié)

　　不論是電網(wǎng)電壓變化,，或是負(fù)載電流的變化，都反映在穩(wěn)壓電源輸出電壓的變化上,，應(yīng)用單片機(jī)對(duì)反饋值與給定值的差值作數(shù)字PID調(diào)節(jié),，輸出的數(shù)字量用以調(diào)節(jié)輸入端的數(shù)控增益放大器，只要滿足閉環(huán)反饋控制為負(fù)反饋性質(zhì),，就可實(shí)現(xiàn)無靜差的穩(wěn)壓控制,，使交流輸出電壓有效值穩(wěn)定在給定值上,。

　　如果只要求輸出電壓穩(wěn)定，允許有靜差存在,，可以只采用P比例度控制,，這樣可使控制算法大為簡化。有關(guān)P,、PI,、PD、PID控制性能對(duì)比如圖10PID階躍響應(yīng)曲線所示,。

圖10 PID階躍響應(yīng)曲線

　　由圖示階躍響應(yīng)曲線可知,，P和PD控制算法都存在靜差。

　　如果將電網(wǎng)電壓的變化作前饋檢測,，與微處理器的閉環(huán)負(fù)反饋控制結(jié)合構(gòu)成前饋－反饋控制,，則會(huì)在電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)提高控制的響應(yīng)速度，使電網(wǎng)電壓的波動(dòng)不影響穩(wěn)壓輸出,，取得更好的穩(wěn)壓效果,。

　　3.4 PID控制算法的特點(diǎn)

　　PID是經(jīng)典的工業(yè)過程控制算法，通常應(yīng)用于工作速度不很高的控制過程中,。根據(jù)不同的控制對(duì)象和控制要求,，可分別采用比例控制P，比例－積分控制PI,，比例－微分控制PD和比例－積分－微分控制PID,。其中比例控制的主要作用是對(duì)偏差的放大量，以提高控制靈敏度,，但輸出量是以偏差的存在為依存的，通常輸出存在靜差,；積分控制的主要作用就是消除靜差,，但會(huì)使響應(yīng)速度減小,；微分控制則可提高響應(yīng)速度,，也存在靜差。有階躍響應(yīng)曲線圖10還可以看出,，采用PID調(diào)節(jié)是響應(yīng)速度最快的無靜差控制,。

　　4 單片機(jī)PWM調(diào)制交流穩(wěn)壓電路計(jì)算機(jī)仿真

　　4.1控制電路計(jì)算機(jī)仿真的特點(diǎn)

　　目前流行的電子仿真軟件有好幾款，其中PROTEUS嵌入式系統(tǒng)仿真與開發(fā)平臺(tái)是一款可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路,、模擬電路,、微控制器系統(tǒng)仿真以及PCB設(shè)計(jì)等功能的EDA軟件。

　　從元件的選取到連線,，直至電路的調(diào)試,、分析和軟件的編譯,，都在計(jì)算機(jī)中完成，所有的工作先在虛擬環(huán)境下進(jìn)行,?？梢栽谠韴D設(shè)計(jì)階段對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行評(píng)估、驗(yàn)證,，看是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求和技術(shù)指標(biāo),，并可以通過改變?cè)?shù)使整個(gè)電路性能達(dá)到最優(yōu)化。這就避免了傳統(tǒng)電子電路設(shè)計(jì)中方案更換帶來的多次重復(fù)購買元器件及制板,，在節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間與經(jīng)費(fèi)的同時(shí),，提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

　　現(xiàn)代化教學(xué)越來越多地使用多媒體教學(xué)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室電腦教學(xué),，這為開展一定量的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了基礎(chǔ),。仿真實(shí)驗(yàn)中不需要擔(dān)心元器件的損壞，也不需要設(shè)立太多的條條框框,，學(xué)生可以放心大膽地從多方位對(duì)仿真電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn),，作更深層次的分析探討。

　　PROTEUS軟件提供了三十多個(gè)元器件庫,，有數(shù)千種元器件,，涉及電阻、電容,、電感,、二極管、晶體管,、MOS管,、變壓器、繼電器,、各種放大器,、各種激勵(lì)源、300多種微處理器,、各種門電路和各種終端等,。提供的儀表有：交直流電壓表、交直流電流表,、邏輯分析儀,、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、信號(hào)發(fā)生器,、多蹤示波器等,。作為交互式可視化仿真軟件，提供數(shù)碼管、液晶屏,、LED,、按鈕、鍵盤等外設(shè),，同時(shí)支持圖形化的分析功能,，具有直流工作點(diǎn)、瞬態(tài)特性,、交直流參數(shù)掃描,、頻率特性、傅里葉,、失真,、噪聲分析等多種分析功能，可將仿真曲線繪制到圖表中,?？梢姄碛辛朔抡孳浖缤瑩碛辛艘粋€(gè)龐大的實(shí)驗(yàn)室,。

　　4.2 交流穩(wěn)壓電路計(jì)算機(jī)仿真電路與輸出波形

　　圖11是電阻性負(fù)載的交流穩(wěn)壓電源仿真電路圖,，圖12給出了示波器檢測的波形圖，圖中黃色為單片機(jī)脈寬輸出波形,，藍(lán)色為晶體管脈沖驅(qū)動(dòng)波形,，紅色為脈沖續(xù)流濾波后輸出的正弦交流波形，綠色為提供參考的輸入交流波形,。由輸出波形可知除有一定延時(shí)外,，無任何波形畸變，無諧波污染,。仿真實(shí)驗(yàn)表明,，當(dāng)交流電源頻率提高到100Hz時(shí)，輸出波形平滑度仍相當(dāng)好,。圖12是有續(xù)流時(shí)的濾波輸出電壓波形,；圖13是切斷二極管續(xù)流支路后的脈沖驅(qū)動(dòng)波形和交流輸出電壓波形，可以看到明顯的輸出電壓波形畸變和諧波污染現(xiàn)象,。由此可知續(xù)流濾波對(duì)輸出電壓波形的重要性。

圖11 PWM調(diào)制交流穩(wěn)壓計(jì)算機(jī)仿真電路

圖12 PWM調(diào)制50HZ穩(wěn)壓電源輸出波形

　　圖13 無續(xù)流濾波的交流穩(wěn)壓仿真波形圖

　　圖14,、圖15是當(dāng)電網(wǎng)電壓有效值變化時(shí),，相對(duì)穩(wěn)定的交流輸出電壓波形。由輸出波形圖可知,，當(dāng)輸入交流電壓在±25％范圍變化時(shí),，輸出交流電壓有效值都能保持恒定，且輸出波形無畸變。

圖14 電網(wǎng)電壓升高時(shí)的交流穩(wěn)壓輸出

 圖15 電網(wǎng)電壓降低時(shí)的交流穩(wěn)壓輸出

　　由圖15,、圖16可知當(dāng)電網(wǎng)頻率變化時(shí),，輸出電壓的相移量發(fā)生變化，頻率越高相移越大,，當(dāng)采用RL負(fù)載時(shí)輸出的相移量增大,。如果需要在不同工作頻率下保持零相移，可以采用前饋控制方法,，在小信號(hào)調(diào)壓控制端采用微機(jī)控制的移相補(bǔ)償來消除滯后的相移量,。

圖16 電源頻率為25Hz時(shí)的交流穩(wěn)壓輸出

圖17電源頻率為100Hz時(shí)的交流穩(wěn)壓輸出

　　5 結(jié)束語

　　綜合上述對(duì)微機(jī)控制的PWM調(diào)制交流調(diào)壓實(shí)驗(yàn)仿真電路及輸出波形的分析可知，這是一款性能優(yōu)良,、結(jié)構(gòu)簡單,、值得推廣的交流可調(diào)穩(wěn)壓電源。作者僅以此新穎的設(shè)計(jì),，獻(xiàn)給正在蓬勃發(fā)展中的中國物聯(lián)網(wǎng),！祝愿祖國的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)取得更大成就！