本文介紹應(yīng)用于儀器和設(shè)備測試的高精度寬頻率功率信號源的設(shè)計,。傳統(tǒng)的功率信號源一般采用線性電源或模擬控制的功率開關(guān)變換電源。隨著高性能DSP控制器的出現(xiàn),，使采用數(shù)字化控制的功率開關(guān)變換電源作為功率信號源成為可能，這有利于提高系統(tǒng)的集成化水平和控制功能。本文介紹的功率信號源采用工作頻率為150MHz的DSP TMS320F2812控制,。并且采用DC/DC和DC/AC兩級聯(lián)合調(diào)節(jié)實現(xiàn)。 

　　1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

　　本文介紹的功率信號源可提供輸出電壓從2～100V可變,，頻牢從20～l000Hz可變,，并且可以在50Hz基頻的情況下疊加基波幅值0～30％的直流分量與2～9次的各次諧波分量。輸出電壓幅值最小可調(diào)步長和分辨率為O．1V,，輸出電壓頻率最小可調(diào)步長和分辨率在20～100Hz時為O．1 Hz,，在100～l 000Hz時，為1Hz,。在額定工作條件下,，在2～100V范圍內(nèi)，應(yīng)能連續(xù)輸出0．5A的電流,，即最大輸出50VA的功率,。

　　為了滿足系統(tǒng)的高精度及輸出電壓和頻率均可變的要求，系統(tǒng)框圖如圖l所示,，整個系統(tǒng)由AC／DC,、DC／DC和DC／AC三部分組成。由于對輸出功率的要求比較小，所以采用了反激式直流變換電路,。DC/AC級采用全橋逆變電路,。整個系統(tǒng)的控制是基于TT公司的DSP TMS320F2812。DC／DC環(huán)節(jié)采用INFINEON公司的ICES2AS01控制,，其給定信號Vnf由DSP根據(jù)控制要求產(chǎn)生,，從而獲得可調(diào)的直流電壓Vdc。CC/AC環(huán)節(jié)由DSP直接進行PWM控制,，從而產(chǎn)生所需的功率信號波形,。

　　DSP TMS320F2812的幾個特點：

　　(1)速度方面 TMS320F2812最高工作頻率為150MHz(30MHz的品振經(jīng)過倍頻而得到)；

　　(2)AD精度 TMS320F2812的AD采樣精度可以達到12位：

　　(3)運算方面 TMS320C2812是32位的定點DSP,，可以方便地運行32位與32位的乘法,，能滿足高精度與快速計算的要求。 

　　2 控制方案及參數(shù)設(shè)計

　　2．1 逆變器建模與控制方案設(shè)計

　　單相全橋逆變器及其雙環(huán)控制的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所不,，Vdc為輸入直流電壓,，S1～S4是功率MOSFET管．L為輸出濾波電感，C為輸出濾波電容,。其控制環(huán)節(jié)采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)PID控制,。采用輸出電壓與給定電壓進行比較得到誤差電壓，誤差電壓經(jīng)過PI環(huán)后成為電流環(huán)的給定,，與電流采樣值再進行比較．再經(jīng)過P環(huán)節(jié),，蛀后由DSP的PWM環(huán)節(jié)產(chǎn)生控制信號。由于電感電流等于電容電流和負載電流之和,，其中電容電流為輸出電壓的微分,，對電感電流進行控制相當于使系統(tǒng)能超前對輸出電壓進行控制，因此能得到更好的動態(tài)性能,。另外電感電流包含了負載電流,，所以又可以對負載起到限流作用。 

　　逆變器輸出電壓的采樣為差分采樣模式,，電感電流采樣采用電流霍爾器件,。電壓采樣系數(shù)為0.0109，則采樣精度為小于0.lV,，(其中,，3V是DSP采樣的最大電壓值)滿足系統(tǒng)要求。

　　根據(jù)逆變器的結(jié)構(gòu)框圖可以得到逆變器系統(tǒng)的控制框圖,，如圖3所示,。其中，是電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)的傳遞函數(shù),；K1為電流環(huán)P調(diào)節(jié)參數(shù),；Km為PWM環(huán)節(jié)的有效增益,；K1為內(nèi)環(huán)電流環(huán)的增益；K2為電壓外環(huán)的增益,；HSH(S)為零階保持環(huán)節(jié),，為由于開關(guān)頻率fs較高，即Ts較小,，所以近似為

　　2.1.1 電流內(nèi)環(huán)的參數(shù)設(shè)計

　　為了達到較高的精度,，在程序設(shè)計時將采樣值做Q18的變化，(在DSP里只能進行定點數(shù)的計算,，Q18是把浮點數(shù)轉(zhuǎn)換為定點數(shù)的一個過程)即在原來的基礎(chǔ)上乘以218,，在設(shè)計參數(shù)的時候應(yīng)該考慮該系數(shù)。內(nèi)環(huán)電流環(huán)的增益為K1=(1／6)×218=43691,，交越頻率取1／5的開關(guān)頻率,，取開關(guān)頻率為100kHz，Vdc取200V計算,，則

　　2．1．2 電壓外環(huán)的參數(shù)設(shè)計

　　同樣的,，外環(huán)電壓環(huán)的增益為K2=O．0109×218=2857；

　　取Kvp=O.1,，Kvi=3140，即取PI環(huán)節(jié)補償頻率為5kHz,。取開關(guān)頻率為100kHz,。其離散波特圖如圖4所示。從圖4中可得,，系統(tǒng)相位裕量為60°,，滿足穩(wěn)定性要求。 

　　2.2 DC／DC級控制給定設(shè)計

　　本文采用DC／DC和DC／AC兩級聯(lián)合凋節(jié),，以達到功率信號源的高精度要求,。DC／AC級采用雙極性的逆變器凋壓方式，幅度調(diào)制比為m=Usm/Ucm

　　式中：Usm為正弦調(diào)制波的幅值,；

　　Ucm為三角載波的幅值,。

　　在雙極極性SPWM調(diào)壓方法中，逆變橋的直流母線電壓的利用率為 

　　在深度調(diào)制,，即m值較小的情況下,，uc和u8的交點貼近橫軸，輸出電壓每個載波周期的寬度近于相等,，即接近于方波,，其輸出諧波的幅值較高，會影響輸出電壓的精度,，所以,，m值越高越好。同時，為避免由于PWM控制脈波過窄和死區(qū)等因素使PWM脈波丟失,，m值不宜取的太高,。一般情況m取O．9。

　　當m一定時,，根據(jù)該式和所要求的功率信號輸出電壓值可計算出DC/AC級的輸入電壓值,，并由此給出DC／DC級輸出電壓的給定值。由于在基頻50Hz的情況下,，有時需要疊加0～30％的直流分量或者與2～9次的各次諧波,，所以輸出電壓幅值作為參考。在不需要疊加的時候,，當輸出電壓Vo已給定,，則輸出電壓幅值Vom也相應(yīng)給定，輸入電壓由公式

　　確定,，取m=0.9,，則

　　在疊加直流分量與諧波的時候，當輸出基頻的電壓幅值與所疊加的直流分量或諧波的次數(shù)與幅值都給定后,，則得到一個輸出電壓的幅值Vom,，考慮功率MOSFET的通態(tài)壓降等因索，輸入電壓給予一定的裕量,，對上述公式進行一定的修正：

　　考慮輸出電壓的穩(wěn)定性,，設(shè)置了一個Vdc的最小值，即當Vom>8V(這里的Vom包括不疊加的與疊加后的)時,，Vdc=Vom／0.8,，而當Vom

　　在DSP里，逆變器輸出電壓的給定值是以一個單位正弦表(Q15)乘以一個給定值(Q10)的形式給出的,，最終與逆變器輸出電壓的采樣值比較的數(shù)是一個Q25的數(shù)(即單位正弦表里的數(shù)乘以系數(shù)225)．所以輸出電壓最小可調(diào)步長為 

　　滿足系統(tǒng)要求,。

　　當輸出頻率改變時則調(diào)用變頻子程序。由于輸出電壓頻率從20"1000Hz可變,，為了達到一定的精度要求,，希望開關(guān)管的開關(guān)頻率盡量高，在這里,，采取分段的方式來進行設(shè)置,，如圖6所示。 

　　采取分段方式設(shè)置開關(guān)頻率的目的是為了在整個頻率范圍內(nèi)都有一個較高的開關(guān)頻率,，以提高精度并易于輸出濾波,。表l中給出了不同頻率范圍段的相位精度及最小可調(diào)步長。在20～100Hz情況下,，最小可調(diào)步長小于O．1 Hz滿足系統(tǒng)要求,，在100Hz以上最小可調(diào)步長小于1 Hz也滿足系統(tǒng)要求,。這樣，保證了在輸出電壓頻率范圍變化較大的情況下,，開關(guān)頻率的變化范圍大概從60"126kHz,，取L=1mH，C=0．47μF,，截止頻率約為73kHz,，對上述開關(guān)頻率的范圍都可以達到較好的濾波效果。 

　　3 實驗結(jié)果

　　實驗結(jié)果如圖7"圖12所示,。 

　　4 結(jié)語

　　本文提出了變頻調(diào)壓功率信號源的設(shè)計方案．通過TMS320F2812對DC／DC和DC／AC兩級聯(lián)合調(diào)節(jié),，實現(xiàn)了高精度的寬范圍變頻調(diào)壓交流電源。