前言
程控三相交流功率源的應用十分廣泛，它被大量應用于冶金、通信、化工、電力及軍工等諸多行業(yè)。用于交流調壓、調功、調光及電機軟啟動等工業(yè)自動化控制領域，還可以用于計量以及產(chǎn)品的性能試驗等方面。用于計量和產(chǎn)品試驗等領域的功率源對于其輸出波形要求較高，要求功率源輸出完整的正弦波信號，對于正弦波的失真度有一定的限制。目前此類交流功率源的實際輸出功率都很小，它們一般只強調單項指標，即電流或電壓輸出。而用于電能表計量時，其功率源輸出的不是真實的功率，而是利用產(chǎn)生“虛功率”的方法來實現(xiàn)電能的計量。在某些產(chǎn)品的性能試驗或計量過程中需要產(chǎn)生實際的交流功率，且要求其任意相的電流、電壓、相位都能夠獨立調節(jié)。目前的交流功率源都無法滿足要求，本文介紹的三相功率源就是為解決這個問題而設計的，它能輸出低失真度的正弦波信號，最大輸出功率200W，能實現(xiàn)任意相電壓、電流、相位的獨立調整，能夠產(chǎn)生既不平衡又不對稱的功率信號。
硬件設計 整機原理
為滿足程控功率源的功能要求，本設計采用的是多CPU結構，由一個單片機作為控制單元，控制三個相互獨立的相信號發(fā)生器，產(chǎn)生三個互差120°的正弦電壓信號。每一相信號發(fā)生器都以一個單片機為核心，產(chǎn)生一個幅值和相位都可以調整的正弦電壓信號，該電壓信號經(jīng)功率放大器放大后輸出。控制單元負責管理鍵盤、液晶顯示及串口通信，控制相信號發(fā)生器按要求產(chǎn)生出三相交流電壓信號。控制單元通過I2C串行總線與各相信號發(fā)生器連接，并發(fā)送各種控制命令與數(shù)據(jù)。圖1為整機原理框圖。
圖1 整機框圖相信號發(fā)生器
相信號發(fā)生器的原理如圖2所示。單片機選用Cygnal公司推出的C8051F016，該單片機是一種更適用于嵌入式系統(tǒng)低端機的、性能優(yōu)良的系統(tǒng)芯片。該系列單片機采用CIP-51內核，指令系統(tǒng)與MCS-51完全兼容。它采用流水線結構，淡化了機器周期的概念，指令以時鐘周期為運行單位，因此大大地提高了指令運行的速度，最大速度可達25MIPS。
圖2 相信號發(fā)生器
C8051F016內集成了高性能的、可變增益的、多通道的10位A/D轉換器，這是一個功能強大的ADC子系統(tǒng)，它包括一個9通道的模擬多路開關、一個可編程增益放大器和一個100ksps的12位分辨率的逐次逼近型A/D轉換器，內置一個1.2V、15ppm/℃的電壓基準。該子系統(tǒng)還集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器。
C8051F016還有兩個12位的電壓輸出方式的D/A轉換器、電壓比較器、多種串行通信接口、溫度傳感器、看門狗以及利于在系統(tǒng)編程的Flash存儲器和JTAG接口及其片內調試電路。
正弦信號的產(chǎn)生
相信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號的基本思想是，利用單片機按照正弦規(guī)律輸出數(shù)字信號，每次輸出的數(shù)字信號經(jīng)D/A轉換器轉換成正比于該數(shù)字信號的模擬信號，連續(xù)輸出后則產(chǎn)生一個模擬正弦波信號。一般情況，D/A轉換器輸出的模擬量UOUT=KUREF，就是說D/A轉換器輸出電壓的幅值取決于D/A轉換器的參考電壓UREF。因此，可利用對參考電壓的控制來改變信號發(fā)生器的輸出正弦電壓的有效值。
DAC0832是電流輸出的8位D/A轉換器，用它和兩級放大器構成信號發(fā)生器的D/A轉換電路，輸出雙極性的正弦波電壓信號。利用C8051F016單片機內部的12位DAC輸出一個可變的直流控制電壓，為DAC0832提供參考電壓UREF，單片機根據(jù)控制單元發(fā)出的輸出電壓設定值改變此控制 電壓，則信號發(fā)生器輸出的交流電壓有效值由此控制電壓決定。
交流參數(shù)測量
為保證輸出信號滿足設定要求，單片機還要實時測量本相信號發(fā)生器的輸出電壓和電流的有效值。
C8051F016內部有8路10位A/D轉換器，其最大轉換速率100KSPS，本裝置采用交流采樣原理完成交流參數(shù)的測量，可充分利用單片機的資源。
對于該信號發(fā)生器輸出的電流和電壓進行交流采樣，將它們的信號進行相應的處理后分別加到模擬通道0和模擬通道1，單片機對它們進行交流采樣，每周期內采樣點數(shù)均為500點，然后對這些采樣值進行計算，分別計算出電流和電壓的有效值。
除了測量交流電流和交流電壓，還要測量本信號發(fā)生器輸出電壓與相鄰信號發(fā)生器輸出電壓的相位差，以保證三相電壓的對稱性。方法是利用單片機內部的比較器對相鄰兩輸出電壓進行相位比較，測量出它們的相位差。測量時將兩相的輸出電壓取樣、整形，然后分別加到兩比較器的正端，由單片機進行判斷，計算出相位差。
功率放大器
功率放大器是對前端的D/A轉換電路輸出的交流電壓信號進行功率放大，以滿足功率源輸出功率的要求。功率放大器選用BB公司生產(chǎn)的單片大功率集成運算放大器OPA541，該放大器芯片的最大工作電源電壓為±40V，最大輸出電流10A。除了具有良好的功率輸出特性外，還具有使用方便、電路調試簡單等優(yōu)點。功率放大電路如圖3所示。
圖3 功放原理圖
使用該芯片進行電路設計時應注意： (1)輸出保護。當負載為感性時，由于電流的滯后會引起電壓的反沖尖峰，該尖峰電壓出現(xiàn)在功放管的輸出端，極易擊穿其輸出級。為保證功放管安全，應在其輸出端與電源之間并接高速快恢復二極管，其反向恢復時間小于100ns。 (2) 電流限制。為保證功放管工作在安全工作區(qū)內，應采用限流電阻進行限流，以防止電流過大，當電流超過設定的最大電流時，功放管就會自動保護，避免管子損壞。具體接法見圖3。限流電阻的選擇參照下式： R=0.809/|IMAX|-0.057 式中IMAX為最大輸出電流。 (3) 消除耦合，抑制干擾。主要方法有：外殼接地，對功放管進行屏蔽，防止外部干擾。輸入與輸出回路隔離，消除由于耦合電容引起的正反饋。
控制單元
控制單元是本裝置的核心，負責人機對話，接受鍵盤信息和串口的程控命令，向各相信號發(fā)生器發(fā)出控制命令，包括電壓幅值和相位值的設定值等。
圖4 控制單元原理圖
控制單元電路如圖4所示。CPU采用PHILIPS公司的P89C660單片機，它片內帶有16Kflash存儲器，既可并行編程又可以串行編程。它采用先進的CMOS工藝的80C51內核，指令集與80C51相同，但指令周期為6個時鐘周期，是傳統(tǒng)80C51的一半。內部硬件結構比傳統(tǒng)的80C51增加了I2C串行接口、可編程計數(shù)器陣列、可編程時鐘輸出及Boot ROM等，使芯片功能更強大。顯示器選用清華蓬遠的點陣式液晶圖形顯示模塊M-12864。該模塊內藏點陣圖形顯示控制器，提供了行、列驅動器及顯示緩沖區(qū)RAM的接口，與單片機的接口十分方便，可顯示中文、西文及圖形等。8279是通用可編程鍵盤、顯示器接口芯片，它能管理64鍵的鍵盤，自動掃描、消抖、識別按鍵、給出鍵碼，且易于接口。
軟件設計
在軟件設計 時，分為控制單元和信號發(fā)生器兩部分進行。其程序設計基本方法相同，都是先實現(xiàn)一個簡練的主程序，然后在此基礎上，把所有要完成的功能編制成相應的任務模塊。根據(jù)模塊各自的特點，或者由系統(tǒng)統(tǒng)一調度，或者在響應中斷后執(zhí)行，最后完成整個軟件系統(tǒng)的功能。
信號發(fā)生器主要軟件模塊有： (1)系統(tǒng)自整定模塊：其功能是完成系統(tǒng)的自動整定，包括整機硬件設備的自檢、自診斷等。 (2)正弦信號發(fā)生模塊：將按照正弦規(guī)律變化的數(shù)據(jù)存放在存儲器當中，CPU根據(jù)輸出電壓的頻率的設定值計算出正弦信號的周期，再計算輸出數(shù)據(jù)的間隔步長，按此步長周期性地輸出正弦數(shù)據(jù)。根據(jù)設定的輸出電壓的幅值，計算D/A轉換器的參考電壓UREF值，由單片機內部的D/A轉換器輸出。 (3)數(shù)據(jù)采集及處理模塊：主要功能是按照交流采樣法完成交流電流和交流電壓信號的采樣并計算出其相應的真有效值。測量相鄰兩相電壓之間的相位差。 (4)計算和調整模塊：根據(jù)控制單元設定的電壓及相鄰電壓相位差，計算、分析、確定調整方向和它的步長值，使輸出達到設定值。
控制單元主要軟件模塊有： (1)鍵盤處理模塊和液晶顯示模塊：鍵盤處理模塊完成按鍵的識別功能，并在確認有效按鍵后調用相應按鍵功能函數(shù)進行處理。顯示模塊則負責管理各級菜單，顯示參數(shù)的設定情況、執(zhí)行情況、以及儀器自檢等內容。 (2) RS485通信模塊：完成異步串行口RS485接口管理功能，負責接收來自遠程控制命令。 (3) I2C通信模塊： 完成裝置內部控制命令及數(shù)據(jù)傳送的管理。負責發(fā)送功率源輸出的參數(shù)及控制命令，接收信號發(fā)生器送回的狀態(tài)信號。
主要技術指標 該三相交流功率源的主要技術指標如下： ● 輸出相電壓范圍 0～220V ● 輸出相電流范圍 0~7A ● 輸出頻率范圍 40～60Hz ● 每相最大輸出功率 200W ● 電壓、電流調節(jié)步長 0.5％ ● 輸出電壓、電流精度≤0.5％ ● 輸出頻率精度 ≤0.1Hz ● 輸出正弦波波形失真度≤0.8％
結語
程控三相交流功率源在結構上采用了基于I2C串行總線的多CPU結構，使得本裝置對輸出的控制能力具有較大的靈活性。在單片機的選型上充分利用內部資源豐富、性能強大的單片機，大大地簡化了裝置的硬件設計。選擇單片大功率集成運算放大器作為裝置的功率放大，可以簡化功放電路的設計與調試，并使它的性能指標得到提高。總之，程控三相交流功率源具有各相分別程控調幅、調相、正弦波功率輸出等強大的功能，又有操作方便、工作可靠等特點。它將給一些產(chǎn)品試驗以及計量領域提供極其方便的試驗設備和條件，并解決了某些難以解決的問題。