三相變頻電源

三相正弦波變頻電源報(bào)告摘要：本系統(tǒng)基于面積等效原理和奈奎斯特定理，采用AC-DC變換的方法，實(shí)現(xiàn)了市電到直流電壓的轉(zhuǎn)換；采用SPWM逆變器實(shí)現(xiàn)本地DC-AC的轉(zhuǎn)換，采用DDS產(chǎn)生頻率可變的SPWM脈沖，實(shí)現(xiàn)了本地交流電源的變頻；采用MAX197采樣、反饋，實(shí)現(xiàn)了對(duì)本地交流電源有效值的控制以及缺相和過(guò)流保護(hù)。關(guān)鍵字：變頻電源；三相正弦波；逆變；正弦脈寬調(diào)制Abstract:三相正弦波變頻電源報(bào)告方案的選擇與論證題目要求及相關(guān)指標(biāo)分析本題目要求制作以三相正弦波變頻電源，輸出線電壓有效值36V，輸出頻率20-100HZ，各相電壓的有效值小于0.5V，輸出負(fù)載電流0.5A-3A時(shí)，輸出線電壓有效值保持在36V，誤差小于5%?；谏鲜鲆蟊驹O(shè)計(jì)采用AC-DC-AC變換的方法，采用SPWM控制逆變器實(shí)現(xiàn)變頻。由于逆變器的開(kāi)關(guān)以及感性、容性負(fù)載等對(duì)逆變器輸出交流信號(hào)的延遲較嚴(yán)重，為了及時(shí)穩(wěn)定變頻電源的幅度，本設(shè)計(jì)采用多片A/D同時(shí)采樣輸出交流信號(hào)。方案的比較與選擇1)正弦波脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)方案的選擇自然采樣法圖1自然采樣法按照SPWM控制的基本原理，在三角波和正弦波的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制功率開(kāi)關(guān)器件的通斷，這種生成SPWM波形的方法稱為自然采樣法，采用硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)的方框圖如圖1所示。圖1中三角波發(fā)生器負(fù)責(zé)產(chǎn)生符合要求的SPWM載波信號(hào)(三角波)，正弦波發(fā)生器產(chǎn)生用戶需要頻率的正弦波信號(hào)，電壓比較器在三角波和正弦波的自然交點(diǎn)的時(shí)刻實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，控制功率開(kāi)關(guān)器件的通斷。自然采樣法生成的SPWM波形很接近正弦波，若采用軟件實(shí)現(xiàn)自然采樣時(shí)需要解超越方程，需要花費(fèi)大量的時(shí)間，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制；若采用硬件實(shí)現(xiàn)，為了控制逆變器功率器件的死區(qū)，需要很復(fù)雜的硬件來(lái)延時(shí)。規(guī)則采樣法如圖2所示取三角波兩個(gè)正峰值之間的時(shí)間間隔為一個(gè)采樣周期T,在三角波的負(fù)峰值時(shí)刻七對(duì)正弦信號(hào)波采樣而得到D點(diǎn)，過(guò)D點(diǎn)作一水平直線和三角波分別交于A、B兩點(diǎn)，在A點(diǎn)時(shí)刻和B點(diǎn)時(shí)刻控制功率開(kāi)關(guān)器件的通斷?？梢?jiàn)A、B兩點(diǎn)間的時(shí)間間隔就是脈沖寬度，則規(guī)則采樣法得到的脈沖寬度為8==(1+asin①a為調(diào)制度，即為三角波和正弦波的峰值之比，且0<a<1。①表示正弦信號(hào)的角頻率。設(shè)載波比k=f,fc、fr分別表示載波（三角波）的頻率和調(diào)制波（正弦波）r的頻率，則一個(gè)調(diào)制波周期內(nèi)第/個(gè)脈沖的寬度為（ （2兀i\\ , 、8=a^0.5+0.5sin jj 0<i<k。 （1-1）由式（1-1）可以看出采用規(guī)則采樣法，為了計(jì)算方便，需要在ROM中先創(chuàng)建一個(gè)k點(diǎn)正弦波表，當(dāng)采用異步調(diào)制時(shí)需要根據(jù)改變后的載波比，重新向ROM中寫入正弦波表。這種SPWM生成方式比較適宜于采用同步調(diào)制。（3）DDS調(diào)制法圖3DDS調(diào)制法圖3中可控分頻單元根據(jù)用戶設(shè)定的三相交流電源的頻率值f設(shè)定分頻系數(shù)N，rN=J，n表示相位累加器的位數(shù)，相位累加器在頻率為f的時(shí)鐘下進(jìn)行相f N0位累加，并且將相位累加值選擇適當(dāng)?shù)奈粩?shù)加到正弦波表的地址總線上，每個(gè)載波時(shí)鐘的上升沿時(shí)，地址總線選中的單元的正弦波數(shù)據(jù)輸出到PWM脈沖發(fā)生器，PWM脈沖發(fā)生器根據(jù)正弦波數(shù)據(jù)產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制波，由于PWM脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖寬度調(diào)制波的脈沖寬度受到正弦波數(shù)據(jù)的調(diào)制，所以PWM脈沖發(fā)生器的輸出即為正弦信號(hào)調(diào)制波。題目要求三相交流電源的輸出頻率為20HZ-100HZ，選擇頻率遠(yuǎn)大于100HZ的基準(zhǔn)時(shí)鐘源f和調(diào)制時(shí)鐘頻率可以使SPWM的正弦相位分辨率達(dá)到很高的精0度。綜上方案的比較與分析，根據(jù)本課題的技術(shù)指標(biāo)的要求，本設(shè)計(jì)正弦波脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)方案選擇DDS調(diào)制法。2）SPWM調(diào)制方式的選擇（1）異步調(diào)制載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)頻率不保持同步的調(diào)制方式稱為異步調(diào)制。異步調(diào)制時(shí)保持載波時(shí)鐘頻率f不變，當(dāng)調(diào)制正弦波的頻率f發(fā)生變化時(shí)，載波比k跟隨變c r化，在調(diào)制波的一個(gè)周期內(nèi)PWM脈沖的個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定。正負(fù)半周期脈沖不對(duì)稱，半周期內(nèi)前后1周期的脈沖不對(duì)稱，造成信號(hào)的諧波分量較豐富，4給后級(jí)濾波電路造成困難。(2)同步調(diào)制載波比k恒定的調(diào)制方式稱為同步調(diào)制。同步調(diào)制時(shí)PWM脈沖在一個(gè)周期內(nèi)的個(gè)數(shù)是恒定的，脈沖的相位也是固定的，將調(diào)制比k設(shè)定為3的整數(shù)倍時(shí)，可以使輸出波形嚴(yán)格對(duì)稱，從而有效地降低信號(hào)的諧波分量。但是當(dāng)逆變電路的輸出頻率比較低時(shí)，同步調(diào)制載波的頻率f很低，f過(guò)低時(shí)由調(diào)制帶來(lái)的諧波不c c易濾出，當(dāng)逆變電路的輸出頻率很高時(shí)，同步調(diào)制載波頻率過(guò)高，使開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)損耗嚴(yán)重。本課題要求逆變器輸出頻率在20HZ-100HZ，輸出信號(hào)的頻率較低，本設(shè)計(jì)采用的逆變電路為集成芯片IM14400，IM14400的PWM輸入頻率范圍為5KHZ-0.3MHZ，可以選擇很高的載波比k。異步調(diào)制方式下，當(dāng)載波比k很大時(shí)，正負(fù)半周期脈沖不對(duì)稱和半周期內(nèi)前后1周期的脈沖不對(duì)稱造成的諧波分量都4很小，PWM脈沖接近正弦波。綜上方案的比較與分析，根據(jù)本課題的技術(shù)指標(biāo)要求，本設(shè)計(jì)的調(diào)制方式選擇異步調(diào)制方式，載波頻率固定為16.8KHZ，最小載波比k=168。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)框圖1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案將市電通過(guò)隔離變壓器輸入到本地交流變頻電源系統(tǒng)，隔離變壓器的輸出經(jīng)過(guò)由整流橋后，產(chǎn)生全波整流信號(hào)，全波整流信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波，生成與輸入交流電對(duì)應(yīng)的直流電，從而實(shí)現(xiàn)AC-DC的轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)的全波整流橋采用集成整流橋KBL406。三相逆變器在89S52和FPGA產(chǎn)生的三相SPWM脈沖的控制下產(chǎn)生三相交流電。逆變器的輸出交流電的頻率等于SPWM脈沖的基波頻率，通過(guò)控制FPGADDS模塊的可控分頻比N，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)制正弦波頻率的控制，SPWM脈沖的基波頻率等于調(diào)制波的頻率，系統(tǒng)采用這種方法實(shí)現(xiàn)變頻。逆變器輸出的三相交流電經(jīng)過(guò)緩沖吸收和LC濾波電路，生成本地三相正弦交流電。將錳銅片分別串的到三相交流電的一條相線中，通過(guò)采集錳銅片上的電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)該相交流電的電流的測(cè)量。由于錳銅片的電阻只有2mQ,I/V轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)很小，通過(guò)專用的小信號(hào)差分放大器AD620實(shí)現(xiàn)對(duì)電流取樣小電壓信號(hào)的放大。逆變器輸出的三相交流電的線電壓的有效值為36V，假設(shè)加到負(fù)載上的交流電為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，可以計(jì)算出三相交流電的相電壓的峰值為30V。通過(guò)在Y形負(fù)載的一個(gè)臂上并上分壓電阻網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)該相相電壓信號(hào)的衰減，通過(guò)射隨的緩沖，實(shí)現(xiàn)MAX197對(duì)該相相電壓信號(hào)的有效采樣。系統(tǒng)根據(jù)MAX197采樣組的采樣值計(jì)算各相交流電的電壓有效值、電流有效值，交流電的功率，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)交流電電壓有效值、電流有效值，交流電的功率的測(cè)量。系統(tǒng)根據(jù)得到的各相交流電的有效值，采用PD算法，控制SPWM脈沖的占空比，實(shí)現(xiàn)輸出線電壓的穩(wěn)定。各相電壓的取樣信號(hào)經(jīng)過(guò)放大限幅、過(guò)零檢測(cè)生成脈沖，系統(tǒng)采用等精度法實(shí)現(xiàn)變頻電源系統(tǒng)頻率的測(cè)量，系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)測(cè)得的頻率值和用戶設(shè)定頻率的差值，控制DDS生成正弦波的頻率，從而實(shí)現(xiàn)變頻電源頻率的穩(wěn)定。

市電2.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖三相電流取樣電壓放大網(wǎng)絡(luò)射隨網(wǎng)絡(luò) ―放大限幅 市電2.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖三相電流取樣電壓放大網(wǎng)絡(luò)射隨網(wǎng)絡(luò) ―放大限幅 <-相線電壓取樣圖4變頻電源系統(tǒng)框圖理論分析與計(jì)算1.SPWM逆變電源的諧波分析在調(diào)制度。一定，并且三相共用一個(gè)載波信號(hào)的情況下，對(duì)輸出線電壓進(jìn)行頻譜分析，可以發(fā)現(xiàn)輸出線電壓的諧波角頻率為：3=g土k? （3-1）式中，n為奇數(shù)時(shí)，k=3（2m-1）±1,m=1，2……；n為偶數(shù)時(shí)，k={6m+ik=6m+1m=0，1，2 ，k=6m-1m=1，2???。6m-1由式（3-1）可知輸出線電壓的頻譜沒(méi)有載波頻率①的整數(shù)倍次諧波分量諧波中幅值較高的諧波分量是①±2?和2?土①。從上述分析可知：SPWM波形中所含的諧波主要是角頻率為①、2?及其附近的諧波。由于本設(shè)計(jì)采用的是異步調(diào)制方式，最小載波比k=*=168,即①》①,，r所以PWM波形中所含的主要諧波分量的頻率比基波分量的頻率高很多，諧波分量很容易被濾出。三相交流電電壓、電流有效值和功率的計(jì)算對(duì)于負(fù)載端采用Y形連接組成的三相電路，每相交變電壓信號(hào)輸入端相對(duì)于Y形連接公共點(diǎn)的電壓稱為相電壓〃，該輸電線稱為火線，采樣三相四線制的交變p電路有三條火線，各相電壓信號(hào)間的相位差為120o，火線之間的電壓稱為線電壓",。假設(shè)輸電線上輸送的交變電壓信號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)，則U=成I pUp,U分別表示相電壓和線電壓的有效值。因此當(dāng)線電壓的有效值U〔=36V，各相相電壓的有效值Up=20.78V每相中的電流稱為相電流ip，火線中的電流成為線電流i,,在Y形連接中相電流等于線電流i="。每相負(fù)載的功率為P=UIcos中其中Ip,①分別表示相流的有效值、每相中電流和電壓的相位差，由于Y形負(fù)載要求負(fù)載嚴(yán)格對(duì)稱，因此每相中電流和電壓的相位差都是相等的。所以三相的總功率為P=3P=3UIcos中當(dāng)Y形負(fù)載為純阻性負(fù)載時(shí)，每相中電流和電壓都是同相的，即也=0，所以當(dāng)Y為形純阻性負(fù)載時(shí)，三相的總功率為P=3UI在數(shù)字系統(tǒng)中為了獲得負(fù)載為Y形純阻形負(fù)載時(shí)三相電源的總功率，需要對(duì)某一相的電流、電壓在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)采樣，并將瞬時(shí)電流、瞬時(shí)電壓的采樣值存儲(chǔ)在兩個(gè)RAM區(qū)中，然后根據(jù)RAM區(qū)中的數(shù)據(jù)計(jì)算該相交流電壓、電流的有效值。則該相電壓的有效值Up，該相電流的有效值Ip為

尤〔i-1 \尤〔i-1 一七ref(3-2)GNE件-v](3-2)GN(3-3)(2(3-3)i-1 GNr(3-2)、(3-3)中N表示每個(gè)信號(hào)周期的采樣點(diǎn)數(shù)，G表示原始電壓信號(hào)的增益七表示RAM區(qū)存儲(chǔ)的第i個(gè)電壓數(shù)據(jù)，(.表示RAM區(qū)存儲(chǔ)的第i個(gè)電流數(shù)據(jù)，R表示A/D的能夠轉(zhuǎn)化的電壓范圍，匕,表示A/D的參考電壓，r表示電流取樣電阻的阻值。的增益載波頻率的選擇由SPWM逆變電源的諧波分量的分析可知：SPWM電壓源型逆變器輸出線電壓諧波分量分布在載波①c周圍，提高SPWM的載波頻率，則逆變器輸出的線電壓的主要諧波分量將會(huì)分布在較高的頻段，而使逆變器輸出的電壓呈現(xiàn)很低的失真度。但是提高載波頻率，會(huì)使逆變器中功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率提高，會(huì)使逆變器的開(kāi)關(guān)損害大幅度地增加。另外載波頻率提高受到硬件的限制，本設(shè)計(jì)的逆變器采用集成芯片IM14400O通常情況下IM14400的關(guān)斷延遲Tf=0.9us，開(kāi)啟延遲T-0.73us，由于IM14400的關(guān)斷延遲大于開(kāi)啟延遲，造成IM14400的同一相的上下兩個(gè)橋臂可能同時(shí)導(dǎo)通。實(shí)際電路中由于硬件的時(shí)延，SPWM采樣時(shí)刻的誤差，以及為了防止同一相的上下兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通而設(shè)置死區(qū)。IM14400的最小死區(qū)設(shè)置為3usSPWM脈沖的每一個(gè)開(kāi)關(guān)脈沖之前都要加一個(gè)至少3us的死區(qū)〃切，則IM14400的開(kāi)關(guān)周期Tg>3us，開(kāi)關(guān)周期[和載波周期相等T,所以載波頻率f<0.33MHZ。IM14400要求輸入的最低PWM脈沖頻率f>5KHZ，所以5KHZ<f<0.33MHZ。死區(qū)和開(kāi)關(guān)時(shí)延是限制載波頻率提高的最主要的因素。載波頻率f越大，開(kāi)關(guān)周期越短，.就越大，逆變器的輸出電壓的諧波分c Tg布越復(fù)雜。綜上因素考慮本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將載波頻率選定為f-16.8KHZ，按照課題要求c的交流電源輸出頻率范圍，載波比168<k<840。主要功能電路設(shè)計(jì)整流電路設(shè)計(jì)圖5整流電路圖5所示為本系統(tǒng)的整流電路，隔離變壓器將系統(tǒng)地和市電電網(wǎng)隔離開(kāi)，抑制電網(wǎng)噪聲干擾，全波整流橋?qū)崿F(xiàn)對(duì)交流信號(hào)的全波整流，全波整流的結(jié)果是將對(duì)地對(duì)稱交流信號(hào)的負(fù)電壓部分對(duì)稱地翻折到地電平以上，濾波電容C0求出該信號(hào)中的直流電壓，實(shí)現(xiàn)AC-DC的轉(zhuǎn)換。分壓電容C「C的參數(shù)一致，保證輸出系統(tǒng)地的電勢(shì)介于DCOut的電勢(shì)和N端電勢(shì)的中點(diǎn)，這種地線引出方式是為了保證逆變電路輸出的交變信號(hào)是雙極性的，并且對(duì)系統(tǒng)地直流偏置電壓為0。實(shí)際電路中由于分壓電容C『C2的參數(shù)的不一致，導(dǎo)致逆變電路輸出的交變信號(hào)有直流偏置，因此在分壓電容C,C的后級(jí)并入對(duì)稱的分壓電阻R、R，以抑1 2 1 0制分壓電容C『C2的參數(shù)不一致造成的影響。為了保證整流電路有較好的負(fù)載特性，應(yīng)該選擇阻值很小的電阻，但是阻值過(guò)小將導(dǎo)致電路的功耗過(guò)高，本設(shè)計(jì)選擇的電阻值為1kQ的大功率電阻。假設(shè)全波整流橋的整流特性以及各器件的特性理想，設(shè)隔離變壓器的輸出電壓信號(hào)為u(t)=Asinot，則對(duì)全波整流橋的輸出.一一… 2 .t 2A TOC\o"1-5"\h\z電壓信號(hào)的一個(gè)半波求直流分量，則U=—I2Asinotdt=—，因此整流電路avrT0 兀 2 A 2 A2的輸出電壓U =——，則分壓電阻R、R的功耗為P=——，R=R=R。out兀 1 0 兀2R 1 0逆變電路設(shè)計(jì)

Bl-I—TJ!■o,I討3.r?1坍+映tBD見(jiàn)珥Bl-I—TJ!■o,I討3.r?1坍+映tBD見(jiàn)珥EL'仰圖6逆變電路本設(shè)計(jì)的逆變電路以集成芯片IM14400為核心，由光耦電路、SPWM逆變電路，緩沖吸收電路，LC濾波電路組成。三相SPWM脈沖信號(hào)通過(guò)光耦電路，驅(qū)動(dòng)IM14400工作。光耦電路將FPGA和逆變電路隔離開(kāi)，保證FPGA的正常工作。緩沖吸收電路由3.3uF的聚苯電容構(gòu)成，緩沖吸收電路的作用是抑制IM14400內(nèi)部的過(guò)電壓和過(guò)電流，減小器件的開(kāi)關(guān)損耗。緩沖吸收電路的工作原理是：當(dāng)逆變器的上下兩個(gè)橋臂反向時(shí)，流過(guò)負(fù)載電感的電流不會(huì)立即反向，致使交流側(cè)的無(wú)功能量反饋到直流側(cè)，直流側(cè)電容暫時(shí)吸收儲(chǔ)存該無(wú)功能量，從而抑制了過(guò)電流、過(guò)電壓的發(fā)生，減小了器件的開(kāi)關(guān)損耗。LC濾波電路抑制SPWM中的諧

波分量，提高三相變頻電源諧波的純度。LC濾波電路的設(shè)計(jì)思想已在“SPWM逆變電源的諧波分析”中做過(guò)分析。測(cè)頻電路設(shè)計(jì)圖測(cè)頻電路如圖所示前級(jí)放大器LM741的輸入來(lái)自于相電壓的電壓衰減網(wǎng)絡(luò)，該衰減網(wǎng)絡(luò)的輸出電阻很大，為了實(shí)現(xiàn)衰減網(wǎng)絡(luò)和測(cè)頻電路的阻抗匹配，在測(cè)頻電路的輸入端加上一級(jí)射隨。電壓衰減網(wǎng)絡(luò)將峰值為30V的相電壓衰減為峰值為4V的電壓信號(hào)，為了抑制由于衰減網(wǎng)絡(luò)參數(shù)不穩(wěn)定引入的寄生調(diào)幅，在測(cè)頻電路中加入一級(jí)放大限幅電路，后級(jí)的LM311和兩個(gè)電阻構(gòu)成遲滯比較器，能夠很好的抑制地比較器輸出脈沖沿上的抖動(dòng)，使輸出的脈沖具有干凈的沿，便于后級(jí)FPGA測(cè)頻。電流取樣信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)圖電流取樣信號(hào)處理如圖所示的電流取樣信號(hào)處理電路由兩部分組成:抗混疊濾波、差分放大?？够殳B濾波由簡(jiǎn)單的一階阻容低通濾波電路組成，該處理電路單元的后級(jí)是由Max197組成的采樣電路。本設(shè)計(jì)時(shí)Max197工作與內(nèi)部時(shí)鐘方式，由系統(tǒng)SPWM生成器中的256點(diǎn)正弦波表的最低位地址的高電平到來(lái)時(shí)，向Max197組寫命令

字，啟動(dòng)Max197組轉(zhuǎn)換一次三路線電壓，在正弦波表的最低位的低電平到來(lái)時(shí)再向Max197寫一次命令字啟動(dòng)Max197組轉(zhuǎn)換一次三路線電流。依據(jù)本設(shè)計(jì)的思想，Max197的采樣率f等于變頻電源頻率值的512倍。根據(jù)本課題的要求每s變頻電源的頻率范圍為20HZ-100HZ，因此Max197的采樣時(shí)鐘的頻率10240HZ<f<51200HZ。根據(jù)均勻抽樣定理：一個(gè)頻帶限制在(0,。)赫內(nèi)的連續(xù)時(shí)間信號(hào)m(t)，如果以T<—秒的時(shí)間間隔進(jìn)行等間隔抽樣，則m(t)將被s2fH抽樣值完全確定。則fH<12f即fH<5120HZ。所以本設(shè)計(jì)的抗混疊濾波器的截止頻率100HZ<fH<5120HZ。本設(shè)計(jì)的抗混疊濾波器的截止頻率選擇在1.8KHZ。本設(shè)計(jì)的電流取樣信號(hào)放大電路，由專用的小信號(hào)差分放大器AD620來(lái)實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)要求相電流的電流強(qiáng)度1,0.5AvIv3.5A，錳銅片取樣電阻的電阻值為2mQ,因此電壓范圍為1.4mV-10mV本設(shè)計(jì)將小電壓信號(hào)放大330倍，放大倍…..一，、一 494kO數(shù)G由電阻R決定，即G=R +1,R=150Q。g5.Max197采樣電路設(shè)計(jì)IQijpF1nilM2m3匚LK匚SVDDELEF迎1nilM2m3匚LK匚SVDDELEF迎REFADJifif皿MCH71>7g;CE5D6—CH5D5CF4P4占CH3D3XD11CH2D2/D10CH1CB0D0/D8AGND1616151011E14W5D3+wT丁丁Sigt.itilSigthiUMicroprocssor圖Max197采樣電路Max197是具有很高數(shù)據(jù)分辨率數(shù)據(jù)采集芯片，有8路可編程模擬量輸入通道，具有12位分辨率以及1/2LSB的線性度，同時(shí)具有兩種時(shí)鐘、電源模式，和最高100ksps的采樣速率。本設(shè)計(jì)中Max197工作與內(nèi)部時(shí)鐘和內(nèi)部參考電源方式，Max197采樣電路一相線電流、線電壓，兩路模擬量分別從CH0，和CH1輸入，采用時(shí)分復(fù)用方式。由電流取樣信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)的分析可知本設(shè)計(jì)Max197的最高采樣率為51.2ksps，符合Max197的工作條件。6.SPWM脈沖發(fā)生器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基本內(nèi)容系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括FPGA和單片機(jī)程序設(shè)計(jì)，主要是FPGA程序設(shè)計(jì)。單片機(jī)主要完成鍵盤響應(yīng)、LCD顯示以及從FPGA中讀數(shù)計(jì)算的功能。FPGA完成系統(tǒng)的主要功能，包括測(cè)頻，Max197狀態(tài)機(jī)，形成SPWM脈沖。測(cè)頻單元負(fù)責(zé)測(cè)量一相線電壓的頻率值。Max197狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)Max197組的采樣保持、A/D轉(zhuǎn)換和采樣存儲(chǔ)。3片Max197都工作與內(nèi)部時(shí)鐘方式，每片Max197負(fù)責(zé)一相線電壓、線電流的采樣。單片Max197有8路模擬量輸入和8采樣保持電路，單相線電壓和線電流采用分時(shí)復(fù)用的方式實(shí)現(xiàn)采樣轉(zhuǎn)換。6路A/D轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)于6個(gè)RAM區(qū)，系統(tǒng)采用74LS245實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的擴(kuò)展。256點(diǎn)正弦波表的地址總線的最低位的上升沿到來(lái)時(shí)，三相線電壓同時(shí)實(shí)現(xiàn)采樣保持、A/D轉(zhuǎn)換、和采樣存儲(chǔ)；256點(diǎn)正弦波表的地址總線的最低位下降沿到來(lái)時(shí)，三相線電流同時(shí)實(shí)現(xiàn)采樣保持、A/D轉(zhuǎn)換、和采樣存儲(chǔ)。這種采樣方式能夠使系統(tǒng)在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)獲得三相線電壓、線電流的全部信息，為系統(tǒng)及時(shí)控制輸出電壓的幅度創(chuàng)造了非常有利的條件。SPWM脈沖形成單元配合測(cè)頻單元、Max197組、單片機(jī)，采用DDS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)頻、穩(wěn)壓三相SPWM脈沖的產(chǎn)生。SPWM生成器的穩(wěn)頻、穩(wěn)壓的實(shí)現(xiàn)都是基于PD算法。2主要軟件實(shí)現(xiàn)框圖1）穩(wěn)頻穩(wěn)壓三相SPWM生成器軟件實(shí)現(xiàn)框圖

171單單單相相相SPWMSPWMSPWM圖穩(wěn)頻穩(wěn)壓三相SPWM脈沖生成器v85/一020.78V線電有壓效值測(cè)量單元3電有值量線壓效測(cè)單元2電平時(shí)間控制字」20.78PWM脈沖生成器電平時(shí)間控制字線電壓有效值測(cè)量單元1PWM脈沖生成器171單單單相相相SPWMSPWMSPWM圖穩(wěn)頻穩(wěn)壓三相SPWM脈沖生成器v85/一020.78V線電有壓效值測(cè)量單元3電有值量線壓效測(cè)單元2電平時(shí)間控制字」20.78PWM脈沖生成器電平時(shí)間控制字線電壓有效值測(cè)量單元1PWM脈沖生成器PWM脈沖生成器電平時(shí)間控制字分頻控制字N相位累加器>256點(diǎn)正弦波表用戶設(shè)定頻率字基準(zhǔn)時(shí)鐘fJ256點(diǎn)正弦波表調(diào)制時(shí)鐘fC*256點(diǎn)正弦波表基準(zhǔn)時(shí)鐘戒調(diào)制時(shí)鐘fC調(diào)制時(shí)鐘fC基準(zhǔn)時(shí)鐘f基準(zhǔn)時(shí)鐘f測(cè)頻單元FPGA中的SPWM脈沖生成模塊配合測(cè)頻、Max197組、單片機(jī)，采用PD算法，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻、穩(wěn)幅三相SPWM脈沖的生成。實(shí)現(xiàn)原理如圖所示。用戶在系統(tǒng)初始化時(shí)設(shè)置變頻電源的頻率值，F(xiàn)PGA紀(jì)錄下該頻率值。FPGA根據(jù)記錄下的頻率值設(shè)置分頻控制字N，相位累加器在基準(zhǔn)時(shí)鐘九N分頻后的時(shí)鐘下進(jìn)行相位累加，并將當(dāng)前相位累加器的累加值選擇相鄰的8位數(shù)據(jù)位，分別加0、加85、加171后，加到256點(diǎn)正弦波表的地址端，加法器相加時(shí)溢出的數(shù)據(jù)為無(wú)效數(shù)據(jù)。加0是為了使三路數(shù)據(jù)同步，保證三路正弦載波的相位差。調(diào)制時(shí)鐘，的上升沿c到來(lái)時(shí)，正弦波表輸出當(dāng)前地址信號(hào)選中的正弦波數(shù)據(jù)。輸出的正弦波數(shù)據(jù)在PWM脈沖生成器中生成相應(yīng)的高低電平時(shí)間控制字，F(xiàn)PGA記錄下相應(yīng)的控制字。PWM脈沖生成器單元有兩個(gè)控制字：高電平控制字氣、低電平控制字七，且W+WL=f。PWM脈沖生成器在基準(zhǔn)時(shí)鐘f的驅(qū)動(dòng)下計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值等于高c電平控制字時(shí)，PWM脈沖的輸出由高變低，PWM脈沖生成器開(kāi)始對(duì)低電平計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值等于低電平控制字時(shí)，PWM脈沖生成器的輸出由低變高，然后PWM生成器再在新的高、低電平控制字下輸出相應(yīng)占空比的PWM脈沖。PWM一個(gè)脈沖的高電平時(shí)間和低電平時(shí)間之和始終等于調(diào)制時(shí)鐘匕的周期。由于本系統(tǒng)采樣256點(diǎn)正弦波表，即256點(diǎn)對(duì)應(yīng)與一個(gè)正弦波周期的360。相位。三個(gè)256點(diǎn)正弦波表地址信號(hào)85和170的差別對(duì)應(yīng)的正弦波的相位差為：85中］=瓦x360o=119.53。171中2=蒲x360o=240.46。因此本系統(tǒng)生成的三相SPWM信號(hào)的相位差與標(biāo)準(zhǔn)的交流信號(hào)的120。，240。相位差有一定的偏差，最大偏差0.54。圖穩(wěn)頻原理：FPGA測(cè)頻單元采用等精度法測(cè)量某一相相電壓的頻率，F(xiàn)PGA將測(cè)頻單元測(cè)得的頻率值與用戶設(shè)定的頻率值作減法，F(xiàn)PGA用該差值去修改分頻控制字N，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出線電壓頻率的目的。圖穩(wěn)壓原理：系統(tǒng)通過(guò)3路Max197分別采樣三相相電壓的瞬時(shí)電壓值，通過(guò)計(jì)算得到當(dāng)前該相相電壓的有效值，F(xiàn)PGA將測(cè)得的該相相電壓的有效值與20.78V作減法，并通過(guò)該差值去修改相應(yīng)的電平控制字，進(jìn)而調(diào)整該相SPWM輸出脈沖占空比的目的，使該相相電壓的有效值穩(wěn)定在20.78V，通過(guò)使三相的相電壓有效值都穩(wěn)定在20.78V，達(dá)到線電壓穩(wěn)壓在36V的目的。36V線電壓有效值對(duì)應(yīng)于20.78V的相電壓有效值的原理見(jiàn)“三相交流電電壓、電流有效值和功率的計(jì)算部分”。這種穩(wěn)壓原理的合理性在于：系統(tǒng)能夠很好地保證三相相電壓信號(hào)的相位差在120。土1。的范圍內(nèi)。系統(tǒng)穩(wěn)壓、穩(wěn)頻都是基于PD算法。等精度測(cè)頻軟件實(shí)現(xiàn)框圖圖等精度法測(cè)頻前級(jí)處理單元將不規(guī)則的周期信號(hào)，變換為規(guī)則的方波信號(hào)；計(jì)數(shù)門設(shè)置計(jì)數(shù)門限，計(jì)數(shù)器T1，T2只有在門內(nèi)才計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)門有被測(cè)信號(hào)的上升沿開(kāi)啟，一定長(zhǎng)度的時(shí)間后，再由被測(cè)信號(hào)的上升沿關(guān)閉；計(jì)數(shù)器T1，計(jì)數(shù)器T2分別在計(jì)數(shù)門限內(nèi)，對(duì)f，f計(jì)數(shù)；測(cè)頻單元就是單片機(jī)的計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)處理得到f的C程x0 x序單元。設(shè)在一個(gè)較長(zhǎng)的門限內(nèi)，T1，T2的計(jì)數(shù)值分別為T1，T2，則f=(T1/T2)Xf0 (5-1)由于計(jì)數(shù)門的開(kāi)啟和關(guān)閉由被測(cè)信號(hào)操作，T1的計(jì)數(shù)值誤差很小，但是T2的計(jì)數(shù)值仍然存在多1少1的誤差。測(cè)頻的最大相對(duì)誤差為：IAf|/f={[T1/(T2-1)]f-[T1/(T2+1)]f}/(T1/T2)f=2T2/(T22-1) (5-2)由式(5-1)可知：測(cè)頻的誤差與被測(cè)信號(hào)頻率無(wú)關(guān)；由式(5-2)可知：當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的頻率很高時(shí)，等精度法的測(cè)頻范圍可以很高。測(cè)試數(shù)據(jù)與分析1.系統(tǒng)測(cè)試方框圖圖系統(tǒng)測(cè)試框圖使用儀器及信號(hào)清華同方計(jì)算機(jī)：P4處理器，512M內(nèi)存，WindowsXP操作系統(tǒng)直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源：型號(hào)SG173360M數(shù)字存儲(chǔ)示波器：型號(hào)TectronixTDS1002萬(wàn)用表：型號(hào)Flucke17B失真度測(cè)試儀：交流電壓表：交流電流表：測(cè)試數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理1)變頻電源輸出頻率范圍各相電壓有效值之差的測(cè)試測(cè)試方法將自耦調(diào)壓器的輸出調(diào)到60V，將模擬負(fù)載三相電阻箱各臂的阻值都調(diào)整到100kQ。改變系統(tǒng)的輸出頻率，將示波器和交流電壓表分別接到變頻電源某一相的輸出端，調(diào)節(jié)示波器，觀察波形是否對(duì)稱，記錄各相的輸出的頻率值，同時(shí)調(diào)節(jié)交流電壓表，記錄各相相電壓有效值。測(cè)量的頻率點(diǎn)在20HZ-100HZ之間時(shí)，10HZ一個(gè)測(cè)量步進(jìn)，20HZ以下以及100HZ以上各測(cè)3點(diǎn)。測(cè)試的過(guò)程中自耦調(diào)壓器的輸出保持60V。測(cè)試數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理(1)測(cè)量方法

表1表1數(shù)據(jù)表明本變頻電源系統(tǒng)的輸出頻率范圍為2HZ-200HZ,在該頻段范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)變頻電源輸出頻率的精確設(shè)定最大偏差1%。各相電壓的最大偏差為0.2V。頻率點(diǎn)單位：HZ12102030405060708090100150200300示波器測(cè)得頻率值單位：HZU相1.2V相1W相1.1交流電壓表測(cè)得各相有效值單位：VU相16.0V相16.W相162)輸出線電壓有效值誤差測(cè)量變頻電源的輸出頻率保持在50HZ，改變自耦調(diào)壓器使輸入電壓在198V?242V之間變化，輸入電壓從198V開(kāi)始每隔4V一個(gè)電壓步進(jìn)，直到輸入電壓達(dá)到242V，改變輸入電壓是要相應(yīng)的改變模擬負(fù)載三相電阻箱各臂的電阻值，使負(fù)載電流保持在1.5A。每調(diào)節(jié)一次輸入電壓值，在負(fù)載端用交流電壓表并聯(lián)在任意兩個(gè)負(fù)載臂的輸入端，測(cè)量這兩相的線電壓有效值。注意每種線電壓都要測(cè)到，在改變模擬負(fù)載的電阻時(shí)一定要保持各個(gè)負(fù)載臂的平衡。變頻電源的輸出頻率保持在50HZ，保持自耦調(diào)壓器使輸入電壓在220V，改變模擬負(fù)載每個(gè)臂的電阻值