一種復合控制方式的電源制作

摘 要：本文介紹一種復合控制方式的變頻電源的制作，這種電源具有快速的動態性能、很高精確度的穩態性能及高度可靠性等方面的特點。

關鍵詞：復合控制 變頻 電源 制作

1 重新設計的變頻電源結構

常用的開關逆變電源的頻率自動跟蹤控制器，一般都采用CD4046－PLL電路，這種構成具有一定的缺陷。第一是IC－PLL的過渡時間長，使電路進入鎖定狀態要較長的時間；第二是逆變電源在感應加熱工作中存在失鎖現象，抗干擾能力差；第三是死區時間控制需要輔助電路，并存在零漂；第四是在不同的頻率階段工作時，需要有不同的濾波網絡參數，使啟動電路結構復雜和可靠性能降低。

由于上述的缺陷，根據IC－PLL的不足，重新設計的變頻電源其電路結構如圖1所示。整流器采用APFC控制器，開關逆變器采用數字鎖（DPLL）結合Fuzzy控制方式，對頻率進行跟蹤控制的方法，增強頻率范圍的跟蹤，提高其抗干擾能力，使輸入和輸出功率因數都得到有效控制和提高。這里利用了主控高速單片機MCU來實現跟蹤頻率控制，并進行功率控制及功率因數的調節，其中MCU通過控制APFC的PWM對整流器進行功率控制和功率因數的調節；同時MCU采用Fuzzy－DPLL復合式控制策略，達到逆變橋開關管的過零導通，對逆變器的輸出頻率跟蹤控制。

2 逆變電源控制器

一種在Fuzzy－DPLL的基礎上設計的逆變電源控制器，其電路結構如圖2所示。當相位誤差大于設計值時，以Fuzzy－DPLL控制方式工作；當相位誤差小于設計值時，系統進入數字鎖定的方式工作。這種設計就可由Fuzzy控制切換到DPLL控制方式，保證逆變器在諧振或準諧振準態下工作，同時使系統跟蹤的頻率范圍擴大，并且提高抗干擾能力。

步信號作用下，記錄同步信號的相位和周期，周期記為T （n）；其中計數器1起壓控振蕩器的作用，其頻率相位修正后的鎖定輸出信號的周期為T（n）。在n個周期內計算出T（n），在第n＋1個周期啟動計數器1。定義θ（n）為這個周期的相位差，實際上θ（n）是啟動定時器T （n＋1）跟啟動定時器T（n）的時間差。如果T（n）超前于T （n＋1），則θ（n）為正，反之，則為負。于是有：

這里的集成鎖的調節包括頻率修正和相位修正。在DPLL集成電路中，將相位和頻率分別進行修正，這里運用了修正變量T′（n），若是不考慮濾波的作用，可以修正成T′（n）＝T （n）。引入低通的RC濾波器，把濾波器的輸入用T （n），用T′（n）作為輸出的濾波器，可以寫出下列表達式：

（2）式中A是濾波參數，A＝τ／（T ＋τ），0＜A≤1；式中τ為時間常數，τ＝RC；T 為采樣周期。

根據DPLL算式中所反映的數值，在同步信號發生變化時，就會產生相位誤差，因為算式計算出來的前一個周期，將直接作為計數器1的計數值，沒有進行相位校正，這樣不能消除相位誤差。所以只有引入相位修正：

（3）式中B是相位修正系數，0＜B＜1。

根據（2）、（3）兩式所構成的基本計算式，利用一個計數器進行T0（n）記錄。在輸入脈沖上升到設計值時，單片就會機發生中斷，讀取計數器的數值，通過計算處理以后可得θ（n），計數器1的周期個數與同步輸入脈沖個數的比較來確定θ（n）的正負。如果出現頻率變化較大或高頻時，兩個周期的相差較大，頻率跟蹤速度較慢。所以，在算法實現時采用先頻率修正，后頻率相位修正的方法進行調節。實現相位和頻率同時進行修正的條件是｜T （n）－T （n－1）｜＜ξ，其中ξ是跟T 有關的設計指數。研究發現，先采用頻率修正，后相位修正的調節的方法能夠實行快速跟蹤。由斷路子程序得到的θ（n），有可能等于或小于T （n）／2，也可能大于T （n）／2，可采用近似的方法識別能否將該周期作為相位和頻率同時修正的開始周期。在編程時，在θ（n）值小于等于T （n）／2時，把該周期并入到跟蹤的周期，θ（n）的符號為負；θ（n）值大于T （n）／2，時，則刪去該周期，θ（n）符號為正。在單片機高速捕獲輸入脈沖時，捕獲得到單元脈沖信息，并精確讀入脈沖信息的周期，其設計的DPLL流程程序如圖4所示。

應該注意的事項有，參數A和B的選擇會影響DPLL的動態和靜態響應。在濾波參數A值比較小時，其響應速度就快，但不太穩定，容易產生電路振蕩；A值比較大，響應的速度會慢，但比較穩定。在相位修正系數B值較小時，比較穩定，但響應速度較慢。B值較大時，調節響應速度較快，但容易發生電路振蕩，不太穩定。所以，A、B的取值要協調。在實驗過程中取A＝0．08，B＝0．25，ξ＝T0／5時，DPLL頻率跟蹤和鎖定效果最優。

3 控制系統的軟件設計

復合方式的變頻電源，是由數據的初始化、數據的采集、參數的顯示、DPLL控制方式、Fuzzy控制、智能切換器、SPWM信號產生和輸出電路等部分組成，如圖5所示。電路中的智能切換器是根據產生誤差的大小來協調Fuzzy控制和DPLL的控制方式。

4 實驗情況及結論

用該電源進行實驗過程中，在實行突加負載和功率調節時，在逆變器Fuzzy－DPLL的控制下能夠實現頻率快速跟蹤，無失鎖現象，啟動也很可靠。跟采用IC－PLL控制的變頻電源相比，其有啟動快、穩定性好和抗干擾性強的特點。

參考文獻：

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”