基于閉環控制的高精度三相電源的設計

張 靜，楊 奕，徐 勤

（重慶理工大學 電子信息與自動化學院，重慶400054）

某設備需要高精度的三相電源，工作頻率為500 Hz ，單相電源之間的相位誤差小于0.01°。經過多種技術對比后，在DDS 技術的基礎之上，采用相位自動檢測與自動修正的閉環結構。該技術有效地消除了溫度、元器件參數等因素的影響，使電源能夠長期穩定可靠地工作。

1 工作原理

高精度三相交流穩壓電源工作原理圖如圖1 所示。采用直接數字頻率合成技術來產生三路相位互差120°的正弦信號，正弦信號的頻率由高頻基準時鐘分頻得到，其穩定性由作為基準時鐘的晶體振蕩器決定，而現在晶體振蕩器的頻率穩定性極高（在10－9級別），因此采用這種設計方法首先就能保證電源頻率長期穩定性。并且，這種方法能對電源頻率進行精確控制。DDS 電路主要包括一塊FPGA和其他輔助電路構成。三路正弦信號經功率放大后得到三相驅動電流A、B和C。三相驅動電流A、B 和C 之間的相位差分別為：

式中：φAB為 A、B 相之間的相位差；φBC為B、C 相之間的相位差；φA為A相電流的相位；φB為B 相電流的相位；φC為 C 相電流的相位。

圖1 三相電源工作原理

在FPGA中分別計算120°減去φAB和φBC的值，得到的2 個差值ΔA和ΔC 的表達式如下：

ΔA和ΔC 作為反饋信號引入DDS 的信號處理中。由于ΔA和ΔC 是通過計算得到的數字結果，所以很容易實現數字補償。ΔA對A 相驅動電流進行相位調制，ΔC對C 相驅動電流進行相位調制，通過這種方式很容易就構成了一個閉環系統，控制φAB和φBC保持幾乎不變。

2 基于DDS 技術的正弦信號的合成

DDS 的工作原理就是通過累加比某一給定頻率高的相位變化來產生給定頻率的數字化波形［1］。如圖2 所示，DDS 主要由相位累加器、相位調制器、正弦查找表和D／A轉換器構成。相位累加器、相位調制器和正弦查找表是DDS 的數字部分，可以實現數字控制。相位累加器是整個DDS 的核心，實現相位累加功能。正弦查找表完成一種查表功能，實現相位到幅值的轉換，它的輸入是相位調制器的輸出；輸出送往D／A，轉化成模擬信號。相位累加器的輸入是一個系統時鐘周期內的相位增量Δφ，輸出信號頻率fOUT和Δφ之間存在一個簡單線性關系：

式中，N為相位累加器的數據位數；fCLK為系統時鐘頻率。

圖2 基于DDS 的正弦信號合成原理框圖

為了輸出某一特定頻率的信號，需要從頻率控制寄存器輸入相應的相位增量值，因此相位累加器的輸入又可稱為頻率字輸入。相位累加器的值在每個時鐘周期與寄存在頻率控制寄存器中的相位增量值累加一次。因此，輸出的正弦信號SOUT可以表示為：

式中，Am為輸出信號幅值；φK為當前的相位值；φK－1為上一個時鐘周期的相位值。

相位偏差輸入可對相位累加器輸出進行相位調制。ΔA和ΔC 作為相位偏差輸入分別從2 個相位偏差控制寄存器輸入到DDS 中（見圖1 和圖2）。假設B相驅動電流信號的表達式為：

則A相和C 相電流的表達式為：

再結合式（1）～（4），式（8）、（9）可以寫為：

圖3 FPGA 電路結構

從式（10）和式（11）明顯看出，采用前述方法可以實現對三相驅動電流頻率大小的精確控制，相位差ψAB和ψBC可以保持在120°基本不變。采用圖1 所示的數字閉環控制技術實現了對相位差的自動補償。

3 硬件電路設計

由于該電路為三相交流電源，每相電源互差120°，三相電源的電路結構與參數相同，下面的電路設計部分只給出其中一路。

3 .1 FPGA

電路的核心部分主要采用FPGA芯片EP2C5T144，芯片資源豐富，芯片內核采用1.2 V電壓，I／O部分采用3.3 V電壓［1］。該芯片主要包括完成DDS與頻率誤差修正兩個模塊，引腳D1～D36作為三路信號的D／A轉換的數據接口，端口SA＿PHASE、SB＿PHASE 和SC＿PHASE 分別是三相輸出信號經過處理之后信號，主要是為了進行數字比相。具體電路設計如圖3 所示。

3 .2 D／A

該部分的功能主要是將FPGA輸出數字信號轉換成模擬信號，采用12 位的高速D／A轉換芯片AD7541，電壓基準芯片ADR440BRZ 產生＋4 V的高精度基準電壓作為AD7541 的參考信號。利用高精度運算放大器OP4277 進行放大處理，輸出雙極性正弦波信號DA＿OUT，具體電路結構如圖4 所示。

圖4 D／A 電路結構

3 .3 濾波電路

由于設計電源的頻率為500 Hz ，采用1 個二階低通濾波器和1 個二階高通濾波器串聯組合成1 個帶通濾波器［2］，低通濾波器的截止頻率fH＝450 Hz ，高通濾波器的截止頻率fL＝550 Hz ，形成通頻帶為100 Hz 的帶通濾波器，濾除掉上一級D／A 轉換電路的輸出信號中的高頻干擾信號以及其它低頻干擾信號，電路結構如圖5 所示。

圖5 帶通濾波電路

3 .4 功率放大

圖6 功率放大電路

功率放大采用高效率的音頻功率放大器芯片STK4040 ，額定輸出功率達70 W，諧波失真為位修正，0.003 %，3d B 頻響為20 Hz ～20 k Hz ，能夠充分滿足系統的功率放大要求，具體電路如圖6 所示。

3 .5 信號整形

圖7 信號整形電路

為了對經過功率放大之后的三相輸出信號進行相以獲得高度對稱的三相驅動信號，首先將輸出的三相信號分別通過變壓器耦合的形式轉換為相應的小信號，再經過過零比較，輸出相應的方波信號SA＿PHASE、SB＿PHASE 和SC＿PHASE，結構如圖7 所示。

4 軟件設計

軟件設計部分主要是利用V HDL 語言開發完成，具體框圖如圖8 所示，主要有2 個功能模塊，一是數字比相模塊，一是帶相位修正的DDS 模塊［3～4］。數字比相模塊根據式（3）和式（4 ）比較3 個輸入信號 A、B 和C 兩兩之間的相位差，然后將差值反饋到帶相位修正的 DDS 模塊中。DDS 模塊根據式（7 ）、式（8 ）和式（9 ）產生高精度的三相正弦信。

圖8 軟件結構框圖

5 結束語

利用DDS 技術構成的帶相位自修正的高精度三相交流電源，具有輸出頻率穩定度高、分辨率高、易編程控制等優點。采用閉環控制技術來消除溫度、電子元器件老化等因素對電源精度的影響，具有較高的實際應用價值。

［1］ 潘 松，黃繼業.EDA技術實用教程（第三版）［M］.北京：科學出版社 ，2007 .

［2］ 張國雄.測控電路及裝置［M］.北京：機械工業出版社，2007 .

［3］ 鄧耀華，吳黎明，張力鍇.基于FPGA的雙DDS 任意波發生器設計與雜散噪聲抑制方法［J ］.儀器儀表學報，2009 ，30（11）：2255－2261 .

［4］ 孫 群，宋 卿.基于DDS 技術的便攜式波形信號發生器［J ］.儀表技術與傳感器，2009 ，（4）：67－70 .