基于SPWM調制的交流恒流源系統設計

趙琛，張益，裴方晟，陶澤勇

（國核電站運行服務技術有限公司上海200233）

隨著SPWM技術在逆變器等領域的運用越來越廣泛，以及IGBT、Power MOSFET等功率開關器件的迅速發展，使得SPWM控制的大功率交流恒流電源向著小型化、智能化、高精度方向發展[1]。根據對我國目前的電源生產企業的規模來看，主要從組裝、中外合資、自主研發3方面著手。組裝企業采用進口部件進行組裝，質量好，成本高，關鍵技術受限于人，對國內市場適應性差；中外合資企業基本能滿足國內市場需求，但對企業發展潛力和競爭力有限；自主研制企業能按市場需求進行專注研發，雖然整理水平有待提高，但適用性強，有利長遠發展。因此，考慮到市場上的恒流源在精度、穩定性、幅值、相位、價格等方面無法同時滿足要求，本文對恒流源的設計進行了初步研究和探討，制作了一個可并聯使用的恒流源裝置，該裝置可完成部分低壓電器產品的型式試驗[2-3]。

文中設計了一種基于ARM微控制器LPC1768微處理器的大功率交流型恒流電源系統，在分析單極性SPWM的調制原理的基礎上利用LPC1768特性，實現了單極性SPWM分斷同步調制方式，其控制精度高、實時性好、動態響應快，能在不受外界因素干擾下輸出穩定精確的恒定電流值。

1　基本結構及工作原理

本數控恒流源系統由恒流源主電路和控制系統組成，主要包括單片機控制單元、A/D和D/A轉換模塊、通訊模塊以及負載及鍵盤顯示模塊等，電子式交流恒流源整體框圖如圖1所示。通過人機接口界面對電流值、頻率等參數進行預置，整流（AC/DC）模塊將來自市電的380 V交流電通過整流變成530 V的直流電為后續的逆變電路提供能量，同時也為系統的其它模塊提供輔助電源；逆變器模塊通過SPWM波控制IGBT通斷，進而輸出幅度、相位可調的正弦交流信號提供給降壓升流變壓器；頻率跟蹤模塊對參考信號的頻率及相位進行精確采樣，為后面的正弦信號發生器提供參考頻率和初始相位，確保逆變后的電流信號與參考信號一致，此處為恒流源能任意并聯使用的關鍵所在；電壓采集模塊對輸出電壓進行實時采集并反饋給后續的誤差控制模塊；電流采集模塊通過精密電流互感器，實時采集實際輸出電流，處理后送后續電路進行顯示、反饋處理；正弦信號發生器模塊根據頻率相位跟蹤塊提供的信號產生與參考信號完全同頻率同相位的正弦信號提供給誤差控制模塊，同時正弦信號的幅度受輸出設定和PID控制模塊控制，通過模糊PID算法運算后，實時控制正弦號發生器產生的正弦信號幅度，從而使輸出電流與設定一致并恒流；誤差控制模塊將正弦信號發生器產生的正弦信號與逆變輸出采樣的正弦信號進行誤差運算后，輸出給SPWM信號發生器，使逆變后的信號與設定信號相位頻率相同；來自誤差控制模塊的正弦信號與本模塊內的三角波載率信號進行比較，產生SPWM波形，驅動IGBT功率器件，從而完成逆變過程；通訊顯示檔位控制處理模塊主要處理通訊接口、人機界面顯示及檔位控制、異常處理等，采用ARM-CortexM3處理器，內置嵌入式實時操作系統（RTOS），應用軟件采用C語言編寫。多個模塊形成多個環路，配合LPC1768微處理器，并結合一定的控制策略對輸出電流進行動態調整，從而構成輸出電流的閉環控制，實現輸出電流值的恒定[4-6]。

2　系統硬件設計

根據其基本結構和工作原理可知，本系統采用AC-DC-AC（如圖1所示）的典型模式。單相逆變全橋電路接收來自市電整流濾波后的直流母線電壓，并通過ARM單片機產生的SPWM信號經過死區設置和驅動電路驅動逆變主電路。單相全橋逆變電路輸出為大電壓小電流，必須升流濾波后才能得到所需恒流交流電輸出[7-9]。硬件主電路結構圖如圖2所示。

圖1　交流恒流源系統總體框圖

圖2　硬件主電路結構圖

整個系統最關鍵的環節在于對于全橋的有效驅動和保護，以及升流變壓器、濾波器的設計。這兩者直接關系到了系統的可靠性以及所能達到的功率和精度要求。

2.1　SPWM波形發生電路設計

SPWM波形發生電路是逆變器工作的核心控制電路，利用LM311電壓比較器將正弦波變成同頻率的方波，通過CD40106BE對脈沖波形整形，使波形的上升沿或下降沿變得陡直，其SPWM脈沖幅值為5 V，頻率50 Hz。在單相全橋電路中，上下橋臂之間的開關器件在切換工作狀態會出現同時導通狀況，為防止其產生，需要設置延遲時間，可通過死區電路來實現。死區時間控制電路及驅動電路如圖3所示。當與非門的輸入為高電平時，電容通過電阻充電，充電過程完成之前與非門輸出高電平，使驅動電路發出負脈沖，開關器件截止；充電完成之后與非門輸出低電平，使驅動電路發出正脈沖，開關器件導通，從而得到SPWM穩定脈沖[4]。

2.2　升流濾波模塊設計

圖3　死區時間控制及驅動電路

本系統的逆變主電路部分由4個IGBT管組成H型全橋電路，其輸出為型式試驗所需要的低壓大電流，為了使輸出電流達到試驗需求，輸出信號在電壓降低的同時提高輸出電流，故本方案中采用了升流變壓器來達到此目的。升流變壓器在結構和使用方面有別于普通工頻變壓器：1）由于IGBT管采用SPWM波進行控制，工作波形為交流方波波；2）相對于普通工頻變壓器，升流變壓器工作頻率高很多，一般在100～500 kHZ，本設計中載波頻率是20 kHZ，具有使用效率高、損耗小等特點；3）由于較高的載波頻率，在升流變壓器設計時必須滿足系統高頻工作需求和考慮高頻諧波的影響[10]。

根據恒流源使用的環境和范圍，設計的額定輸出電流Io=200 A，輸出電壓最大值Uo=20 V，則功率輸出最大值為：

由于實際試驗中，IGBT管驅動時，當驅動方波占空比大于75%（即SPWM生成調制比a=0.65），IGBT管將會出現嚴重發熱，持續條件下很容易造成燒壞而使使用壽命大為降低。故在利用單片機得到驅動IGBT的SPWM波形時，為保證系統安全可靠，方波占空比控制在65%以內。經過逆變全橋電路后，輸出電流最大值為：

由于開路情況下，額定輸出電壓為20 V，可知得變壓器的變比為：

升流變壓后輸出電壓為SPWM波形，但同時包含正弦波分量以及高低次諧波。因此，為消除這些影響，需要設計一個濾波環節，通過濾波設備對載波進行LCL濾波[11]，最后得到一個完整正弦波對負載進行型式試驗，波形失真度<5%。

3　系統軟件設計

主控芯片LPC1768主要根據采集來的電流值，輸出一定頻率和占空比的脈沖來控制全橋開關器件的通斷。主程序控制流程如圖4所示，其核心是SPWM波形的產生和數字PID的控制調節算法，通過硬件、軟件兩層反饋，PID控制算法以及SPWM波調節等都極大的提高了系統輸出電壓的穩定度[12]。

程序設計思想是，通過MCGS觸摸屏進行初始化、數據設置后，采集電路采集到電壓、電流與設定的預置值進行比較，通過鍵盤掃描、按鍵子程序處理后進行PID運算，由ARM改變輸出PWM波的占空比，不斷調節、穩定電流值，使電流值接近于期望值，并通過采用的是電子開關和高性能嵌入式一體化觸摸液晶顯示屏TPC7062Ti進行實時更新顯示[13-14]。

圖4　主程序控制流程圖

圖5　模糊PID控制系統框圖

由于交流恒流電源的檢測對象具有多樣性，為了使交流恒流源的輸出電流具有相對較好的動態特性與穩態特性，在軟件設計對控制系統的算法方面選取了模糊PID控制器，利用模糊控制器規則在線對增量式PID的參數進行修改[15]，模糊PID控制系統圖如圖5所示。PID參數模糊自整定過程是找出PID的3個參數與e和ec之間的關系，在大功率恒流源運行過程中模糊控制器對e和eb的值進行檢測，根據模糊規則進行模糊推理，對KP、KI、KD3個參數進行在線修正，查詢模糊矩陣表進行參數調整，以滿足不同的控制變量e和ec對控制參數不同的要求，系統動、靜態性能都相應變好。

4　系統功能測試與分析

在低壓電器相關型式試驗（TTA）的檢測能否精確穩定的進行，以產品型號：JXF主母線：In=200～20 A，Icw=4 kA；Ue=380 V，Ui=400 V；50 Hz；IP30的低壓配電箱（低壓成套開關設備）低進行溫升試驗為例來說明，通過交流恒流源的MCGS觸摸屏進行試驗系數校準，外接GEN2i數據采集瞬態記錄儀，通過GEN2i的GUI來觀察三相相位角是否穩定。為了比較預置電流和輸出電流之間的誤差，在0～200 A間選定了10個測試點相比較，測量數據記錄如表1所示，其中ID為預置參考電流；I1為恒流源顯示總電流；I2為GEN2i數據采集瞬態記錄儀羅氏線圈測量得到的數據，相對誤差τ計算公式為相對誤差：

圖6為A、B、C三相電流輸出波形，可以看出兩相相位差ΔX為6.63 ms，而周期T為20 ms，可知交流恒流源三相電相位角穩定在120°。

由表1可以看出，交流恒流源在10～200 A時，預置輸入參考值與電流互感器檢測到的顯示電流值存在一定偏差，但能控制在1%左右，且電流越接近額定值，穩定性越好[16]。因此結果是符合實際測量精度要求的。

表1　交流恒流源電流測試數據

5　結論

圖6　A、B、C 3相電流輸出波形

本文敘述了以LPC1768微處理器為控制核心、基于單極性SPWM調制的高穩定交流恒流電源的設計。與常用恒流源裝置相比，其優越性主要體現在以下幾個方面：1）它的輸出電流可在0～200 A任意設置，無須步進設置；2）若根據型式試驗需求，可任意并聯組合，得到需要的大功率輸出電流；3）恒流源隨負載變化小，系統的穩定度和精確度得到了很大的提高，可實際應用于各種低壓電器的校驗和型式試驗等場合。