程治新 黃麗娟 張 瑞 文谷生

（武漢軍械士官學(xué)校，武漢 430075）

基于SPWM的多路400Hz高精度交流電源研制

程治新 黃麗娟 張 瑞 文谷生

（武漢軍械士官學(xué)校，武漢 430075）

介紹了基于SPWM脈寬調(diào)制的400Hz交流電源結(jié)構(gòu)、原理，給出了各部分原理電路圖。電源具有成本低，精度高，保護可靠等特點，已成功運用于傳感器的激勵及解調(diào)電路。

SPWM；穩(wěn)壓反饋；電壓電流保護

400Hz交流電源廣泛應(yīng)用于航天、軍工、船舶、工業(yè)設(shè)備的自動控制系統(tǒng)中，軸角類傳感器的激勵與解調(diào)是其工作的一個重要方面，這就需要交流電源頻率、幅值精度高，電壓畸變小，并具備完善的電流電壓保護功能。

市售400Hz電源大多適用于較大功率場合，價格昂貴，體積相對較大，易損壞，電壓電流保護閥值無法根據(jù)負載具體要求靈活調(diào)整，不適宜用作角度測量傳感器電源。

根據(jù)“某傳感器測試維修系統(tǒng)”課題需要，我們基于SPWM原理，采用HT1118為主信號發(fā)生芯片，研制了多路（26V/36V/115V）400Hz電源。應(yīng)用表明，該電源精度高，正弦波信號諧波失真小，具備完善的電壓電流保護，保護閥值可根據(jù)負載需要靈活調(diào)整。整個裝置體積小，價格低廉，可靠性高，完全滿足角度測量系統(tǒng)的需求。

1　SPWM脈寬調(diào)制基本原理

將固定直流電壓變換成固定的或可調(diào)的交流電壓的裝置稱為逆變器。采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)后，能有效改善和提高逆變器的品質(zhì)性能。自20世紀(jì)80年代初以來，各國科技人員開發(fā)了多種PWM方法，歸納起來主要是：正弦脈沖寬度調(diào)制SPWM、諧波注入式PWM、最優(yōu)PWM 和無差拍周期補償PWM等。

正弦脈沖寬度調(diào)制（SPWM）是基于沖量等效原理而來的，大小、波形不相同的窄脈沖變量作用于慣性系統(tǒng)時，只要它們的沖量即變量對時間的積分相等，其作用效果基本相同。所以在某一時間段里，只要正弦波和矩形脈沖電壓對時間積分結(jié)果相等，它們作用于一個 L、R電路得到的電流響應(yīng)就基本相同，這種寬度按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖電壓波形可以通過控制MOSFET的通斷得到。由傅里葉變換分析可知，輸出電壓中除基波外僅含某些高次諧波而消除了許多低次諧波，開關(guān)頻率越高，脈波數(shù)越多，就能消除更多的低次諧波，從而得到波形較好的交流信號源。

2　系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1總體設(shè)計

電源總體設(shè)計如圖1所示。系統(tǒng)的基本工作原理是：24V直流電經(jīng)過SPWM全橋逆變后，接入變壓器輸入端，變壓器的原邊線圈兼做整流濾波用。變壓器輸出有三個抽頭，輸出電壓有效值分別為115V、36V和26V，三者共地。為使輸出電壓穩(wěn)定可靠，設(shè)置有穩(wěn)壓反饋電路。為了保護負載，防止過壓或者過流，在交流 115V輸出電壓處設(shè)置電壓采樣電路，在24V直流主回路設(shè)置有電流采樣電路，當(dāng)出現(xiàn)過流過載時，保護主電路。本系統(tǒng)的SPWM產(chǎn)生芯片使用的是國產(chǎn)芯片HT1118，隔離驅(qū)動芯片選用的是IR2110S，逆變器主電路采用MOSFET管75N75。

圖1　電源框圖

2.2SPWM波形產(chǎn)生電路

為得到SPWM波形，我們選用了北京泓芯泰業(yè)公司專為400/500Hz逆變器設(shè)計的SPWM波形發(fā)生芯片HT1118。它具有低成本、小體積、低電壓、低功耗、高精度等特點，能產(chǎn)生純正弦波，抗干擾能力強，接口簡單，通用性好。

以HT1118為核心的SPWM波形產(chǎn)生電路如圖2所示，具體設(shè)計說明如下。

圖2　SPWM波形產(chǎn)生電路

（1）2腳、3腳之間外接無源晶振，需要輸出400Hz時應(yīng)選擇16MHz晶振，需要輸出500Hz時應(yīng)選擇20MHz晶振。

（2）4腳為遙控輸入，它為低電平時PWM腳正常輸出，它為高電平時PWM腳輸出低電平。

（3）11腳為故障輸入控制，低電平有效。我們用5V電壓經(jīng)過電阻R36對它進行拉高，電壓保護輸出與電流保護輸出正常情況下是高電平，此時11腳電平為高，系統(tǒng)正常工作。當(dāng)電壓保護生效時，電壓保護輸出為低電平，11腳被拉低，PWM腳輸出低電平，系統(tǒng)停止工作，達到保護目的。電流保護生效時與電壓保護一致。13腳為故障輸出指示，如果11腳被拉低，芯片停止工作，則13腳輸出高電平。

（4）12腳為穩(wěn)壓反饋輸入，根據(jù)輸出反饋電壓的大小調(diào)節(jié)直流電壓利用率，改變PWM波占空比，從而達到穩(wěn)壓的效果。芯片的直流電壓利用率為0.73～0.85，故直流輸入為24V時，輸出交流電壓有效值范圍為12.4～14.4V。

（5）7腳—10腳為4個PWM輸出口，輸出PWM 波頻率為 32kHz（400Hz），預(yù)置死區(qū)控制時間0.7μs（400Hz）。

2.3隔離驅(qū)動電路

由于HT1118輸出的SPWM波幅值為5V，而全橋逆變我們選擇的MOSFET管75N75的驅(qū)動電壓為12V左右，所以設(shè)計了一個驅(qū)動電路，同時，驅(qū)動電路也起著隔離保護的作用。圖3顯示的是一個半橋驅(qū)動電路，兩套這樣的電路即可組合成一個完整的全橋驅(qū)動電路。我們選擇的驅(qū)動芯片為IR公司的IR2110S驅(qū)動芯片，它兼有光耦隔離（體積?。┖碗姶鸥綦x（速度快）的優(yōu)點。

圖3　隔離驅(qū)動電路

IR2110S最大的優(yōu)點是采取了高端懸浮自舉電源的成功設(shè)計，把橋式逆變器輔助驅(qū)動電源的數(shù)目簡化到一組。自舉電路如圖3所示，下橋臂S1導(dǎo)通期間將VS（高側(cè)浮動電源返回輸入）的電位拉低到地，VCC通過自舉電阻 R19和自舉二極管 D2給自舉電容C16充電，通過電容C16在VB和VS之間形成一個懸浮電源給上橋臂主開關(guān)器件S2供電。自舉電路的存在使同一橋臂上、下主開關(guān)器件驅(qū)動電路只需一個外接電源。

IR2110S大大簡化了驅(qū)動電路的設(shè)計和輔助驅(qū)動電源的數(shù)目，降低了系統(tǒng)成本，減少了體積。

2.4逆變器主電路

逆變器主電路是一個全橋開關(guān)電路，如圖4所示。輸入為 24V直流，開關(guān)元件選用的是大電流MOSFET管75N75，加上RC緩沖電路即構(gòu)成單相逆變器。輸出PWM波接升壓變壓器原邊線圈，變壓器選用的是環(huán)形鐵芯變壓器，原邊線圈兼做PWM波濾波電感，設(shè)計變比在115V抽頭處為1比9，另有36V和26V輸出抽頭，三路輸出共地。

圖4　逆變器主電路原理圖

每一路輸出均并聯(lián)濾波電容，圖上只顯示了115V輸出的濾波電容，由于輸出為交流，電容選用無極性電容。

2.5穩(wěn)壓反饋電路

為保證在在帶負載運行情況下，輸出電壓仍保持穩(wěn)定，設(shè)計了PID穩(wěn)壓反饋電路，如圖5所示。把 115V輸出經(jīng)過一個 100kΩ電阻限流，輸入互感器TV1013原邊，TV1013是變比為1∶1的電流互感器，調(diào)節(jié)變阻器RP4的值，使得A點的電壓波形幅值為3.5V左右，穩(wěn)壓反饋信號接入圖2的HT1118芯片12腳。

圖5　穩(wěn)壓反饋電路

通電后 HT1118芯片即開始工作，初始直流電壓利用率設(shè)置為 0.73，芯片進入自動穩(wěn)壓狀態(tài)，根據(jù)12腳反饋回來的電壓，調(diào)節(jié)直流電壓利用率使交流輸出穩(wěn)定在115V。

2.6電壓保護與電流保護電路設(shè)計

115V電壓保護電路如圖 6所示。升壓變壓器115V觸頭輸出，經(jīng)過一個100kΩ電阻限流接入電流互感器TV1013原邊，互感器副邊接全波整流電路，由圖可知，變阻器RP1兩端電壓VRP1即為比較器反相輸入電壓，比較器參考電壓為

系統(tǒng)正常工作時，變壓器 115V觸頭輸出的峰值電壓為162.6V，調(diào)節(jié)RP1的阻值，使得VRP1的峰值電壓略低于1.24V，一般我們預(yù)留3%左右的裕度，讓VRP1峰值電壓為1.20V左右，此時比較器輸出高電平，電壓保護信號為高電平。

圖6　電壓保護電路

一旦變壓器 115V觸頭輸出電壓有效值突然升高超過115V額定值3%以上，VRP1峰值電壓升高至參考電壓V0之上，比較器輸出低電平，電壓保護信號被拉低，圖2中HT1118的11腳被拉低，芯片停止工作。

電流保護電路如圖7所示，電流采樣信號來源于圖4逆變器主電路中的電流采樣電阻R23，采樣電阻把24V主回路的電流信號轉(zhuǎn)換成了電壓信號，由圖7可知，電流采樣信號放大5倍后，經(jīng)過一個電壓跟隨器，送入比較器反相輸入端，比較器參考電壓：

正常工作狀態(tài)下，電壓跟隨器 U2-B的輸出電壓低于參考電壓，比較器 U1-A輸出為高電平，電流保護信號也為高電平。比較器電平發(fā)生翻轉(zhuǎn)的時候，電流采樣信號的臨界值為0.6V，此時24V主回路電流為1.2A，系統(tǒng)總功率為28.8W。所以只要24V主回路電流超過1.2A，電流保護生效，電流保護信號拉低，圖2中HT1118芯片的11腳被拉低，芯片停止工作。

電壓保護和電流保護電路能有效地防止輸出超壓或者過流，這對于負載為高成本且易損壞的角度測量設(shè)備有著重要的意義。

3　實驗結(jié)果

115V空載電壓波形如圖8所示。

圖8　樣機空載115V電壓波形

圖9　樣機帶負載115V電壓波形

由圖8、圖9可知，115V輸出無論空載和帶載，頻率偏差低于±0.4Hz（0.1%），峰值幅值偏差低于±0.8V（0.5%），正弦波信號綜合諧波失真 THD≤3%。電壓輸出穩(wěn)定可靠。

115V帶負載電壓波形如圖9所示（負載100mA）。

當(dāng)通過改變穩(wěn)壓反饋電路的變阻器 RP4的值，使輸出電壓峰值升高到 168V左右時，電壓保護電路啟動，輸出中斷；當(dāng)把 115V輸出短路時，電流保護電路啟動，輸出中斷，說明電壓保護與電流保護電路工作穩(wěn)定可靠。

4　結(jié)論

實驗結(jié)果表明，本設(shè)計方案實現(xiàn)了多路 400Hz交流電源的穩(wěn)定輸出，幅值、頻率等各項指標(biāo)滿足要求，整個電源系統(tǒng)體積小、成本低、精度高、保護靈敏可靠，完全滿足包括軸角測試與轉(zhuǎn)換等在內(nèi)的各種400Hz高精度應(yīng)用場合的電源需求。

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Multi-channel 400Hz High Precision AC Power Realized base on SPWM

Cheng Zhixin Huang Lijuan Zhang Rui Wen Gusheng
（Wuhan Ordnance Non-commissioned Officer Academy， Wuhan 430075）

The structure and principle about 400Hz AC power based on sine pulse width modulation is introduced in this paper.Each part of the design principle circuit is given. The device has the advantages of low cost， high precision， reliable protection .It has successfully applied in sensor stimulate and demodulation circuit.

SPWM； voltage feedback； voltage and current protection

程治新（1978-），男，湖北公安人，講師，研究方向為自行火炮火控與電氣系統(tǒng)，主要從事裝備教學(xué)、科研及技術(shù)保障工作。