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        基于DAC擬合輸出的可編程交流電源設(shè)計(jì)*

        2016-11-30 07:28:02夏東升馬宏忠王行行施恂山
        電子技術(shù)應(yīng)用 2016年2期
        關(guān)鍵詞:交流電源點(diǎn)數(shù)寄存器

        夏東升,馬宏忠,王行行,施恂山

        (河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院,江蘇 南京211100)

        基于DAC擬合輸出的可編程交流電源設(shè)計(jì)*

        夏東升,馬宏忠,王行行,施恂山

        (河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院,江蘇 南京211100)

        針對基于DC-AC可編程交流電源頻率與相位調(diào)節(jié)分辨率較低、高次諧波疊加困難、輸出波形畸變等問題,提出了應(yīng)用處理器STM32F103ZET6內(nèi)置的兩路12 bit DAC來擬合波形作輸出的方案。CPU計(jì)算出所需的波形點(diǎn),經(jīng)DAC擬合輸出、功率放大、濾波、變壓器運(yùn)放等環(huán)節(jié)處理并結(jié)合反饋信號應(yīng)用數(shù)字PID算法,使最終輸出信號快速且穩(wěn)定地達(dá)到預(yù)設(shè)值。經(jīng)測試,應(yīng)用此方案設(shè)計(jì)的可編程交流電源,其頻率與相位的分辨率顯著提高,方便疊加各次諧波,且輸出波形質(zhì)量明顯得到改善。

        分辨率;諧波;波形;DAC;數(shù)字PID

        0 引言

        可編程交流電源是實(shí)驗(yàn)室與科研機(jī)構(gòu)必不可少的工具,在研發(fā)和產(chǎn)品測試中,對于輸出電壓或者電流的幅值、頻率、相位、波形等都有一定的要求[1-3]。而我國市電的規(guī)定為單相 50 Hz/220 V或三相 50 Hz/380 V的交流電,幅值的調(diào)節(jié)可以直接通過變壓器完成,但頻率和相位的調(diào)節(jié)具有一定難度,且變壓器輸出電壓、電流會(huì)隨負(fù)載變化無法得到穩(wěn)定的交流電源。所以對于具有穩(wěn)定輸出、參數(shù)可靈活調(diào)節(jié)的可編程交流電源的研究日益迫切[4-5]。

        現(xiàn)有的許多可編程交流電源多采用PWM整流與逆變技術(shù)來實(shí)現(xiàn),其輸出頻率、相位等參數(shù)可設(shè),但輸出精度與分辨率不高,波形質(zhì)量不理想,且硬件實(shí)現(xiàn)過程復(fù)雜,成本高。本文介紹的可編程交流電源以兩片STM32-F103ZET6處理器為控制核心,一片用于利用其內(nèi)置DAC擬合波形,另一片完成反饋和人機(jī)交互等任務(wù)。作反饋時(shí),根據(jù)實(shí)際輸出和設(shè)定輸出的差值,應(yīng)用了數(shù)字PID算法調(diào)整輸出,使得輸出能夠快速且穩(wěn)定響應(yīng)至所預(yù)設(shè)的值[6-7]。該電源具有兩路輸出,各路輸出的幅值、頻率、相位差可不間斷連續(xù)調(diào)整,其中頻率與相位的分辨率分別可達(dá)0.05 Hz、0.25度,各次諧波成分可任意疊加,最高至31次。各裝置之間可以級聯(lián),滿足需多路輸出的測試場合。

        1 系統(tǒng)工作原理與硬件實(shí)現(xiàn)

        基于DAC波形擬合輸出的可編程交流電源系統(tǒng)主要由主控芯片 STM32F103ZET6、濾波、功率放大、變壓器、顯示、按鍵燈模塊構(gòu)成。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示,CPU2根據(jù)輸出要求,通過按鍵、顯示環(huán)節(jié)設(shè)置好輸出參數(shù),由SPI串行總線將數(shù)據(jù)傳至CPU1,并用其內(nèi)置12 bit DAC擬合出對應(yīng)的波形并輸出。由于DAC擬合出的波形為階梯波,需對擬合出的波形進(jìn)行濾波處理,先低通濾波后串電容進(jìn)行交流耦合來提高波形質(zhì)量。之后再對濾波后的波形進(jìn)行功率放大處理,其中功放環(huán)節(jié)的增益為20 dB,可以對波形幅值進(jìn)行適當(dāng)放大。功率放大后的波形,按需選擇相應(yīng)的電壓型或者電流型變壓器接入即可得到所需的輸出。在設(shè)定好幅值、頻率、相位等參數(shù)并使之輸出期間,CPU2對最終輸出的信號進(jìn)行采集并計(jì)算,應(yīng)用PID算法調(diào)節(jié)誤差,使輸出快速且穩(wěn)定地響應(yīng)至設(shè)定值,同時(shí)通過LCD液晶屏顯示各輸出參數(shù)。

        圖1 系統(tǒng)原理框圖

        1.1處理器內(nèi)置DAC

        本裝置選用的處理器芯片為STM32F103ZET6,其內(nèi)置2個(gè)DAC轉(zhuǎn)換器。每個(gè)轉(zhuǎn)換器對應(yīng)一個(gè)通道,可以獨(dú)立地進(jìn)行轉(zhuǎn)換,也可以同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并同步地更新2個(gè)通道的輸出,位數(shù) 8 bit或12 bit可選設(shè),觸發(fā)方式有外部中斷、內(nèi)部定時(shí)器等[8]。每個(gè)通道都可以配合DMA使用,減少CPU的工作量。本裝置利用處理器內(nèi)置DAC的這些特性,可以方便且快速地?cái)M合出各種波形,波形生成過程的邏輯框圖見圖2。

        圖2 波形生成邏輯圖

        本系統(tǒng)波形擬合過程如圖2所示,CPU內(nèi)置DAC邏輯控制單元在收到觸發(fā)信號后,向DMA請求將總線控制權(quán)交給DMA控制器。DMA找到存放在內(nèi)存中擬合波形數(shù)據(jù)的地址,并將對應(yīng)的數(shù)據(jù)通過總線“搬運(yùn)”至DAC的DAC_DHRx寄存器內(nèi),待1個(gè)或3個(gè)APB1時(shí)鐘周期后,數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)傳入DAC_DORx寄存器,之后數(shù)模轉(zhuǎn)換器將輸出對應(yīng)的電平信號。最終DAC的輸出滿足下式的關(guān)系:

        式(1)中Vref為參考電平,DOR為傳入至 DAC_DORx寄存器中波形數(shù)據(jù)的值。

        1.2功率放大模塊

        通常在對一些電氣設(shè)備進(jìn)行測試時(shí),要求測試電源要有一定的帶載能力,本電源應(yīng)用了大功率混合功放SHM1150Ⅱ?qū)AC擬合出的波形進(jìn)行功率放大。該功放是由一個(gè)雙極型晶體管與VMOS管混合組成的音頻集成功率放大器,其允許供電電壓為±12~±50 V,最大輸出功率可達(dá)150 W,失真度低于 0.01%,頻率響應(yīng)范圍為0~380 kHz[9]。外部接線圖如圖3,無需外接其他元件即可工作,使用方便。

        圖3 SHM1150Ⅱ外部接線圖

        2 波形擬合算法

        本系統(tǒng)交流波形的生成是將事先擬合好的波形數(shù)據(jù)存在內(nèi)存中,待收到輸出指令后將數(shù)據(jù)輸送至DAC寄存器中擬合輸出。波形擬合公式如下:

        式中,數(shù)組X[n]為擬合的交流波形點(diǎn),n=0,1,2,…,N-1;Am為各次諧波幅值,m=1,2,…,M;N為每周波擬合的點(diǎn)數(shù),M為諧波次數(shù)。

        DAC擬合出的交流波形為數(shù)字信號,從時(shí)域上看為階梯波,每周波點(diǎn)數(shù)的多少對波形的質(zhì)量有著直接的影響。對本系統(tǒng)DAC擬合出的頻率為50 Hz的數(shù)字交流信號進(jìn)行實(shí)測采樣并進(jìn)行了分析,采樣頻率為51 200 Hz。圖4(a)和圖4(b)分別為每周波擬合點(diǎn)數(shù)為36和1440的時(shí)域波形圖。

        圖4 每周波不同點(diǎn)數(shù)擬合出的波形

        由圖4(a)可知,每周波擬合點(diǎn)數(shù)為36時(shí)輸出的波形能明顯看出階梯的痕跡,且經(jīng)分析有高次諧波分布在1 800 Hz和3 800 Hz左右的頻段內(nèi)。所以每周波擬合點(diǎn)數(shù)不足不僅影響了波形的質(zhì)量還會(huì)使輸出信號中無法疊加高次諧波成分。而由圖4(b)可看出,每周波擬合點(diǎn)數(shù)為1 440時(shí)輸出的波形較“光滑”,波形質(zhì)量較好,滿足電源設(shè)計(jì)要求。

        交流信號頻率的調(diào)節(jié)是通過改變點(diǎn)與點(diǎn)之間輸出時(shí)間間隔Δt來實(shí)現(xiàn),信號頻率與Δt的關(guān)系如下:

        式中,f為輸出信號頻率,N為每周波擬合點(diǎn)數(shù)(本系統(tǒng)設(shè)計(jì)N為1 440)。若輸出信號f=50 Hz,則Δt為1/72 000 s,由于STM32F103ZET6工作頻率在72 MHz,所以只需將觸發(fā)DAC輸出的定時(shí)器自動(dòng)重裝載寄存器周期的值設(shè)置為999即可。定時(shí)時(shí)間值計(jì)算公式為:

        輸出兩路交流信號之間相位差的調(diào)節(jié)則根據(jù)波形擬合點(diǎn)數(shù)據(jù)數(shù)組,選擇不同的起始位置觸發(fā)來實(shí)現(xiàn)。設(shè)兩路輸出分別為A和B,存放波形擬合點(diǎn)的數(shù)組為DATA[2N],N為每周波擬合點(diǎn)數(shù),本系統(tǒng)為1440。若A、B兩路觸發(fā)起始位置分別為 DATA[n1]、DATA[n2],當(dāng) n1=n2時(shí),A路與B路的相位差為 0°;當(dāng)n1=0,n2=360時(shí)相位關(guān)系為A路超前B路90°。相位分辨率為360/1440=0.25°,A與B的相位差關(guān)系為:

        式(5)中,若 n1>n2,則 A路超前 B路 Ph度;若 n1=n2,則同相位;若n1<n2,則A路滯后B路Ph度。

        幅值的調(diào)節(jié)由式(1)可知,可通過改變輸入 DAC寄存器DAC_DHRx中DOR的值實(shí)現(xiàn),即對波形擬合點(diǎn)數(shù)組中的數(shù)據(jù)乘以一個(gè)系數(shù) α,為 V=α×DATA[2N],其中 V為輸出信號的幅值。

        3 輸出反饋算法

        電源的輸出與負(fù)載有著密切聯(lián)系,負(fù)載的性質(zhì)影響著輸出信號間的相位關(guān)系,負(fù)載阻抗的大小會(huì)對輸出信號的幅值造成影響。為了使最終的輸出與預(yù)設(shè)的值一致,本電源采用數(shù)字增量PID算法來控制輸出,其原理簡化示意圖如圖5所示。

        圖5 增量式PID算法簡化示意圖

        對于最終輸出的信號,經(jīng)互感器變換、AD采集、CPU2計(jì)算等處理后,記反饋信號為 y(k),預(yù)設(shè)輸入為 r(k),則偏差為:

        由位置式PID控制算法得:

        則增量式PID算法為:

        歸并后可得:

        式中:

        u(0)為控制量的基值;u(k)為第 k次采樣處理后的控制;Kp為比例放大系數(shù);TI為積分時(shí)間常數(shù);TD為微分?jǐn)?shù);TS為采樣周期[10]。由算法可知,只需求得相近三次偏差 e(k)、e(k-1)、e(k-2),并設(shè)定好 q0、q1、q2,就可以計(jì)算出應(yīng)該調(diào)整的增量 Δu(k)。根據(jù)此值調(diào)整 D/A輸出,使輸出能快速且穩(wěn)定地響應(yīng)至預(yù)設(shè)值。

        4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        本系統(tǒng)擬合點(diǎn)的數(shù)據(jù)是通過DMA傳輸?shù)紻AC寄存器,由定時(shí)器觸發(fā),輸出的幅值、頻率、相位等參數(shù)的改變是在本周波結(jié)束后下一個(gè)周波開始改變。所以主程序在運(yùn)行過程中,可以方便且連續(xù)地改變輸出,即通過按鍵改變輸出參數(shù)并傳輸至DAC寄存器,在此期間DAC保持原有輸出不變,待DMA將新波形數(shù)據(jù)點(diǎn)搬運(yùn)至DAC寄存器完畢后,下一個(gè)周波開始的輸出即為改變后的輸出。系統(tǒng)主程序流程圖如圖6所示。

        圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

        5 樣機(jī)輸出測試

        對于各輸出參數(shù)的測試,本文選用精度為24位的動(dòng)態(tài)信號分析儀IOtech 652u,對輸出信號進(jìn)行采樣并計(jì)算分析。

        表1為輸出信號幅值測試結(jié)果,其中設(shè)定信號為50 Hz的基波與其他次諧波疊加和,給定與實(shí)際輸出的相對誤差在0.1%以內(nèi),精度滿足常用測試要求。

        表1 幅值測試結(jié)果

        表2為輸出信號頻率測試結(jié)果,裝置頻率調(diào)節(jié)分辨率為 0.05 Hz。設(shè)定與實(shí)際輸出之間的相對誤差小于0.01%,在100 Hz以內(nèi)頻率誤差低于0.001 Hz,小于調(diào)節(jié)分辨率,滿足保護(hù)裝置等設(shè)備的測試要求。

        表2 頻率測試結(jié)果

        表3 相位測試結(jié)果

        表3為兩路輸出信號之間相位差的測試結(jié)果。設(shè)定值與實(shí)際值之間相差小于0.1°,可用于同期裝置等場合的測試。

        6 結(jié)語

        本可編程電源用STM32F103ZET6內(nèi)置DAC擬合波形作輸出,使得幅值、頻率、相位均連續(xù)可調(diào),頻率域相位的分辨率相比逆變方式明顯提高,且波形質(zhì)量明顯得到改善。應(yīng)用了上文所述的波形擬合算法,方便了各次諧波的疊加,反饋應(yīng)用了數(shù)字PID算法,提高了響應(yīng)的速度與輸出的精度。最后對裝置的各項(xiàng)輸出進(jìn)行了測試,通過測試結(jié)果可以看出,輸出信號精度較高,滿足應(yīng)用要求。

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        [3]朱凌.電氣檢測實(shí)驗(yàn)室電源系統(tǒng)的要求與控制[J].電子質(zhì)量,2005(7):5-6.

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        Design on programmable AC power based on fitting output by DAC

        Xia Dongsheng,Ma Hongzhong,Wang Xingxing,Shi Xunshan
        (College of Energy and Electrical Engineering,Hohai University,Nanjing 211100,China)

        A new method of using two inbuilt 12 bit DAC of processor STM32F103ZET6 to fit the waveforms for output program was proposed,to deal with the problems of DC-AC based programmable AC power,such as low frequency and phase adjustment resolution,high harmonic superposition difficulties,the output waveform distortion and so on.CPU calculates the desired waveform points,through fitting output by DAC,power amplifier,filters,transformers and other aspects of processing and then adopt the digital PID algorithm combining feedback signals,so that the final output signals can rapidly and stably reach the preset value.Verified by testing,by applying this design to programmable AC powers,the resolution of frequency and phase adjustment significantly improved,each harmonic can be superimposed conveniently,and the output waveform quality significantly improved.

        resolution;harmonic;waveform;DAC;digital PID

        TM774

        A

        10.16157/j.issn.0258-7998.2016.02.034

        國家自然科學(xué)基金(51177039)

        2015-08-23)

        夏東升(1991-),男,碩士研究生,主要研究方向:交流電源設(shè)計(jì)、電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷裝置研發(fā)。

        馬宏忠(1962-),男,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向:電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷、電能質(zhì)量監(jiān)控、電機(jī)運(yùn)行與控制研究。

        中文引用格式:夏東升,馬宏忠,王行行,等.基于DAC擬合輸出的可編程交流電源設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2016,42(2):125-128.

        英文引用格式:Xia Dongsheng,Ma Hongzhong,Wang Xingxing,et al.Design on programmable AC power based on fitting output by DAC[J].Application of Electronic Technique,2016,42(2):125-128.

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