基于微處理器和PWM的交流可調穩(wěn)壓電源

1 問題的提出與現(xiàn)狀分析

　　教科書中介紹穩(wěn)壓電源時，幾乎毫無例外都介紹各種類型的直流穩(wěn)壓電源，交流電壓變換廣泛采用變壓器，交流電壓的穩(wěn)定主要依賴于電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。需要交流調壓時常采用可控硅斬波，利用導通角的變化實現(xiàn)交流調壓，這種調壓的缺點是輸出電壓波形嚴重畸變，對電網(wǎng)存在較為嚴重的諧波污染?？煽毓枵{壓波形如圖1所示。

圖1 可控硅調壓輸出波形

　　隨著計算機應用技術的普及與發(fā)展，尤其是在物聯(lián)網(wǎng)的建設中，作為計算機的感官——傳感器廣泛應用于各種參數(shù)的檢測中，例如交流電橋檢測電路，如電容式壓力傳感器、電感式物位傳感器等等，為了保證檢測精度，需要頻率和幅值都很穩(wěn)定的交流電源。交流檢測電橋如圖2所示。

圖2 交流檢測電橋

　　通常單相交流電源的頻率穩(wěn)定度較高，由于電源內(nèi)阻和導線阻抗的存在，電網(wǎng)電壓幅值受負載電流的影響較大，一般是負載電流越大，電網(wǎng)電壓衰減也越大。因此設計交流穩(wěn)壓電源的主要任務就是適時地根據(jù)負載端電壓衰減狀況調節(jié)電壓幅值，使輸出電壓相對穩(wěn)定。

　　采用模擬量調壓可以獲得較好的輸出電壓波形，但是調壓設備自身損耗較大，能量傳輸效率較低；采用高頻率開關量占空比調壓，能量傳輸效率高，由于開關頻率較高，雖存在高次諧波污染，但定周期調占空比的調壓方式，諧波較易濾除。如何兼顧二者的優(yōu)勢，成為設計交流穩(wěn)壓電源的關鍵。

　　2 數(shù)控交流調壓原理

　　2.1 交流穩(wěn)壓基本原理

　　首先在只考慮電阻性負載的情況下，應用微型計算機的反饋控制技術，結合數(shù)控交流調壓電路、模數(shù)轉換電路、脈寬調制、開關晶體管脈沖驅動電路、交流變極性輸出電路、LC脈沖續(xù)流濾波電路、交流幅值檢測電路、軟件定值與比較運算、PID數(shù)控增益驅動等電路組成交流可調穩(wěn)壓電源，組成方框如圖3所示。

圖3 數(shù)控交流穩(wěn)壓電源組成框圖

　　基本設計思想是在采樣的低電壓小電流端進行微處理器的數(shù)控線性調壓，將幅值調校后的正弦交流信號作高頻采樣、AD轉換送微處理器，運用微處理器的運算功能，求解與正弦交流對應的PWM輸出信號，經(jīng)脈沖驅動電路作大幅值脈沖輸出，再經(jīng)續(xù)流濾波還原成波形平滑的大幅值正弦交流電。為了構成可調的負反饋控制，對輸出的正弦交流電壓作分壓、采樣、整流、平均值濾波，此平均電壓值對應正弦交流電壓有效值，經(jīng)AD轉換后送微處理器與鍵入的給定值做比較，用設定的算法把比較后產(chǎn)生的偏差信號轉換成小信號交流調壓電路的數(shù)字調節(jié)量，完成對輸出交流電壓的閉環(huán)負反饋控制，實現(xiàn)在微處理器控制下的交流穩(wěn)壓輸出。

　　由于采用集成芯片和少量外圍元件，整體電路結構簡單。交流電壓的輸出控制采用軟件定周期調占空比的PWM方式，經(jīng)脈沖驅動電路和脈沖續(xù)流濾波，使交流電源的輸出效率高，由于對輸入交流的采樣頻率高，使電源輸出的電壓波形好，當電網(wǎng)電壓變化或負載變化時，交流穩(wěn)壓精度高（取決于數(shù)控位數(shù)）。輸出的正弦交流經(jīng)過簡單濾波后，幾乎無波形畸變，無明顯的諧波污染。

　　特別適用于對交流電壓穩(wěn)定度要求較高，波形失真度小的檢測環(huán)境。能量傳輸過程是：交－直－交方式。

　　2.2 雙極性DA轉換與數(shù)字調壓控制

　　DA轉換電路有一個優(yōu)良的特性，簡稱為“瞬態(tài)轉換，零階保持”。巧妙地應用此電路。

圖4 數(shù)控交流調壓電路

圖5交流權值0100調壓仿真一

圖6 交流權值1111調壓仿真二