毕业设计论文单相交流程控电源控制系统的研究管理资料.docx

毕业设计论文单相交流程控电源控制系统的研究管理资料.docx

《毕业设计论文单相交流程控电源控制系统的研究管理资料.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计论文单相交流程控电源控制系统的研究管理资料.docx（44页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

毕业设计论文单相交流程控电源控制系统的研究管理资料

单相交流程控电源控制系统的研究

摘要

近些年来，随着电力电子技术、自动控制技术的迅速发展，变频电源作为电源系统的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到整个系统的安全性和可靠性指标。

本文所设计的单相交流程控电源测控系统实际上为一大功率变频电源的测控系统，控制输出幅度、频率可调的正弦功率信号，并对输出的大功率信号进行实时监测。

其输出信号波形理想，电压幅度在180V~300V范围内连续可调，%；信号频率在30Hz~1000Hz范围内连续可调，误差为1%；最大输出功率为40KW。

以上特性在一定程度上满足了用户的需求，用户在得到轻度谐波污染的电能供应的同时，又可以在步长和范围允许的情况下通过人机界面很方便地改变输出信号的参数，得到需求的信号。

整个设计结合电机控制原理，根据直接数字频率合成法（DirectDigitalFrequencySynthesis简称DDFS或DDS）设计产生调制波和载波信号的电路，最终通过绝缘栅双极型功率管（InsulatedGateBipolarTransistor，简称IGBT）驱动生成大功率交流信号。

设计中选用性价比较高的复杂可编程逻辑器件EPM570T144I5，在EPM570中实现DDS所需的逻辑单元，将调制波和载波波形数据存储于高速静态随机存取存储器（SRAM）——61LV6416中。

然后将存储于SRAM中的波形数据通过数字模拟转换器（DAC）AD5445转化成模拟信号，最后通过低通滤波器滤波，得到平滑的信号。

为了对系统中的电压、电流等模拟量进行监测，本设计选用美国模拟器件公司（ADI）的高性能同步采样模拟数字转换器（ADC）AD7656来转换互感器采集的信号。

同时对输出信号幅度通过软件实现比例积分微分（Proportional-Integral-Derivative，简称PID）调节，保证了良好的精度，实现了系统的稳压输出。

本设计以恩智浦（NXP）公司的32位ARM7微控制器LPC2214为控制核心，结合高速复杂可编程逻辑器件EPM570T144I5作为实时逻辑控制单元，达到了较理想的信号采样、分析处理、波形输出及相关控制。

为了使LPC2214能更好的实现算法和控制的实时性，又引入了另一个32位ARM7处理器LPC2136专门处理按键和LCD显示。

最后经实际测试证明，该系统具有较好的稳定性，基本满足了设计的要求。

关键词　程控电源；DDS；PID控制

DevelopmentofMeasuringandControllingSystemofSingle-phaseACProgrammedPowerSupply

Abstract

Inrecentyears,withthedevelopmentoftechnologyofpowerelectronicsandtechnologyofautomaticcontrolling,theperformanceofvariable-frequencypowersourcewhichisanimportantpartofthepowersupplyisdirectlyrelatedtothesecurityandreliabilityofthesystem.Inthispaper,themeasuringandcontrollingsystemofsingle-phaseACprogrammedpowersupplyisacontrollingandmeasuringsystemofahigh-powerfrequencyconversionpower,anditsoutputisthesinepowersignalthatthefrequencyandamplitudecanbeadjustedanditcanmonitorandcontrolthelargepowersignalatthesametime.Theoutputofthesystemisaidealsignalandtheamplitude（180V~300V）andthefrequency（30Hz~1000Hz）ofthesignalcanbeadjustedfreelyrespondingtotheuser’sorders.Themaxoutputpoweris40KW.Inasense,thesecharacterscanmeetthedemandsoftheuser.Sotheusercangetslightharmonicpollutionsupplyandcangettherightsignaleasilybychangingtheparametersthroughtheman-machinemutualpanel.

Inthispaper,combiningthetheoryoftheelectricmachinecontrolandusingDirectDigitalFrequencySynthesis（whichisshortforDDSorDDFS）,wedesignacircuitthatcangeneratemodulatedsignalandcarriedsignal.Wechosethecomplexprogrammablelogic（CPLD）device-EPM570T144I5whichisofhighperformanceandlowcost,andwedesignthelogiccircuitofDDSinit.Thedataofthemodulatedsignalandcarriedsignalisinputtedintoahigh-speedstaticrandomaccessmemory-61LV6416.Then,thedatacanconverttotheanalogsignalthroughtheDAC-AD5445.Atlastwecangetthesmoothsignalthroughthelowpassfilter.Inordertomonitorandcontrolthevoltage,thecurrentandotherparametersofthesystem,weusethehigh-performancesynchronoussampleanalogtodigitalconverter（ADC）AD7656tosamplethesignalfromthemutual-inductormutual.TheoutputsignalisregulatedthroughthesoftwarePID.

Itcanpracticethestabilityoutputandensurethehigh-sensibly.Inthispaper,the32bitARM7-LPC2214processorofNXPcompanyisusedasthecoreofcontrollingandthehigh-speedCPLDEPM570T144I5isusedasthelogiccontrolunit,wecangetamuchbettersignalsample,analyseandprocessing,waveoutputandrelatedcontrolling.InordertoguaranteetheperformanceofarealtimeofthearithmeticandcontrollingoftheLPC2214,weuseanotherARM7processorLPC2136toprocessthekeyandLCDdisplayspecially.

Atlast,throughthepracticeandtesting,weprovethatthesystemsatisfytherequireofdesignwithmuchbetterstability.

Keywords　programmablesource,DDS,PIDcontrol

不要删除行尾的分节符，此行不会被打印

摘要I

AbstractII

系统技术指标3

信号频率调节的实现12

千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。

在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。

打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行

第1章绪论

1.1研究背景和意义

近些年来，随着电力电子技术、自动控制技术的迅速发展，变频电源作为电源系统的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到整个系统的安全性和可靠性指标。

本文所设计的单相交流程控电源控制系统实际上为一变频电源的控制系统。

变频电源自问世以来便引起了国内外电源界的普遍关注，现已成为具有发展前景和影响力的一项高新技术产品。

现代变频电源以其低功耗、高效率、电路简洁等显著优点而受到人们的青睐[1]，并广泛的应用于电气传动、计算机、电子设备、仪器仪表、通信设备和家用电器中。

随着工业自动化产业的迅速发展，人们对变频电源的需求与日俱增，变频电源的开发研制生产已经成为发展前景十分诱人的朝阳产业[1]。

相对于工业化国家来说，我国变频器行业起步比较晚，到20世纪90年代初，国外的变频器产品正式涌进中国市场，国内企业才开始认识到变频器的作用，并开始尝试使用。

最先进入中国变频器市场的是日本厂家，1986年我国传统电机厂开始引进日本的变频设计和制造技术，1988年日本三肯公司的第一台低压变频器进入中国，较早进入我国市场的还有东芝、三菱等。

此时进入国内的变频器多以大功率晶体管为逆变元件的产品，属于变频器的第二代产品。

随着国内企业对变频器认识的深入和大量外国产品的入境，我国变频器市场得以快速启动。

20世纪80年代中期，我国变频器年销售量仅为数千万元，几乎都是国外品牌，经过十余年的推广和使用，变频器已得到广大企业用户的认可，20世纪90年代，变频器才得以大规模进人中国，在空调、电梯、冶金、机械、电子、石化、造纸、纺织等行业有十分广阔的应用空间[2]。

虽然目前国内外的交流程控电源已经发展到了一定的水平，但是根据不同系统对电源的不同需求，例如，在电力设备参数的高电压测试中，经常需要一种在一定范围内电压连续可调、波形失真小、频率稳定的高压交流电源作为测量的激励源。

以前多直接采用升压变压器获得高电压，再通过继电器改变变压器变化实现电压的调整。

因其只有有限个离散点，所以电压不能连续调节。

另一方面，由于输出波形与市电波形相同，所以失真严重。

用它作为基准激励源，常常造成测量误差[3]。

因此传统的模拟变频电源已远远不能满足现代应用的要求。

另外市场上常见的程控电源还有采用模拟闭环方式来保证输出信号的准确度，即在反馈环节上通过输出采样、精密整流和比较积分等模拟环节实现[4]，其硬件设计复杂，体积大、笨，并且由于模拟电路的温漂、时漂的影响，难以达到较高的精度。

为此，研制出高可靠性、高稳定性、功能丰富、操作简单的单相交流程控电源已成为亟待解决的问题，并对其他三相交流设备也有普遍的意义。

1.2单相交流程控电源控制系统的研究现状

程控交流电源在电力电子领域中的广泛应用，使得交流程控电源测控系统尤为重要。

在交流电力电子变换领域，不仅成为一个新的研究方向，同时也成为一个研究热点。

越来越多的人们开始致力于对交流电源设备的监察和测量的研究，并已经取得了一定的成果。

目前交流稳压调压方式大致可以分为三种：

一是机械调压稳压式。

这种方式结构简单，功率可大可小，但可靠性差、反应速度慢、稳压精度低，只能输出与市电频率一致的电压。

二是脉宽调制（PWM）逆变稳压方式。

该方式输出功率范围宽、效率高、可靠性较高，反应速度快，频率可变，但输出电压中高频噪声和波形失真较大。

三是线性放大逆变方式。

这种方法的特点是容易实现输出交流的高精度、高稳定度，负载发生变化，调整非常快，其缺点是电源效率较低，实现大范围内电源调整需要输出电压分档。

变频电源与一般电子设备中的交流电源相比有其特殊性：

具有程控功能，这是自动化的必然要求；具有一定的功率和较高的精度，特别是对电源的稳压精度、纹波以及交流失真度等要求很高；具有高可靠性、稳定性及自保护功能；具有高抗干扰性与电路隔离度；具有模块化的结构，例如标准的控制接口、输入输出接口、电源接口等。

上述三种方式中，第一、二种都存在稳压精度低，高频噪声和波形失真较大等缺点，难以满足自动测试设备的要求，第三种方式的电源效率太低。

充分考虑到高精度、高效率的要求，我们采用了反馈调节逆变方式。

其主要特点是：

采用数字化的模块控制，电路全集成化、体积小、稳定性好、可靠性高，输出的交流电压、频率均可程控或手控，并具有过载保护功能。

其基本原理是首先产生高稳定的载波和调制波信号，实现幅度、频率可控，然后利用大功率的功放器件，将信号进行功率放大，最后隔离输出。

随着微处理器的可靠性与质量的不断提高，数字控制已经占据着主导地位。

32位处理器ARM的快速发展和广泛应用将测试仪表的发展推向了一个高潮，处理速度明显得到提高。

同时，若增加具有扩展功能的外围辅助电路，并采用相应的软件，便可满足客户的特定功能需求，灵活性大大提高。

同时利用ADC的高速采样，再加上实时分析等技术，以提高系统测量的精度和速度。

很多的测量算法和波形产生方法不断被提出，比如DDS直接数字合成技术等，保证了波形输出的精确度。

1.3主要研究内容

本文所设计的单相交流程控电源测控系统实际上为一大功率变频电源的测控系统，控制输出幅度、频率可调的正弦功率信号，并对输出的大功率信号进行实时监测。

在认真学习、研究和总结现有变频电源测控系统的基础上，从软、硬件两方面了实现了系统功能。

主要研究内容如下：

1．给出了直接数字频率合成（简称DDS）原理产生波形的方法和比例积分微分控制（简称PID控制）的基本理论。

2．分析了信号的采样方法和算法，包括直流和交流采样两种。

为了满足信号采样实时性和及时性的要求，本设计采用交流采样方式。

3．系统硬件电路的设计。

采用双CPU结构，包括功能实现单元和人机界面，其中功能实现单元以恩智浦（即NXP）公司的32位ARM7处理器LPC2214为控制核心，结合高速复杂可编程逻辑器件EPM570T144I5作为实时逻辑控制单元，设计了信号产生电路，并给出了信号频率、幅度调节的调节方法，同时设计了AD7656采样电路；人机界面使用NXP公司的另一个32位ARM7处理器LPC2136来处理按键和LCD显示。

4．整个系统的软件采用结构化程序设计法，包括主程序和各功能模块子程序，使得整个程序设计灵活、调试方便，实现了系统基本功能。

本文重点介绍了功能实现单元程序的设计。

1.4系统技术指标

本文的研究内容是设计并实现一种单相交流程控电源测控系统，力求达到更高的实时性和更高的精度。

该系统主要技术指标如下：

1．调制波为正弦波，~，，频率范围为1μHz~10KHz，精确到1μHz；

2．载波信号为等腰三角波，~，，频率范围为1μHz~10KHz，精确到1μHz；

3．控制输出大功率正弦信号，可程控电压180V~300V，%；可程控频率为30Hz~1000Hz，精度为1%；

4．实现输出信号的监测（如电压、电流、功率），%。

第2章系统基本理论

采样控制理论中有一个重要的结论：

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

SPWM法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。

它的生成原理就是以一个正弦波为基准波，和一个等幅值的高频三角波相比较，由它们的交点来决定逆变器开关器件的开关状态。

当正弦波幅值大于三角波时，相应的开关器件导通；当正弦波幅值小于三角波时相应的开关器件关断。

这种调制方法得到的输出电压基波的频率和幅值都等于基准正弦波的频率和幅值。

保持三角波不变，通过控制正弦基波的频率和幅值就可以控制输出电压的频率和幅值，从而满足变频调速对电压和频率协调控制的要求。

2.1系统基本结构

为了使系统输出的电压幅值、频率及其他参数的精度达到一定的精度等级，本设计选用高精度波形发生器和采用闭环调节系统以达到上述要求。

其中反馈调节环节是整个系统输出大功率正弦信号的稳压精度控制的核心，它的误差是最终误差的重要组成部分。

系统的整体框图如图2-1所示，在该设计中，反馈回路实现电压幅值的闭环调节。

人机接口模块由键盘和显示部分构成，用来输入和显示系统工作的参数，实现可视化。

图2-1系统整体框图

Fig.2-1Thebasicframeofsystem

2.2波形发生器基本原理

2.2.1DDS基本原理

本文所设计的单相交流程控电源测控系统的功能实现单元所产生的基准信号是根据DDS原理实现的。

所谓DDS，即直接数字频率合成法（DirectDigitalFrequencySynthesis简称DDFS或DDS），是继直接频率合成法和间接频率合成法之后，随着电子技术的发展迅速崛起的第三代频率合成技术[6]。

DDS是一种全数字技术，它从相位概念出发直接合成所需频率。

与其他频率合成法相比，具有频率转换时间短，频率分辨率高，相位变化连续，低相位噪声和低漂移，易于集成、调整、实现正交输出等优点[7]。

直接数字频率合成技术从相位概念出发，直接对参考正弦信号进行抽样，得到不同的相位，通过数字计算技术产生对应的电压幅度，最后滤波平滑输出所需频率波形。

2.2.2DDS的结构

DDS的基本结构包括相位累加器（PD）、正弦查询表（ROM）、数模转换器（DAC）和低通滤波器（LF），其中DDS从频率寄存器开始到波形存储表的数字部分通常也可称作数控振荡器（NCO—NumericalControlOscillator）[9]。

数控振荡器NCO实现由数字频率值输入生成相应频率的数字波形，其工作过程为：

首先确定频率控制字K，然后在时钟脉冲fc的控制下，该频率控制字累加至相位累加器生成数字相位值；最后将相位值ROM寻址转换成正弦表中相应的数字幅码。

数模转换器（DAC）实现将NCO产生的数字幅度值高速且线性地转变为模拟幅度值，DDS产生的混叠干扰由DAC之后的低通滤波器滤除[10]。

1．相位累加器相位累加器是DDS最基本的组成部分，用于实现相位的累加并存储其累加结果。

若当前相位累加器的值为

。

经过一个时钟周期后变为

，则满足

（2-3）

由式2-3可见，

为一等差数列，不难得出

（2-4）

其中

为相位累加器的初始相位值。

图2-2相位累加器的基本结构

Fig.2-2ThebasicstructureofPhaseaccumulator

相位累加器的基本结构如图2-4所示，它由一个N-bits加法器和一个Nbits寄存器构成，寄存器通常采用N个触发器来构成[11]。

2．正弦查询表ROMDDS查询表所存储的数据是每一个相位所对应的二进制数字正弦幅值，在每一个时钟周期内，相位累加器输出序列的高m位对其进行寻址，最后的输出为该相位相对应的二进制正弦幅值序列。

可以看出，ROM的存储量为2m×M比特，其中m为相位累加器的输出位数，M为ROM的输出位数。

若m=16，M=16，可以算出RAM的容量为64k×16。

虽然在一块DDS芯片中集成大的存储量，可以提高输出信号的精度和无杂散动态范围，但会使成本提高，功耗增大，且可靠性下降，但是我们可以使用外部RAM来存储正弦波数据，进而使DDS的杂散性能获得提高。

3．数模转换器DAC数模转换器的作用是将数字形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟形式信号。

DAC有电压和电流输出两种，其输出的信号并不能真正连续可变，而是以其绝对分辨率为最小单位的，所以其输出实际上是一个阶梯模拟信号。

因此要是使用滤波器滤波来得到平滑的信号。

2.2.3波形合成

DDS系统主要是由数字电路组成，所以完全可以利用中、小规模通用数字集成电路的组合来实现。

但是利用通用数字集成电路实现的DDS，不仅结构复杂，而且由于调整数字电路的高频和电磁兼容性问题突出，电路设计也比较困难，其性能很难满足设计要求。

基于以上问题，我们采用现在主流的先进的EDA（ElectronicDesignAutomation）工具进行电子系统设计。

开发工具的通用性、设计语言的标准化以及设计过程几乎与所用器件的结构无关联，使得设计成功的各类逻辑功模块软件具有良好的兼容性和可移植性，它几乎可用于任何型号和规模的可编程逻辑器件中，从而使产品的设计效率大幅度提高。

根据上述DDS原理，首先，选择一片复杂可编程逻辑器件CPLD，在CPLD内构件逻辑实现相位累加器的功能。

其次，将构成一个周期的正弦波形数据存储在外部RAM中，通过相位累计步长采样相对应的正弦波数据。

每采样一次数据，相位累加器的输出就增加一个步长的相位增加量

，相位增加量的大小由频率控制字来决定。

从RAM中读取相位累加器中相位累加值所对应的波形数据，然后通过DAC转换芯片将该数据转换成对应的模拟量，最后经过滤波得到平滑的合成波形信号。

相位累加器的相位累加为循环迭加，这样使得输出信号的相位是连续的。

当相位累加器累加至满量程时就产生一次计数溢出，该溢出率即为输出信号正弦波的频率[25]。

此时如果相位累加器的位数为N，频率控制字内的相位增量为K，参考时钟频率为

，则DDS系统输出信号频率

为：

（2-5）

输出信号的频率分辨率

为：

（2-6）

2.3本章小结

本章主要介绍了系统的基本结构、DDS直接数字合成原理、交流信号采样方式的选择。

第3章硬件设计

整个变频电源系统的框图如图3-1所示。

我的主要任务是其控制电路的设计及其软件实现，即为变频电源提供幅度、频率可变的优质正弦波，并对产生的大功率信号进行实时监测。

本系统以恩智浦（NXP）公司的32位ARM7处理器LPC2214为控制核心，结合高速复杂可编程逻辑器件EPM570作为实时逻辑控制单元，达到了较理想的信号采样、分析处理、波形输出及相关控制。

为了使LPC2214能更好的实现算法和控制的实时性，又引入了另一个32位ARM7处理器LPC2136专门处理按键和液晶显示。

因此本文的硬件电路由人机界面和功能实现单元构成。

其中功能实现单元是本文的重点，主要包括高精度的信号产生模块及调节模块、闭环反馈监测模块等。

具体实现如图3-2所示。

图3-1系统基本结构图

Fig.3-1Thebasicframeof