三相正弦波变频电源1

三相正弦波变频电源作者：钟水养黄以圣李华斌摘要该系统基于直接频率合成(DDS)技术与数字移相技术设计高精度数字式三相正弦波变频电源，具有过流保护(输出电流有效值达3.6A时动作)、负载缺相保护及负载不对称保护(三相电流中任意两相电流之差大于0.5A时动作)功能，保护时自动切断输入交流电源、测量显示及报警功能。实验证明，采用DDS技术实现的变频电源设计简单可行，调试、维护都很方便，并且得到的波形也很理想，谐波含量低，频率准确度高，并且能够实现频率预置并连续可调。Three-phasesinewavepowersupplywiththefunctionoffrequencyconversion[Abstract]Thesystemisahighaccurateanddigitalthree-phasesinewavepowersupplywiththefunctionoffrequencyconversionandisdevelopedbasedonthetechnologiesofDDSanddigitalphase-shifting.Ithasthefunctionsoftheovercurrentprotection(whenthecurrentoutputsignificantvaluereaches3.6A),loadprotectionincaseofmissingphase,andtheasymmetricprotectionfortheload(whenthedifferencebetweenanytwophasesishigherthan0.5A).Whentheprotectionfunctionisactuated,thesystemhastheabilitytocuttheACpowersupply,andtomeasure,displayandgivewarnings.ThedesignofthefrequencyconversionpowersupplyapplyingtheDDStechnologyissimpleandfeasible.Thesystemhastheadvantagesofeasymaintenanceandadjustment,idealwaveform,lowamountofhumorouswaves,andhighaccuracyoffrequency.Hence,itmakesitpossibletopresetthefrequencyandadjustthefrequencycontinuously.

方案论证与比较、方案论证与比较三相正弦波变频电源常用于各种测量和控制电路中，产生单相或三相正弦波信号作为基准信号。一个良好的正弦信号源，要求其输出的基准正弦波信号幅值、频率高度稳定，波形失真小，带负载能力强，幅值、频率可调，对于三相正弦信号还要求三相对称性号。存在相位差的两同频信号，一般可通过移相网络直接对模拟信号进行移项，如阻容移项、变压器移项等。采用这些方式设计的移项器由许多不足之处，比如：输出波形受输入波形的影响，移项操作不方便，移项角度随信号频率和所接负载等因素的影响等。三相信号需要三路装置，难以保证三相对称控制。本设计采用数字合成及数字移项技术产生三相基准正弦波信号。三相正弦波变频信号发生器、频率测量、电压电流采样以及36V稳压电源是设计的要点和难点。下面将对这几个重要环节的设计方案作论证和比较。1、三相正弦波变频信号发生器方案一、直接采用SPWM（正弦波脉宽调制）技术。SPWM技术是工业上应用最广的一种变频电源控制方式，由于题目要求不能使用产生SPWM（正弦波脉宽调制）波形的专用芯片，所以直接用SPWM芯片产生变频电源的方案不可行。方案二、采用DDS专用芯片实现。DDS在相对带宽、频率转换时间、相位连续性、正交输出高分辨率及集成化等方面都超过了传统频率合成技术所能达到的水平为系统提供了优于模拟信号源的性能。DDS原理框图如图1所示，DDS电路主要由参考频率源、相位累加器、正弦波函数功能表、数/模转换器和低通滤波器组成。其参考频率源是一个高稳定度的晶体振荡器，用以同步DDS电路中各部件的工作，使DDS输出的合成信号的频率稳定度和晶体振荡器一样。图1DDS原理框图DDS技术可产生高稳定性的时钟频率。因为DDS对欲合成信号进行的是相位取样，他的大小是由可控频率设定数据来决定的，而频率设定数据又是由单片机（CPU）控制的，因此可方便地通过数据设定实现高达0.11Hz的分辨力。由于分辨力较高，因而时钟的稳定度也高。而如果用锁相频率合成方法实现0.11Hz的分辨率，则需采用较复杂的小数分频电路,使设备变得复杂庞大。因为题目要求产生三相对称交流电，所以需要一路正弦信号作为基准源，另外两路分别移相120°、240°后输出，产生三个频率相同，相位差为120°的正弦波形，要产生3路同频，相位差为120°的正弦信号，将需要用到到3片DDS芯片。方案三、采用直接数字频率合成（DDFS）技术，原理如图2所示。相位控制字图2 直接数字频率合成（DDFS）原理框图DDS的工作原理是以数控振荡器的方式产生频率、相位可控制的正弦波。电路一般包括基准时钟、频率累加器、相位累加器、幅度/相位转换电路、D/A转换器和低通滤波器（LPF）。频率累加器对输入信号进行累加运算，产生频率控制数据X（frequencydata或相位步进量）。相位累加器由N位全加器和N位累加寄存器级联而成，对代表频率的2进制码进行累加运算，是典型的反馈电路，产生累加结果Y。幅度/相位转换电路实质上是一个波形寄存器，以供查表使用。读出的数据送入D/A转换器和低通滤波器。DDFS具有频率转换时间短、近载频相位噪声性能好、精度高，产生的信号频率范围宽等优点。DDS技术的实现依赖于高速、高性能的数字器件。可编程逻辑器件以其速度高、可在线编程，以及有强大EDA软件支持等特性，十分适合实现DDFS技术。如图3所示，通过控制频率控制字M和相位控制字K，采用高速FPGA可以很方便的实现频率1Hz步进和相位1°步进，在本设计中，相位采用固定的偏移量，两路输出信号之间的相位相差120°。综上所述，方案二采用3片DDS芯片，则三相信号需要三路装置，额外的增加的外部电路，难以保证三相对称控制。方案三采用FPGA实现，可通过改变内部的EABRAM的数据改变波形，改变相位累加器的频率控制字可以改变频率，应用也更为灵活。因此，本设计采用方案三。2、频率测量部分方案一、单片机控制直接测量法。依据基本原理所实现的频率、周期以及脉冲宽度的数字化测量是一种直接测量法，该方法比较简单，但在整个频率范围内，无论采用直接测频或者直接测周期的方法，由于±1量化误差而导致相对测试误差增加。因此，为提高测试的精度，不能简单地采用频率与周期的直接测量方法，需寻求别的测量方法。方案二、多周期同步等精度测量法。该方法的基本思路是使被测信号与闸门时间之间实现同步化，从而从根本上消除了在闸门时间内对被测信号进行计数时的±1量化误差，使测量精度大大提高。与直接测量法相比其优点是，可在整个测频范围内获得同样高的测试精度和分辨率。综上所述，采用3片DDS芯片的方案目前较难实现，而采用FPGA实现，可通过改变内部的EABRAM的数据改变波形，改变频率控制字可以改变频率，应用也更为灵活。因此，本设计采用方案三，DDFS技术产生波形，充分利用了FPGA的各方面优势。3、测电压、电流、功率部分方案一、用3个AD分别测变频电源输出的电压、电流、功率。这可以实时监测三相支路的电压、电流、功率，控制也较为简单。但是，对于1/0口有限的单片机来说，这将会耗费单片机宝贵的I/O口。方案二：用一个AD转换控制器用时分复用的方法，轮流检测三相变频电源的电压、电流、功率。A/D转换器芯片采用TLC549。TLC549是美国德州仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片，可与通用微处理器、控制器通过I/OCLOCK.CS、DATAOUT三条口线进行串行接口。具有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长17“s，TLC548允许的最高转换速率为45500次/s，TLC549为40000次/s。总失调误差最大为±0.5LSB，典型功耗值为6mW。采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，vref接地，vref+—vref31v，可用于较小信号的采样，能够满足题目的要求。 +综上所述，方案一占用的单片机I/O口较多，所以该设计采用方案二。二、主要单元电路分析通过以上分析，本系统主要由单片机、三相正弦波变频信号发生器FPGA）、过流保护器、电压电流采样模块组成。系统的总体组成框图如图4所示。

图4 系统的总体组成框图各个部分设计方案细化如下：1、 三相正弦波变频信号发生器FPGA内部原理框图如图5所示。频率控制字频率控制字L相位图5FPGA内部原理框图（1）频率部分一个N位字长的二进制加法器的一端和一个固定时钟脉冲取样的N位相位寄存器相连，另一个输入端是外部输入的控制字M。这样在每个时钟脉冲到来的时候，前一次相位寄存器中的值和当前M值相加，作为当前相位寄存器的输出。控制字M决定了相位增量，加法器不断的对相位增量进行线性累加。当产生一次溢出后，完成一个周期性动作，即DDFS合成信号的一个频率周期。相位累加器步进为L，（1-3）设基准时钟信号为y,分频值为相位累加器步进为L，（1-3）根据公式, 30x106,^0—(Nx2m广 Hz

在FPGA内部去32位累加器，取晶振频率为30MHZ，最后得:通过改变L的值就能精确实现1HZ步进。同样满足题目的要求。30x30x106 l'0—(Nx232)X（1-4）(2)相位部分通过公式，可以方便的求出相位差为120°的三相正弦信号的相位控制字，作为相位累加器叠加的一个固定的数值。图6是三相正弦波变频信号发生器的系统组成原理框图。N进制

计数器初值为0

的地址

计数器可预置*初值为M的地址计数器正弦波形表N进制

计数器初值为0

的地址

计数器可预置*初值为M的地址计数器正弦波形表ROM正弦波形表ROM低通滤波器D/A转换器低通滤

波器—一―模拟波形电压输出VOUT1模拟波形电压输出VOUT1图6 三相正弦波变频信号发生器的系统组成原理框图2、 频率测量测频部分采用等精度频率测量的方法实现，如图7所示为等精度测频率的原理方框图。计数器A

NA=fT计数器A

NA=fT运算电路■B显示器计数器BNb=fCT图7 等精度测频率原理图设f为输入信号频率，f为时钟脉冲的频率。A、B两个计数器(分别称之为事件计数器和时间计数器)在同一闸门时间T内分别对f和f进行计数，计数器A的计数值为

xcN广N广fT，计数器B的计数值为Nb=fTo由于NA/f=Nb/f=T，则被测频率f和周期T分别为:X(1-1)TxNbTc （1-2）A式中，T=1/fc，为时钟的周期。从以上公式的分析可知，其测量精度与NB和标准频率精度有关，而与被测信号无关。这就保证了测频的精度。3、 电压、电流取样处理电路（1）电压取样与处理电路为了提高电压测量的精度，需要对三相电压进行实时采样，显示出电压、功率，其信号取样与处理电路如图8所示。在图8中，选用精度为千分之五的金属膜电阻％1、Rj2为取样电阻，主要出发点是提高电度表的电压取样的稳定性和批量生产的产品一致性:减轻调试工作量；电阻R1主要起隔离作用，电阻R2起稳定作用（也可省去）；运算放大器（1/2MC1458S）用作跟随器』 2（2）电流取样与处理电路因为负载用电负荷反映在电流的大小上，因而负载用电电流的变化范围比起电网电压波动来说要大得多，其范围一般从0到满刻度，对负载电流信号进行实时取样与处理的电路如图9所示。图9电流信号取样与处理电路图9中电流取样电阻七件用精度为千分之二的锰铜合金电阻丝，阻值为0.01Q,考虑到家用电表负荷不大（通常为10A或20A等），采用串联取样方式，电路简单有效。跟随器与图8中的电压取样电路合用一片MC1458S运算放大器。三、 理论误差分析三相正弦波变频信号发生器三相正弦波变频信号发生器的误差主要存在于相位产生部分。为了使相位差能实现步进1°,ROM是数据必须是360°的整数倍；但是，根据DDFS的原理，为了能够达到精确的频率，必须使ROM内的数据是2的N次幕。两者相互矛盾，在系统资源有限的前提下，难以取到一个合适的数。综合考虑，为了使输出的频率能够稳定、精确，在ROM内存放1024个数据。此时，频率能够精确输出，且达到步进1Hz，但是对于相位步进只能达到0.35°，这是系统本身所决定的，属于系统误差，在不改变采用点的个数的前提下，无法降低或减小。四、 软件设计单片机程序采用C语言，在KEILC7.01环境下编译，通过PC机直接下载在线编程调试。CPLD/FPGA在MAXplusII10.2下调试，采用VHDL与VerilogHDL混合编程。1、EDA部分三相正弦波变频信号发生器的顶层设计电路如图10所示。CPLPMLPf.dLPMLPMLPMLPM/DDRES!：；_CONTR[iL=”K：EGISTERED'1'FIL^"d:\sony907\ph1V13t3\sinout3_lut.heNUruTiiii'LiF：D3=1024口LITDAT.yUNREGISTERED"WIDTH=8,iiii,IDTH.An=lLiq[]LPM■1 >POUT[7..0]羿空一FdijT[7J：l]D安日⑶J」]口[41..11』D：E；2B[31..22]口归.□]D32日囱..22]THE：[g..iD]FRQ-PHASEFPORD[3X.-GJFM[31..O]PMORD[S--OJTHREE[9--GJ[■41..11』副3..口]THR[9.JJ]LPM_ROMaddressf]inclockr.nE31.-S]SE3X--03B[31.-0]nEs.-S3s[9.-OJ-03R[9.-GJS[9.-0JB[3.-GJLPMLPMA£iDRE33_L：ONTF：0L="REGISTERED"FILE="d/^ijniiyLiT'ph1，ld3t3,iiiriijiJtj_lut.hHNUfuTiiij,i：iRD5=lLi24口UTDAT"UNF：EGISTERED"WIDTH=8,iiii,IDTH.wn=lLiLORDDOUT[m--03D1H[3..0]LPMRQMaddressf]inclockaddres：5[]inclockLPM'LPMLPMLPM