(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 109194148 A(43)申请公布日 2019.01.11
(21)申请号 201811184204.X(22)申请日 2018.10.11
(71)申请人 中国兵器装备集团自动化研究所
地址 621000 四川省绵阳市游仙区仙人路
二段7号(72)发明人 邵德立 邹佳鑫 李彦平
张雄林 蒲永材 谭晟吉 吴昌昊 李昊哲 (74)专利代理机构 成都行之专利代理事务所
(普通合伙) 51220
代理人 梁田(51)Int.Cl.
H02M 5/458(2006.01)
权利要求书1页 说明书3页 附图3页
(54)发明名称
一种新型高精度大功率交流恒流源设计方法
(57)摘要
本发明公开了一种新型高精度大功率交流恒流源设计方法，输入级采用两级变换电路；输入级首先采用可编程整流模块，该模块由ARM控制器控制，将输入交流电压转化为可调的直流电压，编程可调20-500V，用以驱动SPWM正弦信号生成模块；在可编程整流模块后，添加二级可编程DC-DC的可编程Buck模块进行降压，可编程Buck模块由DSP控制器进行控制；根据后级负载输出的电流大小反馈给DSP控制器，DSP控制器根据反馈的电流大小对可编程Buck模块进行控制，实现对SPWM模块输出电压的精确控制，当后级负载变化，控制Buck模块的电压，即可控制后级负载电流；采用二级闭环控制方法，基于DSP+ARM架构；输出频率可调50-1500hz，电流恒流可调100-1000mA。
CN 109194148 ACN 109194148 A
权 利 要 求 书
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1.一种新型高精度大功率交流恒流源设计方法，其特征在于，输入级采用两级变换电路；输入级首先采用可编程整流模块，该模块由ARM控制器控制，将输入交流电压转化为可调的直流电压，编程可调20-500V，用以驱动SPWM正弦信号生成模块；在可编程整流模块后，添加二级可编程DC-DC的可编程Buck模块进行降压，可编程Buck模块由DSP控制器进行控制；根据后级负载输出的电流大小反馈给DSP控制器，DSP控制器根据反馈的电流大小对可编程Buck模块进行控制，实现对SPWM模块输出电压的精确控制，当后级负载变化，ARM控制可编程整流模块的DC输出以及DSP控制Buck模块的电压输出，即可控制后级负载电流。
2.根据权利要求1所述的一种新型高精度大功率交流恒流源设计方法，其特征在于，所述SPWM模块生成正弦信号是利用DSP控制器产生高频SPWM斩波控制MOS全桥逆变模块并经LC滤波电路，产生所需可调频率的正弦信号，并经环形隔离变压器，与滤波器得到隔离输出的正弦电流信号。
3.根据权利要求1所述的一种新型高精度大功率交流恒流源设计方法，其特征在于，所述SPWM模块输出的电压由一级内环反馈调节控制DSP输出的电压范围，二级反馈调节输出电流大小及精度；所述一级内环反馈包括BUCK电路、SPWM模块以及MOS全桥电路，该电路检测LC滤波输出的电压，判断其偏离范围，反馈给DSP微调BUCK电路输出以及SPWM的占空比；所述二级反馈调节包括可编程整流模块、电流检测电路、DSP控制器以及ARM控制器，通过电流监测电路对输出电流的检测判断反馈给DSP控制器，DSP控制器，在反馈给ARM控制器，由ARM调整可编程整流模块输出。
4.根据权利要求1所述的一种新型高精度大功率交流恒流源设计方法，其特征在于，所述ARM控制器控制连接外部控制机，所述外部控制机作为人机界面，外部控制机由单独的线性电源供电。
5.根据权利要求1所述的一种新型高精度大功率交流恒流源设计方法，其特征在于，所述DSP控制器以及电流监测器都由单独的线性电源供电。
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说 明 书
一种新型高精度大功率交流恒流源设计方法
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技术领域
[0001]本发明涉及一种电子技术，具体涉及一种新型高精度大功率交流恒流源设计方法。
背景技术
[0002]交流恒流源系统，主要由电压变换部分、频率合成部分以及回路控制部分组成。[0003]电压变换部分，采用buck或boost电路实现。频率合成部分，采用的技术主要有如下几种：[0004]1、传统的频率合成法，即利用混频器、分频器、倍频器和带通滤波器实现所需频率的合成方法；[0005]2、利用锁相环(PLL)技术，间接产生所需频率的方法；[0006]3、根据直接数字频率合成技术(DDS)，采用DDS芯片产生相应的频率。回路控制部分，根据设计要求采用开环控制或简单的闭环控制，用于检测并修正恒流或恒压输出信号存在的误差。
[0007]现有交流源系统，根据其应用对象，一般可分为两类：[0008]1、面向工业生产和生活使用的交流源，具有超大功率(千瓦级或以上)，但对精度性能指标要求不高；这类交流源采用变压器技术或电机实现电压或电流范围大小的控制，传统频率合成技术实现频率控制(若是固定市电频率则无需)，因而精度上很难以控制；[0009]2、用于低压、弱电领域，实现微、小系统控制的模拟信号，这类精度指标性能通常很高，但功率非常小(几个瓦特以下)；这类系统采用DDS芯片结合单片机控制器架构方式，简单实现高精度指标的恒流输出，功率上受限；或采用普通运放结合频率振荡电路搭建恒流输出系统，总之输出功率较小。[0010]而实际上，由于电子产品的多样化发展，对电源的要求也是灵活多样，在工业检测与控制中，会用到一些非常规的交流源，如对精度、频率、功率均有特定要求的时候，通用型电源就无法满足。
发明内容
[0011]本发明所要解决的技术问题是：当前技术，在用于设计较大功率(几十到几百瓦)信号源时，难以保证精度指标和稳定度指标，且设计往往会很复杂；用于板级层面，弱电控制信号时，精度可达标，而功率通常很小，难以满足宽范围电压、可调频率、可调电流的输出；在特定应用中，难以兼容大功率输出和高精度及稳定度等输出，本发明提供了解决上述问题的一种新型高精度大功率交流恒流源设计方法，采用二级闭环控制方法，基于DSP+ARM架构；输出频率可调50-1500hz，电流恒流可调100-1000mA；。[0012]本发明通过下述技术方案实现：
[0013]一种新型高精度大功率交流恒流源设计方法，输入级采用两级变换电路；输入级首先采用可编程整流模块，该模块由ARM控制器控制，将输入交流电压转化为可调的直流电
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说 明 书
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压，编程可调20-500V，用以驱动SPWM正弦信号生成模块；在可编程整流模块后，添加二级可编程DC-DC的可编程Buck模块进行降压，可编程Buck模块由DSP控制器进行控制；根据后级负载输出的电流大小反馈给DSP控制器，DSP控制器根据反馈的电流大小对可编程Buck模块进行控制，实现对SPWM模块输出电压的精确控制，当后级负载变化，控制Buck模块的电压，即可控制后级负载电流。若直接利用整流模块的直流电压驱动SPWM模块章全桥电路，则会导致产生的正弦波信号含有较多杂散谐波，因而，再加上一级的可编程的BUCK电路；根据后级输出的电流反馈大小，实现对该模块输出电压的精确控制，当后级负载变化，ARM控制可编程整流模块的DC输出以及DSP控制Buck模块的电压输出，即可控制后级负载电流。采用二级闭环控制方法，基于DSP+ARM架构；输出频率可调50-1500hz，电流恒流可调100-1000mA。
[0014]进一步的，SPWM模块生成正弦信号是利用DSP控制器产生高频SPWM斩波控制MOS全桥逆变模块并经LC滤波电路，产生所需可调频率的正弦信号，并经环形隔离变压器，与滤波器得到隔离输出的正弦电流信号。[0015]进一步的，SPWM模块输出的电压一级内环反馈调节控制DSP输出的电压范围，二级反馈调节输出电流大小及精度；所述一级内环反馈包括BUCK电路、SPWM模块以及MOS全桥电路，该电路检测LC滤波输出的电压，判断其偏离范围，反馈给DSP微调BUCK电路输出以及SPWM的占空比；所述二级反馈调节包括可编程整流模块、电流检测电路、DSP控制器以及ARM控制器，通过电流监测电路对输出电流的检测判断反馈给DSP控制器，DSP控制器，在反馈给ARM控制器，由ARM调整可编程整流模块输出。使得输出的电流值大小保持在设定值；两级深度滞后超前算法的PID反馈达到宽范围电压、精准电流调节控制的效果。[0016]进一步的，ARM控制器控制连接外部控制机，所述外部控制机作为人机界面，外部控制机由单独的线性电源供电。[0017]进一步的，DSP控制器以及电流监测器都由单独的线性电源供电。[0018]本发明具有如下的优点和有益效果：[0019]1、本发明采用二级闭环控制方法，基于DSP+ARM架构；输出频率可调50-1500hz，电流恒流可调100-1000mA；；[0020]2、本发明的交流恒流源源输出功率可达600W，且输出电流精度、稳定及频率精度、稳定度可达到很高水平；电流信号的频率精度可达0.5％，频率稳定度保持在2Hz内；电流精度可达0.5％以内，稳定度1％，可满足特定需求；[0021]3、本发明可根据实际负载范围，可灵活调整设计的最大功率，以满足不同需求。附图说明
[0022]此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：[0023]图1为本发明的系统设计框图。[0024]图2为本发明的SPWM模块结构图。
[0025]图3为本发明的系统Buck闭环控制程序流程图。[0026]图4为本发明的SPWM频率合成的控制程序流程图。[0027]图5为本发明的SPWM正弦生成仿真测试图。
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具体实施方式
[0028]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。[0029]实施例1[0030]如图1、图3所示，一种新型高精度大功率交流恒流源设计方法，输入级采用两级变换电路：输入级首先采用可编程整流模块的设计，该模块由ARM控制器控制，将输入交流电压转化为可调的直流电压，编程可调20-500V，用以驱动SPWM正弦信号生成模块；在可编程整流模块后，设计添加二级可编程DC-DC的Buck电路作为降压电路，由DSP控制。若直接利用整流模块的直流电压驱动SPWM模块章全桥电路，则会导致产生的正弦波信号含有较多杂散谐波，因而，再加上一级的可编程的BUCK电路。根据后级输出的电流反馈大小，实现对该模块输出电压的精确控制，当后级负载变化，控制Buck模块的电压，即可控制后级负载电流，Buck闭环控制运行时，首先初始化DSP的EPWM模块，定时器控制周期设定为20ms，收到启动命令后开始定时周期运算，根据设定的电流值与反馈电流值的差值，运行PID运算，实现电流的闭环控制。[0031]如图2、图4、图5所示，实施时，SPWM正弦信号生成部分是利用DSP控制器产生高频SPWM斩波控制MOS全桥逆变模块并经LC滤波电路，产生所需可调频率的正弦信号，并经环形隔离变压器，与滤波器得到隔离输出的正弦电流信号；控制SPWM正弦信号生成的主要流程为，首先初始化DSP的EPWM模块以及DDS的频率控制字，设置频率，再根据设定的频率控制字，最后输出对应频率的SPWM。[0032]恒流控制部分：采用一种全新的具有二级调节功能的设计，一级内环反馈调节控制DSP输出的电压范围，二级反馈调节输出电流大小及精度，使输出的电流值大小保持在设定值。所述一级内环反馈包括BUCK电路、SPWM模块以及MOS全桥电路，该电路检测LC滤波输出的电压，判断其偏离范围，反馈给DSP微调BUCK电路输出以及SPWM的占空比；所述二级反馈调节包括可编程整流模块、电流检测电路、DSP控制器以及ARM控制器，通过电流监测电路对输出电流的检测判断反馈给DSP控制器，DSP控制器，在反馈给ARM控制器，由ARM调整可编程整流模块输出。两级深度滞后超前算法的PID反馈达到宽范围电压、精准电流调节控制的效果。
[0033]ARM控制器控制连接外部控制机，所述外部控制机作为人机界面，外部控制机由单独的线性电源供电；DSP控制器以及电流监测器都由单独的线性电源供电。[0034]以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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说 明 书 附 图
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图1
图2
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说 明 书 附 图
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图3
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说 明 书 附 图
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图4
图5
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