赵琛，张益，裴方晟，陶泽勇

（国核电站运行服务技术有限公司上海200233）

随着SPWM技术在逆变器等领域的运用越来越广泛，以及IGBT、Power MOSFET等功率开关器件的迅速发展，使得SPWM控制的大功率交流恒流电源向着小型化、智能化、高精度方向发展[1]。根据对我国目前的电源生产企业的规模来看，主要从组装、中外合资、自主研发3方面着手。组装企业采用进口部件进行组装，质量好，成本高，关键技术受限于人，对国内市场适应性差；中外合资企业基本能满足国内市场需求，但对企业发展潜力和竞争力有限；自主研制企业能按市场需求进行专注研发，虽然整理水平有待提高，但适用性强，有利长远发展。因此，考虑到市场上的恒流源在精度、稳定性、幅值、相位、价格等方面无法同时满足要求，本文对恒流源的设计进行了初步研究和探讨，制作了一个可并联使用的恒流源装置，该装置可完成部分低压电器产品的型式试验[2-3]。

文中设计了一种基于ARM微控制器LPC1768微处理器的大功率交流型恒流电源系统，在分析单极性SPWM的调制原理的基础上利用LPC1768特性，实现了单极性SPWM分断同步调制方式，其控制精度高、实时性好、动态响应快，能在不受外界因素干扰下输出稳定精确的恒定电流值。

1　基本结构及工作原理

本数控恒流源系统由恒流源主电路和控制系统组成，主要包括单片机控制单元、A/D和D/A转换模块、通讯模块以及负载及键盘显示模块等，电子式交流恒流源整体框图如图1所示。通过人机接口界面对电流值、频率等参数进行预置，整流（AC/DC）模块将来自市电的380 V交流电通过整流变成530 V的直流电为后续的逆变电路提供能量，同时也为系统的其它模块提供辅助电源；逆变器模块通过SPWM波控制IGBT通断，进而输出幅度、相位可调的正弦交流信号提供给降压升流变压器；频率跟踪模块对参考信号的频率及相位进行精确采样，为后面的正弦信号发生器提供参考频率和初始相位，确保逆变后的电流信号与参考信号一致，此处为恒流源能任意并联使用的关键所在；电压采集模块对输出电压进行实时采集并反馈给后续的误差控制模块；电流采集模块通过精密电流互感器，实时采集实际输出电流，处理后送后续电路进行显示、反馈处理；正弦信号发生器模块根据频率相位跟踪块提供的信号产生与参考信号完全同频率同相位的正弦信号提供给误差控制模块，同时正弦信号的幅度受输出设定和PID控制模块控制，通过模糊PID算法运算后，实时控制正弦号发生器产生的正弦信号幅度，从而使输出电流与设定一致并恒流；误差控制模块将正弦信号发生器产生的正弦信号与逆变输出采样的正弦信号进行误差运算后，输出给SPWM信号发生器，使逆变后的信号与设定信号相位频率相同；来自误差控制模块的正弦信号与本模块内的三角波载率信号进行比较，产生SPWM波形，驱动IGBT功率器件，从而完成逆变过程；通讯显示档位控制处理模块主要处理通讯接口、人机界面显示及档位控制、异常处理等，采用ARM-CortexM3处理器，内置嵌入式实时操作系统（RTOS），应用软件采用C语言编写。多个模块形成多个环路，配合LPC1768微处理器，并结合一定的控制策略对输出电流进行动态调整，从而构成输出电流的闭环控制，实现输出电流值的恒定[4-6]。

2　系统硬件设计

根据其基本结构和工作原理可知，本系统采用AC-DC-AC（如图1所示）的典型模式。单相逆变全桥电路接收来自市电整流滤波后的直流母线电压，并通过ARM单片机产生的SPWM信号经过死区设置和驱动电路驱动逆变主电路。单相全桥逆变电路输出为大电压小电流，必须升流滤波后才能得到所需恒流交流电输出[7-9]。硬件主电路结构图如图2所示。

图1　交流恒流源系统总体框图

图2　硬件主电路结构图

整个系统最关键的环节在于对于全桥的有效驱动和保护，以及升流变压器、滤波器的设计。这两者直接关系到了系统的可靠性以及所能达到的功率和精度要求。

2.1　SPWM波形发生电路设计

SPWM波形发生电路是逆变器工作的核心控制电路，利用LM311电压比较器将正弦波变成同频率的方波，通过CD40106BE对脉冲波形整形，使波形的上升沿或下降沿变得陡直，其SPWM脉冲幅值为5 V，频率50 Hz。在单相全桥电路中，上下桥臂之间的开关器件在切换工作状态会出现同时导通状况，为防止其产生，需要设置延迟时间，可通过死区电路来实现。死区时间控制电路及驱动电路如图3所示。当与非门的输入为高电平时，电容通过电阻充电，充电过程完成之前与非门输出高电平，使驱动电路发出负脉冲，开关器件截止；充电完成之后与非门输出低电平，使驱动电路发出正脉冲，开关器件导通，从而得到SPWM稳定脉冲[4]。

2.2　升流滤波模块设计

图3　死区时间控制及驱动电路

本系统的逆变主电路部分由4个IGBT管组成H型全桥电路，其输出为型式试验所需要的低压大电流，为了使输出电流达到试验需求，输出信号在电压降低的同时提高输出电流，故本方案中采用了升流变压器来达到此目的。升流变压器在结构和使用方面有别于普通工频变压器：1）由于IGBT管采用SPWM波进行控制，工作波形为交流方波波；2）相对于普通工频变压器，升流变压器工作频率高很多，一般在100～500 kHZ，本设计中载波频率是20 kHZ，具有使用效率高、损耗小等特点；3）由于较高的载波频率，在升流变压器设计时必须满足系统高频工作需求和考虑高频谐波的影响[10]。

根据恒流源使用的环境和范围，设计的额定输出电流Io=200 A，输出电压最大值Uo=20 V，则功率输出最大值为：

由于实际试验中，IGBT管驱动时，当驱动方波占空比大于75%（即SPWM生成调制比a=0.65），IGBT管将会出现严重发热，持续条件下很容易造成烧坏而使使用寿命大为降低。故在利用单片机得到驱动IGBT的SPWM波形时，为保证系统安全可靠，方波占空比控制在65%以内。经过逆变全桥电路后，输出电流最大值为：

由于开路情况下，额定输出电压为20 V，可知得变压器的变比为：

升流变压后输出电压为SPWM波形，但同时包含正弦波分量以及高低次谐波。因此，为消除这些影响，需要设计一个滤波环节，通过滤波设备对载波进行LCL滤波[11]，最后得到一个完整正弦波对负载进行型式试验，波形失真度<5%。

3　系统软件设计

主控芯片LPC1768主要根据采集来的电流值，输出一定频率和占空比的脉冲来控制全桥开关器件的通断。主程序控制流程如图4所示，其核心是SPWM波形的产生和数字PID的控制调节算法，通过硬件、软件两层反馈，PID控制算法以及SPWM波调节等都极大的提高了系统输出电压的稳定度[12]。

程序设计思想是，通过MCGS触摸屏进行初始化、数据设置后，采集电路采集到电压、电流与设定的预置值进行比较，通过键盘扫描、按键子程序处理后进行PID运算，由ARM改变输出PWM波的占空比，不断调节、稳定电流值，使电流值接近于期望值，并通过采用的是电子开关和高性能嵌入式一体化触摸液晶显示屏TPC7062Ti进行实时更新显示[13-14]。

图4　主程序控制流程图

图5　模糊PID控制系统框图

由于交流恒流电源的检测对象具有多样性，为了使交流恒流源的输出电流具有相对较好的动态特性与稳态特性，在软件设计对控制系统的算法方面选取了模糊PID控制器，利用模糊控制器规则在线对增量式PID的参数进行修改[15]，模糊PID控制系统图如图5所示。PID参数模糊自整定过程是找出PID的3个参数与e和ec之间的关系，在大功率恒流源运行过程中模糊控制器对e和eb的值进行检测，根据模糊规则进行模糊推理，对KP、KI、KD3个参数进行在线修正，查询模糊矩阵表进行参数调整，以满足不同的控制变量e和ec对控制参数不同的要求，系统动、静态性能都相应变好。

4　系统功能测试与分析

在低压电器相关型式试验（TTA）的检测能否精确稳定的进行，以产品型号：JXF主母线：In=200～20 A，Icw=4 kA；Ue=380 V，Ui=400 V；50 Hz；IP30的低压配电箱（低压成套开关设备）低进行温升试验为例来说明，通过交流恒流源的MCGS触摸屏进行试验系数校准，外接GEN2i数据采集瞬态记录仪，通过GEN2i的GUI来观察三相相位角是否稳定。为了比较预置电流和输出电流之间的误差，在0～200 A间选定了10个测试点相比较，测量数据记录如表1所示，其中ID为预置参考电流；I1为恒流源显示总电流；I2为GEN2i数据采集瞬态记录仪罗氏线圈测量得到的数据，相对误差τ计算公式为相对误差：

图6为A、B、C三相电流输出波形，可以看出两相相位差ΔX为6.63 ms，而周期T为20 ms，可知交流恒流源三相电相位角稳定在120°。

由表1可以看出，交流恒流源在10～200 A时，预置输入参考值与电流互感器检测到的显示电流值存在一定偏差，但能控制在1%左右，且电流越接近额定值，稳定性越好[16]。因此结果是符合实际测量精度要求的。

表1　交流恒流源电流测试数据

5　结论

图6　A、B、C 3相电流输出波形

本文叙述了以LPC1768微处理器为控制核心、基于单极性SPWM调制的高稳定交流恒流电源的设计。与常用恒流源装置相比，其优越性主要体现在以下几个方面：1）它的输出电流可在0～200 A任意设置，无须步进设置；2）若根据型式试验需求，可任意并联组合，得到需要的大功率输出电流；3）恒流源随负载变化小，系统的稳定度和精确度得到了很大的提高，可实际应用于各种低压电器的校验和型式试验等场合。