单相交流程控电源控制系统的研究.docx
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1、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180V300V范围内连续可调,误差为0.1%;信号频率在30Hz1000Hz 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
2、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(Direct Digital Frequency Synthesis 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(Insulated Gate Bipolar Transistor,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
3、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
4、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Development of Measuring and Controlling System of Single-phase AC Programmed Power SupplyAbstractIn recent years, with the development of technology of power electronics an
5、d technology of automatic controlling, the performance of variable-frequency power source which is an important part of the power supply is directly related to the security and reliability of the system. In this paper, the measuring and controlling system of single-phase AC programmed power supply i
6、s a controlling and measuring system of a high-power frequency conversion power, and its output is the sine power signal that the frequency and amplitude can be adjusted and it can monitor and control the large power signal at the same time. The output of the system is a ideal signal and the amplitu
7、de(180V300V) and the frequency(30Hz1000Hz) of the signal can be adjusted freely responding to the users orders. The max output power is 40KW. In a sense, these characters can meet the demands of the user. So the user can get slight harmonic pollution supply and can get the right signal easily by cha
8、nging the parameters through the man-machine mutual panel.In this paper, combining the theory of the electric machine control and using Direct Digital Frequency Synthesis (which is short for DDS or DDFS), we design a circuit that can generate modulated signal and carried signal. We chose the complex
9、 programmable logic(CPLD) device-EPM570T144I5 which is of high performance and low cost, and we design the logic circuit of DDS in it. The data of the modulated signal and carried signal is inputted into a high-speed static random access memory-61LV6416. Then, the data can convert to the analog sign
10、al through the DAC-AD5445. At last we can get the smooth signal through the low pass filter. In order to monitor and control the voltage, the current and other parameters of the system, we use the high-performance synchronous sample analog to digital converter(ADC) AD7656 to sample the signal from t
11、he mutual-inductor mutual. The output signal is regulated through the software PID.It can practice the stability output and ensure the high-sensibly. In this paper, the 32bit ARM7-LPC2214 processor of NXP company is used as the core of controlling and the high-speed CPLD EPM570T144I5 is used as the
12、logic control unit, we can get a much better signal sample, analyse and processing, wave output and related controlling. In order to guarantee the performance of a real time of the arithmetic and controlling of the LPC2214, we use another ARM7 processor LPC2136 to process the key and LCD display spe
13、cially.At last, through the practice and testing, we prove that the system satisfy the require of design with much better stability.Keywords programmable source, DDS, PID control不要删除行尾的分节符,此行不会被打印目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 研究背景和意义11.2 单相交流程控电源控制系统的研究现状21.3 主要研究内容31.4 系统技术指标3第2章 系统基本理论42.1 系统基本结构42.2
14、波形发生器基本原理52.2.1 DDS 基本原理52.2.2 DDS 的结构52.2.3 波形合成62.3 本章小结7第3章 硬件设计83.1 波形发生器的设计83.1.1 DDS 的基本构架93.1.2 低通滤波器113.1.3 信号频率调节的实现123.1.4 信号频率调节的实现123.2 反馈监测单元电路的设计133.2.1 信号采样电路133.2.2 信号调理电路133.2.3 A/D 转换电路143.3 CPLD 控制模块及硬件语言设计143.3.1 CPLD 控制模块及硬件设计143.4 主控处理器LPC2214163.5 人机界面203.6 安全保护措施213.7 本章小结21第
15、4章 软件设计与实现234.1 功能实现单元软件的实现234.1.1 控制软件实现的基本功能234.1.2 控制软件的实现244.2 上位机程序324.3 本章小结34结论35致谢36参考文献37附录1 LPC2214 及其外围电路38附录2 AD7656 电路连接图39附录3 系统功能实现单元电路板41附录4 系统整体外观42千万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,
16、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
17、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
18、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
19、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
20、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
21、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
22、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
23、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3
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