基于PIC單片機的交流凈化穩壓電源設計

任 賢

（山西電力職業技術學院，太原 030021）

目前，現有的各類民用穩壓電源均普遍針對一般民用電網的特點而設計，不適合航天發射計量測試的需求。一般說來，民用電網由于負荷大，電源電壓通常偏低，而航天計量測試設備所用的電網由于采用了逆變不間斷供電技術，供電容量相對較小，易受負荷變動的影響，為適應多種負荷的工作需要，電源電壓通常偏高。普通的交流穩壓電源，由于供電波形失真大，過零檢測不準確，易造成輸出電壓不穩，另外，由于某些交流穩壓電源的一些固有的特點，當驅動非線性負載時易產生振蕩。這樣就造成的問題主要是現有穩壓電源不適用于航天計量測試的條件，故障率高，使用壽命短，一般不超過兩年，給計量測試工作帶來很大的麻煩。

1 交流凈化穩壓電源設計方案

通過對國內外交流穩壓電源技術現狀了解和發展動態的分析，以及對發射基地供用電特點的調查，計量測試用精密交流凈化穩壓電源的設計方案主要考慮2個方面的內容，一是主調整回路采用正弦能量分配器，在設計上主要考慮輸入電壓普遍偏高，且變動幅度大，諧波含量豐富的基地供電特點，需要對正弦能量分配器各元件進行參數的設計；二是由于計量測試用電對穩壓精度的要求較高，控制電路的設計成為研制的關鍵。

交流凈化穩壓電源的基本設計思路是，在設計正弦能量分配器、采用數字控制技術的基礎上，充分借鑒目前交流穩壓電源設計技術，根據對交流凈化穩壓電源自身特性的理解，著重克服基地實際使用中面臨的問題，以達到預先的設計目標。根據上述思路，設計如圖1所示的交流凈化穩壓電源原理框圖。該方案設計以含有功率濾波功能的正弦能量分配器為主回路，控制電路以PIC微處理器為核心，由過零檢測電路、電壓采樣電路、波形采樣電路、電平變化電路組成。當市電電壓或負載波動引起輸出電壓變化時，通過采樣電路和數字化處理之后，通過控制電路控制雙向可控硅SCR的導通角，從而改變流過電感的電流的大小，進而改變補償電壓的大小及其相位，最后達到穩壓的目的。

圖1 計量測試用精密交流凈化穩壓電源原理框圖

電源控制電路要解決的主要問題：精密過零檢測技術，誤差放大技術，振蕩抑制技術，可控硅導通角精密控制技術，極速穩壓技術，以克服正弦能量分配器主調整回路易產生低頻振蕩的缺陷，使長期穩壓精度優于±1%，穩定時間減小到10ms。

2 控制電路硬件設計與仿真

傳統精密交流凈化穩壓電源的改進，即數字監控精密交流凈化穩壓電源的開發方案根據當前技術發展、數字化趨勢，通過對數字信號處理器DSP和可編程邏輯控制器 PLD、單片機 MPU三者組成數字監控系統的優缺點的比較，綜合經濟和功能實現的要求，精密交流凈化穩壓電源監控系統的改進任務由單片機實現。

2.1 控制電路中各功能電路設計

控制電路設計應遵循下列設計原則∶

（1）選擇典型電路和微處理器的常規用法，便于實現硬件系統的標準化、模塊化。

（2）系統中模塊設計盡可能做到性能匹配，例如選用晶振頻率較高時，存儲器存取時間有限，應該選擇允許存取速度較高的芯片。

（3）微處理器外接電路較多時，必須考慮其驅動能力和電平配合。

（4）系統硬件配置與應用軟件方案統籌考慮，軟件能實現的功能盡可能由軟件來實現，以簡化硬件結構。

（5）可靠性和抗干擾設計是硬件系統設計不可缺少的一部分，它包括芯片、器件選擇、電氣隔離等。

1）市電同步正弦波電路

該部分電路的作用是獲得與市電同步的正弦波。因為與市電同步的正弦波是以后產生與市電同步脈沖波的基礎，而整個數字監控系統的工作都是按照與市電同步的脈沖波的時序來進行的，系統監控核心PIC單片機處于中斷工作方式，與市電同步的脈沖波是它的中斷觸發信號，可見這部分電路的作用十分重要。

2）同步脈沖波電路

交流凈化穩壓電源是根據輸出電壓的大小改變晶閘管導通的相位角來穩定電壓的，這個相位角由眾多因素來決定,同時晶閘管觸發脈沖必須與交流信號同步,而交流過零點脈沖的提取是確定相位角的基礎，只有準確無誤的捕獲它,才能準確確定相位角。 當為整流濾波型負載時,使其交流輸入電流為嚴重的非正弦波,使輸出電壓波形平頂化,并最終影響到過零采樣點處的電壓幅值和波形，這是造成普通控制電路控制的凈化型交流穩壓電源振蕩的主要原因，波形示意圖如圖2和圖3所示。

圖2 市電同步正弦波電路波形示意圖

圖3 市電同步脈沖示意圖

這里選取的方案是與市電同步的正弦波先通過一片 LM339組成的比較器得到方波，然后通過一片LM339組成的電平轉換電路進行電平轉換，最后通過一片線性光耦TIL117進行光電隔離，得到與市電同步的脈沖波。脈沖波的上升沿十分陡峭，而且使用了線性光耦TIL117進行光電隔離，保證數字監控系統免受其他外來噪聲的干擾，實現強弱電的隔離。光電隔離器傳輸信號采用光電轉換原理，使信號輸入端與信號接受并輸出端實現電絕緣。因此，可以消除輸入回路中噪聲信號、共地雜波等對輸出回路的信號干擾，實現直流信號到交流或脈沖信號間的傳送，如圖4所示。

圖4 市電同步脈沖電路原理圖

3）電壓采樣電路

任何一個含有智能處理單元的電路系統中，采樣信號處理的好壞，對整個電路系統的性能都起著至關重要的作用。這是因為，一方面采樣電路的好壞，關系到能否為智能處理單元提供正確、穩定的采樣信號，如實地反應電路系統的狀態；另一方面，質量優異的采樣信號為相應的電路提高轉換質量和穩定性提供了保障。電源實際控制電路的設計中，為提高整個交流穩壓系統的穩壓精度和系統故障檢測功能，在穩壓電源的輸入電壓和輸出電壓都設置了采樣電路。

輸出電壓采樣值的精確與否對本數字監控式精密凈化穩壓電源技術指標的提高的影響是十分關鍵的，因為根據輸出電壓采樣值來計算可控硅觸發脈沖的起始時間，以達到監控的目的。輸出電壓進行采樣的同時，加上了電壓限幅電路和高頻濾波電路。先把輸出電壓通過全波整流，轉換為紋波較小的脈動直流，然后通過兩個二極管組成的限幅電路，最后通過RC電路進行高頻濾波，送入PIC單片機A/D轉換口，如圖5所示。

圖5 電壓采樣電路原理圖

另外，為了實時的相對準確的顯示輸入電壓和輸出電壓的波形，還設計了波形采樣電路及信號處理電路,晶閘管觸發電路,報警電路,控制電路供電電源等等這里不一一敘述。

2.2 電源主回路仿真

在確定電路主回路參數的基礎上，利用PSPICE的電路仿真能力，對于主回路中各參數的作用做了較為詳細的研究，仿真圖如圖6所示。

圖6 凈化穩壓電源主回路仿真示意圖

在電源主回路的仿真研究中，為了清晰的、直觀的顯示主回路參數對輸出電壓的影響，假設電源主回路其他元件參數固定不變。單獨分析可變電感L在（38.7～200mH）變化時，輸出電壓呈現了逐漸下降的趨勢。這種主回路元件參數的組合，在沒有控制電路穩壓控制的時候，最大電壓輸出值達到280V，最小電壓輸出值可以達到160V，如圖7所示，如顯然難以滿足穩定輸出電壓的要求，但只要通過控制電路實現晶閘管控制角的相應改變，可變電感值必然發生相應變化，輸出電壓的變化趨勢一定會發生相應的變化，可以達到電源穩壓的目的。

圖7 輸出電壓與可變電感曲線關系圖

在交流穩壓電源的實際使用中，影響電源穩壓特性的因素很多，而電源負載阻抗的復雜特性和大小變化也是其中的重要影響元素。那么電源負載阻抗的變化，對于穩壓電源輸出電壓的影響到底怎么樣呢？假設電源負載阻抗從空載阻抗一直變化到滿載阻抗，穩壓電源的輸出電壓變化規律怎么樣呢？這里，設交流穩壓電源空載時，負載阻抗值為1k?；滿載時，設定其負載值為50?。如圖8 所示，在主回路其他元件參數固定的情況下，負載阻抗的變化，確實可以引起輸出電壓的相應變化。當負載阻抗從滿載阻抗增大時，輸出電壓相應的呈增大趨勢。

圖8 輸出電壓與負載阻抗曲線關系圖

交流穩壓電源的實際應用中，負載阻抗的表現為感性的情況較多。當負載阻抗存在感性阻抗時，交流輸出電壓值相應的產生變化。在交流穩壓電源主回路其他元件參數不發生變化時，輸出電壓隨感性負載的增大，呈現減小的趨勢，如圖9所示。圖10中所示的這種變化關系，是一種理想的變化狀況，在實際的電源使用中負載的變化規律復雜，但是這樣的關系直觀的表達了感性負載變化時輸出電壓的變化規律。

交流穩壓電源的實際應用中，電源負載的特性復雜，容性阻抗作為阻抗類型的一種，到底對于交流穩壓電源的輸出電壓影響作用如何，本文在規定其他主回路元件參數不變的基礎上做了仿真分析。圖10中顯示，容性阻抗在一定的范圍內，當容性阻抗逐漸增大時，輸出電壓呈上升趨勢。但是當容性阻抗超出這個范圍后，輸出電壓隨著容性阻抗逐漸增大而逐漸減小。這種固定其他因素不變，單獨反映容性阻抗的影響作用的曲線圖，從一個側面直觀的反映了電源負載阻抗對于輸出電壓影響的復雜性。

圖9 輸出電壓與感性阻抗曲線關系圖

圖10 輸出電壓與容性阻抗曲線關系圖

交流凈化穩壓電源的穩壓原理是通過改變晶閘管導通角的大小，來改變可變電感的大小，進而改變可變電感與并聯電容組成的電抗屬性和大小，通過控制電路從而實現輸出電壓的穩定輸出。所以，并聯電容的選取很關鍵。圖11中顯示，一定范圍內增大并聯電容，減小可變電感與并聯電容組成的電抗值，輸出電壓呈下降趨勢。但是，當并聯電容增大超過一定范圍后，對輸出電壓的影響作用變化不定，這樣會影響電源工作的穩定性，這也為主回路并聯電容大小的選取提供了必要的指導。

圖11 輸出電壓與可變電感并聯電容曲線關系圖

在交流凈化穩壓電源主回路的設計中，有專門諧振于市電3倍頻和5倍頻的濾波電容和電感的設計，除此之外，在交流凈化穩壓電源的設計中，與電源負載并聯的濾波的電感的設計也很重要，它在一定意義上將極大的影響交流凈化穩壓電源的低通濾波特性。從圖12中可以清晰看出，濾波電容的選取不宜太大，太大會對電源的工作穩定性產生不良影響。

圖12 輸出電壓與濾波電容曲線關系圖

3 樣機穩壓性能測試

交流穩壓電源中，負載變化、主回路參數、輸入電壓等因素會引起輸出電壓的變化。在實際交流穩壓電源的應用中，各種相關因素是不斷變化的，而輸出電壓最大限度保持恒定的能力是用戶最關心的事情。樣機經性能測試，其指標完全符合設計要求，后在計量站進行了實際試用，效果良好。圖 13是實驗樣機的實物圖片，為說明其主要性能表現，給出了穩壓電源在 5kW 輸出負載時，通過調壓器對輸入電壓進行突變調節時，圖14所示實測的輸入輸出比對波形, 圖15所示外場實測的輸入輸出比對波形。

圖13 高穩定度精密供電電源樣機實物圖

圖14 實測輸入輸出比對波形（上波形為輸入，下波形為輸出）

圖15 外場實測輸入輸出比對波形（上波形為輸出，下波形為輸入）

從圖14中明顯看出，穩壓精度優于±1%，穩壓輸出的調整速度不大于10ms，表明研制的穩壓電源具有優良的性能。從圖15中可以看出，外場實際的輸入電壓波形得到了很好的改善，輸出電壓可以滿足實際需求。

4 結論

通過交流凈化穩壓電源仿真模型的建立，實現了電源主回路的仿真，進一步明確了主回路各元件參數對電源輸出電壓的影響，為主回路參數的斟酌選取提供了理論指導，并且克服了實際設計中器件更換繁瑣的缺點，對于各元件參數的影響有了直觀的認識。通過對樣機穩壓性能的實際測試證明，樣機的穩壓性能可以很好的滿足基地對輸出電壓的穩定要求，并且在實際試用中，效果良好。

[1]趙良炳.現代電力電子技術基礎[M].北京∶清華大學出版社,2001∶99-131.

[2]吳霞.OrCAD/Pspice9.2在電路仿真實驗中的參考方向的選擇[J].現代電子技術,2006,4(219)∶133-135.

[3]付巍.Pspice在模擬電子電路設計中的應用[J].機械工程與自動化.2006(6)∶136.

[4]秦毅男,廖曉輝.基于 Pspice的電子電路仿真與設計[J].微電子技術,2006(1)∶136-137.

[5]何家梅,張曉政.利用 Pspice的仿真技術對交流互感電路的分析[J].鄭州經濟管理干部學院學報,2004,3(19)∶ 92-93.

[6]汪漢新,朱翠濤,陳亞光.基于 Pspice的電路優化設計方法的研究與應用[J].微電子學與計算機,2007,24(1)∶110-113.

[7]W.K.Wong. Application of compact static var compensators to distribution systems. IEEE Transaction Power Delivery[J],Vol5,No2,April 1990.

[8]George G.Karady. Continuous Regulation of Capacitive Reactive Power.IEEE Transaction Power Delivery[J],Vol.7,No.3,April 1992.