基于微處理器和PWM的交流可調穩壓電源

1 問題的提出與現狀分析

　　教科書中介紹穩壓電源時，幾乎毫無例外都介紹各種類型的直流穩壓電源，交流電壓變換廣泛采用變壓器，交流電壓的穩定主要依賴于電網電壓的穩定。需要交流調壓時常采用可控硅斬波，利用導通角的變化實現交流調壓，這種調壓的缺點是輸出電壓波形嚴重畸變，對電網存在較為嚴重的諧波污染。可控硅調壓波形如圖1所示。

圖1 可控硅調壓輸出波形

　　隨著計算機應用技術的普及與發展，尤其是在物聯網的建設中，作為計算機的感官——傳感器廣泛應用于各種參數的檢測中，例如交流電橋檢測電路，如電容式壓力傳感器、電感式物位傳感器等等，為了保證檢測精度，需要頻率和幅值都很穩定的交流電源。交流檢測電橋如圖2所示。

圖2 交流檢測電橋

　　通常單相交流電源的頻率穩定度較高，由于電源內阻和導線阻抗的存在，電網電壓幅值受負載電流的影響較大，一般是負載電流越大，電網電壓衰減也越大。因此設計交流穩壓電源的主要任務就是適時地根據負載端電壓衰減狀況調節電壓幅值，使輸出電壓相對穩定。

　　采用模擬量調壓可以獲得較好的輸出電壓波形，但是調壓設備自身損耗較大，能量傳輸效率較低；采用高頻率開關量占空比調壓，能量傳輸效率高，由于開關頻率較高，雖存在高次諧波污染，但定周期調占空比的調壓方式，諧波較易濾除。如何兼顧二者的優勢，成為設計交流穩壓電源的關鍵。

　　2 數控交流調壓原理

　　2.1 交流穩壓基本原理

　　首先在只考慮電阻性負載的情況下，應用微型計算機的反饋控制技術，結合數控交流調壓電路、模數轉換電路、脈寬調制、開關晶體管脈沖驅動電路、交流變極性輸出電路、LC脈沖續流濾波電路、交流幅值檢測電路、軟件定值與比較運算、PID數控增益驅動等電路組成交流可調穩壓電源，組成方框如圖3所示。

圖3 數控交流穩壓電源組成框圖

　　基本設計思想是在采樣的低電壓小電流端進行微處理器的數控線性調壓，將幅值調校后的正弦交流信號作高頻采樣、AD轉換送微處理器，運用微處理器的運算功能，求解與正弦交流對應的PWM輸出信號，經脈沖驅動電路作大幅值脈沖輸出，再經續流濾波還原成波形平滑的大幅值正弦交流電。為了構成可調的負反饋控制，對輸出的正弦交流電壓作分壓、采樣、整流、平均值濾波，此平均電壓值對應正弦交流電壓有效值，經AD轉換后送微處理器與鍵入的給定值做比較，用設定的算法把比較后產生的偏差信號轉換成小信號交流調壓電路的數字調節量，完成對輸出交流電壓的閉環負反饋控制，實現在微處理器控制下的交流穩壓輸出。

　　由于采用集成芯片和少量外圍元件，整體電路結構簡單。交流電壓的輸出控制采用軟件定周期調占空比的PWM方式，經脈沖驅動電路和脈沖續流濾波，使交流電源的輸出效率高，由于對輸入交流的采樣頻率高，使電源輸出的電壓波形好，當電網電壓變化或負載變化時，交流穩壓精度高（取決于數控位數）。輸出的正弦交流經過簡單濾波后，幾乎無波形畸變，無明顯的諧波污染。

　　特別適用于對交流電壓穩定度要求較高，波形失真度小的檢測環境。能量傳輸過程是：交－直－交方式。

　　2.2 雙極性DA轉換與數字調壓控制

　　DA轉換電路有一個優良的特性，簡稱為“瞬態轉換，零階保持”。巧妙地應用此電路。

圖4 數控交流調壓電路

圖5交流權值0100調壓仿真一

圖6 交流權值1111調壓仿真二