CN207021912U - 多路输出任意波形电压源系统 - Google Patents

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张丽华
田伟明
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Abstract

本实用新型公开了一种多路输出任意波形的电压源系统，包括输入直流电源、DC‑DC升压电路、全桥逆变电路、控制电路、输出电压采样电路、隔离驱动电路、过零检测以及各种保护电路。本实用新型采用Boost升压和全桥逆变两级结构，利用ARM集成芯片，采用单极性倍频SPWM调制和PI调节，编写程序算法，得到不同的占空比脉冲波，控制开关管导通与关断；得到输入基准波的频率，使输出信号跟踪输入信号，实现效率高、波形质量好、波形种类多、动态响应速度快、幅值和频率的宽范围输出。

Description

多路输出任意波形电压源系统
技术领域
本实用新型涉及逆变电源技术领域。
背景技术
随着电力电子技术的发展，已出现多种新型高性能的功率级电压信号源。功率级电压信号源是继电保护测试仪中的核心部分，其作用是将仿真计算的电网故障场景信号，稳定放大为模拟电网场景的二次电压、电流信号，注入待测试的继电保护设备。利用DDS技术，即直接数字频率合成技术生成的不同频率和电压等级的波形，但额定输出功率小，无法驱动功率负载；大功率高压开关功率放大器，能输出宽范围频率0-3kHz，但是波形单一，只有正弦输出；基于滞环控制的二重单相全桥逆变功率放大器，虽然实现了多种信号波形输出，但是频率只有50Hz，不能满足功率级电压信号源输出频率范围宽的要求。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供了一种多路输出任意波形的电压源系统，该系统采用Boost升压和全桥逆变两级结构，利用ARM集成芯片，采用单极性倍频SPWM调制和PI调节，编写程序算法，得到不同的占空比脉冲波，控制开关管导通与关断；得到输入基准波的频率，使输出信号跟踪输入信号，实现效率高、波形质量好、波形种类多、动态响应速度快、幅值和频率的宽范围输出。
本实用新型的技术方案是：多路输出任意波形的电压源系统，包括输入直流电源、DC-DC升压电路、全桥逆变电路、ARM控制电路、输出电压采样电路、隔离驱动电路、过零检测以及各种保护电路，其特征是：输入直流电源为24V蓄电池；DC-DC升压电路包括电感L1、滤波电容C1、二极管D1、开关管VT1、分压电阻R1和R2、采样电阻RS、PWM控制芯片；全桥逆变电路包括开关管VT2～VT5、滤波电感L2、滤波电容C2；控制电路包括ARM控制芯片及外围电路；输出电压采样电路包括采样电阻R3和R4、LM358运放、光耦隔离和电压上移电路；隔离驱动电路包括隔离变压器T1、T2、T3和T4，滤波电容C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9和C10；
系统由24V蓄电池供电，连接DC-DC升压电路的电感L1和辅助电源电路，辅助电源产生五路输出电压+3.3V、+5V、-5V、+12V 和-12V；电感L1接开关管VT1的漏极和二极管D1的正极，二极管 D1的负极接滤波电容C1，分压电阻R1和R2串联后接在滤波电容C1两端，将输出电压采样给PWM控制芯片，开关管VT1源极接采样电阻RS，用以检测输入峰值电流，滤波电容C1的负极接地；
DC-DC升压电路输出150V接三路全桥逆变电路的开关管VT2、 VT3的漏极，开关管VT2的源极接开关管VT4的漏极和滤波电感L2，开关管VT3的源极接开关管VT5的漏极和滤波电容C2的负极，开关管VT4、VT5的源极接地，滤波电容C2的正极接电感L2的另一端；
采样电阻R3和R4串联后接在滤波电容C3两端，分别将采样的输出电压通过LM358运放、光耦隔离、电压上移电路和过零检测电路给ARM控制芯片处理；
ARM控制电路由辅助电源供电，产生的可变占空比脉冲传给两个驱动芯片，两个驱动芯片输出互补脉冲分别接电容C4、C8和C6、 C9一端，电容C4、C6、C8、C9另一端连接隔离脉冲变压器T1、T2、 T3、T4，隔离脉冲变压器T1通过电容C3接开关管VT4栅极，隔离脉冲变压器T2通过电容C5接开关管VT3栅极，隔离脉冲变压器T3 通过电容C7接开关管VT5栅极，隔离脉冲变压器T4通过电容C10 接开关管VT2栅极，分别将驱动信号隔离传给开关管VT4、VT3、VT5、VT2，控制开关管的导通与关断，从而控制全桥逆变电路的输出电压，实现输出信号与输入信号的频率跟踪以及功率放大，多路电压信号通过GPS模块校时实现同步输出，红外遥控基准输入。
本实用新型多路输出任意波形的电压源设备，携带方便，供电方便，多路输出任意波形的电压源设备。其中，ARM采集输出瞬时电压和输入基准电压比较，用以调节脉冲的占空比，进而控制开关管的导通和关断，实现三路任意波形的输出，并且利用GPS、红外使波形同步和遥控输出。
本实用新型利用程序算法输出与基准信号频率一致、形状一致的电压波形，输出正弦波畸变率低、三角波线性度和对称性好、方波上升下降时间短，实现三路幅值0-120V、频率10-1000Hz宽范围同步遥控输出。
与现有技术相比，本实用新型的优点是：
(1)接收的外部基准信号为波形数据表，ARM可以不用进行AD 处理直接作为输入基准采用，简单快捷。
(2)三路输出采用GPS高精度授时模块进行同步，同步误差小。
(3)系统采用红外进行远距离遥控。
(4)系统输出幅值和频率范围宽，输出功率大，波形种类多。
附图说明
图1是本实用新型的整体系统原理图。
图2是使用Simulink仿真的Boost升压结果图。
图3是使用Simulink对整机电路进行仿真的输出电压结果图，其中(a)是50Hz输出电压波形，(b)是500Hz输出电压波形。
图4是本实用新型的SPWM产生程序流程图。
具体实施方式
以下将结合附图和实例对实用新型的内容做进一步说明。
如图1所示，24V直流输入电压一路送入主电路，另一路送入辅助电源产生五路辅助电压，±12V、±5V和+3.3V直流电压，分别为系统芯片和控制芯片供电，24V直流电送入主电路后经Boost变换器升压至150V，作为后级全桥逆变电路的母线电压，再经过L2、C2滤波为负载供电，系统通过采样电阻R3、R4采样输出瞬时电压，一路首先通过LM358调理增强，然后采用线性光耦HCNR201进行双极性信号隔离、再通过运放LM358组成的电压跟随器，将电压调整在 -1.5V～+1.5V，由于ARM不能采样负电压，需要对转换的交流电压叠加一个正电压偏置，使得电压范围在0到3.3V内，所以最后经过精密放大器INA128将电压上移1.5V后传给ARM，然后将采样到的数据通过ARM程序进行处理，产生不同宽度的脉冲。
Boost变换器工作在CCM过程，Po为输出功率，f为开关管频率， Upp为输出纹波电压，Io为输出电流，输入功率Pi＝Po/η，输入电感上的峰值电流为IP＝Pi/Ui，输入电流纹波为ΔI＝0.4IP，最大占空比为 Dm＝(Uo-Ui)/Uo，则所需电感为L＝UiDm/ΔIf，滤波电容值为C＝IoD/fUpp，经过Boost电路，电压升至150V，作为后级全桥逆变电路的母线电压。当电压源输出电压降低的时候产生宽脉冲波，在输出电压增高的时候产生窄脉冲波，驱动脉冲经驱动芯片和脉冲隔离变压器T1～T4，分别对开关管VT2～VT5控制，使整个系统正常运行，实现多路波形输出，输出幅值和频率范围宽，功率大，波形种类多，利用GPS校时同步三路电压源输出，采用遥控接收外部基准信号。结合以上设计，使用Simulink对Boost升压电路和整机电路进行仿真实验，如图2是 Boost升压电路结果图，在40ms以后，系统大致稳定在150V，电压纹波小。
图3a和图3b是分别输入50Hz和500Hz的峰峰值为1V的正弦波、三角波、方波，设计三角波和方波输出100V，正弦波输出120V，观察到的负载电压波形。结果表明正弦波畸变率不超过1％，三角波线性度好、波形左右对称，方波上升下降时间仅为20us。完成了幅值 0-120V、频率10-1000Hz宽范围输出。仿真结果验证了本实用新型设计思路的完整性和可行性。
图4是SPWM产生模块的程序流程图，上电后，整个系统程序初始化，利用串口接收基准信号数据。由于基准信号是任意波形，所以先判断基准是否发生突变，若基准变化，则存储基准信号数据表；若基准未变化，则直接利用AD采样输出瞬时电压，读取输出电压结果，判断是否短路，提高系统的可靠性，若系统短路则输出占空比D 为0，关闭开关管；若判断不是短路则程序继续运行，将输出电压的采样转换结果与参考值比较，得到的瞬时值误差进行PI处理，再送到倍频SPWM得到相应的占空比脉冲对开关管进行控制，程序正常运行。

Claims (1)

1.多路输出任意波形的电压源系统，包括输入直流电源、DC-DC升压电路、全桥逆变电路、ARM控制电路、输出电压采样电路、隔离驱动电路、过零检测以及各种保护电路，其特征是：输入直流电源为24V蓄电池；DC-DC升压电路包括电感L1、滤波电容C1、二极管D1、开关管VT1、分压电阻R1和R2、采样电阻RS、PWM控制芯片；全桥逆变电路包括开关管VT2～VT5、滤波电感L2、滤波电容C2；控制电路包括ARM控制芯片及外围电路；输出电压采样电路包括采样电阻R3和R4、LM358运放、光耦隔离和电压上移电路；隔离驱动电路包括隔离变压器T1、T2、T3和T4，滤波电容C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9和C10；
系统由24V蓄电池供电，连接DC-DC升压电路的电感L1和辅助电源电路，辅助电源产生五路输出电压+3.3V、+5V、-5V、+12V和-12V；电感L1接开关管VT1的漏极和二极管D1的正极，二极管D1的负极接滤波电容C1，分压电阻R1和R2串联后接在滤波电容C1两端，将输出电压采样给PWM控制芯片，开关管VT1源极接采样电阻RS，用以检测输入峰值电流，滤波电容C1的负极接地；
DC-DC升压电路输出150V接三路全桥逆变电路的开关管VT2、VT3的漏极，开关管VT2的源极接开关管VT4的漏极和滤波电感L2，开关管VT3的源极接开关管VT5的漏极和滤波电容C2的负极，开关管VT4、VT5的源极接地，滤波电容C2的正极接电感L2的另一端；
采样电阻R3和R4串联后接在滤波电容C3两端，分别将采样的输出电压通过LM358运放、光耦隔离、电压上移电路和过零检测电路给ARM控制芯片处理；
ARM控制电路由辅助电源供电，产生的可变占空比脉冲传给两个驱动芯片，两个驱动芯片输出互补脉冲分别接电容C4、C8和C6、C9一端，电容C4、C6、C8、C9另一端连接隔离脉冲变压器T1、T2、T3、T4，隔离脉冲变压器T1通过电容C3接开关管VT4栅极，隔离脉冲变压器T2通过电容C5接开关管VT3栅极，隔离脉冲变压器T3通过电容C7接开关管VT5栅极，隔离脉冲变压器T4通过电容C10接开关管VT2栅极，分别将驱动信号隔离传给开关管VT4、VT3、VT5、VT2，控制开关管的导通与关断，从而控制全桥逆变电路的输出电压，实现输出信号与输入信号的频率跟踪以及功率放大，多路电压信号通过GPS模块校时实现同步输出，红外遥控基准输入。
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