CN207117486U - 多路输出任意波形电流源系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多路输出任意波形电流源系统，包括推挽DC‑DC升压电路、全桥DC‑AC逆变电路、辅助电源电路、ARM控制电路、GPS控制电路、双极性SPWM电路、PI控制器、输出电流采样电路和隔离驱动电路。该系统实现了将小信号转换成具有两路失真小，输出同步大功率信号源特点的恒流电信号。

Description

多路输出任意波形电流源系统

技术领域

本实用新型涉及开关电源技术领域。

背景技术

功率放大器的发展大致分为三代：第一代是线性功放，其优点是易于实现，缺点是系统动态性能差，效率较低。第二代是开关型器件，它提高了电源效率和响应速度，其缺点会产生很大的电磁干扰，同时电流纹波也比线性功放大，且功放多由数个独立模块组合构成，不仅体积巨大，而且开发周期长，系统整体可靠性不高。第三代功率放大器均是采用开关型器件和高性能的微处理器，朝着小型化、集成化的方向不断发展。

功率放大器广泛应用于通信系统和各种电子设备中,为负载提供足够大的信号功率。目前,电压型功率放大器较为普遍。但在某些应用场合,需要能恒定输出较大电流,以驱动负载的恒流功率放大器。尤其在继电保护测试设备中，电流功率放大电路的品质对其整体性能有着重要的影响。依据电网保护二次现场情况，测试仪的输出电流有效值可调范围要达到0-30A，精度要达到0.1％，输出频率可调范围要达到0-1200Hz，误差要小于0.001Hz，输出波形中的谐波含量要少，且要具有一定的负载能力，能够持续稳定输出。

目前我国已有的继电保护测试仪用电流功率放大电路难以同时满足以上要求，并且高性能产品价格高。因此设计采用ARM/STM32 高性能微控制器，结合硬件电路及各环节控制策略，最大程度来实现各设计要求，并实现两路同步输出，红外遥控远程操作的目的。

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电流源系统，该系统能够将小信号转换成具有两路失真小、输出同步的电信号，实现放大、恒流输出的目的，并对恒流源进行开路保护。

本实用新型的技术方案是：一种多路输出任意波形电流源系统，包括推挽DC-DC升压电路、全桥DC-AC逆变电路、辅助电源电路、 ARM控制电路、GPS控制电路、双极性SPWM电路、PWM比较器 /PI控制器、输出电流采样电路和隔离驱动电路，其特征是：推挽 DC-DC升压电路包括变压器、升压电感L1和滤波电容C1；全桥 DC-AC逆变电路包括开关管、二极管D、电阻R、滤波电感L2、滤波电容C2；ARM控制电路包括ARM控制芯片及外围电路；输出电流采样电路包括分压电阻R2、采样电阻R3；

系统由12V或24V蓄电池供电，对其进行直流升压至120V，以此为母线电压为后级两路全桥DC-AC逆变电路进行供电，前级采用芯片UC3846芯片控制推挽DC-DC升压电路进行直流升压，通过采样电感电压U_L1及输出电压U_o1进行误差放大送至PWM比较器，同时又被限流电平进行钳位，并通过逐个检测和调节电流脉冲实现控制电源输出电压的目的；

全桥DC-AC逆变电路通过双极性SPWM电路和PI控制器调节得到脉冲信号来控制四个开关管的导通；滤波电感L2、滤波电容C2、电阻R与负载相连；分压电阻R2与采样电阻R3并联后与滤波电容C2串联，将输出的电流采样给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驱动芯片，驱动芯片将驱动信号隔离传给开关管，控制开关管的导通与关断，从而控制主路全桥逆变电路输出电压，实现电压控制恒流的目的。

与现有技术相比，本实用新型的优点是：

(1)采用ARM智能控制结合硬件电路，最大程度减少外围器件和电路。

(2)GPS控制两路同步输出。

(3)采用红外遥控，可进行远程操作。

(4)采用独立电源为驱动芯片和控制芯片供电，使供电系统分离与主电路，便于检修。

(5)通过对输入电压、输出电压的AD采样数据代入程序得到的不同占空比脉冲波，智能控制开关管的导通与关断，减小输出电压纹波，提高恒流稳定度。

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仿真的输入100HZ基准时输出的任意电流波形。

图3是使用Simulink仿真的输入500HZ基准时输出的任意电流波形。

图4是本实用新型的程序流程图。

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，多路输出任意波形电流源系统，包括推挽DC-DC升压电路、全桥DC-AC逆变电路、辅助电源电路、ARM控制电路、 GPS控制电路、双极性SPWM电路、PI控制器、输出电流采样电路和隔离驱动电路。系统的直流升压电路控制方式采用UC3846芯片，并完成对硬件参数的设计；全桥逆变电路由双极性SPWM原理产生信号脉冲，再进行PI控制调节，完成逆变电路的参数设计及计算机仿真。

其中推挽DC-DC升压电路分为两部分：主电路和控制电路。主电路为推挽电路，由UC3846对主电路进行采样反馈。升压后的直流电压则作为两路全桥逆变电路的母线电压。

全桥DC-AC逆变电路通过双极性SPWM电路和PI控制器调节得到脉冲信号来控制四个功率开关管的导通；逆变桥输出10-1000Hz宽度不固定的脉冲电流，需加一级滤波器将其滤成平滑的波形。全桥逆变电路由两部分电路组成：主电路、控制电路。主电路采用经典的桥式逆变电路，对负载端的电流进行采样，经过ARM数据采集系统与输入基准形成电流闭环。利用PI控制器对比较后的误差进行调节，得到的SPWM来控制主电路的开关与闭合，使输出的功率信号与基准信号一致，再经过低通滤波，实现输出信号对输入基准信号的跟踪及功率放大。两路电流信号通过GPS模块实现同步输出。红外遥控结合 ARM模块，可实现远程操控。

图2为仿真电路中分别输入100Hz的正弦波、三角波、方波作为基准信号,负载为1Ω时，调节分流电阻得到的负载电流波形。图3 为再次输入频率为500Hz的正弦波、三角波、方波作为基准信号,负载仍为1Ω时，调节分流电阻得到的负载电流波形。由输出波形图观测，实现了小信号转换成同一基准频率、失真小、波形稳定的大功率信号源特点的电信号，并通过调节分流电阻可输出稳定的可调电流，实现恒流的目的。在仿真数据中正弦波在1kHz范围内，波形畸变率不超过0.1％，波形稳定；三角波有细小毛刺，整体呈线性状态，图像左右对称，波形质量较好；方波上升时间小于30μs，调整时间不超过100μs，说明系统动态响应快,相对稳定性好。以上波形均满足市场要求。

图4为程序流程图。开始上电，整个系统程序初始化。给定初始占空比D₀，系统开始运行，采样输出电压，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。将输入电压和输出电压的采样转换结果代入程序公式中，进行PI算法调节。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.多路输出任意波形电流源系统，包括推挽DC-DC升压电路、全桥DC-AC逆变电路、辅助电源电路、ARM控制电路、GPS控制电路、双极性SPWM电路、PI控制器、PWM比较器、输出电流采样电路和隔离驱动电路，其特征是：推挽DC-DC升压电路包括变压器、升压电感L1和滤波电容C1；全桥DC-AC逆变电路包括开关管、二极管D、电阻R、滤波电感L2、滤波电容C2；ARM控制电路包括ARM控制芯片及外围电路；输出电流采样电路包括分压电阻R2、采样电阻R3；

系统由12V或24V蓄电池供电，对其进行直流升压至120V，以此为母线电压为后级两路全桥DC-AC逆变电路进行供电，前级采用芯片UC3846芯片控制推挽DC-DC升压电路进行直流升压，通过采样电感电压U_L1及输出电压U_o1进行误差放大送至PWM比较器，同时又被限流电平进行钳位，并通过逐个检测和调节电流脉冲实现控制电源输出电压的目的；

全桥DC-AC逆变电路通过双极性SPWM电路和PI控制器调节得到脉冲信号来控制四个开关管的导通；滤波电感L2、滤波电容C2、电阻R与负载相连；分压电阻R2与采样电阻R3并联后与滤波电容C2串联，将输出的电流采样给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驱动芯片，驱动芯片将驱动信号隔离传给开关管，控制开关管的导通与关断，从而控制主路全桥DC-AC逆变电路输出电压，实现电压控制恒流的目的。