400HZ中频电源设计方案
中频电源电路设计
摘要随着科学技术的发展以及提高我国国防能力的需要，对军事设施的技术改造已被列为军事技术改造中的重点。
中频电源指输出频率为400Hz的电源，它可以为动力系统及导航与武备系统供电。
传统的400Hz中频电源体积大，输出波形不稳定。
本文所设计的400Hz中频电源通过整流电路、逆变电路、积分电路、放大电路和检波电路及控制其最后的输出电压，实现了电压的稳定输出，具有体积小、功率大和波形无失真等优点，有着广泛的用途和良好的发展前景。
关键词：中频电源，PWM调制，输出变压器电力电子装置及系统课程设计任务书一、课程设计的目的通过电力电子装置及系统的课程设计达到以下几个目的：1、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。
2、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。
3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。
4、培养学生运用仿真工具的能力和方法。
5、提高学生课程设计报告撰写水平。
二、课程设计的要求1. 题目题目：中频电源电路设计主要技术数据●输入电压：三相360V～400V，50Hz±5%●输出电压：单相，220V±2%，400Hz±0.5%●输出功率：4kW●输出电流：22A●功率因数：0.8二、课程设计的要求1. 题目题目：中频电源电路设计主要技术数据●输入电压：三相360V～400V，50Hz±5%●输出电压：单相，220V±2%，400Hz±0.5%●输出功率：4kW●输出电流：22A●功率因数：0.8●效率：85%设计内容：●主电路设计和参数选择●控制系统及辅助电源电路设计●电路仿真分析和仿真结果要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路、控制电路等详细的设计（包括计算和器件选型）。
严禁抄袭，严禁两篇设计报告基本相同，甚至完全一样。
设计报告最后给出设计中所查阅的参考文献最少不能少于5篇，且文中有引用说明，否则也不能得优）。
交流400Hz的机载高频开关电源解决方案
交流400Hz 的机载高频开关电源解决方案机载高频开关电源产品专门用于输入交流400Hz 的场合，这项产品主要应用于军用雷 达、航空航天、舰船、机车以及导弹发射等。
研制出机载高频开关电源产品对电子武器装备 系统的国产化，打破国际封锁，提高我军装备的机动性，高性能都有重要的意义。
机载电源的使用环境比较恶劣，必须适应宽范围温度正常工作，并能经受冲击、震动、 潮湿等应力筛选试验，因此设计机载电源的可靠性给我们提出了更高的要求。
机上可供选择的供电电源有两种输入方式：115V/400Hz 中频交流电源和28V 直流电源。
两种输入方式各有优缺点，115V/400Hz 电源波动小，需要器件的耐压相对较高;而28V 直流 电源却相反，一般不能直接提供给设备部件使用，必须将供电电源进行隔离并稳压成为需要 的直流电源才能使用。
下面主要介绍115V/400Hz 中频交流输入方式所研制的开关电源，它 的输出电压270〜380Vde 可以调节，输出功率不小于3000W,环境温度可宽至-40℃〜+55℃, 完全适应军品级电源的需要。
系统构成及主回路设计图1所示为整机电路原理框图。
它的设计主要通过升压功率因数校正电路及DC/DC 变换 电路两部分完成。
115Vae/400Hz 中频交流电源经输入滤波，通过升压功率因数校正（PFC ） 电路完成功率因数校正及升压预稳、能量存储，再通过DC/DC 半桥变换、高频整流滤波器、 输出滤波电路以及反馈控制回路实现270〜380Vde 可调节输出稳压的性能要求。
图1整机电路原理框图升压功率因数校正电路主要使输入功率因数满足指标要求，同时实现升压预稳功能。
本 部分设计兼顾功率因数电路达到0.92的要求，又使DC/DC 输入电压适当，不致使功率因数 校正电路工作负担过重，因此设定在330〜350Vde 。
隔离式DC/DC 变换器电路拓扑结构形式主要有以下几种：正激、反激、全桥、半桥和推 挽。
基于DSP与CPLD的400Hz中频电源设计
第32卷第1期吉首大学学报(自然科学版)Vol.32No .12011年1月Journ al of Ji shou Universit y (Nat ural Science Edit ion)J an.2011文章编号:1007-2985(2011)01-0071-03基于DSP 与CPLD 的400Hz 中频电源设计*裴素萍,王耕(中原工学院电子信息学院,河南郑州450007)摘要:利用DSP 产生SP WM 波,驱动IGBT 逆变,从而产生纯正弦交流电进行400H z 中频电源的研究与设计.给出了以DSP 为主控芯片的主电路、控制电路以及软件设计的流程.实验结果表明:利用DSP 与CPLD 使得控制电路大为简化,改善了功率因数,减少了谐波影响,从而提高了工作效率.关键词:DSP ;SPWM;逆变;CPLD中图分类号:T N86;TN702文献标志码:A三相400H z/115V 交流电源广泛应用于航天、航空及军用设备的动力系统中.逆变电源车是频率为400Hz 的交流中频电源,它在工业、国防、航海、航空等领域中应用非常广泛.它要求电源的波形是纯正弦,谐波含量不大于5%,工作电压为115V.该电源的频率、相位等参数的精度要求较高,对研制、生产的军用电源的参数需准确测试,使其满足军用标准,提高我国国防装备的科技水平,满足现代化高科技的发展需要.目前,该电源有2种产生方式:利用专用400Hz 发电机组产生;由工频电源经交直交变换,由电子电路控制大功率开关器件,经滤波变压后产生.对于发电机组来讲,由于发电机绕组的不对称性及转速不稳定性,都会使输出的频率及相位有误差.而对于电子方式产生的电源,受大功率器件特性及控制策略的影响,也会产生相移或频率不合要求.另外,电源在带载或三相作为单相运行时,也会引起相位或频率的变化.为了满足输出纯正弦波的要求,采用SPWM 脉宽调制技,该技术是通过一定的规律控制功率半导体器件的通断,获得一组等幅不等宽的矩形脉冲,用作近似正弦波.利用传统的模拟方法,电路复杂,有温飘的现象,限制了系统的性能.数字法则需要按照不同的数学模型用计算机计算出各切换点的时间,即所谓的规则采样,将采集的所有切换点放入内存,然后通过查表及必要的计算再生成SPWM 波,但数字法因受内存影响较大,不能保证系统的精度.[1-3]2种方法都不理想,因此笔者选用DSP 控制,逆变器输出三相正弦交流电,构成了静止式逆变电源.这种方法设计的中频电源具有噪音低、转换效率高、工作可靠、使用方便等优点.1系统结构组成图1系统结构图DSP 控制器选用TI 公司的16位定点TMS320F 2407A,它是一种性价比较高的DSP,集成6路PWM 输出,每个输出都有可编程的死区功能.与单片机相比,单片机的P WM 模块没有死区功能,必须用软件或外接硬件来实现,所以使用DSP 可以提高系统的可靠性.利用DSP 的A/D 可以实现对检测电流、电压的A/D 转换,再通过CPLD 译码送LED,从而显示电压、电流、频率的当前值.在DSP 的指令控制下,产生了SP WM 波,构成控制系统.DSP 不仅可以完成对输出的SPWM 波的脉宽、频率进行控制,还可以完成模拟信号的电压、电流以及交流电频率的检测和显示,当出现过电流、欠电压的异常现象时,能够自动保护、报警.电源车系统结构原理图如图1所示.TMS320F 2407A 还集成了16路A/D 转换通道,最快A/D 转换时间为375ns,可用于对电压和电流进行快速检测.这种DSP 还提供串行接口SPI 和SCI 模块、41个通用I/O 引脚、可编程看门狗定时器、片内集成了2kB 单口RAM 、544字双*收稿日期6作者简介裴素萍(6),女,河南新乡人,中原工学院电子信息学院讲师,硕士,主要从事电气控制与智能电网研究;王耕(6),男,河南郑州人,中原工学院电子信息学院副教授,主要从事电机电器设计与控制研究:2010-10-2:197-197-.口RAM 、32kB flash 程序存储器.TM S320F2407A 的最高工作速度可达40MIPS,高速的运算速度有助于实现先进的控制算法.三相脉宽调制波发生器构成的控制电路,产生SP WM 脉冲,经功率放大后驱动IGBT 功率模块组成的逆变器,生成频率为400H z 的正弦交流电,经变压器输出电压为115V.[4]2系统主电路图2主电路图中频电源车主电路的工作原理如图2所示.三相工频交流经EM I 滤波器滤波后,由整流桥模块整流,再经电容滤波,加至由IGBT 构成的桥式逆变电路,该直流高压经逆变电路逆变为脉宽按正弦波规律变化的高频脉冲波,再由输出滤波器滤掉高频谐波,得到中频正弦波,最后由变压器隔离、变压(升压或降压)后提供给负载.SPWM 脉冲波由主控制电路产生,并根据输出反馈电压和反馈电流来改变脉冲波的宽度,从而保证输出电压的稳定.三相逆变电路是将直流电逆变为400H z 的三相正弦交流电,主开关功率元件选用日本富士公司生产的两单元IGBT 模块(3只),额定容量为75A,每只元件上都另配缓冲保护电路.如图2所示,主电路是典型的AC-DC-AC 逆变电路,将输入的三相交流电经整流、滤波后以直流电供给逆变器.逆变器输出为三相交流电,频率为400H z,再经变压器隔离变压,就变为115V 的交流电.3系统控制电路图3控制电路图系统控制框图如图3所示.控制电路控制逆变电路和电源输出的频率及电压、人机界面、主电路和逆变电路的接通与断开.采用DSP 为系统的控制核心,控制快速准确,使系统具有响应快、运行稳定、可靠的特点.本系统控制器选用TI 公司16位定点T MS320F2407A,其产生载频为20kHz 的SPWM 脉冲信号,由脉宽调制信号输出端口输出,通过驱动电路加到IGBT 的栅极,控制逆变电路正常工作,同时根据电压和电流的反馈值调整SPWM 脉冲信号的脉宽,从而保持输出信号幅度的稳定.4系统软件图系统软件设计流程图系统软件设计流程图如图4所示,包括DSP 初始化、脉宽计算、报警、数值转换子程序、显示扫描程序等.其中按键1表示显示功能,按键2表示停机功能,按键3表示初始化功能.通过初始化命令可以对各参数值进行设定,并实施对主电路的控制,逆变出400H z 的三相交流电.程序流程采用顺序结构,调用子程序简单方便,显示子程序可将电压、电流、频率的数值送LED 分别显示出来.在整个工作过程中,随时对电流、电压进行测量比较,一旦出现过流、欠压可及时报警、严重时可以自动停机.SPWM 波产生的方法主要有3种:自然采样法,对称规则采样法和不对称规则采样法.利用正弦波和等腰三角波的交点时刻来决定开关管的开关模式,从而生成SPWM 波的方法是自然采样法,这种方法生成的SPWM 波的脉宽方程是一个超越方程,求解起来要花费较多的时间,因此自然采样法的数学模型不适合用于实时控制.对称规则采样法是以每个三角波的对称轴(顶点对称轴或底点对称轴)所对应的时间作为采样时刻过三角波的对称轴与正弦波的交点,作72吉首大学学报(自然科学版)第32卷4.平行t 轴的平行线,该平行线与三角波的2个腰的交点作为SP WM 波的开关时刻,这2个交点是对称的,因此称为对称规则采样法.这种方法实际上是用一个阶梯波去逼近正弦波,由于在每个三角波周期中只采样1次,因此计算得以简化,但其形成的阶梯波与正弦波的逼近程度仍存在较大的误差.不对称规则采样法在前2种方法的基础上改进了其不足之处,这种方法既在三角波的顶点对称轴位置采样,又在三角波的底点对称轴位置采样,即每个载波周期采样2次,这样采样所形成的阶梯波与三角波的交点不对称,所形成的阶梯波与正弦波的逼近程度大大提高.正是因为这点,本系统软件设计算法选择的是不对称规则采样法.用单片机作为控制器,软件设计则使用数字法受内存影响较大,不能保证系统的精度,笔者使用DSP 作为控制器可以避免这种缺点,保证系统的精度.5结语系统实验波形如图5所示.图5系统实验波形实践表明,利用DSP 与CPLD 使得控制电路大为简化,器件少、体积小,降低了成本.载波频率高,输出波形为纯正弦.经测试:电压稳定度小于1%,频率稳定度为0.05%,总谐波含量为1%,在200%的负载时,短路保护动作,可立即关闭电源,满足性能指标的要求,提高了系统的控制精度.采用厚膜驱动电路,具有自保护功能,使IGBT 逆变器的工作更加可靠.如果将逆变器作为变频电源使用,用于交流电动机的变频调速系统,只需改变DSP 初始化控制字的设定.改变输出交流电的频率和工作电压是十分方便的,省去了大量的编程工作,还能够做到实时控制,由于其波形是纯正弦,则可以改善功率因数,减少谐波的影响,从而提高工作效率.参考文献:[1]王福瑞.单片微机测控制系统设计大全[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.[2]李宏.电力电子设备用器件与集成电路应用指南[M ].北京:机械工业出版社,2003.[3]王晓明.电动机的DSP 控制[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.[4]冯玉生.单片机控制三相PWM 产生器的逆变电源设计[J].电力电子技术,2005,39(4):21-23.Design of 400Hz Mid Frequency Power SupplyBased on DS P and CPLDPEI Su ping,WANG Geng(Zhongyuan Univer sity of Technology,Zhengzhou 450007,China)Abstr act:The paper proposes a new way to obtain pure sinusoidal based on DSP for the research and de sign of 400H z AC power supply.It gives the main circuit,control circuit and software design flow chart.A prototype is designed using the DSP as the master chip.The experimental result shows that this way not only can simplify the system str ucture by DSP and CPLD,but also can improve the power factor,re duce harmonics and enhance efficiency.Key words:DSP;SPWM;invert;CPLD(责任编辑陈炳权)73第1期裴素萍,等:基于DSP 与CPLD 的400H z 中频电源设计。
400Hz中频电源设计
Ａｂｔａ ｔＷｉ ｅｉ ｅｍｅ ｉｅｆ ｑ ｅ ｃ ｏ ｅ ｐ ｌ ｉ ｔｅｐａｔ ａ ｅ ｇ ｅｒ ｇｐｏｅｔ ｓ ｈ ｅｅｒｈｏｊｃ， ｓ ｃ ： ｔ ｔ ｔｒ ｄａ ｅ ｕｎ ｙｐ ｗ ｒ ｕ ｐｙ ｎ ｈ ｒ ｉ ｌ ｎ ｉ ｅ ｎ ｒ ｅ ａ ｅｒ ａｃ ｂｅｔ ｒ ｈｈ ｎ ｔｒ ｓ ｃｃ ｎ ｉ ｊ ｔ ｓ
高 可靠 和 高 性 能 的 中频 电源 （ 常 为 ４ ０Ｈ ） 通 ０ ｚ 已广泛 应用 于航 空 、 天 、 航 舰船 、 车 、 应加 热 以及 机 感 雷达 、 信交换 机 等 设 备 中． 通 因此 ， 此 类 电源 的研 对
４ ０Ｈ 中频 电源 ， 术 先 进 ， 所 达 到 的 电性 能 指 ０ ｚ 技 其
Ｘ Ｎ ｈｏｙ， Ｈ ｉ ａ ， ＵＪｎ Ｉ Ｇ Ｚ ｕ—ｉＺ Ｕ Ｑ— ｎ Ｌ ｕ ｄ
（ ｃｏ ｌ ｆ ｕｏ ａｉ ， ｒｉ Ｅ ｇｎｅｉ ｎ ｅｓｙ Ｈ ｒｉ １０ ０ ，ｈｎ ） Ｓｈｏ ｏ ｔ ｔ ｎ Ｈａｂ ｎｉｅｒ ｇＵ ｉ ｒ ｔ， ａｂｎ ５０ １ Ｃ ｉａ Ａ ｍ ｏ ｎ ｎ ｖ ｉ
ａ ｓ ｈ ｍｅ ｏ ｎｔｒ ｅ ａ ｅ ｆｅ ｕ ｎ ｙ ｐ ｗｅ ｕ ｐ ｙ ｉ ｄ ｖ ｌｐ ｄ， ｉ ｈ ｕ ｉｉｅ ｃ ｏ ｏ ｔｏｌ ｒ ｎ ｉｎａ ｅ ｅ ａ ｏ ｃ ｅ ｆｉ ｅ ｍ ｄｉｔ ｑ ｅ ｃ ｏ ｒｓ ｐ ｌ ｓ ｅ ｅｏ ｅ ｗｈ ｃ ｔｌ ｓ ｍｉ ｒｃ ｎ ｒｌｅ ｓ ａ ｄ ｓｇ ｌｇ ｎ ｒ ｔｒ ｒ ｚ
ｇ ａ ｏ ｈ ｙ ｔ ｍ ，ｎ ｅｆ ｃ ｉｃ ｔｂ ｔ ｅ ｉｎ ｌｇ ｎ ｒ ｔｒｏ Ｗ Ｍ ｎ ｃ ｏ ｏ ｔｏｌ ｒ ｆ８ ｔ ｅ ｉｏ ａｉｎ ｒ ｍ ｆｔ ｅ ｓ ｓｅ ｉ ｔｒａ ｅ ｃｒ ｕｉ ｅｗｅ ｎ ｓｇ ａ ｅ ｅ ａ ｏ ｆＳＰ ａ ｄ ｍｉｒ ｃ ｎ ｒ ｌｅ ｓｏ ９Ｃ５１，ｈ ｓ ｌｔｏ
基于单片机的高精度400Hz中频电源设计
２ ４ ０ ｚ中频 电源的硬 件原理与设计 ０Ｈ
在 精 密 测 量 设 备 中采 用 中频 电源 的重 要 性 在 于 测 量元 件 的 测 量 误 差 直 接 与 供 电 电 源频 率 相 关 ， 下 面 的 公 式 可 以 近似 表 述 这 种
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微 电 脑 应 用
Ｍ ｉｒ ｃ ｍｐｕ ｅ ｐｐ ｉａ ｉｎ ｃｏｏ ｔ ｒＡ ｌ ｔ ｓ ｃ ｏ
《 气自 化 ２０年 ９ 电 动 ） ７ 第２卷第２ ０ 期
基 于单片机 的高精度 ４ ０ ｚ中频 电源 计 ０ Ｈ 设
Ｄｅ ｉｎ ｏ ｇ Ｐｒ ｃｓｏ ０ Ｈｚ Ｍｉ—ｒ ｑ ｅ ｃ ｏ ｒＳｕ ｐｙ Ｂａ ｅ ｎ ｓｇ ｆＨｉｈ ｅ ｉｉｎ ４ ０ ｄ ｆｅ ｕ ｎ ｙ Ｐ ｗｅ ｐ ｌ ｓ ｄ ｏ ＳＣＭ
相关性：
ｆ
４ ｚ ＭＨ 基准信号源采用 晶体振荡 电路， 以保证信号频率 的高
度 精 确 和稳 定 。通 过 分 频 得 到 ４０ ｚ 号 ，再 经 过 积 分 电路 将 方 ０Ｈ 信 波 转 为 正 弦 波 。为 保 证 输 出信 号 的 功 率 还要 经 过 放 大 电路 对 信 号
弦波 。用于精 密测量元件 的中频电源， 稳 定度 高， 境 适应 性 强 ， 的 设 备 甚至 对 幅 度 稳 定 性 要 求 环 有 也很 高 。本 文 根 据 船 用 控 制设 备 中旋 转 变 压 器 的 电源 要求 ，设 计
了基 于单 片机 的高精度 ４ ０ ｚ中频 电源，具有 电路简单 、启动平 ０Ｈ 稳、 控制精度高 、 调试与维修 方便 、 体积小等特 点。
大 部 分 中 频 电 源设 计 都 是 基 于 Ｓ ＷＭ 原 理 ，这 些 电源 解 决 了 Ｐ
小功率115V_400Hz中频电源的设计研制
经验交流Technical Communications《 自 动 化 技 术 与 应 用 》 2 0 0 6 年 第 25 卷 第 8期小功率 115V/400Hz 中频电源的设计研制王春生, 郭 彦 军(哈尔滨工程大学自动化学院, 黑龙江 哈尔滨 150001)摘 要:本文介绍了 IPM 逆变系统,SPWM 控制技术的工作原理,并利用微处理器 PIC16F877 和 SPWM 专用芯片 SA8282 进行了系统 设计,实现了输出电压和频率的数字化显示功能. 关键词:PIC16F877 单片机;SPWM 控制;SA8282 逆变电路 中图分类号:TM919 文献标识码:B 文章编号:1003-7241(2006)08-0085-03Design and Development of the 115V/400Hz Mid-Frequency Small Power SourceWANG Chun-sheng, GUO Yan-jun(Hanrbin Engineering university Automation college, Harbin 150001, China)Abstract: This paper introduces an IPM inverter system and the principle of the SPWM control.The design is based on the microprocessor PIC16F877 and special chip SA8282 for SPWM. Key words: PIC16F877 single-chip microcomputer; SPWM control; SA8282 inverter1 引言随着各行各业控制技术的发展和对操作性能要求的提 高,许多行业的用电设备都不是直接使用通用交流电网提供 的交流电作为电源,而是通过各种形式对其进行变换,从而得 到各自所需的电能形式. 它们的幅值,频率,稳定性及变化方 式因用电设备的不同而不尽相同. 应用现代逆变技术,根据脉宽调制原理设计制造的逆变 电源广泛用于航海,航空,电力,铁路,邮电,医院,科研等诸多 领域. 中频小功率逆变电源由于其应用场合多为航空航天与 航海领域,因此要求在满足各项性能指标的同时,尽量减少体 积,简化控制,降低成本. 近年来随着现代控制技术的不断改 进,计算机学科的飞速发展,以及大功率开关器件的发展尤其 是智能型功率模块IPM的出现使这一要求得以实现. 本课题正是基于以上先进技术与器件为出发点进行设计 的,该中频电源采用了模块化设计并使输出结果数字显示,一 目了然,操作更简便.将固定直流电压变换成固定的或可调的交流电压的装置 称 为 逆 变 器 . 变 器 采 用 了 脉 宽 调 制 PWM) 术 后 ,不 仅 逆 ( 技 有效地改善和提高了品质性能,同时根据需要,还能将直流电 压变换成电压和频率均可调节的交流电压,因此,它又是一种 逆变式变频器,并称这类逆变器为脉宽调制型变频器,因其具 有输入功率因数高和输出波形好的可贵特点,近年来发展很 快 ,其 关 键 技 术 之 一 是 采 用 了 PWM 方 法 .自 上 世 纪 80 年 代 初以来,各国科技人员开发了多种PWM方法,归纳起来主要 是: 自然采样 S P W 调制 S P W M ,谐 波 注 入 式 P W M ,最优 PWM 和 无 差 拍 周 期 补 偿 PWM 等 .正 弦 脉 宽 调 制 技 术 是 利 用 功率开关器件的导通与关断,把直流电压变成脉宽按正弦规 律变化的电压脉冲阵列,并通过控制电压脉冲的宽度和电压 脉冲阵列的周期达到变压变频的一种控制技术. 随着电力电 子 技 术 的 飞 速 发 展 , 特 别 是 MOSFET, I G B T 等 高 频 自 关 断 器 件 的 出 现 ,电 压 型 SPWM变 频 器 得 到 了 广 泛 的 应 用 . 进 先 的控制策略, 高性能的控制芯片, 高速 的开关器件相结合成 为现代交流变频调速技术发展的主流趋势.其中高性能2 逆变器及SPWM技术特点介绍SPWM 变 频 器 的 研 究 更 具 重 大 意 义 .3 系统硬件电路设计收稿日期:2005-12-313.1 系统工作原理Techniques of Automation & Applications | 85《自 动 化 技 术 与 应 用 》2 0 0 6 年 第 2 5 卷 第 8 期经验交流Technical Communications基 于 SA8282 的 SPWM 中 频 电 源 框 图 如 图 1 所 示 .其 基 本 工 作 原 理 是 :市 电 经 整 流 滤 波 ,SPWM 方 式 全 桥 逆 变 ,隔 离 后 输 出 . 高 效 智 能 化 SPWM中 频 电 源 采 用 PIC单 片 机 作 此 为 C P U ; S P W M 波形发生器 SA8282 产生 S P W M 波形;混合 集成驱动电路ExB841构成隔离驱动保护电路;主电路采用高 压 整 流 模 块 和 IGBT模 块 . 电源主要技术指标:输出功率1KW;输出电压90～127V 可调;输出频率400± 0.5Hz; 输出正弦波失真度<1%.控制信息,采用独立的标准微处理器接口,成为一种通用可编 程微机的外围接口芯片.3.4 逆变器主电路逆变器电路是一个全桥开关电路,将输入的市电经整流 滤波后以直流电压供给逆变器,逆变器开关元件采用的是2个 2 单 元 的 IGBT 模 块 ,加 上 RCD 缓 冲 电 路 即 构 成 本 系 统 单 相 逆变器[2],具体电路见图2.图2 逆变器主电路原理图 图1 系统原理方框图 从图1可知,SPWM中频电源有六个主要组成部分,下 面 分别介绍各部分的工作特点. 应用于交流正弦波输出的逆变器中,输出变压器选用环 形铁芯. 电容要选用无极性电容,容量一般不太大.3.5 隔离驱动电路IGBT的栅极驱动方法很多,为了减小体积,降低口音改 善驱动性能,快速保护我们采用集成的IGBT驱动器,本方案 中采用的是日本富士公司推出的混合式集成化IGBT专用驱 动 模 块 EXB841. 是 EXB 系 列 驱 动 器 中 高 速 , 容 量 器 件 它 大 之一,集隔离, 驱动和保护于一身,性能优越,充分体现了 "最 优驱动和分散保护" 两原则. 具体应用电路见图33.2 PICI6F87x单片机控制电路美国Microchip 公司推出PIC系列8位微控制器是首先 采用RISC结构的高性能嵌入式微控制器,其优越性表现在精 简 指 令 , 置 WDT, 功 耗 , 电 压 , 驱 动 能 力 , 体 积 , 内 低 低 大 小 OTP, 低成本等,非常便于用户保密和产品商品化. 它代表了 当今单片机工业新趋势,PIC单片机已经是世界上最有影响力 的嵌入式微控制器之一. 其中PIC16F87x 单片机 [1],采用的 是 RISC指令系统,在保持低价的前提下增加了A/D转换, 内 部 EEPROM 存 储 器 , 比 较 输 出 ,捕 捉 输 入 , PWM 输 出 ,IC 和 SPI 接 口 , 步 串 行 通 信 USART) 口 , 拟 电 压 比 较 异 ( 接 模 器, LCD 驱 动 , FLASH 程 序 存 储 器 等 许 多 功 能 ,可 以 方 便 地 在 线 多 次 编 程 调 试 ,广 泛 应 用 于 各 种 电 子 产 品 中 . SPWM 在 中 频 电 源 控 制 电 路 中, P I C 1 6 F 8 7 x 单 片 机 将 负 责 完 成 对 SA8282的初始化,输出脉宽和频率的控制,还要处理采样数 据以形成闭环控制,完成对保护信号的逻辑检测, 判断等,扩 展数码显示, 提供基本, 实用的人机界面.图3 隔离驱动电路图 EXB841的 输 入 脉 冲 的 最 高 频 率 为 40KHZ,输 入 电 流 为 10-15mA,最 大 驱 动 电 流 为 4A,隔 离 电 压 为 2500VAC,工 作 温 度 为 -10~+85 度 ,供 电 电 压 为 +20-+25V. 下 图 中 二 极 在 管 ERA34-10 即 可 检 测 IGBT 的 饱 和 压 降 ,送 到 EXB841 的 6 管脚,从而判断是否过流,用来完成过流保护功能. 4管脚的 过流保护信号延时10μ s输出.3.3 PWW波形发生器SA8282 是 Mitel 公 司 专 为 三 相 逆 变 电 路 设 计 的 SPWM 波形发生器,在本方案中,我们只用其中一相,它能产生正弦 波,尤其与CPU组成的系统操作数字化,抗干扰能力强,接口 简单,通用性好. 在电路不变的情况下,通过软件修正,就可改 变逆变器的性能指标,大大提高了调试效率,降低了产品成本. SA8282采 用 MOTEL总 线 标 准 ,易 与 大 部 分 微 处 理 器 接 口 连 接,运行参数一旦设定完毕,仅当要改变方式时,才需CPU介 入 ,使 用 十 分 方 便 . SA8282内 部 包 含 了 波 形 , 率 , 值 等 频 幅86 | Techniques of Automation & Applications3.6 辅助电源辅 助 电 源 负 责 给 SA8282,EXB841 及 CPU 控 制 系 统 提 供工作电源. 20V必须是互相隔离的电源输出,即 +5V,2V,-经验交流Technical Communications《 自 动 化 技 术 与 应 用 》 2 0 0 6 年 第 25 卷 第 8期5V和电路独立20V. 出于经济和体积的考虑,本辅助电源采 用 三 端 稳 压 块 电 路 . 体 电 路 如 图 4所 示 ,20V的 电 原 理 图 具 略.的工作环境;PCB板走线的合理走向和分布; 利 用 PIC 内 的 Watchdog Timer 防 止 C P U 死 机 ;对 I G B T 的 棚 极 驱 动 电 路 采 用 Kelvin接 地 .4 软件流程图在编辑软件时,依据图6所示的系统工作流程图,用单片 机汇编语言进行编程与调试[3].图4 辅助电源电原理图3.7 显示电路输出电压和频率采用四位LED显示通过开关来回转换. 如 图 5所 示 .图6 软件流程图5 结论本样机在实验室科研设备调试中,作为供电电源,经过单 片机处理后,精度可以保证,同时采用电位器实现输出电压可 调整,数字显示,电源的体积小, 成本低, 精度高,使用情况稳 图5 输出电压和频率显示电路图 定可靠.3.8 保护及抗干扰措施( 1) 件 保 护 电 路 硬 硬件保护通过电流和电压互感器对逆变器输出进行监 测 ,EXB841对 IGBT的 过 流 过 压 情 况 监 控 ,一 旦 受 控 对 象 异 常 ,关 机 信 号 直 接 通 过 SA8282 的 S E T T R I P 端 关 闭 P W M 输 出 ,并 送 往 CPU 处 理 . ( 2) 件 考 虑 软 软件保护CPU可以应硬件电路送来的保护要求执行关 机,也可以根据自身的测试数据进行独立判断. ( 3) 干 扰 措 施 抗 稳定洁净的电源是CPU系统工作的首要条件,采用高品 质的进线滤波器DL-10K1 可以极大地改善各主要控制芯片作者简介:王春生(1962-) ,男,实验师,研究方向:电力 电子技术,传感与测量技术.参考文献:[1] PIC16F87x 数 据 手 册 一 28/40 脚 8 位 FLASH 单 片 机[z] .WWW.MICROCHIP. COM. [2] 李爱文.现代逆变技术及应用[M] . 北京:科学出版 社. [3] 刘和平.PIC16F87x单片机实用软件与接口技术[M] .北京:北京航空航天大学出版社.Techniques of Automation & Applications | 87。
400_Hz中频电源波形多重比例谐振控制策略
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研究与分析
电器与能效管理技术!"!#$%&!
\N控制策略在工程中应用最广$但 \N控制器 不能实现对正弦信号的无静差控制$受制于中频 电源较小的带宽$又需兼顾稳定裕度的要求$使得 \N控 制 器 的 低 频 增 益 较 低$ 稳 态 误 差 较 大$ 控 制 的稳态和动态特性不能满足要求)#7%* % 重复控制 具有消除周期性扰动的特性$稳态时可以实现无 静差控制$得到较好的输出电压波形$但重复控制 器设计过程复杂$理论设计参数可能与实际相差 较大$降低了设计的有效性% 另外$其无法实现少 于一个周期的动态响应$因此采用其进行控制的 系统动态特性较差$不能满足高性能中频电源的 动态指标要求)'7$* % 无差拍控制通过采用状态观 测器将控制作用提前一拍进行$能够得到较好的 输出品质$但其控制效果对控制对象的数学模型 及参数精确度的依赖性很大$控制系统的鲁棒性 不强% 滑模变结构控制具有较好的动&静态性能$ 但对于逆变电源系统而言$理想的滑模切换面选 取难度大及较高的采样频率要求限制了应用$而 目前只停留在试验阶段)"* % \Y控制器在谐振频 率处理论上的增益是无限的$又能够迅速滤除谐 振频率之外的信号$可以实现对正弦交流信号的 无静差控制$能够满足中频电源对稳态精度的要 求$此外$\Y控制器还具备良好的动态特性$能够 满足中频电源的动态特性要求%
7"""滤波电容(
H"""等效电阻! 考虑电感电阻&死区效
应# (
(>"""负载( '>"""负载电流% 由式!!#可得到相应的连续时间模型% 单相
基于T型三电平的400Hz中频航空地面电源研究
基于T型三电平的400Hz中频航空地面电源研究摘要航空地面电源GPU(Ground Power Unit)是以逆变器技术为基础的第二代中频电源，在航空应用中要求电气性能好、容量大、轻量化。
由于基波频率高，在中频电源设计中存在输出波形质量不高、动态稳定性差等问题，控制策略更为复杂。
本文介绍了国内外400Hz航空电源的研究现状、最新产品参数规格以及发展趋势，提出了将T型三电平结构应用于航空地面电源的电路结构设计，通过控制策略分析和仿真计算验证了设计的优越性。
首先，本文针对航空地面电源的技术标准，设计了采用T型三电平逆变技术的400Hz中频电源电路，并分别对整流、直流侧滤波储能、逆变器、输出滤波等关键模块的器件参数选取进行了计算。
对三电平逆变电路的典型结构进行了对比，重点阐述了T型三电平电路工作原理，建立了T型三电平逆变电路的数学模型并分析了其在abc、αβ和dq坐标下的相互转换关系。
在逆变电路的控制策略研究中，采用比例积分（PI）双闭环控制方法稳定三相交流输出。
并分析了直流母线中点电压不平衡问题，根据SVPWM原理基本电压矢量对电容充放电作用的不同，通过直接控制参考电压矢量，和引入控制因子调节小矢量作用时间的不同方法进行了调整优化。
针对中频电源负载不平衡问题，提出了基于PI双环控制的改进型控制方法，通过对称分量法将单相输入转化为三相控制信号，实现了单相负载条件下波形的优化控制。
对TNPC逆变器的模型预测控制策略中，建立了基于输出电流与预测电流差值及电流波动系数关系的代价函数，确立以代价函数最小解为目标的控制策略。
最后，本文通过MATLAB仿真软件建立了基于T型三电平逆变电路的400Hz 中频电源电路仿真系统，分别设计了PI双环控制、改进型PI双环控制、模型预测控制策略的仿真模型，结果显示，在不同三电平结构模型中，T型三电平结构的中频电源具有更高的输出功率；在不同控制策略中，PI双环控制策略下系统输出总谐波失真率最低，并且可以实现400Hz交流三相输出条件下的波形稳定；并且通过对电压矢量SVPWM调制策略小矢量的控制，有效改善了中点电压不平衡问题。
400Hz航空中频电源的设计
本 文 首 先 设计 振 荡 电 路 输 出 ８ ０ ０ Ｈ ｚ的信 号 基 准 频 率 ，通 过 二 ３ 电压 比较器 电路设计
因多 谐振 荡 器生 成输 Ｉ 叶 ｜ 电压 从 ０ Ｖ开 始 的 方 波 ， 本 文 采 用
Ｌ Ｍ３ ９ ３电压 比较 器 ，把 输 出电 斥 幅值 范 围控 制 在 一 １ ２ Ｖ到 ＋ １ ２ Ｖ之 间 。电 压 比较 器 电路 及仿 真结 果 如 图 ３ 。 南 同 ３（ ｂ）可知 ， 电 比较 器 波 形 为周 期 性 方 波 ，输 ｍ频 率 保 持 ４ ０ ０ Ｈ ｚ 不 变 ，输 出 电压
路 ，将 方 波 转 换 为 正 弦 波 ； 再 通 过 放 大 电路 对 电压 幅 值 进 行放 大 ， 最后 通 过 升 压 变压 器对 电 压进 行 升 压 ，电 源 电 压 幅 值 通 过 滑 动 变
阻器 进 行 调 节 ．最 终 实 现 了 航 空 中频 电源 的 设 汁。
图 ２ 分 频 电路 设 计
输 出端 构 成 一 位 二 进 制 计 数 器 。 测试结果如图 ３ 所示 ， 输 出 为方 波 ， 输 出频 率 为 ４ ０ ０ Ｈ ｚ ，测量 电压 值 为 ２ ． ５ Ｖ。
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基于虚拟同步机算法的400Hz数字化中频逆变电源设计
基于虚拟同步机算法的400Hz数字化中频逆变电源设计基于虚拟同步机算法的400Hz数字化中频逆变电源设计摘要：随着电子设备在航空航天领域的广泛应用，对能源的高效利用和电源稳定性的要求也越来越高。
本文介绍了一种基于虚拟同步机算法的400Hz数字化中频逆变电源设计方案。
该方案通过数字化控制技术，将电源输入的直流电信号转换为需要的交流电信号，并使用虚拟同步机算法实现输出电压与输入电压的同步。
通过对电源的数字化控制和虚拟同步机算法的应用，实现电源的高效利用、输出电压的稳定性和功率因数的改善。
一、引言在现代飞机和航天器中，电子设备的应用日益广泛，电源的稳定性和能源的高效利用对飞行控制和数据传输起着重要作用。
传统的50Hz或60Hz电源无法满足设备对频率要求的同时，400Hz交流电源因其较高频率特性得到了广泛应用。
同时，数字化控制技术的发展也为电源设计提供了新的思路和方法。
二、设计原理1. 电源输入电源输入部分采用整流电路将交流电信号转换为直流电信号，并进行滤波处理，以确保电源电压的稳定性和纹波的低下。
2. 逆变电路逆变电路通过数字化控制技术将直流电信号转换为需要的交流电信号。
在逆变电路设计中，采用高效率的谐振转换器结构，通过谐振元件的共振特性实现能量的高效转换，并减小电源的损耗和纹波。
逆变电路的设计需要考虑功率因数改善和输出电压稳定性的要求。
3. 虚拟同步机算法为了实现输出电压与输入电压的同步，并改善功率因数，本文采用虚拟同步机算法。
该算法通过对输入直流电信号的变换和输出交流电信号的控制，实现了电源输出电压与输入电压的虚拟同步。
虚拟同步机算法的关键是通过数字化控制技术，实时监测输入电压的波形特性，并通过逆变电路的控制，实现输出电压的同步。
通过虚拟同步机算法的应用，可以提高电源的能量利用效率，改善输出电压的稳定性和功率因数。
三、设计参数基于虚拟同步机算法的400Hz数字化中频逆变电源设计中，设计参数包括输入电压范围、输出电压范围、频率范围和功率需求。
400HZ中频电源设计
400HZ中频电源设计目录1引言 (1)2设计要求 (1)3400H z中频电源的硬件原理与设计 (1)3.1振荡电路 (2)3.2分频电路 (2)3.3积分电路 (4)3.4放大电路 (6)4.2控制电路的原理与设计方案 (9)5测试结果 (11)6结论 (12)参考文献 (13)致谢………………………………………………………………………………………1 4附录系统电路图 (14)英文资料及中文翻译 (15)1 引言400Hz中频电源，可广泛应用于舰艇，飞机及机载设备以及工业控制设备，例如，旋转变压器是一种信号检测设备，通过角度的改变，可实现输出电压的改变，进而为控制设备提供控制信号。
利用400Hz中频电源给旋转变压器供电，可以实现系统电信号的控制，将非电量转变成了电量。
在航天航空设备中，中频电源性能的优劣和可靠性将决定着航行器的安全行驶与战斗力的发挥。
新型中频电源自动控制系统具有电路简单，可以实现复杂的控制，控制灵活且具有通用性的优点。
当电源本身特性发生变化时候，完全可以通过对软件参数进行修改来对电路进行改动，可以为进一步实现集中控制带来方便。
采用新型数字控制系统后，中频电源具有启动平稳、运行稳定、控制精度高、调试与维修方便、体积小等优点。
2 设计要求(1) 实现输出频率为稳定的400Hz正弦波。
(2) 输出波形没有明显失真。
(3) 输出电压为25V～65V连续可调（有效值）。
3 400Hz 中频电源的硬件原理与设计4MHz 信号基准电源，通过分频电路进行分频得到400Hz 的信号，经过积分电路将方波转化为正弦波，为提高电压的幅值还要经过放大电路进行放大，再通过升压变压器使最后的输出电压的有效值在25V ～65V 之间。
通过检波电路得到直流电压，AD 采集首先将模拟信号转变成数字信号后，再将采集到的电压值送到单片机中，最后通过单片机送到数码管显示电压，为保证放大电路中TDA7294的正常工作，单片机控制系统还通过稳压电路为其提供电压。
400Hz中频逆变电源的设计_周敬元
总第196期2010年第10期舰船电子工程Ship Elec tronic EngineeringV ol.30N o.10183 400Hz中频逆变电源的设计＊周敬元 周德志 刘 睿(92980部队 湛江 524009)摘 要 以中频电源为研究对象,设计了一种基于SPW M技术的中频电源系统方案。
系统以单片机和S PWM信号发生芯片为核心,利用频率和电压反馈实现了中频电源设计。
分别给出了实现该设计方案的单片机89C51与信号发生器S A8282的接口电路、逆变器的主电路、软件设计流程图以及系统的控制策略。
关键词 中频电源;SP WM;逆变电路;控制策略中图分类号 T M910Intermediate Frequency Inverter Power Supply of400HzZh ou Jingyuan Zhou Dezhi Liu Rui(N o.92980T roo ps o f PL A,Zhanjiang 524009)A bstract With the inter media te frequency po wer supply in the practical engineering pr oject as the resea rch object,a scheme of inter media te f requency pow er supply is developed,which utilizes micro contro lle rs and signal generato r o f SPW M to r ealize the desig n by feedback of frequency and vo ltag e.T he fo llowing aspects a re g iven:the block-diag r am of the sy stem, interface circuit between sig nal generato r o f SP WM and micro co ntrolle rs of89C51,the main circuit of the inver te r,and co n-trol scheme of the system.Key Words inter media te f requency po wer supply,SPWM,inve rter,contro l schemeClass Nu mber T M9101 引言在航空航海设备中,除了有50H z交流配电网外,还有相当一部分设备使用400H z的交流电。
400Hz中频电源设计_邢卓异
第33卷第5期应用科技V o.l 33,№.52006年5月A pp lied Science and T echno l ogyM ay 2006文章编号:1009-671X (2006)05-0053-03400H z 中频电源设计邢卓异,朱齐丹,陆 军(哈尔滨工程大学自动化学院,黑龙江哈尔滨,150001)摘 要:以实际工程项目中要求的中频电源为研究对象,设计了一种基于SP WM 技术的中频电源系统方案.系统以单片机和SP WM 信号发生芯片为核心,利用频率和电压反馈实现了中频电源设计.分别给出了实现本设计方案的单片机89C51与信号发生器SA 8282的接口电路、I GBT 的驱动隔离电路、外围扩展芯片、S A 8282内部结构和工作原理和软件设计流程图.关键词:中频电源;SP WM ;逆变电路;相位差中图分类号:T M 910 文献标识码:ADesi gn f or 400Hz i nter m ediate freque ncy po wer supp l yX I N G Zhuo -yi ,Z HU Q i -dan ,LU Jun(Schoo l of A uto m a tion ,H a rbi n Enginee ring U niversit y ,H arbin 150001,Ch i na )Abst ract :W ith t h e inter m ed iate fr equency powe r supply in the practica l engineeri n g pr o ject as the research ob j e ct ,a sche m e of inter m ediate frequency po w e r supply is deve loped ,whic h utilizes m icrocon tro lle rs and signal genera t o r of SP WM to r ea lize the desi g n by feedback of frequency and vo ltage .The fo llo w ing aspects are given :the block -dia -gra m o f t h e sy ste m ,inte rface circuit bet w een signal generato r of SP WM and m icrocontro lle rs of 89C51,the iso lation drive c ircuit ,t h e perphe ral expansion circuit ,SA8282’s internal struc t u re and operation principle and fl o w chart of soft w a r e design .K eywords :in t e r m edia te fr equency po w er supp l y ;SP WM ;i n ve rter ;phase difference 收稿日期:2004-11-29.作者简介:邢卓异(1980-),男,博士研究生,主要研究方向:图像处理与伺服技术,E -m ail :z huoy i 0320@h ot m ai.l co m. 高可靠和高性能的中频电源(通常为400H z )已广泛应用于航空、航天、舰船、机车、感应加热以及雷达、通信交换机等设备中.因此,对此类电源的研究具有很高的工程实用价值.文中以实际工程项目中三相400H z 中频电源为研究对象,具体技术指标为:A 、B 、C 三相均为400H z 正弦波,其中A 、B 两相为幅值26V 、400H z 相位相差90°正弦信号;C 相为幅值7V 、400H z 正弦信号,相位无特殊要求.1 中频电源基本方案和系统框图1.1 SP WM 原理及基本方案SP WM 技术是一种现代先进的变频技术,其内涵就是通过按一定的规律控制开关元件的通断,从而获得一组等幅不等宽的矩形脉冲波形,用来产生所需频率的正弦电压波.采用该技术来开发研制400H z 中频电源,技术先进,其所达到的电性能指标及可靠性都将大大优于以往多环节的中频电源.SP WM 的实现方式通常有两种:一是模拟法,二是数字法.模拟法电路较复杂,有温漂现象,影响精度,限制了系统的性能;数字法按照不同的数字模型用计算机算出各切换点,将其存入内存,然后通过查表及必要的计算产生SP WM 波.但数字法受内存影响较大,不能保证系统的精度.M ite l 公司生产的SA 系列P WM 波形产生器具有精度高、抗干扰能力强、外围电路简单等优点,其中SA828系列SP WM 产生器,可与微处理器连接,完成外围控制功能,使系统智能化,微处理器只用很少的机时去控制它,因而有能力进行整个系统的检测、保护、控制等.基于上述原因,决定采用SA 8282为核心来研制SP WM 中频电源.1.2 400H z 中频电源系统设计400H z 中频电源方框图如图1所示.其系统的基本工作原理为:直流电源经过SP WM 全桥逆变、滤波后输出.CPU 采用Inte l 公司生产的89C51单片机;SP WM 信号发生器采用SA 8282;混合集成驱动电路EXB841构成隔离驱动保护电路;逆变器主电路采用I G BT 模块.图1 400H z 中频电源方框图2 硬件电路设计2.1 SP WM 波形发生器SA 8282是M itel 公司专为三相逆变电路设计的SP WM 波形发生器,它能产生纯正弦波,尤其与CPU 组成的系统操作数字化,抗干扰能力强,接口简单,通用性好.在电路不变的情况下,通过软件修改,就可改变逆变器的性能指标,大大提高了调试效率,降低了产品成本.其主要特点如下:1)全数字化:SA 8282与微处理器的连接,适用I nte l 和M otoro la 两种总线接口,接口电路简捷.SA 8282与单片机89C51接口电路如图2所示.图2 SP WM 信号发生器与89C51接口电路2)工作方式灵活:SA8282有6个标准的TTL 电平输出,用来驱动逆变器的6个功率开关器件.可以直接通过软件写寄存器R0、R1、R2、R3、R4设定载波频率、调制频率、调制比、最小脉宽、死区时间等工作参数,无需任何外接电路.3)工作频率范围宽、精度高:三角载波频率可调,当时钟频率为12.5MH z 时,则载波频率最高可达24k H z ,输出调制频率最高可达4kH z ,输出频率的分辨率可达12位字长.全数字化的脉冲输出有很高的精度和温度稳定性.2.2 隔离驱动电路I G BT 的栅极驱动方法很多,本方案中采用的是日本富士公司推出的混合式集成化I G BT 专用驱动模块EXB84.l 它是EXB 系列驱动器中高速、大容量器件之一,集隔离、驱动和保护于一身,性能优越,充分体现出了“最优驱动和分散保护”两原则.具体应用电路如图3所示.图3 I G BT 驱动隔离电路2.3 单片机最小系统及外围扩展芯片89C 51单片机最小系统及少量的扩展外围芯片和SA8282三相P WM 产生器构成本系统控制电路.单片机完成对SA 8282的初始化、输出脉宽控制、频率控制,同时完成开环和闭环控制算法的运算及数据处理、模拟信号与数字信号的检测、保护功能和逻辑判断等.89C 51单片机有40条引脚,共分为端口线、电源线、控制线3类.其中端口线分为4组,即P0、P1、P2、P3,系统中仅用P0口和P1口进行数据交换,P0口主要用于ADC0809之间进行数据交换,构成电压反馈.P1口主要用于给SA8282传输初始化数据并根据运算的结果调整SA8282的输出.P3.4口与SA 8282的引脚21构成频率反馈.3 SA 8282工作原理和系统软件设计3.1 SA8282内部结构和工作原理SA8282内部结构和工作原理框图如图4所示,它按X (t )=A si n ωt 来产生SP WM 波形,其内部主要构成包括下面3个部分:1)接收并存储微处理器初始化命令和控制命令部分,它主要由总线控制、地址/数据总线、暂存器R0-R2、虚拟寄存器R3-R4及24位初始化寄存器和24位控制寄存器组成.以上是以控制字的形式来实现.在工作之前,首先进行初始化,即从微处理器向初始化寄存器和控制寄存器输入控制字,进行参数54 应 用 科 技 第33卷设置.图4 S A 8282内部结构和工作原理2)从内部ROM 中读取及产生P WM 调制波形的部分.它由地址发生器、波形ROM 及相位和控制逻辑组成.由于调制波形90°、180°、270°对称,所以波形ROM 中仅存入0～90°.SA8282根据地址发生器的信号直接从波形ROM 中读取波形数据,然后通过相位控制逻辑,把它组成0～360°正弦波.3)三相输出控制电路每相输出控制电路又由脉冲取消和脉冲延时电路构成.脉冲取消电路用来将脉冲宽度小于取消时间的脉冲去掉.延时电路保证死区间隔,以防止转换瞬间桥路开关器件出现共同导通的现象.3.2 软件设计软件程序设计是整个逆变器控制的核心,它决定逆变器的输出特性,如电压、频率范围及稳定度、谐波含量、保护功能的完善以及可靠性等.图5为系统的程序流程图.主程序中,SA8282初始化命令和控制命令的参数计算及设置.主要用于确定频率调节范围、死区时间、输出电压幅值、中心频率等.由于三相变频专用信号产生芯片SA8282三相的相位差为120°.由电源技术要求知,A 、B 两相相位相差却是90°.通常的做法是利用复杂的外部电路调整相位.不但外部电路实现起来较为复杂,同时由于温漂等因素的存在,常常造成相位的不稳定.这里利用2片SA8282,采用软件延时方法实现.即当单片机允许第1片SA8282输出A 相和C 相后,单片机延时0.625m s 后,允许第2片SA8282输出B相,这样就实现A 、B 两相相位相差.采用软件方法实现A 、B 两相相位差,大大简化了电路结构.图5 系统程序流程图4 实验结果和结论实验结果表明,系统方案设计实现了三相频率稳定度为0.1%、幅值稳定度0.5%的中频电源,同时利用软件延时的方法,实现了A 、B 两相相位相差90°.同时,系统采用89C51单片机和SA 8282信号发生器后,正弦波控制电路大为简化、器件减少、结构紧凑,降低了成本,提高了可靠性.通过实际测试,取得了比较理想的结果,完全符合实际系统的要求.参考文献:[1]江 涛.一种新颖的精密陀螺电源[J ].电源技术应用,2000,3(3):109-110.[2]刘陵顺,鲁 芳,姜忠山.一种高精度开关稳压电源的设计[J ].仪表技术,2001(4):45-46.[3]李爱文,张承慧.现代逆变技术及其应用[M ].北京:科学出版社,2000.[4]叶慧贞.开关稳压电源[M ].北京:国防工业出版社,1994.[5]周明宝,翟文龙.电力电子技术[M ].北京:机械工业出版社,1997.[责任编辑:李雪莲]55 第5期 邢卓异,等:400H z 中频电源设计。
400Hz中频逆变电源的设计
Ｉ ｔ ｒ ｅ ａ ｅ Ｆｒ ｑ ｎ ｙ Ｉ ｖ ｒ ｅ ｗｅ ｕｐ ｌ ｆ４ ０ ｚ ｎ ｅ ｍ ｄｉ ｔ ｅ ｕｅ ｃ ｎ ｅ ｔ ｒ Ｐｏ ｒ Ｓ ｐ ｙ ｏ ０ Ｈ
Ｚｈｏｕ Ｊｎｇ ｉ ｙｕａ Ｚｈｏ Ｄ ｅ ｈｉ Ｌｉ Ｒ ｕ ｎ ｕ ｚ ｕ ｉ
常 规 中频 电源 一般包 括两 个 环节 ， 即前级 为稳
频率 均可 调节 的 交 流 电压 ， 因此 ， 又是 一 种 逆 变 它 式 变频器 ， 称这 类 逆 变 器 为 脉 宽调 制 型 变 频 器 。 并
压部分 ， 后级 为 中频 逆 变 部 分 ， 本 上 采 用 分 离 元 基 件， 虽无 传统 的旋转 部 件 ， 但体 积 仍然 较 大 ， 率 较 效 低， 结构 繁杂 ， 不可 靠 因素较 多 ， 直接 影 响 了设 备 乃
１ 引言
在航 空航 海设 备 中 ， 了有 ５ Ｈｚ 流 配 电网 除 ０ 交
集成 度 。为 此 ， 用 先 进 的变 频 技 术 成 为 必 经 之 采
路 。
外 ， 有 相 当一 部 分 设 备 使 用 ４ ０ 还 ０ Ｈｚ的 交 流 电 。 以往均 是靠 中频 机 组 获 取 ４ ０ ０ Ｈｚ电 源 ， 套 装 置 这
至整个 系统 的 可靠 性 。要想 进 一 步 提 高 中频 电源 性 能 ， 小体 积 ， 减 首先 必须 从 电路 上减 少环 节 ， 高 提
ｉｔｒａ ｅｃｒ ｕｔｂ ｔ ｅ ｉｎ ｌｇ ｎ ｒｔ ｒｏ ＰＷ Ｍ ｎ ｃｏ ｏ ｔｏ ｅ ｓｏ ９ ，ｔ ｅｍａｎ ｃｒｕｔｏ ｈ ｎ ｅｔｒ ａ ｄ ｃ ｎ ｎ ｅｆｃ ｉｃ ｉ ｅｗｅ ｎｓｇ ａ ｅ ｅａｏ ｆＳ ａ ｄｍｉｒｃ ｎｒ Ｕ ｒ ｆ Ｃ５ ８ １ ｈ ｉ ｉ ｉ ｆｔ ｅｉｖ ｒｅ ，ｎ ｏ ｃ
中频电源电路设计
摘要随着科学技术的发展以及提高我国国防能力的需要，对军事设施的技术改造已被列为军事技术改造中的重点。
中频电源指输出频率为400Hz的电源，它可以为动力系统及导航与武备系统供电。
传统的400Hz中频电源体积大，输出波形不稳定。
本文所设计的400Hz中频电源通过整流电路、逆变电路、积分电路、放大电路和检波电路及控制其最后的输出电压，实现了电压的稳定输出，具有体积小、功率大和波形无失真等优点，有着广泛的用途和良好的发展前景。
关键词：中频电源，PWM调制，输出变压器电力电子装置及系统课程设计任务书一、课程设计的目的通过电力电子装置及系统的课程设计到达以下几个目的：1、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。
2、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。
3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。
4、培养学生运用仿真工具的能力和方法。
5、提高学生课程设计报告撰写水平。
二、课程设计的要求1. 题目题目：中频电源电路设计主要技术数据●输入电压：三相360V～400V，50Hz±5%●输出电压：单相，220V±2%，400Hz±0.5%●输出功率：4kW●输出电流：22A●功率因数：0.8二、课程设计的要求1. 题目题目：中频电源电路设计主要技术数据●输入电压：三相360V～400V，50Hz±5%●输出电压：单相，220V±2%，400Hz±0.5%●输出功率：4kW●输出电流：22A●功率因数：0.8●效率：85%设计内容：●主电路设计和参数选择●控制系统及辅助电源电路设计●电路仿真分析和仿真结果要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路、控制电路等详细的设计〔包括计算和器件选型〕。
严禁抄袭，严禁两篇设计报告基本相同，甚至完全一样。
设计报告最后给出设计中所查阅的参考文献最少不能少于5篇，且文中有引用说明，否则也不能得优〕。
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400HZ中频电源设计方案目录1 引言 (1)2设计要求 (1)3 400Hz中频电源的硬件原理与设计 (1)3.1振荡电路 (2)3.2分频电路 (2)3.3 积分电路 (4)3.4 放大电路 (6)4.2控制电路的原理与设计方案 (9)5测试结果 (11)6结论 (12)参考文献 (13)致谢 (14)附录系统电路图 (14)英文资料及中文翻译 (15)1 引言400Hz中频电源，可广泛应用于舰艇，飞机及机载设备以及工业控制设备，例如，旋转变压器是一种信号检测设备，通过角度的改变，可实现输出电压的改变，进而为控制设备提供控制信号。
利用400Hz中频电源给旋转变压器供电，可以实现系统电信号的控制，将非电量转变成了电量。
在航天航空设备中，中频电源性能的优劣和可靠性将决定着航行器的安全行驶与战斗力的发挥。
新型中频电源自动控制系统具有电路简单，可以实现复杂的控制，控制灵活且具有通用性的优点。
当电源本身特性发生变化时候，完全可以通过对软件参数进行修改来对电路进行改动，可以为进一步实现集中控制带来方便。
采用新型数字控制系统后，中频电源具有启动平稳、运行稳定、控制精度高、调试与维修方便、体积小等优点。
2 设计要求(1) 实现输出频率为稳定的400Hz正弦波。
(2) 输出波形没有明显失真。
(3) 输出电压为25V～65V连续可调（有效值）。
3 400Hz中频电源的硬件原理与设计4MHz信号基准电源，通过分频电路进行分频得到400Hz的信号，经过积分电路将方波转化为正弦波，为提高电压的幅值还要经过放大电路进行放大，再通过升压变压器使最后的输出电压的有效值在25V～65V之间。
通过检波电路得到直流电压，AD采集首先将模拟信号转变成数字信号后，再将采集到的电压值送到单片机中，最后通过单片机送到数码管显示电压，为保证放大电路中TDA7294的正常工作，单片机控制系统还通过稳压电路为其提供电压。
中频电源设计原理流程图如图3－1所示。
图3－1 400Hz中频电源设计原理流程3.1 振荡电路为得到频率稳定性很高的振荡信号，多采用由石英晶体组成的石英晶体振荡器。
石英晶体的电路符号及振荡电路如图3－2所示。
0.01ufC1GND10V图3－2 振荡电路在石英晶体两个管脚加交变电场时，它将会产有利于一定频率的机械变形，而这种机械振动又会产生交变电场，上述物理现象称为压电效应。
一般情况下，无论是机械振动的振幅，还是交变电场的振幅都非常小。
但是，当交变电场的频率为某一特定值时，振幅骤然增大，产生共振，称之为压电振荡。
这一特定频率就是石英晶体的固有频率，也称谐振频率。
石英晶体的选频特性非常好，串联谐振频率fs也极为稳定，且等效品质因数Q值很高。
只有频率为fs的信号最容易通过，而其他频率的信号均会被晶体所衰减。
电路中并联在两个反相器4069输入，输出间的电阻R的作用是使反相器工作在线性放大区，R的阻值分别为3.3k和2.7k。
电容C1用于两个反相器间的耦合，而C2的作用，则是抑制高次谐波，以保证稳定的频率输出。
电容C2的选择应使2πRC2fs≈1，从而使RC2并联网络在fs处产生极点，以减少谐振信号损失。
C1的选择应使C1在频率为fs时的容抗可以忽略不计。
电路的振荡频率仅取决于石英晶体的串联谐振频率fs，而与电路中的R，C的数值无关。
这是因为电路对fs频率所形成正反馈最强而易于维持振荡。
为了改善输出波形,增强带负载的能力，通常在振荡器的输出端再加一级反相器4069。
输入的信号为4MHz，这样输出的信号频率为4MHz。
3.2 分频电路3.2.1 CD4024分频器然后进入CD4024分频器[1]。
CD4024是多位二进制输出串行计数器，它是7位的串行计数或分配器。
如图3－3所示。
图3－3 CD4024分频器是由D 型触发器组成的二进制计数器。
多位二进制计数器主要用于分频和定时，使用极其简单和方便。
CD4024特点是IC 内部有7个计数级，每个计数级均有输出端子，即Q1～Q7。
CD4024计数工作时，Q1是CP 脉冲的二分频；Q2又是Q1输出的二分频；Q3又是Q2输出的二分频……所以有f Q7＝f 2cp 。
所以进入CD4024的信号4096KHz 在Q1端输出的信号为2048KHz ，在Q2端输出的信号为1024KHz ，在Q3端输出的信号为512KHz ，在Q4端输出的信号为256KHz ，在Q5端输出的信号为128KHz ，在Q6端输出的信号为64KHz ，在Q7端输出的信号为32KHz 。
然后32KHz 的信号又进入一个CD4024分频器，在第二个分频器的Q1端的输出信号为16KHz ，在Q2端的输出信号为8KHz ，在Q3端的输出信号为4KHz 。
这样输出频率为4KHz 的信号又进入下一个分频器74LS90。
3.2.2 74LS90计数器74LS90是异步十进制计数器[2] 。
其逻辑电路图和引脚图如图3－4所示。
它由1个1位二进制计数器和1个异步五进制计数器组成。
如果计数脉冲由CLK0端输入，输出由Q0端引出，即得二进制计数器；如果计数脉冲由CLK1端输入，输出由Q1～Q3引出，即是五进制计数器；如果将Q0与CLK1相连，计数脉冲由CLK0输入，输出由Q0～Q1引出，即得8421码十进制计数器。
因此，又称此电路为二－五－十进制计数器。
图3－4 74LS90计数器管脚图本设计中信号由CLK1端输入，输出由Q1～Q3引出，即是五进制计数器。
也可看成五分频器，即Q3是CLK1输出的五分频，Q2是Q3输出的五分频……4KHz 信号输入在Q3端输出是800Hz 信号。
此点输出波形为脉冲波形。
输出为800Hz 的信号又进入下一个分频器－D 触发器。
3.2.3 D 触发器边沿型D 触发器如图3－5所示。
图3－5 D 触发器边沿型触发器[3]的特点是，输出状态发生变化的时刻只能在时钟脉冲CP 的上升沿触发。
输出状态Qn+1的值仅仅取决于Qn 及CP 信号有效沿时刻的输入信号，具备这种特点的触发器就叫做边沿型触发器。
D 触发器是一种延迟型触发器，不管触发器的现态是0还是1，CP 脉冲上升沿到来后，触发器的状态都将改变成与CP 脉冲上升沿到来时的D 端输入值相同，相当于将数据D 存入了D 触发器中。
表 3－1 是边沿型D 触发器的功能表。
从功能表写出D 触发器的特性方程为：D Qn =+1 （3.1）D 触发器为二分频触发器。
即从Q 输出的信号为400Hz 的方波。
400Hz 方波要进行二次积分，整形变成正弦波。
3.3 积分电路3.3.1方波变三角波800Hz电路如图3－6（a ）所示。
由图可见，在理想条件下，图 3－6（a ）基本积分电路dtt dUo C R t Ui )()(-= (3.2) 如果电容两端的初始电压为零，则(3.3)当U i (t)是幅值为E i 的阶跃电压时(3.4)此时，输出电压U o (t)随时间线性下降，如（3－3）可知，时间常数RC 的数值越大，达到给定的U o 值所需要的时间越长。
Ei Ui(t)t0 U i (t )tTUo(t)tU o (t )t0 图3－6（b ） 图3－6（c ） 输入为阶跃电压时的输出波形 输入为方波时的输出波形 当U i (t)是峰值振幅为U ip-p 的方波时，U o (t)的波形则为三角形波，如图3－6（c ）所示。
这时，根据式（3.4），输出电压的峰—峰值为⎪⎭⎫⎝⎛-=-2T RC p Uip p Uop （3.5） 在实际的积分电路中，通常都在积分电容C 的两端并接反馈电阻R f 如图3－6（a ）所示。
R f 的作用是产生直流负反馈，目的是减小集成运放输出端的直流漂移。
但是，R f⎰-=101)(Uidt RC t Uo ⎰-=-=1011)(Eit RC Uidt RC t Uo的存在将影响积分器的线性积分关系，这时，输出积分波形将如图3－6（b）虚线所示。
因此，为了改善积分器的线性度，Rf 值取大些，但太大对抑制直流漂移不利，因此，Rf应取适中的数值[4]。
3.3.2 三角波变正弦波如图3－7所示。
经过二次积分所得到的波形是正弦波，但此时正弦波是带有直流的波形，频率是400Hz。
经过整形滤出直流波形变成正弦波。
Uo(t)tUo(t)t图3－7三角波变正弦波三角波再经过一次积分变成正弦波[5]。
然后进入放大电路，输出电压的幅度不够所以要经过多次放大。
3.4 放大电路3.4.1 负反馈放大反馈：可描述为将放大电路的输出量（电压或电流）的一部分或全部，通过一定的方式送回放大电路的输入端。
我们有时把引入反馈的放大电路称为闭环放大器，没有引入的称为开环放大器。
它可分为负反馈和正反馈。
反馈输入信号能使原来的输入信号减小即为负反馈，反之则为正反馈。
就是通过比较反馈前后的输入量的改变情况，若反馈后的净输入量减小则为负反馈，反之则为正反馈。
（净输入量是反馈后的输入量）判断的方法是：瞬时极性法。
先将反馈网络与放大电路的输入段断开，然后设定输入信号有一个正极性的变化，再看反馈回来的量是正极性的还是负极性的，若是负极性，则表示反馈量是削弱输入信号，因此是负反馈。
反之则为正反馈[6]。
负反馈对放大倍数的影响(1) 负反馈使放大倍数下降由放大倍数的一般表达式：（3.6）我们可以看出引入负反馈后，放大倍数下降了(1+FA)倍。
(2) 负反馈提高放大倍数的稳定性我们用相对变化量来表示（对上式求导）：（3.7）从上式我们可以看出放大倍数的稳定性也提高了（1+FA ）倍。
负反馈可以使放大电路的非线性失真减小，它还可以抑制放大电路自身产生的噪声。
本设计选用的是加法电路如图3－9所示。
在反相比例放大器的基础上增加几个输入支路便组成反相求和运算电路。
如图所示，其输出电压为⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=2211R Rf Ui R Rf Ui Uo （3.8）如果21R R Rf ==，则 ()21Ui Ui Uo +-=。
图3－9 加法电路经过两级负反馈放大调整，输出的仍为400Hz 的正弦波形，电压幅值适当调节。
3.4.2 TDA7294放大TDA7294是著名的ST 意法微电子公司推出一款新型DMOS 大功率音频功放集成电路，它具有较宽范围的工作电压，（VCC+VEE ）=80V ；较高的输出功率（高达100W 的音乐输出功率），并且具有静音待机功能，以及过热、短路保护功能。
很小的噪声和失真，其音质极具胆味，这缘于其内部电路从输入到输出都是场效应器件。
TDA7294实际功率能达到50W 的功放IC,在过热保护方面的表现已经做得非常好。
他们在功放IC 的发热温度低于最高允许值时，输出信号波形始终都保持正常。
必须在功放IC 金属片上的温度到达115度之后，它们才关段输出。