高精度程控交流电压源的研究与实现

发布时间：2020-08-17 21:31

【摘要】：随着人类科技水平的不断进步,精密电测量技术的不断发展,越来越多的用电设备对供电质量提出了更为严苛的要求。这其中高品质的交流标准源在电力电子行业,尤其是在研发机构、仪表检定、芯片测试等场合更是不可或缺。目前这些高品质的交流标准源主要依赖于国外进口,国内的交流电源输出精度低、稳定性差、带负载能力较弱,与国外同类型产品相比有一定的差距。为此本文设计了高精度程控交流电压源,凭借其杰出的性价比提升国产化产品竞争力,具有应用推广价值。通过对国内外交流电压源产品进行对比分析,针对国内产品的不足,本文提出了一种解决方案,该方案主要对交流电压源系统的控制电路和功率放大电路进行了研究和分析。为了提高控制质量,本文设计了串级控制系统。控制电路由串级控制系统的主回路和副回路组成,以P控制器和高性能反馈网络为核心的副回路主要用来稳定系统的输出,以STM32F415RGT6、高精度的AD转换器、低通滤波器和DA转换器为核心的主回路主要用来保证系统的输出精度。功率放大电路是整个设计的重点和难点之一,为了获得足够的电路带宽和较高的瞬态响应,本文设计了以音频功放器件为主的甲乙类功率放大电路。为了最大化获取控制电路的输出信号,首先设计了以音频功率放大器LM3886为核心的功放输入级电路;其次为了确保输入信号不失真,设计了以三极管为主的甲乙类功放偏置电路;然后根据音频功放管自身的特性曲线和系统对输出电流的要求,设计了全对称的功放电路上下臂;最后针对系统输出电压幅值范围的要求,本设计采取了多抽头变压器升压的方式来实现宽范围输出电压。除了对整个系统控制电路和功放电路的研究外,本文对第三代频率合成技术(直接数字频率合成技术,DDS)也进行了深入的研究和分析,并基于此技术产生了正弦波信号,确保了信号频率的准确性。同时设计了在Linux工业平板电脑上运行的Qt人机交互界面,可通过以太网与交流电压源进行通讯。在本文末尾,对交流电压源样机的输出范围(幅值和频率)、输出幅值的准确性和稳定性、输出频率的精度、带负载能力和过载与短路保护功能进行了实际测试,结果表明各项指标和功能全部满足设计要求。
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM46
【图文】：

3、 提高了系统的工作频率，改善了系统的控制质量和单回路控制系统相比，在相同衰减系数的情况下，串级控制系统的工作频率高于单回路系统的工作频率，这等价于操作周期和过渡过程的时间缩短了，因而控制质量得到了改善[18]。4、 串级控制系统具有一定的自适应能力整个控制过程不可避免地存在一些非线性因素，如负荷的变化。在串级控制系统中，由负荷变化引起的副回路各环节参数的变化几乎不影响系统的控制质量，原因有两点：其一，由式(2.7)可知对象的等效增益 2′= 2 2(1 + 2 2 2 )，一般 2 2 2 1，因此对等效增益的影响不大，故副回路能自动克服这类非线性因素的影响，保持原有的控制质量；其二，副回路是一个随动系统，负荷发生变化时，主回路控制器将改变其输出值，副控制器快速跟踪，及时精确地控制副参数，保证了控制品质。所以串级控制系统具有一定的自适应能力[19]。根据上述对串级控制系统的理论分析以及本实验室多年来对其深入的研究，分析论证后，决定设计“数字主回路+模拟副回路”的串级控制系统，实际的系统结构图如图 2.3 所示。

可行性强，降低了开发难度，缩短了开发周期。STM32F415RGT6 最小系统的设计一款单片机，要想让其稳定工作就首先得设计该单片机的最2F415RGT6 也不例外。STM32F415RGT6 的最小系统包括：电、时钟电路、下载调试电路和启动电路这五部分[22]。STM32 的电源供电，通过一个能产生 3.3V 电压的 LDO 进行供电，不做具体分析，在 3.6 节会详细探究。该芯片需要低电平信号采用了经典的 RC 复位电路，由于不需要手动复位只需要实需设计复位按钮。时钟电路采用 8MHz 的无源晶振方便倍频计两个小电容这样可以起到滤波的作用，消除晶振波形中的振两端并联一个 1M 的电阻，主要有两个作用：一是保证与部的放大器工作在高增益的线性区，二是限流的作用，防止反驱动，损坏晶振。启动方式设计成用户闪存存储器启动，故设计成低电平。下载调试电路为了节约主控芯片 IO 口采用系统硬件电路如图 3.1 所示。

2、 以太网控制器 ENC28J60 外围电路的设计如图3.2所示为ENC28J60的外围电路图，ENC28J60的工作频率为25MHz，需要在 OSC1 和 OSC2 引脚之间接入 25MHz 的晶振，其工作电压和STM32F415RGT6 都是 3.3V，因此可以直接将两者的 SPI 口对接，MCU 可以通过 SPI 对以太网控制器内部寄存器进行读写[25]。图 3.2 以太网通讯电路

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本文编号：2795862