引言
功率放大器，簡稱功放，就是通過功率晶體管的電流或者電壓控制作用，將直流輸入按照給定信號(hào)波形放大為功率輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)負(fù)載。 在傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域中， 功放被廣泛用于驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器等音頻類設(shè)備，而若利用其輸出的功率信號(hào)來驅(qū)動(dòng)繼電器線圈等繼電保護(hù)類設(shè)備，則可以模擬電網(wǎng)故障，完成對繼電器保護(hù)設(shè)備的測試，這也是繼電保護(hù)測試儀中電壓電流功放的測試原理[1-2]。
繼電保護(hù)測試儀中電壓電流功放通常輸出功率較大， 單模塊輸出功率從 100 VA 到幾千 VA 不等，一般采用開關(guān)功放的方案，以求達(dá)到較高的功率密度，便于攜帶。 同時(shí)為了保證輸出功率信號(hào)的低 THD 以及寬變頻的要求，通常采用 SPWM 調(diào)制。就功放的具體實(shí)現(xiàn)方案來說，傳統(tǒng)的模擬實(shí)現(xiàn) SPWM調(diào)制交截交點(diǎn)**，輸出諧波含量低，但是會(huì)存在因器件老化、 溫漂等問題導(dǎo)致的可靠性下降，且調(diào)試過程繁瑣。 而隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理器 DSP 已經(jīng)廣泛應(yīng)用在電機(jī)控制、新能源并網(wǎng)發(fā)電、不間斷電源等領(lǐng)域，依賴于 DSP 的高處理速度、高精度以及豐富的硬件資源，可以實(shí)現(xiàn)對變換器開關(guān)管的實(shí)時(shí)控制以及各種通信功能[3-4]。
目前繼電保護(hù)測試儀用的功放，通常采用“數(shù)字基準(zhǔn)源+模擬 SPWM”的方案。 數(shù)字信號(hào)處理器產(chǎn)生幅值頻率可調(diào)的基準(zhǔn)信號(hào)，作為輸出功率信號(hào)的基準(zhǔn)；而利用模擬運(yùn)放，實(shí)現(xiàn)反饋量與基準(zhǔn)源的誤差 PI 調(diào)節(jié)，將其輸出與三角波進(jìn)行交截比較，實(shí)現(xiàn)SPWM 調(diào)制。 該方案采用數(shù)字技術(shù)，保證了基準(zhǔn)源電路的可靠性，易于實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)測試儀與外部的通信功能，同時(shí)采用模擬 SPWM 保證了功放輸出的低 THD 要求。
因此，本文在該方案的基礎(chǔ)上，著重討論了利用 MC56F8013 實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)信號(hào)幅值頻率可調(diào)的方法； 并對數(shù)字實(shí)現(xiàn) SPWM 功放進(jìn)行了初步研究，將其與“數(shù)字基準(zhǔn)源+模擬 SPWM”的方案進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。 *后，對兩種實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了總結(jié)。
1 數(shù)字基準(zhǔn)源的實(shí)現(xiàn)
“數(shù)字基準(zhǔn)源+模擬 SPWM”中，模擬實(shí)現(xiàn) SPWM相對成熟，本節(jié)著重討論數(shù)字基準(zhǔn)源如何實(shí)現(xiàn)。
1.1 “數(shù)字基準(zhǔn)源+模擬 SPWM”系統(tǒng)簡介
繼電保護(hù)測試儀中，數(shù)字基準(zhǔn)源提供了幅值頻率可變的弱信號(hào)基準(zhǔn)，通過功率放大電路將其放大成大功率電壓電流信號(hào)，驅(qū)動(dòng)繼電保護(hù)設(shè)備，如圖 1
所示。 “數(shù)字基準(zhǔn)源+模擬 SPWM”的方案中，基準(zhǔn)信號(hào)由 DSP 發(fā)出，載波（三角波）與調(diào)制波（正弦波）通過電壓比較器輸出高低電平，完成 SPWM 調(diào)制。該功放電路的主電路部分，如圖 2 所示，輸入電壓為 60 V，輸出電流有效值*大 100 A，*大輸出電壓 30 V； 輸出頻率變化范圍為 10 Hz~1 kHz；
50~60 Hz 輸出 1 A 電流狀態(tài)下， 輸出總 THD 不大于 0.5%。 據(jù)此，相應(yīng)的基準(zhǔn)源電路也應(yīng)當(dāng)要求輸出頻率范圍 10 Hz~1 kHz，同時(shí)應(yīng)保證低 THD 的要求。
1.2 硬件方案
MC56F8013 是 Freescale 公司的一款 DSP，采用基于改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)型 56800E 內(nèi)核。 其主要的特點(diǎn)為：采用改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)，每秒可執(zhí)行 32萬條指令， 片內(nèi)具有 16kB 的程序存儲(chǔ)器和 4kB 的數(shù)據(jù)/程序 RAM，還有豐富的片內(nèi)外設(shè)，如 A/D 轉(zhuǎn)換器、全比較單元、串行口以及 PWM 模塊等。
由于 MC56F8013 沒有集成 D/A 轉(zhuǎn)換器， 因此需要外擴(kuò) D/A，本方案中選用 TLV5618。TLV5618 是雙通道 12 位電壓輸出型 D/A 轉(zhuǎn)換器， 具有靈活的三 線 串 行 接 口 ， 并 且 和 TMS320、SPI、QSPI、Microwire串行接口兼容。 在高速模式下，*快轉(zhuǎn)換時(shí)間為 3 μs。 MC56F8013 將數(shù)字量通過串口發(fā)送到D/A 轉(zhuǎn)換器 TLV5618，由于轉(zhuǎn)換后的波形為階梯狀，可以通過運(yùn)放搭建的有源濾波器來濾除高頻諧波含量。 因此可得到數(shù)字基準(zhǔn)源的硬件框圖， 如圖 3所示。
1.3 軟件方案
通常正弦波的生成有兩種方法，一種是在線計(jì)算，另一種是查表法。 在線計(jì)算的方法，處理數(shù)據(jù)量大，占用大量內(nèi)部資源，且受制于 DSP 處理精度，存
在截?cái)嗾`差；查表法是實(shí)現(xiàn)在 DSP 內(nèi)部存儲(chǔ)器內(nèi)預(yù)先存入正弦表，雖然占用了較多的存儲(chǔ)空間，但適用于更新頻率高和反應(yīng)速度要求高的場合。 因此基
于上述的硬件平臺(tái)，正弦波的輸出可以通過 DSP 查表，發(fā)送正弦表的數(shù)字量到 D/A 轉(zhuǎn)換器。
數(shù)字基準(zhǔn)源要求輸出幅值頻率可調(diào)，調(diào)節(jié)幅值的功能可以利用有源濾波部分的比例放大電路來實(shí)現(xiàn)。 而為完成寬變頻，可以通過改變查表的步長或者改變定時(shí)中斷的周期來實(shí)現(xiàn)。 改變查表步長的方案，由于步長值必須為整數(shù)，在有限點(diǎn)數(shù)的單周期表內(nèi)，難以實(shí)現(xiàn)輸出頻率無級(jí)變頻，頻率分辨率低。 而變定時(shí)中斷的策略，可以較好完成無級(jí)調(diào)頻。
但由于有濾波環(huán)節(jié)截止頻率必須大于 10 倍的*大基波頻率， 單周期正弦表點(diǎn)數(shù)必須大于 10 kHz/10Hz=1 000，因此在輸出 1 kHz 正弦波時(shí)，中斷頻率至
少達(dá)到 1 kHz×1 000=1 MHz，MC56F8013 無法承擔(dān)這樣高頻的運(yùn)算量。 因此可采用分段變定時(shí)頻率的方案，在不同輸出頻率段，采用不同的步長來讀取
正弦表，實(shí)際等效于不同頻率段對應(yīng)長度不同的正弦表，降低對 DSP 硬件的要求。
設(shè)計(jì)過程中，完整正弦表的點(diǎn)數(shù)為 1 024，把 10Hz~1 kHz 的頻率分為了 5 段，詳細(xì)的分段及步長值見表 1。
通過調(diào)節(jié)電位器，可改變送入 A/D 管腳的電壓幅值，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量分配到五個(gè)輸出頻率的分段中，同時(shí)建立起數(shù)字量與中斷頻率的數(shù)學(xué)關(guān)系式，即可完成輸出頻率的調(diào)節(jié)。 為避免 A/D 采樣誤差帶來的輸出頻率抖動(dòng)，采取多次采樣取平均值的方法。
圖 4 為實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)的定時(shí)中斷程序的流程圖。
定時(shí)中斷 1 設(shè)計(jì)功能為讀取 A/D 數(shù)字量，將多次采樣平均后的數(shù)字量，分配到不同分段內(nèi)；根據(jù)區(qū)間不同，選取正弦表點(diǎn)數(shù)，并確定定時(shí)中斷 2 的中斷周期。 而定時(shí)中斷 2 則是每個(gè)正弦周期輸出完畢后，根據(jù)定時(shí)中斷 1 確定新的正弦表點(diǎn)數(shù)和中斷周期，查表后向串口發(fā)送數(shù)字量，完成新正弦周期的輸出。 其中為保證輸出的穩(wěn)定性，定時(shí)中斷 2 的優(yōu)先級(jí)高于中斷 1。
SPWM 調(diào)制主要有同步調(diào)制和異步調(diào)制兩種方法，由于系統(tǒng)的寬變頻要求，需要對調(diào)制方式做出合理選擇[5]。
同步調(diào)制是指當(dāng)信號(hào)波頻率發(fā)生變化時(shí)，使載波比保持不變。 這種調(diào)制方式可以保證波形的對稱性，輸出波形只存在奇次諧波，沒有偶次諧波。 但其當(dāng)逆變器輸出頻率較低時(shí)，調(diào)制所產(chǎn)生的諧波頻率也較低，不易濾除。 而載波頻率提高時(shí)，又受到 DSP執(zhí)行速度的限制。
異步調(diào)制即開關(guān)頻率固定，僅通過改變調(diào)制波的頻率來完成輸出寬變頻，因而逆變器輸出的諧波分量固定在開關(guān)頻率附近，有利于主電路濾波器的設(shè)計(jì)。 下面 SPWM 的數(shù)字實(shí)現(xiàn)就是建立在這種調(diào)制方法上的。
2.2 數(shù)字 SPWM 的實(shí)現(xiàn)
在 SPWM 的數(shù)字實(shí)現(xiàn)中， 使用的 DSP 仍然是MC56F8013。 在此，采用異步調(diào)制的方法進(jìn)行了數(shù)字 SPWM 功放的開環(huán)設(shè)計(jì)，要求逆變器輸出頻率范圍 10 Hz~1 kHz。
在開環(huán)的情況下，直接把讀取的正弦表數(shù)字量送入兩互補(bǔ)通道的比較寄存器即可產(chǎn)生 SPWM 信號(hào)；而由于開關(guān)頻率固定，若要完成輸出寬變頻，只能通過改變讀取正弦表的步長 N1 的方法。 由于 N1必須為整數(shù)， 因此在計(jì)數(shù)過程中采用浮點(diǎn)數(shù) N2 作為計(jì)數(shù)的步長，完成計(jì)數(shù)后需要將計(jì)數(shù)器數(shù)值取整進(jìn)行查表操作。 為防止輸出頻率抖動(dòng)，仍然采取平均值的方法，當(dāng) A/D 采樣次數(shù)足夠后，才改變計(jì)數(shù)步長 N2。 由此，利用 MC56F8013 中 PWM 模塊的重載中斷，如圖 5 所示，完成輸出頻率調(diào)節(jié)。
3.1 數(shù)字基準(zhǔn)源實(shí)驗(yàn)結(jié)果
對本文所設(shè)計(jì)的寬變頻數(shù)字基準(zhǔn)源進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究：輸出頻率 10 Hz~1 kHz。 圖 6 給出各輸出頻率下的 D/A 轉(zhuǎn)換后波形以及有源濾波后波形； 圖 7給出基準(zhǔn)源輸出 THD 曲線。 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，在有限的硬件資源下， 通過分段變中斷頻率的方法，較好地實(shí)現(xiàn)了輸出變頻的功能， 正弦基準(zhǔn)信號(hào)*大THD 不超過 0.25%。
3.2 數(shù)字 SPWM 寬變頻功放實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為對數(shù)字和模擬 SPWM 進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，搭建主電路：主開關(guān)管 Q1~Q4 選用 IXFK210N17T，輸出濾波器部分 L1=L2=10 μH，C1=C2=10 μF； 輸入直流電壓Vd=30 V，開環(huán) SPWM 調(diào)制比均約為 0.94，采用單極性倍頻調(diào)制， 開關(guān)頻率 50 kHz； 輸出頻率 10 Hz~1kHz。
圖 8 為數(shù)字和模擬 SPWM 的實(shí)測 THD 曲線。
圖 9、圖 10 分別為數(shù)字和模擬實(shí)現(xiàn) SPWM 波形圖，依次給出輸出頻率 50 Hz，100 Hz，500 Hz 和 1 000Hz 四種情況下波形進(jìn)行對比。 從波形圖以及 THD的比較，可見輸出低頻時(shí)，數(shù)字 SPWM 與模擬生成SPWM 的輸出波形是比較接近，THD 含量略有差異，但是當(dāng)輸出高頻后，數(shù)字 SPWM 所產(chǎn)生的輸出諧波含量比較大，明顯大于模擬實(shí)現(xiàn)的 THD。
3.3 數(shù)字 SPWM 與模擬 SPWM 的分析比較在 MC56F8013 中，PWM 模塊通過對 PWM 時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)， 不斷與比較寄存器比較， 實(shí)現(xiàn)PWM 輸出。 在中心對齊或稱計(jì)數(shù)器連續(xù)增/減計(jì)數(shù)方式下，開關(guān)頻率越高，相應(yīng)周期寄存器數(shù)值越小，輸出占空比分辨率也越低。 例如，當(dāng)開關(guān)周期為 50kHz 時(shí)， 周期寄存器數(shù)值為 96 MHz/(2×50 kHz)=960， 相當(dāng)于當(dāng)個(gè)開關(guān)周期只有 960 個(gè)可能脈寬輸出。 而在小調(diào)制比情況下，脈寬分辨率更低。 因此，若要完成 SPWM 數(shù)字功放的閉環(huán)調(diào)節(jié)或者進(jìn)一步提高開關(guān)頻率， 必須利用更高的 PWM 模塊時(shí)鐘頻率，提高脈寬分辨率，同時(shí)確保 DSP 能夠在較高的開關(guān)頻率下完成中斷程序的計(jì)算任務(wù)。
對比實(shí)驗(yàn)中， 中斷程序簡單且調(diào)制比較高，硬件對于輸出影響不明顯；在輸出低頻時(shí)，數(shù)字 PWM和模擬 PWM 的輸出電壓 THD 指標(biāo)相差不大。 而軟
件設(shè)計(jì)中，輸出高頻時(shí)載波交截存在很大誤差，THD含量很高；而模擬交截時(shí)，經(jīng)由 DSP 產(chǎn)生的正弦波容易保證其輸出精度，較為理想的正弦波和三角波
進(jìn)行自然交截，因而相對來說 THD 就小很多。
4 結(jié)論
本文完成了以 MC56F8013 和 TLV5618 為平臺(tái)的數(shù)字基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)，給出硬件框圖，并通過分段變定時(shí)中斷周期的方法，在有限的硬件資源下，完成了輸出波形頻率幅值可調(diào)；同時(shí)還討論了數(shù)字實(shí)現(xiàn)SPWM 的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 *后完成樣機(jī)制作，給出數(shù)字基準(zhǔn)源的實(shí)驗(yàn)波形，以及數(shù)字和模擬 SPWM 的對比波形，分析了數(shù)字 SPWM 較高 THD 的原因。
