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1 問題的提出與現狀分析
教科書中介紹穩壓電源時，幾乎毫無例外都介紹各種類型的直流穩壓電源，交流電壓變換廣泛采用變壓器，交流電壓的穩定主要依賴于電網電壓的穩定。需要交流調壓時常采用可控硅斬波，利用導通角的變化實現交流調壓，這種調壓的缺點是輸出電壓波形嚴重畸變，對電網存在較為嚴重的諧波污染。可控硅調壓波形如圖1所示。
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圖1 可控硅調壓輸出波形
隨著計算機應用技術的普及與發展，尤其是在物聯網的建設中，作為計算機的感官——傳感器廣泛應用于各種參數的檢測中，例如交流電橋檢測電路，如電容式壓力傳感器、電感式物位傳感器等等，為了保證檢測精度，需要頻率和幅值都很穩定的交流電源。交流檢測電橋如圖2所示。
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圖2 交流檢測電橋
通常單相交流電源的頻率穩定度較高，由于電源內阻和導線阻抗的存在，電網電壓幅值受負載電流的影響較大，一般是負載電流越大，電網電壓衰減也越大。因此設計交流穩壓電源的主要任務就是適時地根據負載端電壓衰減狀況調節電壓幅值，使輸出電壓相對穩定。
采用模擬量調壓可以獲得較好的輸出電壓波形，但是調壓設備自身損耗較大，能量傳輸效率較低；采用高頻率開關量占空比調壓，能量傳輸效率高，由于開關頻率較高，雖存在高次諧波污染，但定周期調占空比的調壓方式，諧波較易濾除。如何兼顧二者的優勢，成為設計交流穩壓電源的關鍵。
2 數控交流調壓原理
2.1 交流穩壓基本原理
首先在只考慮電阻性負載的情況下，應用微型計算機的反饋控制技術，結合數控交流調壓電路、模數轉換電路、脈寬調制、開關晶體管脈沖驅動電路、交流變極性輸出電路、LC脈沖續流濾波電路、交流幅值檢測電路、軟件定值與比較運算、PID數控增益驅動等電路組成交流可調穩壓電源，組成方框如圖3所示。
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圖3 數控交流穩壓電源組成框圖
基本設計思想是在采樣的低電壓小電流端進行微處理器的數控線性調壓，將幅值調校后的正弦交流信號作高頻采樣、AD轉換送微處理器，運用微處理器的運算功能，求解與正弦交流對應的PWM輸出信號，經脈沖驅動電路作大幅值脈沖輸出，再經續流濾波還原成波形平滑的大幅值正弦交流電。為了構成可調的負反饋控制，對輸出的正弦交流電壓作分壓、采樣、整流、平均值濾波，此平均電壓值對應正弦交流電壓有效值，經AD轉換后送微處理器與鍵入的給定值做比較，用設定的算法把比較后產生的偏差信號轉換成小信號交流調壓電路的數字調節量，完成對輸出交流電壓的閉環負反饋控制，實現在微處理器控制下的交流穩壓輸出。
由于采用集成芯片和少量外圍元件，整體電路結構簡單。交流電壓的輸出控制采用軟件定周期調占空比的PWM方式，經脈沖驅動電路和脈沖續流濾波，使交流電源的輸出效率高，由于對輸入交流的采樣頻率高，使電源輸出的電壓波形好，當電網電壓變化或負載變化時，交流穩壓精度高（取決于數控位數）。輸出的正弦交流經過簡單濾波后，幾乎無波形畸變，無明顯的諧波污染。
特別適用于對交流電壓穩定度要求較高，波形失真度小的檢測環境。能量傳輸過程是：交－直－交方式。
2.2 雙極性DA轉換與數字調壓控制
DA轉換電路有一個優良的特性，簡稱為“瞬態轉換，零階保持”。巧妙地應用此電路。
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圖4 數控交流調壓電路
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圖5交流權值0100調壓仿真一
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圖6 交流權值1111調壓仿真二
將其移植到交流調壓電路中，參看圖4數控交流調壓電路。基準電壓輸入端，接來自電網的交流采樣電壓，運放反向輸入的權值電流受基準電壓與數控開關兩方面控制，基準電壓是正弦的則輸出電壓反向后也按正弦規律變化。來自單片機的數字量改變數控開關狀態，則可改變輸出正弦交流電壓的幅值。其輸出電壓表達式為：uo=－Rf （ΣIi）。參看圖5交流權值調壓仿真一、圖6交流權值調壓仿真二。當交流采樣電壓一定時調反饋電阻Rf使輸出電壓幅值在0~2.5V范圍內受數字量控制，若數字量是二進制8位，則可控量化級數是2的8次方為256，典型芯片有如DAC0832，調壓步進值近似為10mV，調壓過程幾乎是連續可調。
2.3 交流幅值采樣與AD轉換控制
相對于工頻50Hz而言，逐位比較型ADC0809的轉換速度已經足夠快了，可以省去采樣保持電路。又由于ADC轉換工作于直流狀態，對來自DAC0832的雙極型交流信號需加直流偏置，芯片ADC0809的最高位則表示幅值的正負。轉換后的數字量傳輸給單片機作為PWM的數據。ADC0809與單片機的連接電路參看圖7。
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圖7 ADC0809與單片機的連接電路
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圖8 單片機PWM脈寬驅動電路
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圖9 單電源變極性交流輸出仿真電路
2.4 單片機PWM與輸出驅動
單片機采用定周期調占空比的方式實現PWM調制。其輸出有兩種方式可供選擇，一種輸出方式的脈沖寬度受來自ADC0809的直流偏置+交流幅值的數據控制，脈寬高、低電平延時量按正弦脈動直流規律變化，這種方式的輸出電路和程序編寫都簡單，但輸出端需增加隔直流電容，適用于輸出功率不大的應用場合，如圖8單片機PWM脈寬驅動電路所示；另一種是以ADC0809輸出的最高數字位作為正負符號位（所加的直流偏置幅值），對負數求補后再決定輸出脈沖寬度，這相當于用軟件整流，輸出的脈寬按全波整流波形的規律變化，為使輸出電壓按正弦交流變化，輸出電路需增加極性變換電路，不需要隔直流電容，單片機需增加變極性控制端子，這種方式適用于輸出功率較大且不適用隔直流電容的應用場合。
請參看圖9單電源變極性交流輸出仿真電路。
3 單片機PWM的交流穩壓原理
電源在實際使用中往往由于電網電壓或負載電流的變化導致電壓波動，嚴重影響電橋測量的精確度。要實現穩壓，必然要引入閉環的負反饋控制。對交變的正弦信號，如何確定給定值和反饋值是實現交流穩壓的關鍵。
3.1 交流給定值的確定
交流給定值的確定有很多方法，如采用數表法確定每一采樣時刻的給定值，此方法需要的存儲空間很大，而且要求精度越高，所需存儲空間越大，不太適合存儲空間有限的單片機。一種簡單有效的方法是采用默認值加鍵入增減值作為給定值，這是一個數字量，對應著正常交流輸入情況下的交流輸出有效值。
3.2 反饋值的檢測與量化
對實際輸出的交流電壓作全波整流和平均值檢測，然后量化為數字量，可采用的方法也很多，如模數轉換型或壓頻變換計數型均可。此數字量對應著實際輸出的交流有效值。在調試過程中，調試程序中的相關參數，或調試電路參數，使正常情況下輸出的電壓有效值達到給定值時，反饋的數字量等于給定值數字量。
3.3 偏差信號的PID調節
不論是電網電壓變化，或是負載電流的變化，都反映在穩壓電源輸出電壓的變化上，應用單片機對反饋值與給定值的差值作數字PID調節，輸出的數字量用以調節輸入端的數控增益放大器，只要滿足閉環反饋控制為負反饋性質，就可實現無靜差的穩壓控制，使交流輸出電壓有效值穩定在給定值上。
如果只要求輸出電壓穩定，允許有靜差存在，可以只采用P比例度控制，這樣可使控制算法大為簡化。有關P、PI、PD、PID控制性能對比如圖10PID階躍響應曲線所示。
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圖10 PID階躍響應曲線
由圖示階躍響應曲線可知，P和PD控制算法都存在靜差。
如果將電網電壓的變化作前饋檢測，與微處理器的閉環負反饋控制結合構成前饋－反饋控制，則會在電網電壓波動時提高控制的響應速度，使電網電壓的波動不影響穩壓輸出，取得更好的穩壓效果。
3.4 PID控制算法的特點
PID是經典的工業過程控制算法，通常應用于工作速度不很高的控制過程中。根據不同的控制對象和控制要求，可分別采用比例控制P，比例－積分控制PI，比例－微分控制PD和比例－積分－微分控制PID。其中比例控制的主要作用是對偏差的放大量，以提高控制靈敏度，但輸出量是以偏差的存在為依存的，通常輸出存在靜差；積分控制的主要作用就是消除靜差，但會使響應速度減小；微分控制則可提高響應速度，也存在靜差。有階躍響應曲線圖10還可以看出，采用PID調節是響應速度最快的無靜差控制。
4 單片機PWM調制交流穩壓電路計算機仿真
4.1控制電路計算機仿真的特點
目前流行的電子仿真軟件有好幾款，其中PROTEUS嵌入式系統仿真與開發平臺是一款可以實現數字電路、模擬電路、微控制器系統仿真以及PCB設計等功能的EDA軟件。
從元件的選取到連線，直至電路的調試、分析和軟件的編譯，都在計算機中完成，所有的工作先在虛擬環境下進行。可以在原理圖設計階段對所設計的電路進行評估、驗證，看是否達到設計要求和技術指標，并可以通過改變元件參數使整個電路性能達到最優化。這就避免了傳統電子電路設計中方案更換帶來的多次重復購買元器件及制板，在節省設計時間與經費的同時，提高了設計效率和質量。
現代化教學越來越多地使用多媒體教學設備和實驗室電腦教學，這為開展一定量的計算機仿真實驗教學提供了基礎。仿真實驗中不需要擔心元器件的損壞，也不需要設立太多的條條框框，學生可以放心大膽地從多方位對仿真電路進行實驗，作更深層次的分析探討。
PROTEUS軟件提供了三十多個元器件庫，有數千種元器件，涉及電阻、電容、電感、二極管、晶體管、MOS管、變壓器、繼電器、各種放大器、各種激勵源、300多種微處理器、各種門電路和各種終端等。提供的儀表有：交直流電壓表、交直流電流表、邏輯分析儀、定時/計數器、信號發生器、多蹤示波器等。作為交互式可視化仿真軟件，提供數碼管、液晶屏、LED、按鈕、鍵盤等外設，同時支持圖形化的分析功能，具有直流工作點、瞬態特性、交直流參數掃描、頻率特性、傅里葉、失真、噪聲分析等多種分析功能，可將仿真曲線繪制到圖表中。可見擁有了仿真軟件，如同擁有了一個龐大的實驗室。
4.2 交流穩壓電路計算機仿真電路與輸出波形
圖11是電阻性負載的交流穩壓電源仿真電路圖，圖12給出了示波器檢測的波形圖，圖中黃色為單片機脈寬輸出波形，藍色為晶體管脈沖驅動波形，紅色為脈沖續流濾波后輸出的正弦交流波形，綠色為提供參考的輸入交流波形。由輸出波形可知除有一定延時外，無任何波形畸變，無諧波污染。仿真實驗表明，當交流電源頻率提高到100Hz時，輸出波形平滑度仍相當好。圖12是有續流時的濾波輸出電壓波形；圖13是切斷二極管續流支路后的脈沖驅動波形和交流輸出電壓波形，可以看到明顯的輸出電壓波形畸變和諧波污染現象。由此可知續流濾波對輸出電壓波形的重要性。
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圖11 PWM調制交流穩壓計算機仿真電路
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圖12 PWM調制50HZ穩壓電源輸出波形
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圖13 無續流濾波的交流穩壓仿真波形圖
圖14、圖15是當電網電壓有效值變化時，相對穩定的交流輸出電壓波形。由輸出波形圖可知，當輸入交流電壓在±25％范圍變化時，輸出交流電壓有效值都能保持恒定，且輸出波形無畸變。
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圖14 電網電壓升高時的交流穩壓輸出
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?圖15 電網電壓降低時的交流穩壓輸出
由圖15、圖16可知當電網頻率變化時，輸出電壓的相移量發生變化，頻率越高相移越大，當采用RL負載時輸出的相移量增大。如果需要在不同工作頻率下保持零相移，可以采用前饋控制方法，在小信號調壓控制端采用微機控制的移相補償來消除滯后的相移量。
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圖16 電源頻率為25Hz時的交流穩壓輸出
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圖17電源頻率為100Hz時的交流穩壓輸出
5 結束語
綜合上述對微機控制的PWM調制交流調壓實驗仿真電路及輸出波形的分析可知，這是一款性能優良、結構簡單、值得推廣的交流可調穩壓電源。
工商網監
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