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摘 要：本文介绍一种复合控制方式的变频电源的制作，这种电源具有快速的动态性能、很高精确度的稳态性能及高度可靠性等方面的特点。
关键词：复合控制 变频 电源 制作
1 重新设计的变频电源结构
常用的开关逆变电源的频率自动跟踪控制器，一般都采用CD4046－PLL电路，这种构成具有一定的缺陷。第一是IC－PLL的过渡时间长，使电路进入锁定状态要较长的时间；第二是逆变电源在感应加热工作中存在失锁现象，抗干扰能力差；第三是死区时间控制需要辅助电路，并存在零漂；第四是在不同的频率阶段工作时，需要有不同的滤波网络参数，使启动电路结构复杂和可靠性能降低。
由于上述的缺陷，根据IC－PLL的不足，重新设计的变频电源其电路结构如图1所示。整流器采用APFC控制器，开关逆变器采用数字锁（DPLL）结合Fuzzy控制方式，对频率进行跟踪控制的方法，增强频率范围的跟踪，提高其抗干扰能力，使输入和输出功率因数都得到有效控制和提高。这里利用了主控高速单片机MCU来实现跟踪频率控制，并进行功率控制及功率因数的调节，其中MCU通过控制APFC的PWM对整流器进行功率控制和功率因数的调节；同时MCU采用Fuzzy－DPLL复合式控制策略，达到逆变桥开关管的过零导通，对逆变器的输出频率跟踪控制。
2 逆变电源控制器
一种在Fuzzy－DPLL的基础上设计的逆变电源控制器，其电路结构如图2所示。当相位误差大于设计值时，以Fuzzy－DPLL控制方式工作；当相位误差小于设计值时，系统进入数字锁定的方式工作。这种设计就可由Fuzzy控制切换到DPLL控制方式，保证逆变器在谐振或准谐振准态下工作，同时使系统跟踪的频率范围扩大，并且提高抗干扰能力。
步信号作用下，记录同步信号的相位和周期，周期记为T （n）；其中计数器1起压控振荡器的作用，其频率相位修正后的锁定输出信号的周期为T（n）。在n个周期内计算出T（n），在第n＋1个周期启动计数器1。定义θ（n）为这个周期的相位差，实际上θ（n）是启动定时器T （n＋1）跟启动定时器T（n）的时间差。如果T（n）超前于T （n＋1），则θ（n）为正，反之，则为负。于是有：
这里的集成锁的调节包括频率修正和相位修正。在DPLL集成电路中，将相位和频率分别进行修正，这里运用了修正变量T′（n），若是不考虑滤波的作用，可以修正成T′（n）＝T （n）。引入低通的RC滤波器，把滤波器的输入用T （n），用T′（n）作为输出的滤波器，可以写出下列表达式：
（2）式中A是滤波参数，A＝τ／（T ＋τ），0＜A≤1；式中τ为时间常数，τ＝RC；T 为采样周期。
根据DPLL算式中所反映的数值，在同步信号发生变化时，就会产生相位误差，因为算式计算出来的前一个周期，将直接作为计数器1的计数值，没有进行相位校正，这样不能消除相位误差。所以只有引入相位修正：
（3）式中B是相位修正系数，0＜B＜1。
根据（2）、（3）两式所构成的基本计算式，利用一个计数器进行T0（n）记录。在输入脉冲上升到设计值时，单片就会机发生中断，读取计数器的数值，通过计算处理以后可得θ（n），计数器1的周期个数与同步输入脉冲个数的比较来确定θ（n）的正负。如果出现频率变化较大或高频时，两个周期的相差较大，频率跟踪速度较慢。所以，在算法实现时采用先频率修正，后频率相位修正的方法进行调节。实现相位和频率同时进行修正的条件是｜T （n）－T （n－1）｜＜ξ，其中ξ是跟T 有关的设计指数。研究发现，先采用频率修正，后相位修正的调节的方法能够实行快速跟踪。由断路子程序得到的θ（n），有可能等于或小于T （n）／2，也可能大于T （n）／2，可采用近似的方法识别能否将该周期作为相位和频率同时修正的开始周期。在编程时，在θ（n）值小于等于T （n）／2时，把该周期并入到跟踪的周期，θ（n）的符号为负；θ（n）值大于T （n）／2，时，则删去该周期，θ（n）符号为正。在单片机高速捕获输入脉冲时，捕获得到单元脉冲信息，并精确读入脉冲信息的周期，其设计的DPLL流程程序如图4所示。
应该注意的事项有，参数A和B的选择会影响DPLL的动态和静态响应。在滤波参数A值比较小时，其响应速度就快，但不太稳定，容易产生电路振荡；A值比较大，响应的速度会慢，但比较稳定。在相位修正系数B值较小时，比较稳定，但响应速度较慢。B值较大时，调节响应速度较快，但容易发生电路振荡，不太稳定。所以，A、B的取值要协调。在实验过程中取A＝0．08，B＝0．25，ξ＝T0／5时，DPLL频率跟踪和锁定效果最优。
3 控制系统的软件设计
复合方式的变频电源，是由数据的初始化、数据的采集、参数的显示、DPLL控制方式、Fuzzy控制、智能切换器、SPWM信号产生和输出电路等部分组成，如图5所示。电路中的智能切换器是根据产生误差的大小来协调Fuzzy控制和DPLL的控制方式。
4 实验情况及结论
用该电源进行实验过程中，在实行突加负载和功率调节时，在逆变器Fuzzy－DPLL的控制下能够实现频率快速跟踪，无失锁现象，启动也很可靠。跟采用IC－PLL控制的变频电源相比，其有启动快、稳定性好和抗干扰性强的特点。
参考文献：
［1］周谦之.开关——线性复合功率变换技术展望［J］.电气传动自动化，2001，（增刊）：1-2.
［2］杨旭，裴云庆，王兆安.开关电源技术［M］．北京：机械工业出版社，2005.
［3］康华光，邹寿彬.模拟电子技术基础（第四版）［M］．北京：高等教育出版社，2002.
［4］毛鸿.感应加热电源无相差频率跟踪控制电路［J］电力电子技术，1998，（2）：25－27.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
关键词：复合控制 变频 电源 制作
1 重新设计的变频电源结构
常用的开关逆变电源的频率自动跟踪控制器，一般都采用CD4046－PLL电路，这种构成具有一定的缺陷。第一是IC－PLL的过渡时间长，使电路进入锁定状态要较长的时间；第二是逆变电源在感应加热工作中存在失锁现象，抗干扰能力差；第三是死区时间控制需要辅助电路，并存在零漂；第四是在不同的频率阶段工作时，需要有不同的滤波网络参数，使启动电路结构复杂和可靠性能降低。
由于上述的缺陷，根据IC－PLL的不足，重新设计的变频电源其电路结构如图1所示。整流器采用APFC控制器，开关逆变器采用数字锁（DPLL）结合Fuzzy控制方式，对频率进行跟踪控制的方法，增强频率范围的跟踪，提高其抗干扰能力，使输入和输出功率因数都得到有效控制和提高。这里利用了主控高速单片机MCU来实现跟踪频率控制，并进行功率控制及功率因数的调节，其中MCU通过控制APFC的PWM对整流器进行功率控制和功率因数的调节；同时MCU采用Fuzzy－DPLL复合式控制策略，达到逆变桥开关管的过零导通，对逆变器的输出频率跟踪控制。
2 逆变电源控制器
一种在Fuzzy－DPLL的基础上设计的逆变电源控制器，其电路结构如图2所示。当相位误差大于设计值时，以Fuzzy－DPLL控制方式工作；当相位误差小于设计值时，系统进入数字锁定的方式工作。这种设计就可由Fuzzy控制切换到DPLL控制方式，保证逆变器在谐振或准谐振准态下工作，同时使系统跟踪的频率范围扩大，并且提高抗干扰能力。
步信号作用下，记录同步信号的相位和周期，周期记为T （n）；其中计数器1起压控振荡器的作用，其频率相位修正后的锁定输出信号的周期为T（n）。在n个周期内计算出T（n），在第n＋1个周期启动计数器1。定义θ（n）为这个周期的相位差，实际上θ（n）是启动定时器T （n＋1）跟启动定时器T（n）的时间差。如果T（n）超前于T （n＋1），则θ（n）为正，反之，则为负。于是有：
这里的集成锁的调节包括频率修正和相位修正。在DPLL集成电路中，将相位和频率分别进行修正，这里运用了修正变量T′（n），若是不考虑滤波的作用，可以修正成T′（n）＝T （n）。引入低通的RC滤波器，把滤波器的输入用T （n），用T′（n）作为输出的滤波器，可以写出下列表达式：
（2）式中A是滤波参数，A＝τ／（T ＋τ），0＜A≤1；式中τ为时间常数，τ＝RC；T 为采样周期。
根据DPLL算式中所反映的数值，在同步信号发生变化时，就会产生相位误差，因为算式计算出来的前一个周期，将直接作为计数器1的计数值，没有进行相位校正，这样不能消除相位误差。所以只有引入相位修正：
（3）式中B是相位修正系数，0＜B＜1。
根据（2）、（3）两式所构成的基本计算式，利用一个计数器进行T0（n）记录。在输入脉冲上升到设计值时，单片就会机发生中断，读取计数器的数值，通过计算处理以后可得θ（n），计数器1的周期个数与同步输入脉冲个数的比较来确定θ（n）的正负。如果出现频率变化较大或高频时，两个周期的相差较大，频率跟踪速度较慢。所以，在算法实现时采用先频率修正，后频率相位修正的方法进行调节。实现相位和频率同时进行修正的条件是｜T （n）－T （n－1）｜＜ξ，其中ξ是跟T 有关的设计指数。研究发现，先采用频率修正，后相位修正的调节的方法能够实行快速跟踪。由断路子程序得到的θ（n），有可能等于或小于T （n）／2，也可能大于T （n）／2，可采用近似的方法识别能否将该周期作为相位和频率同时修正的开始周期。在编程时，在θ（n）值小于等于T （n）／2时，把该周期并入到跟踪的周期，θ（n）的符号为负；θ（n）值大于T （n）／2，时，则删去该周期，θ（n）符号为正。在单片机高速捕获输入脉冲时，捕获得到单元脉冲信息，并精确读入脉冲信息的周期，其设计的DPLL流程程序如图4所示。
应该注意的事项有，参数A和B的选择会影响DPLL的动态和静态响应。在滤波参数A值比较小时，其响应速度就快，但不太稳定，容易产生电路振荡；A值比较大，响应的速度会慢，但比较稳定。在相位修正系数B值较小时，比较稳定，但响应速度较慢。B值较大时，调节响应速度较快，但容易发生电路振荡，不太稳定。所以，A、B的取值要协调。在实验过程中取A＝0．08，B＝0．25，ξ＝T0／5时，DPLL频率跟踪和锁定效果最优。
3 控制系统的软件设计
复合方式的变频电源，是由数据的初始化、数据的采集、参数的显示、DPLL控制方式、Fuzzy控制、智能切换器、SPWM信号产生和输出电路等部分组成，如图5所示。电路中的智能切换器是根据产生误差的大小来协调Fuzzy控制和DPLL的控制方式。
4 实验情况及结论
用该电源进行实验过程中，在实行突加负载和功率调节时，在逆变器Fuzzy－DPLL的控制下能够实现频率快速跟踪，无失锁现象，启动也很可靠。跟采用IC－PLL控制的变频电源相比，其有启动快、稳定性好和抗干扰性强的特点。
参考文献：
［1］周谦之.开关——线性复合功率变换技术展望［J］.电气传动自动化，2001，（增刊）：1-2.
［2］杨旭，裴云庆，王兆安.开关电源技术［M］．北京：机械工业出版社，2005.
［3］康华光，邹寿彬.模拟电子技术基础（第四版）［M］．北京：高等教育出版社，2002.
［4］毛鸿.感应加热电源无相差频率跟踪控制电路［J］电力电子技术，1998，（2）：25－27.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”