一种高精度变压器恒流扫频电源的控制方法及装置与流程

本发明涉及电力电子和磁性元件测试技术领域，尤其是一种高精度变压器恒流扫频电源的控制方法及装置。

背景技术：

变压器是电网输配电环节中的重要设备,采用机械振动频响法诊断变压器绕组故障时需要有稳定的变频恒流源，变频恒流源的设计思路是通过PWM调制的方式控制逆变后的输出频率和输出电压，并采用负反馈方式使负载电流跟踪给定电流,实现恒流扫频。恒流扫频电源主要用于变压器等磁性元件的测试，因此要求变频电源：(1)功率大；(2)频率范围宽(几十到几百赫兹)；(3)频率精度高。

传统大功率变频器通常采用IGBT作为开关器件，开关频率较低，无法在宽频率范围内保证输出波形质量，因此一般变频范围较窄。对于宽频范围变频器，通常采用跳频的方式，但需要建立很大的正弦表，而且频率精度不高，无法实现频率的连续变化。此外，传统的恒流逆变电源通常采用电流单闭环控制，系统稳定性较差，动态响应慢，容易发生振荡。

技术实现要素：

本发明的首要目的在于提供一种能够在较宽频率范围内输出指令大小的电流，频率精度高的高精度变压器恒流扫频电源的控制方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种高精度变压器恒流扫频电源的控制方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)根据当前频率指令实时调整载波周期，得到指令电流的参考频率；

(2)将对指令电流的控制转换为对输出电压的控制，通过闭环控制产生调制波；

(3)将得到的调制波送入到FPGA/CPLD脉冲调制电路中与三角载波实时比较，从而产生开关管驱动脉冲；

(4)判断当前电流是否达到指令值，从而产生新的频率指令。

在步骤(1)中，所述参考频率的产生方法包括以下步骤：

(1a)在DSP控制电路中加载正弦表，该正弦表为固定载波比N，即N＝f_r/f_s，其中f_s为当前频率指令，f_r为载波频率；

(1b)通过当前频率指令f_s以及固定载波比N可以实时计算出载波频率f_r；

(1c)计算出三角载波中断周期值T_pr，即T_pr＝150M/f_r/2,从而得到了指令电流的参考频率f_ref＝1/(N×T_pr×2×1/150M)＝f_r/N＝f_s，即通过对周期中断赋值使参考频率等于指令频率。

在步骤(2)中，所述闭环控制产生调制波包括以下步骤：

(2a)测量输出电流以及变频电源的输出电压，并进行有效值计算；

(2b)以当前电流指令值为参考值，对输出电流有效值做比例积分控制，比例积分输出作为输出电压有效值给定；

(2c)以上一步的输出电压有效值给定为参考值，对输出电压有效值做比例积分控制，比例积分输出作为输出电压峰值给定；

(2d)将上一步的输出电压峰值给定乘以正弦表，作为输出电压瞬时值给定，对输出电压瞬时值反馈作闭环控制，闭环控制输出为调制波。

在步骤(3)中，所述开关管驱动脉冲的产生方法包括以下步骤：

(3a)通过数据总线将调制波信号送入到FPGA/CPLD脉冲调制电路中；

(3b)在FPGA/CPLD脉冲调制电路中设定一个固定频率的三角载波；

(3c)将调制波与所述三角载波进行实时比较，产生开关管的驱动脉冲。

在步骤(4)中，新的频率指令的产生方法包括以下步骤：

(4a)计算一个基波周期内电流的有效值；

(4b)连续判断1秒钟内电流有效值是否达到当前电流有效值指令，如果达到则频率指令增加，如果没达到则继续进行闭环调节。

本发明的另一目的在于提供一种高精度变压器恒流扫频电源的控制方法的控制装置，该装置包括：

信号采集电路，将采集到的输出电压和电流，转换为低压信号送到DSP控制器电路或外部的模数转换通道中；

DSP控制器电路，根据采样得到的电压、电流，对输出电流的有效值和频率进行闭环控制，并将控制信号发送到FPGA/CPLD脉冲调制电路中；

FPGA/CPLD脉冲调制电路，产生PWM驱动信号，并将该信号发送至驱动放大电路；

驱动放大电路，对产生的PWM信号进行功率放大，用来驱动开关管；

所述信号采集电路的信号输入端采集电压电流，所述信号采集电路的信号输出端与DSP控制电路的信号输入端相连，DSP控制电路的信号输出端通过数据总线与FPGA/CPLD脉冲调制电路的信号输入端相连，FPGA/CPLD脉冲调制电路的信号输出端与驱动放大电路的信号输入端相连，驱动放大电路的信号输出端接开关管，通过控制开关管的导通关断从而产生变频电压。

由上述技术方案可知，本发明与现有技术相比，本发明中变频器输出频率能够连续可调，而且频率精度非常高；对输出电流的控制转换为对输出电压的控制，提高了整个控制系统的稳定性；在FPGA/CPLD脉冲调制电路中采用异步调制，实现驱动脉冲开关频率固定；通过对输出电流有效值进行连续判断，确保输出电流已经达到指令值。本装置只须采用低成本的信号采集器件和控制芯片即可实现。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的装置电路框图；

图3为本发明变频控制示意图；

图4为本发明闭环控制原理图；

图5为本发明的输出频率从100Hz到200Hz的变化示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种高精度变压器恒流扫频电源的控制方法，该方法包括下列顺序的步骤：(1)根据当前频率指令实时调整载波周期，得到指令电流的参考频率；(2)将对指令电流的控制转换为对输出电压的控制，通过闭环控制产生调制波；(3)将得到的调制波送入到FPGA/CPLD脉冲调制电路中与三角载波实时比较，从而产生开关管驱动脉冲；(4)判断当前电流是否达到指令值，从而产生新的频率指令。

在步骤(1)中，所述参考频率的产生方法包括以下步骤：

(1a)在DSP控制电路中加载正弦表，该正弦表为固定载波比N，即N＝f_r/f_s，其中f_s为当前频率指令，f_r为载波频率；

(1b)通过当前频率指令f_s以及固定载波比N可以实时计算出载波频率f_r；

(1c)计算出三角载波中断周期值T_pr，即T_pr＝150M/f_r/2,从而得到了指令电流的参考频率f_ref＝1/(N×T_pr×2×1/150M)＝f_r/N＝f_s，即通过对周期中断赋值使参考频率等于指令频率。

在DSP控制电路中采用固定载波比N，通过改变载波周期实现输出频率的连续变化和高分辨率。

在步骤(2)中，所述闭环控制产生调制波包括以下步骤：(2a)测量输出电流以及变频电源的输出电压，并进行有效值计算；(2b)以当前电流指令值为参考值，对输出电流有效值做比例积分控制，比例积分输出作为输出电压有效值给定；(2c)以上一步的输出电压有效值给定为参考值，对输出电压有效值做比例积分控制，比例积分输出作为输出电压峰值给定；(2d)将上一步的输出电压峰值给定乘以正弦表，作为输出电压瞬时值给定，对输出电压瞬时值反馈作闭环控制，闭环控制输出为调制波。将对输出电流的控制转换为对输出电压的控制，提高了整个系统的稳定性。

在步骤(3)中，所述开关管驱动脉冲的产生方法包括以下步骤：(3a)通过数据总线将调制波信号送入到FPGA/CPLD脉冲调制电路中；(3b)在FPGA/CPLD脉冲调制电路中设定一个固定频率的三角载波；(3c)将调制波与所述三角载波进行实时比较，产生开关管的驱动脉冲。在FPGA/CPLD脉冲调制电路中采用异步调制，实现驱动脉冲开关频率固定。

在步骤(4)中，新的频率指令的产生方法包括以下步骤：(4a)计算一个基波周期内电流的有效值；(4b)连续判断1秒钟内电流有效值是否达到当前电流有效值指令，如果达到则频率指令增加，如果没达到则继续进行闭环调节。

如图2所示，本控制装置包括：

信号采集电路，将采集到的输出电压和电流，转换为低压信号送到DSP控制器电路或外部的模数转换通道中；

DSP控制器电路，根据采样得到的电压、电流，对输出电流的有效值和频率进行闭环控制，并将控制信号发送到FPGA/CPLD脉冲调制电路中；

FPGA/CPLD脉冲调制电路，产生PWM驱动信号，并将该信号发送至驱动放大电路；

驱动放大电路，对产生的PWM信号进行功率放大，用来驱动开关管；

所述信号采集电路的信号输入端采集电压电流，所述信号采集电路的信号输出端与DSP控制电路的信号输入端相连，DSP控制电路的信号输出端通过数据总线与FPGA/CPLD脉冲调制电路的信号输入端相连，FPGA/CPLD脉冲调制电路的信号输出端与驱动放大电路的信号输入端相连，驱动放大电路的信号输出端接开关管，通过控制开关管的导通关断从而产生变频电压。

实施例一

现以变压器测试用恒流扫频为例，变频器输出0～15A、45～400Hz的变频电流，具体控制方法如下：

(1)假设当前输出电流指令频率为80Hz，所述的指令电流参考频率产生方法为：

1a.在DSP控制电路中加载200个点的正弦表，即固定载波比为N＝200；

1b.当指令频率为80Hz时，载波频率为16kHz；

1c.采用连续增减模式，从而得到载波中断周期值T_pr＝150M/16k/2＝4688，从而得到了指令电流的参考频率f_ref＝80Hz。

(2)假设当前输出电流指令大小为10A，所述的闭环控制方法为：

2a.测量输出电流以及变频电源的输出电压，并进行有效值计算；

2b.以当前电流指令值为参考值，对输出电流有效值做比例积分控制，比例积分输出作为输出电压有效值给定；

2c.以有效值电流环比例积分输出为参考值，对输出电压有效值做比例积分控制，比例积分输出作为输出电压峰值给定；

2d.将有效值电压环比例积分输出乘以200个点的正弦表，作为输出电压的瞬时值给定，对输出电压瞬时值反馈作闭环控制，闭环控制输出为调制波。

(3)将得到的调制波送入到FPGA/CPLD脉冲调制电路中与三角载波实时比较从而产生开关管驱动脉冲，所述的驱动脉冲产生方法为：

3a.通过数据总线将调制波信号送入到FPGA/CPLD脉冲调制电路中；

3b.在FPGA/CPLD脉冲调制电路中设定一个频率10kHz的三角载波；

3c.将调制波与三角载波进行实时比较，产生开关管的驱动脉冲。

(4)判断当前电流是否达到10A，从而产生新的频率指令，所述的新频率指令方法为：

4a.计算一个基波周期内电流的有效值；

4b.连续判断1秒钟电流有效值是否达到10A，如果达到则频率指令增加，如果没达到则继续进行闭环调节。

上述控制方法中，步骤(1)、(2)、(4)在DSP控制电路中实现，步骤(3)在FPGA/CPLD脉冲调制电路中实现，由于是通过改变载波频率来改变指令频率，所以频率精度很高。

图3为本发明变频控制示意图，其中三角载波和正弦调制波为固定载波比，即N＝fr/fs为恒定值，通过改变三角载波的载波周期即可以得到指令电流的参考频率；

图4为本发明闭环控制原理图，该闭环控制为三闭环控制，即电流有效值外环、电压有效值内环和电压瞬时值内环；

图5为本发明的输出频率从100Hz到200Hz变化时输出电压实验波形图，实验负载为纯阻性负载，当前电流有效值指令不变，因此输出电压有效值不变而频率发生变化。

综上所述，本发明中变频器输出频率能够连续可调，而且频率精度非常高；对输出电流的控制转换为对输出电压的控制，提高了整个控制系统的稳定性；在FPGA/CPLD脉冲调制电路中采用异步调制，实现驱动脉冲开关频率固定；通过对输出电流有效值进行连续判断，确保输出电流已经达到指令值。本装置只须采用低成本的信号采集器件和控制芯片即可实现。