推理控制的CVCF交流电源

    摘要：介绍一种推理控制的交流稳频稳压电源的结构及工作原理，对该电源的抗干扰性能作了较详细的分析。由于采用了推理控制技术，使得该电源的抗干扰性能明显优于一般稳频稳压电源。

    关键词：稳压稳频  推理控制  干扰抑制

1 推理控制的CVCF电源的硬件构成

推理控制的CVCF电源系统构成如图1所示，控制电路见图2。

系统采用8031作为CPU，外扩8K的EPROM2764，用于存放监控程序、推理控制、键控及显示程序。扩展一片DAC0832，以便输出阶梯正弦波，其片选信号CS接74LS138的Y0口,选通地址为＃1FFFH。DAC0832按单缓冲工作方式，使输入寄存器处于锁存状态，ILE接＋5V，WR1接CPU的写信号WR，DAC寄存器处于不锁存状态，所以将WR2和XFER直接接地，DAC0832接成单极性输出，参考电压为＋5V，输出0～5V的电压。扩展一片ADC0809，实现对整流后的直流电压进行采样的功能，8031的WR和74LS138的Y1口经一个或非门接ADC0809的STAR和ALE端，来控制ADC0809的启动和地址锁存。8031的RD和74LS138的1口经或非门接ADC0809的OE端，控制信号的输出。ADC0809的CLK由8031的ALE上信号经过2分频以后提供，EOC经反向器作8031的INT1中断请求输入线，要求CPU从P0上读取A/D转换后的数字量。ADC0809的IN0和采样保持器LF198的输出端相连，故IN0上输入的0～15V范围的模拟电压经A/D转换后，可由8031通过程序从P0口输入到内部RAM单元。

扩展一片8279，作为扩展的I/O口，接8个LED，以完成显示目标频率、目标电压和反馈电压的功能。8个LED接成共阳极。8279和8031的连接无特殊要求，除数据线P0口、WR、RD可直接连接外，CS由74LS138的Y2口进行片选。时钟由ALE提供，A0接8031的P2.0口，中断请求IRQ经反向器与8031的INT0相连。

8279同时扩展键盘的接口，实现运行、停止、清零、复位功能键的控制。规定扫描线（SL0－SL1）为列线，在此以连接74LS138的输出T0和T1为列线，实现2＊8的键盘功能。回复线（RL0－RL7）为行线。

由8031的P2.5、P2.6、P2.7口经74LS138进行地址译码，各扩展芯片的地址由此确定。

2 系统软件设计

应用软件分为四大部分：振荡部分、采样部分、调幅部分、通信部分。为了防止严重干扰时“飞”程序，在每个程序之间安放软陷阱，即在各个子程序之间放入几条NOP指令。这样，发现异常时，可强制从头执行。

在软件设计中采用模块化子程序结构，其主程序和推理控制子程序的流程结构见图3。

（1）振荡器子程序

该程序模块要求得到一个频率可调的高频率稳定度的阶梯正弦波。要求频率可调范围为45Hz～65Hz，精度要求为0.1Hz。

在振荡程序中，采用8031的T1定时方法，因为T1工作方式不占用CPU时间。在整个单片机运行期间，振荡部分的定时是自始至终的，故采用T1定时方式2（可以自动重新装入的8位定时器/计数器）进行定时，在不占用CPU的时间里，CPU可以处理其它程序和任务。

将一个正弦波周期分为正半周和负半周两部分，半波时间为1/（2f），将这半波时间分成90份，则定时时间为t=1/（180f）,代入T=28－t·fo/12的T1初值计算公式(式中fo为晶振频率)，得出定时时间常数，可将45Hz～65Hz的定时时间都算出来并列成表格（如表1所示），设置一个查表程序，在输出不同频率时从表上调取不同的T值。

表1 定时时间常数表频率时间常数频率时间常数

DAC0832输出正弦波，正弦波的产生也是通过查表得到，将半波分成90份，即每2度为一个阶梯，用MATLAB编一小程序将所需数列成表格，每隔时间t查表一次，当查表90次后，通过DAC0832的输出可得出一个半波，再通过反向器叠加后得一正弦波。各阶梯值对应的角度、输出电压及输入数字量如表2所示。

表2 正弦波数据表

此表所得阶梯正弦波如图4所示。这样可得到频率稳定度高的阶梯正弦波。

（2）推理控制子程序及算法

离散化推理控制的基本思想是，当系统的采样频率足够高时，采样系统的特性接近于连续变化的模拟系统，因而可以忽略采样开关和保持器，将整个系统看成是连续变化的模拟系统，从而用s域的方法校正装置D（s）。再使用s域到z域的离散化方法求得离散传递函数D（z）。设计的实质是将一个模拟调节器离散化，用数字控制器取代模拟调节器。设计的基本步骤是，根据已有的连续模型，按连续系统理论设计模拟调节器，然后按照一定的对应关系将模拟调节器离散化，得到等价的数字控制器，从而确定计算机的算法。

    首先将250 / (0.015s+1)离散化  令K1=250,

T1=0.015

    （Ua(s) / Uk(s)）=(250 / 0.015s+1)=(K1 / T1s+1)→(dua(t) / dt)+(ua(t))=K1Uk(k-1)

    T1(Ua(k)-Ua(k-1) / T)+Ua(k)=K1Uk(k-1)    T=T1

    →2Ua(k-1)=Ua(k-1)+250Uk(k-1)

    再将Gi(s)=(30(s+1/0.015) / (s+1/0.01) 2)离散化

得308Uk(k)=490Uk(k－1)－185Uk(k－2)

＋19Ue(k)－5Ue(k－1)

又Uk(k)=Ur－[Uf(k)－Uc(k)]

∴2Ua(k)=Ua(k－1)＋250Uk(k－1)    (1)

Ue(k)=Ur－[Uf(k)－Ua(k)]    (2)

308Uk(k)=490Uk(k－1)－185Uk(k－2)

＋19Ue(k)－15Ue(k－1)    (3)

当根据（1）、（2）、（3）可得推理控制的输出

令K1=2,K2=1,K3=250,K4=308,K5=490,K6=185,K7=19,K8=15

∴K1Ua(k)=K2Ua(k－1)＋250Uk(k－1)    (1)

Ue(k)=Ur－[Uf(k)－Ua(k)]    (2)

K4Uk(k)=K5Uk(k－1)－K6Uk(k－2)

＋K7Ue(k)－K8Ue(k－1)    (3)

3 推理控制的CVCF抗扰性能分析

推理控制的CVCF是一个输出可测、而扰动不可测的系统，设电源的输出为Y（s），输入为R（s），扰动为D（s），此时的电源不需要二次输出和估计器，只需一个估计模型，推理控制的CVCF系统结构如图5所示。

此时的系统输出为

    推理控制器Gi(s)=Gf(s)/Gp(s),当Gp(s)=Gp(s)时，系统输出为

Y（s）=(Gp(s)Gf(s)/Gp(s) / 1-Gf(s)[Gp(s)-Gp(s)]/Gp(s))R(s)

    +(1-Gf(s) / 1-Gf(s)[Gp(s)-Gp(s)]/Gp(s))B(s)D(s)

当Gp(s)≠Gp(s）时，系统的输出为当滤波器的稳态增益为1时，在给定的阶跃扰动下，系统的主要输出Y（s）=R（s）；在阶跃扰动不可测的情况下，系统的主要输出稳态偏差为Y（0）=0。

可见，系统具有非常好的性能，不管模型有何种误差，系统的主要输出总是稳态无偏差的，而且控制系统的可调参数很少。