一种基于lxi总线的多信号交流试验程控电源装置
阅读说明：本技术 一种基于lxi总线的多信号交流试验程控电源装置 (Multi-signal alternating-current test program-controlled power supply device based on LXI bus ) 是由 赵爱明 徐笑笑 叶伟民 石亚威 于 2021-07-27 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于LXI总线的多信号交流试验程控电源装置,包括差分对称半桥模块、共轭滤波模块、驱动隔离模块、控制器、对称采样反馈模块和LAN通信显示模块,差分对称半桥模块用于将输入的直流信号逆变输出为相位相差180°、频率幅值相等的两路交流信号；共轭滤波模块用于对两路交流信号进行滤波,以得到差分输出电压；对称采样反馈模块用于采集差分输出电压的瞬时值；控制器用于处理对称采样反馈模块采集的数据,以及输出实时控制波形,并通过驱动隔离模块传输给差分对称半桥模块；LAN通信显示模块用于实现控制器对数据的实时监测以及远程控制。与现有技术相比,本发明能够消除共模干扰,能够精准、有效地调节输出稳定电压。(The invention relates to a multi-signal alternating current test program-controlled power supply device based on an LXI bus, which comprises a differential symmetrical half-bridge module, a conjugate filter module, a drive isolation module, a controller, a symmetrical sampling feedback module and an LAN communication display module, wherein the differential symmetrical half-bridge module is used for inverting and outputting an input direct current signal into two paths of alternating current signals with phase difference of 180 degrees and equal frequency amplitude; the conjugate filtering module is used for filtering the two paths of alternating current signals to obtain differential output voltage; the symmetrical sampling feedback module is used for collecting instantaneous values of the differential output voltage; the controller is used for processing the data acquired by the symmetrical sampling feedback module, outputting a real-time control waveform and transmitting the real-time control waveform to the differential symmetrical half-bridge module through the driving isolation module; the LAN communication display module is used for realizing real-time monitoring and remote control of the controller on data. Compared with the prior art, the invention can eliminate common mode interference and accurately and effectively regulate output stable voltage.)
技术领域
本发明涉及现场测试交流电源技术领域，尤其是涉及一种基于LXI总线的多信号交流试验程控电源装置。
背景技术
目前的现场测试所使用的交流电源，为实现交流输出电压的调压调频，一般都采用SPWM控制方式，常用的SPWM脉宽调制波方法中，传统是利用模拟电路对正弦调制波与三角载波进行比较来产生SPWM脉冲；现有研究是采用具有生成PWM波的专用芯片，如TI公司的DSP芯片TMS320F240和TMS320F2812等，以快速地实现各种数字信号处理算法，具有稳定性好、精度高、运算速度快的优点，能够方便地生成频率很高的SPWM控制信号；而基于FPGA的方法设计产生SPWM脉宽调制波，还可以利用FPGA并发执行的速度优势来实现实时生成SPWM波形，使产生的SPWM波形具有调制波频率、载波频率、调制度、载波比，而且死区时间可以根据需要灵活调节。
此外，在硬件结构方面，交流变换器逆变拓扑结构目前主要有：全桥拓扑结构、半桥拓扑结构和推挽拓扑结构。其中，全桥拓扑是最常用的拓扑结构，四个开关管交替工作，输出容量大，常用于大功率场合；半桥拓扑结构有两个桥臂，每个桥臂由一个可控器件和一个反并联二极管组成，负载联结在直流电源中点和两个桥臂联结点之间，驱动电路简单；推挽拓扑结构，用两个参数相同的器件，以推挽方式存在于电路中，输出级有两个“臂”(两组放大元件)，一个“臂”的电流增加时，另一个“臂”的电流减小，二者的状态轮流转换。输出级有两个器件，始终处于一个导通、一个截止的状态，两个器件推挽相连。
在数据通信方面，红外线通信技术、有线串口通信技术和无线通信都是常用的设备通信技术。其中，红外线通信技术是利用了红外线的发射、接收技术，将接收到的红外线转换成电信号，然后交给处理器进行解码，从而接收到红外线遥控器发送的数据或指令；串行通信是指设备通信时按(bit)发送和接收二进制数据的通信方式，目前常用的串口通信方式有RS-232C、RS-485、CAN等；无线通信技术则通过信号调制技术，把信号再无线载波上传输，常用的有ZIGBEE、LORA、蓝牙等。
然而，经过实际应用发现，在进行SPWM控制时，用三角波和正弦波比较的传统方法，其设计电路复杂，难以与数字系统连接，很难满足复杂要求；对于生成SPWM波的专用芯片，其功能单一，无法实现复杂的控制，并且控制功能无法随对象的不同而改变，限制其使用范围；而FPGA依靠硬件来实现所有的功能，速度上可以和专用芯片相比，但设计的灵活度与通用处理器相比有很大的差距。
在硬件拓扑结构上，全桥拓扑结构驱动电路复杂，并且由于死区时间、开关管特性不一致等原因使得输出电压中不可避免含有直流分量；半桥拓扑结构简单，但负载两端得到的电压较低，仅为直流电源电压的一半，并且直流侧需采用两个电容器串联来均压，输出功率低，功率开关管集电极电流大，半桥拓扑结构常用在几千瓦以下的小功率设备中；推挽式拓朴结构简单，两个功率管可共地驱动，可以输出大容量的功率，但功率管承受开关电压为2倍的直流电压，电压尖峰数值大，仅适合应用于直流母线电压较低的场合，另外，变压器的利用率较低，驱动感性负载困难。
在进行数据通信时，红外线传输不能被遮挡，也不能穿透房间，然而墙壁和天花板会反射红外线，由于电子产品中红外线的编码一般会不同，不会对同房间相邻设备造成干扰；串行通信传输协议单一，不能满足工业生产中与多种设备连接，实现功能简单；无线通信则对电磁环境比较敏感。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于LXI总线的多信号交流试验程控电源装置，以消除共模干扰，实现精准、有效调节输出稳定电压的目的。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于LXI总线的多信号交流试验程控电源装置，包括差分对称半桥模块、共轭滤波模块、驱动隔离模块、控制器、对称采样反馈模块和LAN通信显示模块，所述差分对称半桥模块的输入为直流信号，所述差分对称半桥模块通过驱动隔离模块与控制器连接，所述差分对称半桥模块的输出与共轭滤波模块连接，所述共轭滤波模块通过对称采样反馈模块与控制器连接，所述控制器还与LAN通信显示模块连接，所述差分对称半桥模块用于将直流信号逆变输出为相位相差180°、频率幅值相等的两路交流信号；
所述共轭滤波模块用于对两路交流信号进行滤波，以得到差分输出电压；
所述对称采样反馈模块用于采集差分输出电压的瞬时值；
所述控制器用于处理对称采样反馈模块采集的数据，以及输出实时控制波形；
所述LAN通信显示模块用于实现控制器对数据的实时监测以及远程控制。
进一步地，所述差分对称半桥模块包括相互对称的第一斩波单元和第二斩波单元，所述第一斩波单元和第二斩波单元的输入端均连接至控制器。
进一步地，所述控制器输出的实时控制波形包括SPWM控制波形以及故障模拟信号波形，其中，所述SPWM控制波形具体是根据正弦信号，经过PWM调制生成；所述故障模拟信号波形具体是基于数字信号合成技术，根据模拟故障波形，经过PWM调制生成。
进一步地，所述差分输出电压的瞬时值包括电压和电流的频率以及幅值。
进一步地，所述对称采样反馈模块包括用于采集电压和电流数据的霍尔传感器。
进一步地，所述控制器包括RT1050芯片。
进一步地，所述控制器与LAN通信显示模块之间通过以太网接口模块连接。
进一步地，所述以太网接口模块包括MAC(Media Access Control，媒体访问控制器)和PHY(Physical Layer，物理层)，所述MAC集成在控制器内，所述MAC通过MII/RMII标准接口分别与PHY、以太网连接器连接。
进一步地，所述MII/RMII标准接口具体由KSZ8081RNBIA芯片提供。
进一步地，所述以太网连接器具体为HR911105A。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明通过设计一种对称拓扑结构，利用差分对称半桥模块对输入的直流信号进行逆变，以得到相位相差180°、频率幅值相等的两路交流信号，再经过共轭滤波模块得到差分输出电压，对称采样反馈模块采集电压、电流的频率、幅值送入控制器，最终通过控制器发出控制信号经过驱动隔离模块进入差分对称半桥模块，由此通过两个完全对称信号的差值输出，能够有效抵消各种共模信号干扰，保证电源输出波形的质量。
二、本发明基于LXI通信，以利用LAN通信显示模块实现控制器对数据的实时监测和远程控制，能够保证数据的传输速度，而且由于LXI基于以太网技术，因此集成更加方便，既可以单独使用，又具备模块化的特点；测试项目改变时LXI在LAN上的连接不必改变，缩短了测试系统的组建时间；可组成功能强大的复杂测试系统。
三、本发明中控制器不仅能够输出SPWM控制波形，还能够基于数字信号合成技术生成失真度小的故障模拟信号，使得电压输出调节能够更加精准有效。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图；
图2为本发明的差分对称半桥模块结构示意图；
图3为实施例中故障模拟信号生成示意图；
图4为实施例中LAN接口的连接示意图；
图5为实施例中电源装置对应的软件功能层次示意图；
图中标记说明：1、差分对称半桥模块，2、共轭滤波模块，3、驱动隔离模块，4、控制器，5、对称采样反馈模块，6、LAN通信显示模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种基于LXI总线的多信号交流试验程控电源装置，包括差分对称半桥模块1、共轭滤波模块2、驱动隔离模块3、控制器4、对称采样反馈模块5和LAN通信显示模块6，差分对称半桥模块1的输入为直流信号，差分对称半桥模块1通过驱动隔离模块3与控制器4连接，差分对称半桥模块1的输出与共轭滤波模块2连接，共轭滤波模块2通过对称采样反馈模块5与控制器4连接，控制器4还与LAN通信显示模块6连接，差分对称半桥模块1用于将直流信号逆变输出为相位相差180°、频率幅值相等的两路交流信号；
共轭滤波模块2用于对两路交流信号进行滤波，以得到差分输出电压；
对称采样反馈模块5用于采集差分输出电压的瞬时值(包括电压和电流的频率以及幅值)；
控制器4用于处理对称采样反馈模块5采集的数据，以及输出实时控制波形；
LAN通信显示模块6用于实现控制器4对数据的实时监测以及远程控制。
上述电源装置的具体工作过程为：功率直流母线输入直流信号，经过差分对称半桥模块1的逆变出力，输出相位相差180°、频率幅值相等的两路交流信号；经过共轭滤波模块2得到差分输出电压；对称采样反馈模块5采集电压、电流的频率、幅值送入控制器4；控制器4发出SPWM信号经过驱动隔离模块3进入差分对称半桥模块1；控制器4通过LAN通信显示模块6实现对数据的实时监测，以及远程控制。本实施例中，控制器4采用芯片为RT1050的微处理器，其内核运行速度可达600MHz(相比之下，现有MCU的最高速度只有400MHz)，由此可实现超快的实时响应，其中断延迟低至20纳秒，对于复杂的SPWM算法，能够可靠地对采集数据进行处理，实现实时控制输出波形，有效降低输出电压总谐波失真度。
其中，差分对称半桥模块1的具体结构如图2所示，包括相互对称的第一斩波单元和第二斩波单元(即图中的斩波电路A和斩波电路B)，第一斩波单元和第二斩波单元的输入端均连接至控制器4。差分结构就是取两个完全对称信号的差值输出，可以抵消各种共模信号的影响，本发明从三个方面采用对称结构：
1.差分输出电压
由图2所示，直流信号进入两路斩波电路；芯片为RT1050的微处理器的SPWM模块发出正弦波信号控制斩波电路，改变电压大小；通过滤波电路得到纯净的输出电压。采样电路采集输出电压的相位、频率和幅值数据，通过微处理器进行处理从而控制SPWM模块；框图B部分与框图A部分工作原理相同，但输出电压相位相差180°，两路电压给负载供电。
2.共轭滤波电路
SPWM模块输出的两路正弦波信号完全对称相反，因此在设计滤波电路时要共轭对称，使得滤波效果相同。
3.对称采样反馈电路
为了保持输出电压的稳定，需要对输出电压的瞬时值进行实时反馈。通过霍尔传感器采集滤波器上的电容两端电压、滤波器上的电流。经过处理将数据传入控制器。由于电压差分输出，因此采样反馈电路也需完全对称。
此外，控制器4输出的实时控制波形包括SPWM控制波形以及故障模拟信号波形，其中，SPWM控制波形具体是根据正弦信号，经过PWM调制生成；故障模拟信号波形具体是基于数字信号合成技术，根据模拟故障波形，经过PWM调制生成。如图3所示，取一个正弦信号y＝A sin(ωt)作为基础信号，在基础信号中取n个点保存到字符串中，根据需要取用，如图所示的饱和失真故障波类型：实线波形为基础波形，当波形饱和失真时，将波形失真处的点补齐，如图AB段位失真饱和后的点，虚线波形为故障波形。在故障波形中取多个特征点，对特征点进行矢量变换，即可改变故障波形的频率和幅值，将变换后的点进行三次样条函数计算，即可得到所需的故障波形函数。这样得到的故障模拟信号失真度小，便于控制器对故障波形及常规波形的控制，产生的波形精确度高。
本发明的控制器4与LAN通信显示模块6之间通过以太网接口模块连接，如图4所示，以太网接口模块包括MAC(Media Access Control，媒体访问控制器)和PHY(PhysicalLayer，物理层)，MAC集成在控制器内，MAC通过MII/RMII标准接口分别与PHY、以太网连接器连接。具体的，RT1050内嵌以太网控制器，SDK包有ethernet协议栈及FreeRTOS，在此基础上，开发基于web的LXI标准。以太网接口电路主要由MAC和物理层接口PHY两部分构成，将MAC集成进在RT050处理器中，将PHY留在片外，以形成MAC-NET核心，实现了符合IEEE0.3-2002标准的双速度10/100m-bit/s，本实施例选用KSZ8081RNBIA芯片提供MAC与PHY连接的MII/RMII标准接口；选用HR911105A以太网连接器，内置隔离变压器与RJ45接口。
图5所示为本实施例应用上述技术方案，其对应的软件功能层次示意，综上可知，本发明提出了一种硬件对称拓扑结构，并且能基于数字信号合成技术生成故障模拟信号，可输出振幅频率已知的正弦波信号，前沿时间、脉冲宽度和重复周期已知的矩形脉冲源，并且这些信号源的频率、波形、输出电压等参数能在一定范围内进行精确的调整。除了常规波形信号外，在测试电设备时，也要观察其工作时的稳定，模拟电路电压波动和电压偏差时观察监测电设备的运行状况。
本发明的输出功能丰富，能够输出高品质的交流电压，输出电压的幅值和频率均满足高精度、高稳定度的特点，本发明采用数字化控制方案，通过复杂的控制算法，输出模拟复杂信号，对电气设备运行情况进行监测。
因此，本发明通过电源硬件拓扑结构消除共模干扰(主要为直流输出)；使用高性能的微处理器进行复杂算法使得输出电压稳定；提高了开关频率，使得整个设备体积小，重量轻，便于携带现场测试；基于数字信号合成技术的故障模拟信号生成方法，使得电压输出调节更加精准有效。由于是无变压器结构，因此制造成本下降，体积下降，效率提高；而且能够自动测试，减少了操作复杂度，能够提高设备测量的客观性；体积小，重量轻，解决了现场测试问题。
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