三相正弦變頻電源的設(shè)計(jì)論文.doc

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 題目題目：三相正弦變頻電源的設(shè)計(jì)三相正弦變頻電源的設(shè)計(jì) 院院 （系）：（系）： 電子信息工程學(xué)院電子信息工程學(xué)院 專專 業(yè)：業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化電氣工程及其自動(dòng)化 班班 級(jí)：級(jí)： 學(xué)學(xué) 生：生： 學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 2009 年 06 月 三相正弦變頻電源的設(shè)計(jì)三相正弦變頻電源的設(shè)計(jì) 摘摘 要要 本文設(shè)計(jì)了一個(gè) ad/dc/ac 變頻電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用 xc164單片機(jī), 采 用 spwm 變頻控制技術(shù)，將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出，電源 輸出波形近似于正弦波， 實(shí)現(xiàn)了三相正弦波變頻輸出。并采用雙閉環(huán) pid 控 制，使其輸出線電壓有效值為36 v，最大輸出電流有效值達(dá)3 a。此外系統(tǒng)還具 有良好的穩(wěn)壓性能和很小的波形失真,并且能夠進(jìn)行自檢測(cè)、過流、過壓、過熱 和短路保護(hù)等功能。 關(guān)鍵字：關(guān)鍵字：正弦波脈寬調(diào)制；pid； a/d 轉(zhuǎn)換；變頻電源 sinusoidal three-phase inverter power software design abstract in this paper, we designed a ad / dc / ac inverter power system. the system uses xc164 microcontroller, using spwm inverter control technology, reverse dc voltage into a voltage, variable frequency ac output waveform similar to sine wave power output to achieve the three-phase sine wave output inverter. and the use of double-loop pid control, so that the output line voltage rms to 36 v, the maximum effective value of output current 3 a. system, the regulator also has a good performance and very small waveform distortion, and to carry out self-inspection, over-current, over- voltage, overheating and short circuit protection. keywords：sinusoidal pulse width modulation; pid control; a/d transformation; frequency-variable power supplier 目目 錄錄 摘摘 要要 i i abstractabstract iiii 1 1 緒論緒論 2 2 1.1 前 言 .2 1.2 課題研究背景及意義 2 1.3 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況2 1.4 本文主要研究工作 2 2 2 三相正弦變頻技術(shù)相關(guān)理論研究三相正弦變頻技術(shù)相關(guān)理論研究 4 4 2.1 正弦波生成方案的研究4 2.1.1 pwm 控制的基本原理 4 2.1.2 spwm 的產(chǎn)生過程 .7 2.2 pid 控制技術(shù)研究 8 3 3 系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)述系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)述 1212 3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 .12 3.2 xc164 單片機(jī)簡(jiǎn)介 .12 3.2.1 簡(jiǎn)介.12 3.2.2 常用單元介紹.12 3.2.3 a/d 轉(zhuǎn)換器 .13 4 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)1212 4.1 軟件開發(fā)環(huán)境.12 4.1.1 單片機(jī)編程開發(fā)語言.12 i 4.1.2 keil c 編輯器 .12 4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).15 4.2.1 主程序設(shè)計(jì).15 4.2.2 中斷程序 .17 4.2.3 spwm 的編程實(shí)現(xiàn) 18 4.2.4 輸出電壓和電流有效值的計(jì)算.20 4.2.5 pid 控制 .22 5 5 結(jié)論結(jié)論2 28 8 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 2 29 9 致致 謝謝 3 30 0 附錄附錄 3333 1 緒論 1 1 1 緒論緒論 1.11.1 前前 言言 近來,變頻電源在各行各業(yè)的應(yīng)用日益廣泛。變頻器電源主要用于交流電機(jī) 的變頻調(diào)速，其在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要，已獲得巨大的節(jié)能效 果。由于世界各國(guó)電網(wǎng)指標(biāo)不統(tǒng)一，生產(chǎn)出口產(chǎn)品都需要電網(wǎng)模擬不同國(guó)家的電 網(wǎng)狀況，并保證穩(wěn)定性。過去采用調(diào)壓器調(diào)壓，穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，發(fā)電機(jī)進(jìn)行二次變 頻，耗電量大，躁聲大，穩(wěn)定性差逐漸被變頻電源所代替，所以市場(chǎng)上需求輸出 電壓，頻率無級(jí)數(shù)字可調(diào)，波形穩(wěn)定純凈的電源。本文是設(shè)計(jì)一個(gè)新型工業(yè)用縫 紉機(jī)三相正弦波變頻電源，用以實(shí)現(xiàn)縫紉機(jī)的無級(jí)調(diào)速。該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是根據(jù)市 場(chǎng)的需求而確定的，可填補(bǔ)該產(chǎn)品市場(chǎng)的空白，滿足國(guó)內(nèi)制衣業(yè)的急需。 1.21.2 課題研究背景及意義課題研究背景及意義 該題目是設(shè)計(jì)一個(gè)新型工業(yè)用縫紉機(jī)三相正弦波變頻電源，用以實(shí)現(xiàn)縫紉機(jī) 的無級(jí)調(diào)速。該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是根據(jù)市場(chǎng)的需求而確定的，可填補(bǔ)該產(chǎn)品市場(chǎng)的空 白，滿足國(guó)內(nèi)制衣業(yè)的急需。 現(xiàn)代電源技術(shù)是應(yīng)用電力電子半導(dǎo)體器件,綜合自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)(微處理器)技 術(shù)和電磁技術(shù)的多學(xué)科邊緣交叉技術(shù)。在各種高質(zhì)量、高效、高可靠性的電源中 起關(guān)鍵作用,是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的具體應(yīng)用。 當(dāng)前,電力電子作為節(jié)能、節(jié)材、自動(dòng)化、智能化、機(jī)電一體化的基礎(chǔ),正朝 著應(yīng)用技術(shù)高頻化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。在不遠(yuǎn)的將 來,電力電子技術(shù)將使電源技術(shù)更加成熟、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用,實(shí)現(xiàn)高效率和高品質(zhì)用電 相結(jié)合。 技術(shù)的發(fā)展 現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向,是從以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子 學(xué),向以高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)方向轉(zhuǎn)變。八十年代末期和九 十年代初期發(fā)展起來的、以功率 mosfet 和 igbt 為代表的、集高頻、高壓和大電 流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電力電子 時(shí)代。 （1） 整流器時(shí)代 大功率的工業(yè)用電由工頻(50hz)交流發(fā)電機(jī)提供,但是大約 20%的電能是以直流 形式消費(fèi)的,其中最典型的是電解、牽引和直流傳動(dòng)三大領(lǐng)域。因此在六十年代 和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應(yīng)用得以很大發(fā)展。當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)曾 1 緒論 1 經(jīng) 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 0 掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮。 （2） 逆變器時(shí)代 七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機(jī),交流電機(jī)變頻調(diào)速因節(jié)能效果顯著而迅 速發(fā)展。變頻調(diào)速的關(guān)鍵技術(shù)是將直流電逆變?yōu)?0100hz 的交流電。在七十年代 到八十年代,隨著變頻調(diào)速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管 (gtr)和門極可關(guān)斷晶閘管(gt0)成為當(dāng)時(shí)電力電子器件的主角。這時(shí)的電力電子 技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內(nèi)。 （3） 變頻器時(shí)代 八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展將集成電路技術(shù)的精 細(xì)加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機(jī)結(jié)合,出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首 先是功率 m0sfet 的問世,導(dǎo)致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門極雙極 晶體管(igbt)的出現(xiàn),又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機(jī)遇。mosfet 和 igbt 的相繼問世,是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)化的標(biāo)志。 1.31.3 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況 20 世紀(jì) 70 年代后,大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,以及現(xiàn)代控制 理論的應(yīng)用,推動(dòng)了變頻電源技術(shù)的發(fā)展,使得交流電力拖動(dòng)系統(tǒng)逐步具備了寬的 調(diào)速范圍、高的穩(wěn)速范圍、高的穩(wěn)速精度、快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及在四象限作可逆運(yùn) 行等良好的技術(shù)性能,在調(diào)速性能方面可以與直流電力拖動(dòng)媲美。 在交流調(diào)速技術(shù)中,變頻調(diào)速具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì),并且它的調(diào)速性能與可靠性不斷 完善,價(jià)格不斷降低,特別是變頻調(diào)速節(jié)電效果明顯,而且易于實(shí)現(xiàn)過程自動(dòng)化,深 受工業(yè)行業(yè)的青睞。 變頻電源是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的功率變換器。當(dāng)今的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是包含多種 學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域，總的發(fā)展趨勢(shì)是：驅(qū)動(dòng)的交流化，功率變換器的高頻化，控制 的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。因此，變頻電源作為系統(tǒng)的重要功率變換部件，提 供可控的高性能變壓變頻的交流電源而得到迅猛發(fā)展。 經(jīng)歷大約30年的研發(fā)與應(yīng)用實(shí)踐，隨著新型電力電子器件和高性能微處理器 的應(yīng)用以及控制技術(shù)的發(fā)展，變頻電源的性能價(jià)格比越來越高，體積越來越小， 而廠家仍然在不斷地提高可靠性實(shí)現(xiàn)變頻電源的進(jìn)一步小型輕量化、高性能化和 多功能化以及無公害化而做著新的努力。 1.41.4 本文主要研究工作本文主要研究工作 本文采用交流直流交流，即先整流后逆變的方法, 制作一個(gè)頻率可調(diào)的 三相正弦波變頻電源。先通過自耦變壓器和隔離變壓器將 220v 的市電轉(zhuǎn)化為所 需要的電壓，再通過電容濾波的不可控整流電路，將交流整為直流，然后通過軟 件產(chǎn)生的 spwm 控制。本電路有電流電壓的檢測(cè)和緩沖電路,具有過流保護(hù),負(fù)載 缺相保護(hù)及負(fù)載不對(duì)稱保護(hù)功能,使電路安全穩(wěn)定工作。用單片機(jī)的編程，以生 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 成 spwm 脈沖；對(duì)輸出電壓和電流進(jìn)行采樣、a/d 轉(zhuǎn)換，并計(jì)算出輸出線電壓和相 電流；實(shí)現(xiàn)電壓、電流、頻率和功率的 lcd 顯示；對(duì)輸出電壓進(jìn)行 pid 控制；以 及根據(jù)輸出電流實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)、負(fù)載缺相保護(hù)及負(fù)載不對(duì)稱保護(hù)。根據(jù)課題要求， 通過比較，采用德國(guó) infineon 公司生產(chǎn)的 xc164 單片機(jī)作為核心控制模塊，利 用單片機(jī)生成的 spwm 脈沖經(jīng)過逆變電路的驅(qū)動(dòng)電路（核心器件為 ir2136） ，加在 由 mos 管構(gòu)成的逆變驅(qū)動(dòng)電路上，再對(duì)逆變電路的輸出信號(hào)進(jìn)行 lc 低通濾波， 從而產(chǎn)生合乎要求的正弦波，是一種基于 spwm 控制的變頻電源的設(shè)計(jì)方法。 該變頻電源的輸出頻率范圍為 20hz100hz 的三相對(duì)稱交流電，各相電壓有 效值之差小于 0.5v；輸出電壓波形接近正弦波，用示波器觀察無明顯失真；在輸 入電壓為 198v242v，負(fù)載電流有效值為 0.5a3a 時(shí)，輸出線電壓有效值應(yīng)保 持在 36v，誤差的絕對(duì)值小于 5%；當(dāng)輸出電流有效值達(dá) 3.6a 時(shí)過流保護(hù)動(dòng)作、 當(dāng)三相電流中任意兩相電流之差大于 0.5a 時(shí)，自動(dòng)實(shí)施負(fù)載缺相保護(hù)及負(fù)載不 對(duì)稱保護(hù)功能，保護(hù)時(shí)自動(dòng)切斷輸入交流電源。 本人在該課題中所承擔(dān)的任務(wù)主要是單片機(jī)的編程，以生成spwm脈沖；對(duì)輸 出電壓和電流進(jìn)行采樣、a/d轉(zhuǎn)換，并計(jì)算出輸出線電壓和相電流；實(shí)現(xiàn)電壓、 電流、頻率和功率的lcd顯示；對(duì)輸出電壓進(jìn)行pid控制；以及根據(jù)輸出電流實(shí)現(xiàn) 過流保護(hù)、負(fù)載缺相保護(hù)及負(fù)載不對(duì)稱保護(hù)。另外，我還參與系統(tǒng)方案的選取與 部分電路的設(shè)計(jì)。根據(jù)課題要求，通過比較，我們決定采用spwm技術(shù)，并且將 xc164單片機(jī)作為該變頻電源系統(tǒng)的核心控制器。 2 三相正弦變頻技術(shù)相關(guān)理論研究 0 2 2 三相正弦變頻技術(shù)相關(guān)理論研究三相正弦變頻技術(shù)相關(guān)理論研究 2.12.1 正弦波生成方案的研究正弦波生成方案的研究 2.1.12.1.1 pwmpwm 控制的基本原理控制的基本原理 在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具 有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同，沖量即指窄脈沖的面積。這里所說的效果 基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如果把各輸出波形用傅立葉變換 進(jìn)行頻譜分析，可發(fā)現(xiàn)它們的低頻段特性非常接近，僅在高頻段略有差異。例如 圖2.1中a、b、c 所示的三個(gè)窄脈沖形狀不同，圖2.1a 為矩形脈沖，圖2.1b 為 三角形脈沖，圖2.1c 為正弦半波脈沖，但它們的面積（即沖量）都等于1，那么， 當(dāng)它們分別加在具有慣性的同一個(gè)環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同。脈沖越窄， 其輸出的差異越小，當(dāng)窄脈沖變?yōu)閳D2.1d 的單脈沖函數(shù) (t)時(shí)，環(huán)節(jié)的響應(yīng) 即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù)。 a b c d 圖 2.1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 0 上述結(jié)論是pwm 控制的重要理論基礎(chǔ)。下面分析一下如何用一系列等幅而不 等寬的脈沖代替一個(gè)正弦半波。把圖2.2a 所示的正弦半波波形分成n 等份，就 可把正弦半波看成由n個(gè)彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都 等于/n，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按 正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列 代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦 部分面積（沖量）相等，就得到圖2.2b 所示的脈沖序列。這就是pwm 波形。根 據(jù)沖量相等效果相同的原理，pwm 波形和正弦波是等效的。對(duì)于正弦波的負(fù)半周， 也可以用同樣的方法得到pwm 波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦 波等效的pwm 波形，也稱為spwm（sinusoidal pwm）波形。 圖 2.2 pwm 控制的基本原理示意圖 以上介紹的是pwm 控制的基本原理，按照上述原理，在給出了正弦波頻率、 幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，pwm 波形各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確計(jì)算出 來。按照計(jì)算結(jié)果控制電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的pwm 波形。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 1 圖 2.3 單極性 spwm 控制原理圖 圖 2.4 雙極性 spwm 控制原理 但是，這種計(jì)算是很煩瑣的，正弦波的頻率、幅值變化時(shí)，結(jié)果都要變化。 較為實(shí)用的方法是采用調(diào)制的方法，即把所希望的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào) 制的信號(hào)作為載波，通過對(duì)載波的調(diào)制得到所期望的pwm 波形。通常采用等腰三 角形作為載波，因?yàn)榈妊切紊舷聦挾扰c高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱，當(dāng)它與 任何一個(gè)平緩變化的調(diào)制信號(hào)波形相交時(shí)，如在交點(diǎn)時(shí)刻控制電路中開關(guān)器件的 通斷，就可以得到寬度正比于信號(hào)波幅值的脈沖，這正好符合pwm控制的要求。 當(dāng)調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，所得到的就是spwm 波形。一般根據(jù)三角波載波在半 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 2 個(gè)周期內(nèi)方向的變化，又可以分為兩種情況。三角波載波在半個(gè)周期內(nèi)的方向只 在一個(gè)方向變化，所得到的spwm 波形也只在一個(gè)方向變化的控制方式成為單極 性spwm 控制方式，如圖2.3 所示。如果三角波載波在半個(gè)周期內(nèi)的方向是在正 負(fù)兩個(gè)方向變化的，所得到的spwm 波形也是在兩個(gè)方向變化的，這時(shí)成為雙極 性spwm 控制方式如圖2.4 所示。 2.1.22.1.2 spwmspwm 的產(chǎn)生過程的產(chǎn)生過程 脈寬調(diào)制（pwm）技術(shù)是用脈沖寬度不等的一系列矩形脈沖去逼近一個(gè)所需 要的電壓或電流信號(hào)。它是利用三角波電壓與參考電壓相比較，一旦三角波電壓 和參考電壓相比配，輸出電平翻轉(zhuǎn)，否則輸出電平保持不變，這樣就確定了各分 段矩形脈沖的寬度。 從脈寬調(diào)制的極性看，pwm 波又可分為單極性和雙極性控制模式兩種。由于 單極性的 pwm 脈沖信號(hào)還要與特定的倒相信號(hào)相乘才能得到正負(fù)半波對(duì)稱的 pwm 脈沖信號(hào)，與單極性模式相比，盡管雙極性 pwm 脈沖信號(hào)輸出電壓中高次諧波分 量較多，但其電路簡(jiǎn)單且易于單片機(jī)編程，因此本文采用雙極性的 pwm。 采用對(duì)稱的三相正弦波電源供電，有利于減小諧波影響，因此，pwm 的參考 電壓一般為正弦波，參考電壓為正弦波的 pwm 即為 spwm。其具體方法如下： 正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)就是利用三角波電壓（載波）和正弦波（調(diào)制波）相比 較，以確定個(gè)分段矩形脈沖的寬度，使輸出矩形脈沖逼近正弦波。為了得到三相 spwm 脈沖，需要用三個(gè)相位兩兩相差 120的正弦波同時(shí)調(diào)制一個(gè)三角波，如圖 2.5 所示： 圖 2.5 三相 spwm 產(chǎn)生示意圖 在該變頻電源系統(tǒng)中，spwm 脈沖是由單片機(jī)產(chǎn)生的，spwm 信號(hào)要求脈寬按 正弦規(guī)律變化，因此每一個(gè) pwm 周期脈寬都要改變，由單片機(jī)產(chǎn)生 spwm 波就是 在初始化時(shí)將 pwm 周期值設(shè)定，然后用定時(shí)器定時(shí)，每個(gè)周期產(chǎn)生一次中斷，來 調(diào)整脈寬，從而得到脈寬不斷變化的 spwm 脈沖。 所謂 spwm 正弦脈寬調(diào)制法是調(diào)制波為正弦波載波為三角波或鋸齒波的一種 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 3 脈寬調(diào)制法.它原理簡(jiǎn)單,控制和調(diào)節(jié)性能好,具有消除諧波、調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電 壓等多種作用,是一種較好的波形改善法。電源的穩(wěn)定關(guān)鍵是 spwm 波形產(chǎn)生的穩(wěn) 定性。現(xiàn)在通用的 spwm 實(shí)現(xiàn)方法是，通過用單片機(jī)查正弦函數(shù)表得到 spwm 波形;本 文把單片機(jī)的智能化和控制技術(shù)與開關(guān)電源的高效率相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一款高性能 的三相正弦波變頻穩(wěn)壓電源。該變頻電源可利用反饋電壓對(duì)輸出電壓每個(gè)周期內(nèi) 采樣 20 個(gè)點(diǎn)，據(jù)此計(jì)算出輸出線電壓有效值，對(duì)其進(jìn)行 pid 控制，以實(shí)現(xiàn)良好 的穩(wěn)幅特性。 同時(shí)通過電流傳感器對(duì)電流每個(gè)周期內(nèi)采樣 20 個(gè)點(diǎn)，并反饋到控 制模塊，以計(jì)算出電流的有效值從而對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控，以實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)、負(fù)載缺相 保護(hù)和負(fù)載不對(duì)稱保護(hù)，使該變頻電源更加安全可靠。另外，該變頻電源還具有 液晶顯示功能，可以顯示輸出正弦波的頻率、電壓、電流和功率，使其操作簡(jiǎn)單 方便。 2.22.2 pidpid 控制技術(shù)研究控制技術(shù)研究 pid 控制就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控 制的，在 pid 控制中，比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。但是，比 例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。比例放大系數(shù)的加大，會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分控 制的作用是，只要系統(tǒng)有誤差存在，積分控制器就不斷地積累，輸出控制量，以 消除誤差。因而，只要有足夠的時(shí)間，積分控制將能完全消除誤差，使系統(tǒng)誤差 為零，從而消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振 蕩。微分控制可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時(shí)加快系統(tǒng) 的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 pid 控制是一種比較成熟的控制理論，它通過比例、積分、微分三部分的合 理組合可以用比較簡(jiǎn)單的方法獲得令人滿意的控制效果。pid 的數(shù)學(xué)模型如圖 2.6 表示： 圖 2.6 pid 數(shù)學(xué)模型 給定值r(t)與實(shí)際值y(t)構(gòu)成控制誤差: e（t）=r（t）-y（t） （2.1） pid控制器根據(jù)e(t)將誤差的比例(p)、積分(i)、和微分(d)通過線性組合構(gòu)成控 制量，對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行控制，其控制規(guī)律如式2.2所示: 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 4 u(t)=kpe(t)+ (2.2) 0 ( )1 ( ) t d i t de t e t dt tdt u(t)一控制器輸出函數(shù);e(t)一控制器誤差函數(shù); kp一比例系數(shù);ti一積分時(shí)間常數(shù);td一微分時(shí)間常數(shù); pid 控制算法又分為位置型和增量型兩種，分別如下面式（2.3）、式（2.4）所示： u（n）kce（n）ttre（i） tdte（n）e（n1） （2.3） u（n）u（n）u（n1） kce（n）e（n1）ttre（n） tdte（n）2e（n1）e（n2） （2.4） 式中，u（n）為第 n 次采樣時(shí)刻計(jì)算機(jī)的輸出；u（n）為第 n 次采樣時(shí)刻計(jì)算 機(jī)輸出的增量；e（n）為第 n 次采樣時(shí)刻的偏差信號(hào)；t 為采樣周期；kc 為調(diào) 節(jié)器的比例增益；tr 為調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間；td 為調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間。 由上面兩式可知，數(shù)字 pid 控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏 差值計(jì)算控制量。由于偏差信號(hào) e（n）是由測(cè)量環(huán)節(jié)輸出的測(cè)量信號(hào) s（t）和設(shè) 定值 r 相比較后采樣而得到的e（n）r（n）s（n），而測(cè)量信號(hào)中總是 存在一些干擾、噪聲或者畸變，這些因素都影響上述控制算法的精度，從而使整 個(gè)控制系統(tǒng)的性能下降。但是，利用數(shù)字濾波和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)能夠有效地對(duì)偏差 信號(hào)（測(cè)量信號(hào)）中的干擾、噪聲進(jìn)行濾波或者對(duì)其畸變進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，從而提 高數(shù)字 pid 控制算式的精度，改進(jìn)控制系統(tǒng)的性能。 本設(shè)計(jì)用的是增量式 pid 控制算法： 增量式 pid 是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量u(k)。采用增量式算 法時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出的控制量u(k)對(duì)應(yīng)的是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的增量，而不是對(duì) 應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，因此要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須具有對(duì)控制量增量的累積功能， 才能完成對(duì)被控對(duì)象的控制操作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的累積功能可以采用硬件的方法實(shí)現(xiàn)； 也可以采用軟件來實(shí)現(xiàn)，如利用算式 程序化來完成。 由式(2.6)可得增量式 pid 控制算式 (2.5) 式中 進(jìn)一步可以改寫成 (2.6) 式中 、 、 一般計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的采樣周期 t 在選定后就不再改變，所以，一旦確定了 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 5 kp、ti、td，只要使用前后 3 次測(cè)量的偏差值即可由式(2.5)或式(2.6)求出控制增 量。 增量式算法優(yōu)點(diǎn)：算式中不需要累加?？刂圃隽?u(k)的確定僅與最近 3 次的采樣值有關(guān)，容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果；計(jì)算機(jī)每次只輸 出控制增量，即對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的變化量，故機(jī)器發(fā)生故障時(shí)影響范圍小、不 會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)過程；手動(dòng)自動(dòng)切換時(shí)沖擊小。當(dāng)控制從手動(dòng)向自動(dòng)切換時(shí)， 可以作到無擾動(dòng)切換。 3 系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)述 11 3 3 系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)述系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)述 3.13.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 本論文采用交直交變頻技術(shù)，首先將 220v，50hz 交流電通過隔離變壓 器變壓后再整流濾波，形成 90v 左右的直流電壓，然后再由單片機(jī)產(chǎn)生三相 spwm 波，經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大后加到逆變電路上，將直流電轉(zhuǎn)化為 36v 的正弦波交流電。該變 頻電源系統(tǒng)的開關(guān)，輸出頻率的增減可通過與單片機(jī)相連的鍵盤控制。同時(shí)，為 了輸出波形的穩(wěn)定、安全，并且顯示輸出頻率、電壓、電流和功率，本系統(tǒng)同時(shí) 采用電壓反饋電路和電流反饋電路，分別將輸出電壓和電流反饋至 xc164 單片機(jī)， 然后該單片機(jī)利用其內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)反饋電壓和電流進(jìn)行 a/d 轉(zhuǎn)換，再根據(jù) 轉(zhuǎn)換的數(shù)字量結(jié)果計(jì)算出電壓、電流的有效值以及功率，連同輸出頻率一并顯示； 同時(shí)單片機(jī)根據(jù)計(jì)算出的電壓有效值對(duì)輸出電壓進(jìn)行宏觀 pid 控制，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅。 三相正弦變頻電源的系統(tǒng)原理框圖如圖 3.1 所示： 圖 3.1 系統(tǒng)原理框圖 隔離變 壓器 整流濾 波電路 逆變 電路 濾波電 路 三相負(fù) 載 逆變驅(qū) 動(dòng)電路 電壓反 饋電路 電流反 饋電路 單片機(jī) 液晶顯示 鍵盤 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 0 3.23.2 xc164xc164 單片機(jī)簡(jiǎn)介單片機(jī)簡(jiǎn)介 3.2.13.2.1 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 本論文中的單片機(jī)選用了德國(guó) infineon 公司生產(chǎn)的 xc164 單片機(jī)。它屬于 infineon xc166 系列的單片機(jī)，是 infineon 16 位單片機(jī)的第四代產(chǎn)品。該系列的 單片機(jī)是為了適應(yīng)實(shí)時(shí)嵌入式應(yīng)用的高性能要求所設(shè)計(jì)的。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)根據(jù) 高速指令輸出與對(duì)外部激勵(lì)的快速響應(yīng)進(jìn)行了最優(yōu)化的設(shè)計(jì)。為了最大程度的減 小 cpu 中斷的需要，它把外圍智能子系統(tǒng)結(jié)合成一個(gè)整體，這樣同時(shí)也使外部 總線接口的通信需求減到最小。xc164 型單片機(jī)的功率管理機(jī)理有效地控制了單 片機(jī)在特定狀態(tài)下的能耗，使單片機(jī)工作時(shí)的能耗達(dá)到最小。它的 mac 單元具 有數(shù)字信號(hào)處理功能，使其具有處理數(shù)字濾波算法的能力，并且極大地減小了乘 法和除法運(yùn)算的執(zhí)行時(shí)間。 作為該變頻電源系統(tǒng)核心控制模塊的 xc164 單片機(jī)控制著 spwm 脈沖的生成， lcd 的顯示，變頻電源的輸出頻率，輸出電壓的穩(wěn)幅以及電路的保護(hù)，可以說是 整個(gè)變頻電源系統(tǒng)的心臟。該變頻電源系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)單片機(jī)編程的任務(wù)是 在實(shí)現(xiàn)硬件平臺(tái)正常工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制軟件，完成 spwm 脈沖的生 成、對(duì)輸出電壓的 pid 控制、輸出電壓和電流檢測(cè)、液晶顯示、按鍵控制，過流 保護(hù)負(fù)載不對(duì)稱或缺相保護(hù)等功能。 3.2.23.2.2 常用單元介紹常用單元介紹 下面本文將對(duì)單片機(jī)編程中最常用的單元進(jìn)行介紹。 xc164 單片機(jī)具有 128kb 的閃存，6kb 的內(nèi)存，14 個(gè)模擬輸入通道，6 個(gè)串 行接口，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、處理、控制和顯示功能，并且內(nèi)部含有 ad 轉(zhuǎn)換 器，靈活性好，外圍設(shè)備簡(jiǎn)單，可以在線編程，易于調(diào)試，執(zhí)行速度快、存儲(chǔ)容 量大。在該變頻電源系統(tǒng)的單片機(jī)編程中，用到最多的是 xc164 中 capcom6（capture/compare unit6）單元。capcom6 由 t12 計(jì)時(shí)器模塊和 t13 計(jì) 時(shí)器模塊組成，由于本文只用到 t12 計(jì)數(shù)器，因此這里只對(duì) t12 進(jìn)行介紹。 t12 計(jì)時(shí)器有三個(gè)捕獲/比較通道，它們可以獨(dú)立的產(chǎn)生 pwm 信號(hào)或者接受捕 獲觸發(fā)，也可以共同產(chǎn)生控制信號(hào)模式，以驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)或逆變器。當(dāng) capcom6 處于比較模式時(shí)，t12 計(jì)時(shí)器模塊主要是用來產(chǎn)生三相 pwm 脈沖的。一 個(gè) 16 位的計(jì)數(shù)器通過比較器與三個(gè)通道寄存器相連，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值與通道寄 存器的值相匹配時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)。t12 計(jì)時(shí)器通過可編程比例因子從模塊時(shí) 鐘獲得其輸入時(shí)鐘。它可以向上或向下計(jì)數(shù)，其計(jì)數(shù)方向用一個(gè)方向標(biāo) 6cc f 12t f 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 1 志cdir 來表示。通過比較器還和周期寄存器 t12pr 相連，t12pr 決定了 t12 的最大計(jì)數(shù)值。當(dāng)選擇邊緣對(duì)齊模式時(shí)，t12 計(jì)數(shù)到最大值后被重新賦 0；當(dāng)選 擇中心對(duì)齊模式時(shí)，t12 計(jì)數(shù)到最大值后計(jì)數(shù)方向變?yōu)橄蛳掠?jì)數(shù)?？梢酝ㄟ^軟件 控制 t12 的工作狀態(tài)：對(duì) t12rs 賦 1，t12r 置一，t12 開始計(jì)數(shù)；對(duì) t12rr 賦 1，t12r 清零，t12 停止計(jì)數(shù)。 對(duì)單相信號(hào)來說，一個(gè)通道會(huì)產(chǎn)生高電平（當(dāng) t12 計(jì)數(shù)值大于比較值時(shí)）和 低電平（當(dāng) t12 計(jì)數(shù)值小于比較值時(shí)） 。然而在實(shí)際操作中，開關(guān)電源的開關(guān)特 性關(guān)于開關(guān)時(shí)間往往是不對(duì)稱的。當(dāng)電源的開啟時(shí)間小于關(guān)閉時(shí)間時(shí)，逆變器的 上下橋臂將短路，產(chǎn)生的巨大電流可能損壞整個(gè)系統(tǒng)。為避免這種情況的發(fā)生， 必須建立死區(qū)時(shí)間。capcom6 內(nèi)包含一個(gè)可編程的死區(qū)控制模塊，可以通過對(duì)其 控制以延遲開關(guān)信號(hào)由低電平向高電平轉(zhuǎn)變的時(shí)間，從而避免逆變器上下橋臂 “直通” 。 運(yùn)用軟件對(duì)單片機(jī)內(nèi)部寄存器進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置可以得到三相 spwm 脈沖。在單 片機(jī)內(nèi)部，通過查表的方式來得到正弦信號(hào)的幅值，該幅值乘以調(diào)制度后與 capcom6-t12 的計(jì)數(shù)值相比較，若匹配則輸出端產(chǎn)生跳變，否則輸出端保持原電 平，這樣在輸出端便產(chǎn)生 spwm 脈沖。為得到三相 spwm 脈沖， 可設(shè)置三個(gè)不同 的指針，每相鄰的兩個(gè)指針間距為正弦表長(zhǎng)度的 1/3（即相差 120） ，并且三個(gè) 指針同步變化，這樣，每一個(gè)指針對(duì)應(yīng)一路 spwm 脈沖。當(dāng)三個(gè)指針同時(shí)采樣時(shí)， 便產(chǎn)生了相位相差 120三相 spwm 脈沖。 3.2.33.2.3 a/da/d 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 xc164 單片機(jī)內(nèi)部還包含一個(gè)具有 10 位或 8 位精度的 a/d 轉(zhuǎn)換器以及一個(gè)采 樣/保持電路。 （本文的 a/d 轉(zhuǎn)換模式選為增強(qiáng)模式，對(duì)應(yīng) 10 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換精度。 ）a/d 轉(zhuǎn)換器相當(dāng)于一個(gè)容性網(wǎng)絡(luò)，采用逐次逼近的方式進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，其工作 過程分為三個(gè)階段： （1）在采樣階段，該容性網(wǎng)絡(luò)與選定的輸入通道相連，通過電容的充放電 來逼近輸入信號(hào)的電壓。 （2）在轉(zhuǎn)換階段，該容性網(wǎng)絡(luò)與選定的輸入通道斷開，在逐次逼近過程中， 通過參考電壓進(jìn)行充放電。 （3）轉(zhuǎn)換器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)外部環(huán)境（如溫度）的變化進(jìn)行校準(zhǔn)，并將結(jié)果送入 結(jié)果寄存器，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)中斷。 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 14 4 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.14.1 軟件開發(fā)環(huán)境軟件開發(fā)環(huán)境 4.1.14.1.1 單片機(jī)編程開發(fā)單片機(jī)編程開發(fā)語言語言 匯編語言作為一個(gè)符號(hào)化的機(jī)器語言，其代碼執(zhí)行效率高，運(yùn)行速度快，非 常適合于編寫實(shí)時(shí)性要求較高的控制程序。但其開發(fā)的工作量大，程序的可讀性 差。匯編語言比機(jī)器語言易于讀寫、易于調(diào)試和修改，同時(shí)也具有機(jī)器語言執(zhí)行 速度快，占內(nèi)存空間少等優(yōu)點(diǎn)，但在編寫復(fù)雜程序時(shí)具有明顯的局限性，匯編語 言依賴于具體的機(jī)型，不能通用，也不能在不同機(jī)型之間移植。對(duì)于不同型號(hào)的 計(jì)算機(jī)，有著不同的結(jié)構(gòu)的匯編語言。相比之下，作為高級(jí)語言的 c 具有可讀性 強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單和調(diào)試方便的特點(diǎn)。c 語言是目前非常流行的一種編程語言，除具 有高級(jí)語言使用方便靈活、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、 編程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)外，還可實(shí)現(xiàn)匯 編語言的大部分功能，如可直接對(duì)硬件進(jìn)行操作、生成的 目標(biāo)代碼質(zhì)量較高且 執(zhí)行的速度較快等。所以在工程上對(duì)硬件處理速度要求不很高的情況下， 基本 可以用 c 代替匯編語言，編寫接口電路的控制軟件。與匯編相比，c 語言在功能 上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，易學(xué)易用，所以本設(shè)計(jì)選用 c 語言作為單片機(jī)的開發(fā)語言。 4.1.24.1.2 keilkeil c c 編輯器編輯器 本文的xc164單片機(jī)的編程是在keil-uvision3開發(fā)軟件環(huán)境下進(jìn)行的。 keil-uvision3 是美國(guó)software公司推出的單片機(jī)c語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。用它生 成的目標(biāo)代碼效率非常高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā) 大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語言的優(yōu)勢(shì)。單片機(jī)程序是在keil-uvision3軟件下調(diào) 試、編譯通過后，通過偉福仿真機(jī)燒到xc164單片機(jī)里的。標(biāo)準(zhǔn)編譯器為單片機(jī) 微控制器的軟件開發(fā)提供了語言環(huán)境，它可以支持所有的衍生產(chǎn)品，也支持所有 兼容的仿真器，同時(shí)支持其它第三方開發(fā)工具。它的基本特點(diǎn)有: keil 強(qiáng)大的編輯功能。允許在編輯器內(nèi)調(diào)試程序，可以更快速的檢查和修改 程序;允許在編輯時(shí)設(shè)置程序斷點(diǎn)，當(dāng)啟動(dòng)調(diào)試器后，斷點(diǎn)被激活;可以在編輯器 中觀察其取值。 靈活的工程管理功能。在一個(gè)工程中建立多個(gè)源文件(包括匯編、c)以及其 它文件，并可以隨時(shí)添加、修改和刪除文件，通過對(duì)工程的操作完成編譯和鏈接。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 0 高效的代碼優(yōu)化功能。具有通用代碼優(yōu)化、特殊優(yōu)化、寄存器優(yōu)化等。 利用 keil 軟件開發(fā)的一般步驟： a.根據(jù)所選擇的器件以及調(diào)試方式創(chuàng)建新的任務(wù)。 b.創(chuàng)建新的工程，把已編好的源程序、頭文件等加入工程中。 c.編譯連接工程，進(jìn)行在線調(diào)試。 d.調(diào)試完成后，在工程中選擇加載類型，重新編譯連接，生成可以用于加載 的文件。 圖 4.1 keil 主界面介紹 4.24.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.2.14.2.1 主程序設(shè)計(jì)主程序設(shè)計(jì) 在程序設(shè)計(jì)時(shí)，為簡(jiǎn)化程序流程，本文采用了 t12 中斷（控制生成 spwm 脈 沖）和 t3 中斷（控制反饋電壓和電流的 a/d 轉(zhuǎn)換） ，將按鍵狀態(tài)的判斷，輸出電 壓的 pi 控制，電壓、電流有效值的計(jì)算，以及過流保護(hù)、負(fù)載不對(duì)稱和缺相保 護(hù)等放在主程序循環(huán)中。主程序下分：顯示子程序，采樣子程序和 spwm 子程序， 主程序運(yùn)行時(shí)，不斷調(diào)用這三個(gè)子程序。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 1 主程序流程圖如圖 4.2 所示： 否 是 按鍵選擇 輸出頻率減 1 設(shè)置相關(guān)寄存器 顯示結(jié)果 開 t12 中斷 開 t3 中斷 zh 關(guān) t12 中斷 關(guān) t3 中斷 zh 設(shè)置相關(guān)寄存器 運(yùn)行狀態(tài)？ 輸出頻率加 1 up 鍵run/stop 鍵down 鍵 開 始 系統(tǒng)初始化 圖 4.2 程序流程圖 主程序除了一些初始化設(shè)置外，整個(gè)處在一個(gè)大循環(huán)中，判斷按鍵狀態(tài)從而 做出相應(yīng)的響應(yīng)。當(dāng)變頻電源處于工作狀態(tài)時(shí)，按下開關(guān)鍵，電源停止工作；按 頻率增加鍵，輸出頻率以 1 為步長(zhǎng)增加；按頻率減小鍵，輸出頻率以 1 為步長(zhǎng)減 小。當(dāng)電源處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，按下開關(guān)鍵，電源開始工作；按頻率增加鍵或頻率 減小鍵，系統(tǒng)都不會(huì)響應(yīng)。當(dāng)電源工作并且 a/d 轉(zhuǎn)換不工作時(shí)，系統(tǒng)不停地計(jì)算 輸出線電壓有效值，并對(duì)輸出電壓進(jìn)行 pi 控制，以使輸出線電壓穩(wěn)定在 36v。電 源工作時(shí)，每隔一段時(shí)間計(jì)算各相電流的有效值，單片機(jī)據(jù)此對(duì)電路進(jìn)行過流保 護(hù)、負(fù)載不對(duì)稱和缺相保護(hù)。lcd 則根據(jù)計(jì)算的電壓、電流值自動(dòng)更新顯示。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 2 4.2.24.2.2 中斷程序中斷程序 其中，t12、t3 中斷服務(wù)程序流程圖分別如圖 4.3、4.4 所示 進(jìn)入 t12 中斷 計(jì)算 a/d 轉(zhuǎn)換后的有效值 計(jì)算電壓偏差 e（k） e（k）= g u 中斷返回 輸出 spwm 信號(hào) 將修正結(jié)果送入 t12 寄存器 查正弦表，并利用計(jì)算 結(jié)果修正調(diào)制度 對(duì) e（k）的增量進(jìn)行 pid 運(yùn)算 圖 4.3 t12 中斷服務(wù)程序流程圖 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 3 中斷返回 對(duì)六路反饋信號(hào)進(jìn)行采集 存儲(chǔ) 啟動(dòng) a/d 轉(zhuǎn)換器 進(jìn)入中斷 圖 4.4 t3 中斷程序流程圖 xc164 中的 t12 計(jì)時(shí)器按中心對(duì)齊方式進(jìn)行計(jì)數(shù)，其效果相當(dāng)于在單片機(jī)內(nèi) 部產(chǎn)生了一個(gè)三角波，同時(shí)，三個(gè)正弦指針分別以輸出頻率從正弦表中讀取正弦 值，得到的正弦值乘以調(diào)制度后賦給寄存器 cc60sr，該寄存器與 t12 計(jì)時(shí)器相比 較，一旦匹配，單片機(jī)輸出電平翻轉(zhuǎn)，否則保持不變，這樣 spwm 脈沖就產(chǎn)生了。 當(dāng)程序進(jìn)入 t12 中斷時(shí)，轉(zhuǎn)到 t3 中斷程序，啟動(dòng) a/d 轉(zhuǎn)換器，對(duì)六路反饋信號(hào) 進(jìn)行采集存儲(chǔ)，程序由 t3 返回到 t12，對(duì) a/d 轉(zhuǎn)換后的有效值進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算電 壓偏差 e（k）e（k）=，對(duì) e（k）的增量進(jìn)行 pid 運(yùn)算，查正弦表，并利用 g u 計(jì)算結(jié)果修正調(diào)制度，將修正結(jié)果送入 t12 寄存器存儲(chǔ)，輸出 spwm 信號(hào)，中斷 返回。 4.2.34.2.3 spwmspwm 的編程實(shí)現(xiàn)的編程實(shí)現(xiàn) spwm 脈沖是由 xc164 單片機(jī)內(nèi)部的 capcom6 實(shí)現(xiàn)的。t12 中斷程序用三相正 弦波共同調(diào)制一個(gè)三角波，三相 spwm 脈沖產(chǎn)生的軟件實(shí)現(xiàn)基本一致，因此，下 面以任意一相 spwm 脈沖產(chǎn)生的流程圖（如圖 4.5 所示）為例進(jìn)行說明，其流程 圖如下： 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 4 否 是 是 否 360 + 比較寄存器1000-msin -180 2) /將 a/d 轉(zhuǎn)換結(jié)果放入數(shù)組 其中，vuch 是 u 相電壓通道地址的宏定義。在增強(qiáng)型模式下，a/d 轉(zhuǎn)換的精 度為 10 位，模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在寄存器 adres 的第 2 至第 11 位（adc-dat） ，因 此 a/d 轉(zhuǎn)換結(jié)果在存入相應(yīng)的數(shù)組前必須先右移兩位；另外，增強(qiáng)模式下 a/d 轉(zhuǎn) 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 7 換的最大時(shí)間為 2.55us，為保證 a/d 轉(zhuǎn)換的正確性，在從 adc-dat 取值前必須有 大于 2.55us 的延遲時(shí)間，因此我們調(diào)用了一個(gè)大約 4us 的延遲子程序。 a/d 轉(zhuǎn)換后的三相電壓和電流分別存放在數(shù)組 vus20、vvs20、vws20、 ius20、ivs20和 iws20中。三相純阻性負(fù)載星型連接，所以線電流即等于 相電流，而線電壓和相電壓并不相等。由于電壓反饋電路反饋回的電壓為相電壓， 所以在進(jìn)行有效值計(jì)算前，根據(jù)線電壓的含義，我們對(duì)任意兩個(gè)相電壓數(shù)組求差， 將差值存入另一個(gè)數(shù)組，則該數(shù)組中的值即為線電壓。 線電壓和電流有效值的計(jì)算可以由其均方根近似，具體公式如下： 20i i i u 20 1 有效 u （4.1） 20i i i i 20 1 有效 i （4.2） 當(dāng)然采樣的點(diǎn)數(shù)越多，計(jì)算的電壓和電流的均方根值越接近其有效值，但是， 相應(yīng)的 a/d 轉(zhuǎn)換總次數(shù)也增加，會(huì)占用相當(dāng)可觀的執(zhí)行時(shí)間；采用點(diǎn)數(shù)減小，雖 然 a/d 轉(zhuǎn)換的總時(shí)間減少，但由此計(jì)算的均方根值與有效值之間的偏差勢(shì)必增大， 因此，采用點(diǎn)數(shù)必須折中選取。該變頻電源系統(tǒng)的采用點(diǎn)數(shù)定為 20，根據(jù)實(shí)驗(yàn)， 這樣選取完全滿足課題要求。 4.2.54.2.5 pidpid 控制控制 pid 控制屬于閉環(huán)控制，是指將被控量的檢測(cè)信號(hào)反饋，并與被控量的目標(biāo) 信號(hào)相比較，以判斷是否已經(jīng)達(dá)到預(yù)定的控制目標(biāo)。如果尚未達(dá)到，則根據(jù)兩者 的差值進(jìn)行調(diào)整，直到達(dá)到預(yù)定的控制目標(biāo)為止。 pid 控制分為比例控制（proportional control） ，積分控制（integral control）和微分控制（differential control） 。從系統(tǒng)框圖可以看出，穩(wěn)壓環(huán) 節(jié)屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)，為了提高系統(tǒng)整體的性能，該系統(tǒng)采用了工程中常用的 pid 控制中的 pi 控制，具體地說，是增量式 pi 控制。采用增量 pi 既有利于加快 系統(tǒng)的控制過程，又便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可靠性。 其中，比例控制能迅速反映誤差，從而減小誤差，但是不能消除靜態(tài)誤差；為了 消除靜態(tài)誤差，我們還必須采用積分控制，但是積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)量過 大，甚至出現(xiàn)振蕩，因此積分常數(shù)的選取一定不能過大。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 8 pid 增量型控制算法流程如圖 4.6： n y 圖 4.6 pid 增量型控制算法流程如圖 pid 參數(shù)選擇： 以下是利用 matalb 里的 simulink 部件，構(gòu)建的一個(gè) pid 反饋控制方框圖 高線計(jì)算 q0,q1,q2 置 e（k-1）=e(k-2)=0 將 a/d 結(jié)果賦給 y(k) 求 e(k)=r(k)-y(k) 計(jì)算控制增量 u（k） 將u（k）輸出 給 d/a e(k-2)=e(k-1) e(k-2)=e(k) a/d d/a 采樣時(shí)刻到 否？ 被控對(duì)象 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 9 （如圖 4.7 所示）,其中比例常數(shù) kp=20，積分常數(shù) ki=5，微分常數(shù) kd=0（pi 控 制） 。輸入正弦波與反饋一起經(jīng)過 pid 控制模塊，由硬件部分的 pid 仿真可知， 即比例常數(shù)為 20，積分常數(shù)為 5 的 pi 控制可以的到較好的穩(wěn)幅效果。 圖 4.7 pid 反饋控制方框圖 其中，lc 低通濾波器的傳遞函數(shù)的推導(dǎo)過程如下： ls x(s) 12 0 1/cs y(s) 圖 4.8 lc 低通濾波器的 s 域表示 圖 3.2.2 為 s 域下 lc 低通濾波器的示意圖，其中電感值為 3mh,電容值為 2uf（兩個(gè) 1uf 的電容并聯(lián)） ，該濾波器的傳遞函數(shù)為： （4.3） 1106 1 1 1 1 1 )( )( )( 292 slcs ls cs cs sx sy sh 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 10 圖 4.9 積分常數(shù)為 5 時(shí) scope 窗口輸出的波形 當(dāng) pi 控制中的積分常數(shù)在 5 附近取時(shí)，scope 窗口的輸出波形和圖 4.9 差不 多。 但是，當(dāng)比例常數(shù)不變，積分常數(shù)增大到 10 時(shí)，由 scope 窗口可以看出， pi 控制將有產(chǎn)生震蕩的趨勢(shì)。如圖 4.10 所示： 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 11 圖 4.10 積分常數(shù)為 10 時(shí) scope 輸出的波形 因此，pi 控制中積分常數(shù)的取值不宜大于 10。 必須承認(rèn)，用該方法得到的 pi 的參數(shù)只能提供一個(gè)粗略的參數(shù)范圍。因?yàn)樵?實(shí)際仿真中，當(dāng)比例常數(shù)和積分常數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，由 matlab 中的 scope 窗口看到的輸入與輸出正弦波的吻合程度相差無幾。圖 4.11 為比例常數(shù) kp=20， 積分常數(shù) ki=3，微分常數(shù) kd=0 時(shí)，由 scope 窗口看到的波形?？梢钥闯觯藭r(shí) 單純用軟件沒有辦法判斷 pi 參數(shù)取何值時(shí) pi 控制效果最好。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 12 圖 4.11 積分常數(shù)為 3 時(shí) scope 輸出波形 因此，只能在硬件調(diào)試中，通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)才能得到 pi 參數(shù)的最佳值。一開 始，我在程序中把比例常數(shù)定為 20，積分常數(shù)定為 3，微分常數(shù)為 0。此時(shí)，從 lcd 和示波器可以觀察到，pid 控制可以使輸出線電壓有效值較快的鎖定在 36.0v 左右，但是輸出線電壓跳變較厲害。根據(jù) pid 控制原理，可以知道產(chǎn)生該現(xiàn)象的 原因是積分控制的作用偏小。于是，我逐漸把積分常數(shù)調(diào)大，電壓跳變的幅度隨 之減小，但是當(dāng)積分常數(shù)增大的同時(shí)，輸出電壓穩(wěn)幅的響應(yīng)速度也明顯減慢。實(shí) 驗(yàn)表明，pi 參數(shù)應(yīng)該折中選取。所以，我把 pid 參數(shù)最終定為比例常數(shù) kp=20， 積分常數(shù) ki=5，微分常數(shù) kd=0。 5 結(jié)論 28 5 5 結(jié)論結(jié)論 本文設(shè)計(jì)的三相正弦波變頻穩(wěn)壓電源以變頻電源技術(shù)和開關(guān)電源技術(shù)為基礎(chǔ) 電路，以高性能xc164單片機(jī)為控制核心，組成數(shù)據(jù)處理和控制電路，在檢測(cè)與 控制軟件支持下，通過對(duì)變頻電源輸出電壓、輸出電流進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣、計(jì)算并與 給定數(shù)據(jù)比較，從而調(diào)整變頻電源的工作狀態(tài)，同時(shí)配備有完善的保護(hù)電路。 以 xc164 單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)輸出電壓、輸出電流進(jìn)行采集與 顯示，并且對(duì)輸出電壓進(jìn)行 pid 控制，使其穩(wěn)定在 36v；當(dāng)輸出電流過大（超過 3.6a 時(shí)），三相電流中任兩相電流相差超過 0.5a 或是負(fù)載缺相時(shí)，單片機(jī)停止 輸出并進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)（lcd 上顯示“protect”）；另外，通過鍵盤控制調(diào)節(jié)輸出 頻率，可以使其在 20hz 到 100hz 內(nèi)變化。 參考文獻(xiàn) 29 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 1 馬小亮.大功率腳-交變頻調(diào)速系統(tǒng)及其應(yīng)用.武漢：華中理工大學(xué)出社,1992 2 李宏.電力電子設(shè)備用器件與集成電路應(yīng)用指南m.機(jī)械工業(yè)出版社,2001 3 劉志剛.電力電子學(xué).清華大學(xué)出版社，2004 4 張燕賓.spwm 變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù). 機(jī)械工業(yè)出版社，2005 5 楊旭，裴云慶，王兆安.開關(guān)電源技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社，2004 6 薛弘曄.計(jì)算機(jī)控制技術(shù).西安電子科技大學(xué)出版社，2003 7 李永平, 董欣.pspice 電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) .國(guó)防工業(yè)出版社，2005 8 施陽.matlab 語言精要及動(dòng)態(tài)仿真工具 simulink.西北工業(yè)大學(xué)出版社， 1997 9 xc164-16 derivatives （usermanual） ，2004 10 陸涵,胡磊,何湘寧等. 一種基于單片機(jī)的正弦波輸出逆變電源的設(shè)計(jì)j. 電源技術(shù) 應(yīng)用 , 2005,(10) 11 李玉玲,于長(zhǎng)勝,魏華雄. 基于 s