【文章內(nèi)容簡介】 形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。 圖 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 分別將 圖 所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)（ RL 電路）上，如圖 所示。其輸出電流 i(t)對不同窄脈沖時的響應(yīng)波形如圖 (b)所示。從波形可以看出，在 i(t)的上升段， i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各 i(t)響應(yīng) 波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應(yīng)i(t)也是周期性的。用傅里葉級數(shù)分解后將可看出，各 i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。 16 圖 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形 用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波，正弦半波 N 等分，看成 N個相連的脈 沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。 如圖 所示。 圖 用 PWM波代替正弦半波 PWM 相關(guān)概念 17 就是輸出的 PWM 中，高電平保持的時間 與 該 PWM 的時鐘周期的時間之比 。例 如，一個 PWM 的頻率是 1000Hz，那么它的時鐘周期就是 1ms，就是 1000us，如果高電平出現(xiàn)的時間是 200us，那么低電平的時間肯定是 800us，那么占空比就是 200： 1000，也就是說占空比就是 1： 5。 占空比 的最小值 。 PWM 波形 周期 的 倒數(shù)。 開關(guān)電源的控制算法 在介紹開關(guān)電源的控制算法之前，我們需要了解控制系統(tǒng)的基本概念，過程控制就是對生產(chǎn)過程的某一或某些物理參數(shù)進行的自動控制。 圖 基本模擬反饋控制回路 被控量的值由傳感器或變送器來檢測，這個值與給定值進行比較，得到偏差，模擬調(diào)節(jié)器依一定控制規(guī)律使操作變量變化，以使偏差趨近于零，其輸出通過執(zhí)行器作用于過程。 控制規(guī)律用對應(yīng)的模擬硬件來實現(xiàn)，控制規(guī)律的修改需要更換模擬硬件。 以微 型計算機作為控制器?？刂埔?guī)律的實現(xiàn)，是通過軟件來完成的。改變控制規(guī)律，只要改變相應(yīng)的程序即可。 18 圖 微機過程控制系統(tǒng)基本框圖 開環(huán)控制系統(tǒng) (openloop control system)是指被控對象的輸出 (被控制量 )對控制器 (controller)的輸出沒有影響。 在這種控制系統(tǒng)中，不依賴將被控量反送回來以形成任何閉環(huán)回路，所以結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，但輸出誤差較大，鑒于本題目對輸出誤差有嚴格的要求，所以應(yīng)該采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。 閉環(huán)控制系統(tǒng) (closedloop control system)的特點是系統(tǒng)被控對象的輸出(被控制量 )會反送回來影響控制器的輸出，形成一個或多個閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負反饋，若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反，則稱為負反饋 ( Negative Feedback)，本系統(tǒng)即采用了閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)。 在工程實際中， PID（比例、積分、微分）是應(yīng)用最為廣泛的閉環(huán)控制規(guī)律。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用 PID 控制技術(shù)。 PID 控制，實際中也有 PI和 PD 控制。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸 出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（ Steadystate error）。 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（ System with Steadystate Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的 19 輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤 差進一步減小，直到等于零。因此，比例 +積分 (PI)控制器，會使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后 (delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值 ，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例 +微分 (PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。 PID 調(diào)節(jié)器 (1) 模擬 PID 控制系統(tǒng)組成 圖 模擬 PID控制系統(tǒng)原理框圖 （ 2）模擬 PID 調(diào)節(jié)器的微分方程和傳輸函數(shù) PID 調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它將給定值 r(t)與實際輸出值 c(t)的偏差的比例 (P)、積分 (I)、微分 (D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對控制對象進行控制。 PID 調(diào)節(jié)器的微分方程 ?????? ??? ? t DIP dttdeTdtteTteKtu0)()(1)()( （ 21） 式中 )()()( tctrte ?? PID 調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù) 20 ?????? ???? STSTKSE SUSD DIP11)( )()( （ 22） (3） PID 調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用 1）比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號 e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。 2） 積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù) TI， TI 越大，積分作用越弱，反之則越強。 3）微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏差信號的變化趨勢 (變化速率 )，并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的 動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。 PID 控制器 （ 1）模擬 PID 控制規(guī)律的離散化 表 21 模擬 PID 控制規(guī)律 模擬形式 離散化形式 )()()( tctrte ?? )()()( nrne ?? dTtde)( T nene )1()( ?? ?t dtte0 )( ?? ?? ? nini ieTTie 00 )()( （ 2）數(shù)字 PID 控制器的差分方程 ? ?000)()()()1()()()()(unununuuneneTTieTTneKnuDIPniDIP??????????? ????? ?? （ 23） 式中 )()( neKnu PP ? 稱為比例項 21 ???niIPI ieTTKnu0 )()( 稱為積分項 ? ?)1()()( ??? neneTTKnu DPD 稱為微分項 （ 3） 常用的控制方式 1） P控制 0)()( ununu P ?? （ 24） 2） PI控制 0)()()( unununu IP ??? （ 25） 3） PD控制 0)()()( unununu DP ??? （ 26） 4） PID 控制 0)()()()( ununununu DIP ???? （ 27） （ 4） PID 算法的兩種類型 1）位置型控制 ? ? 00 )1()()()()( uneneTTieTTneKnu niDIP ??????? ????? ?? （ 28） 2）增量型控制 ? ? ? ?)2()1(2)()()1()()1()()(?????????????neneneTTKneTTKneneKnununuDPIPP （ 29） 本章小結(jié) 本章主要討論了恒流源的工作原理、常見的開關(guān)型電源、 PID 控制算法和 PWM調(diào)制方式在數(shù)字實現(xiàn)方式上的分析，確定了系統(tǒng)的總體方案，對各個模塊的功能進行了分析。 22 第三章 電源系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu) 23 數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的整機框圖如圖 31 所示，它主要由 單片機控制電路、整流濾波電路、穩(wěn)壓電路、 DC/DC 轉(zhuǎn)換電路、 D/A 轉(zhuǎn)換電路、采樣電路、緩沖放大電路、鍵盤控制和液晶顯示電路等九個模塊組成。 AVR 微控制器是數(shù)字直流穩(wěn)壓電源的核心。它通過軟件的運行來控制整個儀器的工作，從而完成設(shè)定的功能操作。我們選用的 AVR 為 ATmega 16，它是整個系統(tǒng)的中樞，接收來自鍵盤的信息，對輸入的信息進行處理，從而確定儀器的工作狀態(tài)及輸出電壓的大小 。如果發(fā)生過熱現(xiàn)象， AVR 系統(tǒng)能驅(qū)動溫度保護電路工作。此外，如果上位 PC 機有請求，能通過串口接口電路與 PC 機進行通信。 DC/DC 轉(zhuǎn)換采用開關(guān)電源芯片 TPS5450，緩沖放大采用精密儀表運放 INA118 和 低噪聲 運放 TLC2202 組成 ， 顯示電路采用 了 LCD 器件 128*64 液晶顯示。系統(tǒng)框架如圖 所示 。 圖 系統(tǒng)框架圖 工作原理和流程分析 本系統(tǒng)整機工作原理 ：系統(tǒng)上電，首先 220V 市電通過降壓器降為后級電路所需的 24V 交流電壓；再將交流電壓整流為脈沖直流電壓后經(jīng)過濾波，由于此脈沖直流電壓 含有較大的波紋和高頻信號， 所以 必須通過濾波電路加以濾除，才能得到較平滑的直流電壓 信號 ；得到的直流電壓 輸入 穩(wěn)壓電路中，穩(wěn)壓電路 對其 進行穩(wěn)壓 并 24 輸出 多路電壓，一路 為 DC/DC 模塊 提供 穩(wěn)定的 12～ 18V 直流電壓，另幾路又通過次級降壓為液晶、單片機和運放單獨供電；穩(wěn)定的電壓送入 DC/DC 模塊保證其正常工作， 以實現(xiàn)改變 DC/DC 模塊 的輸出電流； DC/DC 輸出電流當(dāng)流經(jīng)采樣電路中 康銅絲 上時被采集 ，采樣 出來的 差值進行可調(diào)增益放大， 然后放大的電流信號 再通過 低噪聲 運放 構(gòu) 成的緩沖電路送往 單片機 片內(nèi) A/D，最后 A/D 對采 集回來的信號進行轉(zhuǎn)換 。 AVR 控制器電路 AVR 單片機是 Atmel 公司推出的一款基于 RISC 指令架構(gòu)的高性能、低功耗的 8位單片機。所謂精簡指令集 RISC（ Reduced Instrution Set Computer）是 20 世紀 90 年代開發(fā)出來的，它是綜合了半導(dǎo)體集成技術(shù)和軟件技術(shù)性能的新型微處理器架構(gòu)，是相對于復(fù)雜指令集 CISC（ Complex Instrution Set Computer）而言的。RISC 先使用頻率通過最高的簡單指令、避免復(fù)雜指令、采用固定指令長度、減少指令格式和尋址方式 等方法來縮短指令那個周期，提高處理器的運算速度。采用這種 RISC 結(jié)構(gòu)，使得 AVR 系列的單片機具備 1MIPS/Mhz 的高速處理能力。 AVR 單片機采用哈佛 (Harvard)總線結(jié)構(gòu)，程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是分開的。微處理器直接訪問全部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。并且 AVR 單片機具有 ISP（ In System Programming）功能。 ATmega16 芯片引腳圖見圖 。 25 AGND31X113X212RESET9PD2 (INT0)16PD3 (INT1)17PD4 (OC1B)18PD5 (OC1A)19PB0 (T0)1PB1 (T1)2PB2 (AIN0)3PB3 (AIN1)4PB4 (SS)5PB5 (MOSI)6PB6 (MISO)7PB7 (SCK)8(ADC0) PA040(ADC1) PA139(ADC2) PA238