【文章內容簡介】 出到負載的電壓平均值最大為E，若減小占空比，則隨之減小。 根據能量守恒原理可以推導出如下結論：若L為無窮大，輸出電流維持為不變。電源在IGBT導通時提供能量，為。而從整個周期來看，負載一直在消耗能量，消耗的能量為。一個周期T中，忽略電路對電能的損耗，則電源提供的能量與負載消耗的能量相等，即= （式22） （式23） 由于假設電感L為無窮大，且輸出電流近似平直，現假設電源E的電流平均值，== （式24）== (式25)輸出功率等于輸入功率，功率不變，因此該電路稱DCDC降壓斬波電路。 開關電源的模擬控制方法開關電源為了實現高速響應，通常采用模擬電路對其進行控制。模擬控制有其固有的優(yōu)點，諸如電路成熟、應用方便、實時性好等。所以在對開關電源要求性能不是很高的情況下得到廣泛的應用。開關電源的模擬控制方法已經使用了數十年，也形成了一系列的控制方式，大致有3種:脈沖寬度控制方式PWM,脈沖頻率控制方式PFM和PWMPFM混合控制方式。本節(jié)主要介紹脈沖寬度控制方式。PWM控制是用固定時鐘頻率，通過調節(jié)開關管控制信號的占空比D實現對輸出電壓的調整。PWM技術在較寬的負載范圍內都具有較高效率，此外因為頻率恒定噪聲頻譜相對窄，利用簡單的低通濾波技術便可得低紋波輸出電壓。因此PWM技術普遍應用于通信技術中。 PWM控制方式根據反饋采樣的不同可分為:電壓模式和電流模式。 PWM控制的工作原理下面簡單介紹PWM控制的工作原理。(A)圖開關電源的主電路，拓撲為Buck電路，鋸齒波信號的頻率和幅值固定不變，將輸出電壓與參考電壓通過運算放大器進行比較、放大及反饋得到誤差電壓，然后由誤差電壓與鋸齒波電壓的比較結果產生PWM輸出，并用來控制開關管的導通和截止。圖(B)中的導通時間是鋸齒波電壓發(fā)生器的復位點和正向鋸齒波與誤差電壓交點之間的時間。如果是誤差電壓與鋸齒波相交點的電壓，U是鋸齒波電壓的幅值，則占空比為D=/U，若輸出電壓比要求的電壓低，則產生的誤差電壓大。由D=/U和圖(B)可知，導通的脈寬加長，輸出電壓增加，從而達到穩(wěn)定的目的。反之，當輸出電壓比要求的電壓高，則產生的誤差電壓小，導通的脈寬變窄，導致輸出電壓降低，亦能達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。如圖24所示。圖24(A) PWM控制結構框圖圖24（B PWM控制波形圖 脈沖寬度調制具體過程脈沖寬度調制（PWM）是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。 多數負載(無論是電感性負載還是電容性負載)需要的調制頻率高于10Hz，通常調制頻率為1kHz到200kHz之間。 許多微控制器內部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67內含兩個PWM控制器，每一個都可以選擇接通時間和周期。占空比是接通時間與周期之比；調制頻率為周期的倒數。執(zhí)行PWM操作之前，這種微處理器要求在軟件中完成以下工作： ，這個輸出是一個通用I/O管腳 脈沖寬度調制的優(yōu)點PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數字形式的，無需進行數模轉換。讓信號保持為數字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或將邏輯0改變?yōu)檫壿?時，而且這也是在某些時候將PWM用于通信的主要原因。從模擬信號轉向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當的RC或LC網絡可以濾除調制高頻方波并將信號還原為模擬形式。 總之，PWM經濟、節(jié)約空間、抗噪性能強，是一種值得廣大工程師在許多設計應用中使用的有效技術。 開關電源的控制算法開關電源的數字控制，都需要一定的控制算法來實現其控制規(guī)律。由于數字控制規(guī)律的設計最初常借鑒模擬控制經驗，所以PID算法在數字控制中的應用非常普遍，甚至占據了主導地位。在數字控制中，除了最常用的PID算法外，由于數字控制規(guī)律的設計非常靈活，因此還可以實現在模擬控制中難以實現的一些其它控制算法，如智能控制、仿人智能PI控制、自適應控制、專家控制和模糊控制等，以這些方法的相互結合而成的新控制算法，本節(jié)主要介紹PID控制算法。 PID控制算法自從計算機進入控制領域以來，用數字計算機代替模擬計算機調節(jié)器組成計算機控制系統(tǒng)，不僅可以用軟件實現PID控制算法，而且可以利用計算機的邏輯功能，使PID控制更加靈活。同時，使原來在模擬PID控制器中無法實現的控制方法在數字控制中就能得到解決。PID控制是應用最廣泛的一種控制規(guī)律，常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖25所示，系統(tǒng)由PID控制器和被控對象組成。PID控制器是一種線性控制器，它根據給定值r(t)與實際輸出值y(t)構成的控制偏差e(t)來計算:= （式26）將偏差的比例P、積分I和微分D通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制。其控制規(guī)律為: （式27）或寫成傳遞函數的形式: （式28）式中:一比例系數，一積分時間常數，一微分時間常數。如圖25所示。圖25 模擬PID控制系統(tǒng)原理 PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：(1)比例環(huán)節(jié):即時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差，提高控制精度。 (2)積分環(huán)節(jié):主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度，從而使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高。積分作用的強弱取決于積分時間常數,越大，積分作用越弱，反之則越強。 (3)微分環(huán)節(jié):能反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號值變得太大之前，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，減小調節(jié)時間。從頻域的角度分析PID控制器，PI控制作用如同相位滯后補償器，它影響低頻段，增大低頻增益以改善穩(wěn)定精度。PD控制的作用類似相位超前補償器，它影響高頻段，不僅增大相位超前角，改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時增大系統(tǒng)的帶寬，使得系統(tǒng)的響應速度加快。數字PID控制是一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的偏差值計算控制量。因此，連續(xù)域PID控制算法不能直接使用，需要采用離散化方法。數字PID控制算法又分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。還有一些改進算法如積分分離法，遇限削弱積分法，不完全微分法，微分先行法和帶死區(qū)的PID控制算法等。按模擬PID控制算法，以一系列的采樣時刻點代表連續(xù)時間t，以矩形法數值積分近似代替積分，以一階后向差分近似代替微分，得離散PID表達式: （式29）式中:,T為采樣周期，k為采樣序號，k=1,2,…，e(k1)和e(k)分別為第(k1)時刻和第k時刻所得的偏差信號。位置式PID控制算法原理圖如圖26所示。在仿真過程中，可根據實際情況，對控制器的輸出進行限幅。圖26 位置式PID法控制原理圖增量式PID控制算法根據遞推原理可得增量式PID控制算法: (式210)式中:，，e(k),e(k1),e(k2)分別為第((k)時刻、第(k1)時刻和(k2)時刻所得到的偏差信號。增量式PID控制算法原理圖如圖27所示。在實際編程時,可預先算出，設初值e(k1),e(k2)為0。圖27 PID增量式算法控制原理圖在PID控制中，一個關鍵的問題是PID參數的整定。傳統(tǒng)方法是在獲取對象精確數學模型的基礎上，根據某一原則來確定PID參數。實際的控制過程中，在被控系統(tǒng)具有明顯的非線性或負載發(fā)生變化時，固定參數的PID就不能適應系統(tǒng)的動態(tài)變化，從而影響系統(tǒng)控制質量。計算機技術和智能控制理論的發(fā)展為復雜不確定系統(tǒng)的控制提供了新的途徑。采用智能控制技術，可設計智能PID和進行PID參數的智能整定，對傳統(tǒng)PID進行改造，形成了自適應PID、模糊PID、神經網絡PID、灰色PID、遺傳算法PID等新型PID控制方法。第3章 電源系統(tǒng)硬件設計 系統(tǒng)硬件總體結構數控直流穩(wěn)壓電源的整機框圖如圖31所示，它主要由鍵盤、顯示、AVR系統(tǒng)、D/A轉換電路、直流穩(wěn)壓電路和保護電路組成。另外，還有串口接口電路。AVR微控制器是數字直流穩(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)生過熱現象，AVR系統(tǒng)能驅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。圖31 整體系統(tǒng)框圖 AVR控制電路設計 ATmega16芯片簡介AVR單片機是Atmel公司推出的一款基于RISC指令架構的高性能、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，它是綜合了半導體集成技術和軟件技術性能的新型微處理器架構，是相對于復雜指令集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周期，提高處理器的運算速度。采用這種RISC結構，使得AVR系列的單片機具備1MIPS/Mhz的高速處理能力。AVR單片機的快速存取寄存器文件由32個通用寄存器組成。32個寄存器全部直接與運算邏輯單元（ALU）相連，每一個寄存器都可以代替累加器工作。這使得微處理器可以在執(zhí)行當前指令時取出要執(zhí)行的下一條指令，從而避免了傳統(tǒng)的累加器結構造成累加器和存儲器之間的數據傳輸瓶頸效應，提高了系統(tǒng)性能。在傳統(tǒng)的CISC結構中，單片機外部振蕩器的時鐘被分頻降低到內部執(zhí)行周期。AVR單片機沒有對外部時鐘分頻，它用一個時鐘周期來執(zhí)行一條指令。AVR單片機采用哈佛(Harvard)總線結構，程序存儲器和數據存儲器是分開的。微處理器直接訪問全部程序存儲器和數據存儲器。Atmel公司將高密度、非易失性存儲器技術運用到AVR單片機上面，使得AVR單片機都具有ISP（In System Programming）功能。即使在程序運行時，也可以對系統(tǒng)進行重新編程。Atmel公司AVR高端產品ATmega系列部分單片機中還集成了在線調試單