【文章內(nèi)容簡介】 的電流 流過開關(guān)管的電流 交流側(cè)A相電壓和電流波形 交流輸入側(cè)的功率因數(shù) 控制方案中PID算法的實現(xiàn)及仿真模擬PID控制器的控制規(guī)律為 公式（） —比例系數(shù)；—積分常數(shù)；—微分常數(shù)；—控制常量。 由于單片機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，而不能像模擬控制那樣連續(xù)輸出控制量，進(jìn)行連續(xù)控制。并且單片機處理數(shù)據(jù)的量有限，綜合考慮本系統(tǒng)采樣用增量式PID控制，下面分電流調(diào)節(jié)和電壓調(diào)節(jié)兩種情況分析。 電流閉環(huán)控制對輸出電流采用增量式PID控制，其算法如式： 公式（）其中為給定電流與反饋電流之差。根據(jù)調(diào)節(jié)占空比的要求和設(shè)置的微控制器輸出的占空比位數(shù)為8位，可設(shè)定電流最大數(shù)字量，則按如下公式編程： 公式（）則經(jīng)單片機計算成占空比數(shù)字量為 公式（）然后單片機將調(diào)整后的8位二進(jìn)制數(shù)傳送到數(shù)字式PWM控制器IXDP610的占空比寄存器并執(zhí)行下一步操作。 電壓閉環(huán)控制對輸出電流采用增量式PID控制，其算法如式： 公式（）其中為給定電壓與反饋電壓之差。根據(jù)調(diào)節(jié)占空比的要求，可設(shè)定微控制器輸出的占空比位數(shù)為8位，則可設(shè)定電壓最大數(shù)字量，則按如下公式編程： 公式（）則經(jīng)單片機計算成占空比數(shù)字量為 公式（）然后單片機將調(diào)整后的8位二進(jìn)制數(shù)傳送到數(shù)字式PWM控制器IXDP610的占空比寄存器并執(zhí)行下一步操作。 MATLAB下的電流閉環(huán)仿真MATLAB是控制系統(tǒng)的一種分析和仿真軟件，利用它可以方便準(zhǔn)確的對控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，為了驗證數(shù)字PID算法在本控制方案中的可靠性，。 電流閉環(huán)PID算法的仿真模型其中PID調(diào)節(jié)器參數(shù)：。 PID調(diào)節(jié)后的輸出電壓和輸出電流的波形，（a）（b）。（a） 未加PID調(diào)節(jié)器的輸出電壓和電流的直流分量（b） 加入PID調(diào)節(jié)器后的輸出電壓和電流的直流分量、（a）和（b）的仿真結(jié)果，可以看出結(jié)合PID算法的PWM控制方案具有良好的動態(tài)和穩(wěn)定性，從而證明了該電源控制系統(tǒng)控制方案的可行性。 本文介紹了運用數(shù)字PID算法結(jié)合數(shù)字PWM控制實現(xiàn)電源的穩(wěn)定直流輸出電壓或電流控制的方案，并運用MATLAB軟件進(jìn)行了仿真，證明了系統(tǒng)的可行性。數(shù)字PID算法調(diào)整控制參數(shù)較之硬件PID控制器操作簡便，系統(tǒng)設(shè)置靈活。 PWM控制的設(shè)計方案論證隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種PWM技術(shù)，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等，而本文介紹的是在極化電源應(yīng)用采用的脈寬PWM法。它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化?？梢酝ㄟ^調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比而達(dá)到控制輸出電流的目的。 利用單片機控制主要有兩種方式：（1）軟件PWM,就是利用單片機具有的PWM端口，在不改變PWM方波周期的前提下，通過軟件的方法調(diào)整單片機的PWM控制寄存器來調(diào)整PWM的占空比，從而控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷。本方法所要求的單片機的工作速度盡量快。軟件PWM法具有以下優(yōu)缺點。 優(yōu)點： 簡化了PWM的硬件電路，降低了硬件的成本。利用軟件PWM不用外部的硬件PWM，只需要功率開關(guān)管驅(qū)動電路、儲能電容等元器件，大大簡化了外圍電路。缺點：開關(guān)導(dǎo)通實時性差。（2）硬件PWM法控制，由于單片機的工作頻率一般都在4MHz左右，由單片機產(chǎn)生的PWM的工作頻率是很低的，因此用軟件PWM的方式調(diào)整輸出電流的頻率是比較低的，為了克服以上的缺陷，可以采用外部高速PWM的方法來控制輸出信號頻率【20】。，本設(shè)計中采用占空比、死區(qū)時間、工作頻率等參數(shù)可由微處理器送來的數(shù)據(jù)控制的數(shù)字式PWM集成控制器IXDP610，本PWM控制芯片的工作頻率可以達(dá)到300kHz。由IXDP610產(chǎn)生所需PWM控制信號，從而接專用IGBT集成驅(qū)動芯片EXB841來控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷。本系統(tǒng)單片機通過數(shù)據(jù)輸入通道采集實際電壓/電流信號，根據(jù)該信號在其內(nèi)部采用數(shù)字PID算法對PWM占空比進(jìn)行調(diào)整，并傳送給IXDP610占空比寄存器從而控制開關(guān)管按要求開通或截止，以達(dá)到輸出電壓電流的閉環(huán)控制。數(shù)字化PWM極化電源的設(shè)計 第三章 PWM控制與驅(qū)動電路及CPU與存儲器擴(kuò)展設(shè)計第三章 PWM控制與驅(qū)動電路及CPU與存儲器擴(kuò)展設(shè)計 PWM控制與驅(qū)動電路根據(jù)上一章對PWM控制方案的設(shè)計論述，本章先對數(shù)字控制器IXDP610和驅(qū)動器EXB841的功能進(jìn)行簡單的介紹，然后再對其在本系統(tǒng)中的具體設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)的敘述。 IXDP610數(shù)字式PWM控制器、功能和主要特點德國IXYS公司新近推出了數(shù)字式PWM控制器IXDP610，該控制器的占空比、死區(qū)時間、工作頻率等參數(shù)可由微處理器送來的數(shù)據(jù)控制。它輸出兩路互補（Complementary）不重疊（nonoverlapping）PWM控制信號，開關(guān)頻率可達(dá)300KHZ，占空比可在0~100％之間變化，輸出電流可以達(dá)到20MA，能直接驅(qū)動光耦和小功率器件。IXDP610采用雙列直插式18引腳標(biāo)準(zhǔn)集成電路封裝，各引腳的名稱、功能可介紹如下：引腳D0~D7八位數(shù)據(jù)輸入總線，只用于數(shù)據(jù)輸入。當(dāng)引腳18為低電平“0”時，在引腳17信號的下降沿，根據(jù)引腳SEL信號把總線上的數(shù)據(jù)寫入控制鎖存器或者占空比鎖存器。引腳9 GND芯片工作參考地端，使用中與用戶給該芯片供電的電源地端相連。 IXDP610引腳圖引腳10 OUT引腳11 OUT1：兩路互補PWM脈沖輸出端，輸出互補的兩路PWM信號，信號的基本周期由引腳13CLOCK端所接時鐘信號和控制鎖存器所決定。引腳12 VCC整個芯片工作的電源連接端，接用戶給該芯片供電的直流電源。引腳13 CLOCK整個芯片工作時鐘信號輸入端，該時鐘信號決定了輸出PWM脈沖波的基頻，對數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)傳輸沒有影響。引腳14 ，輸出脈沖禁止端，低電平有效，在該端接低電平時，兩脈沖輸出端被置為低電平，使用中接用戶保護(hù)電路的輸出。引腳15 SEL 數(shù)據(jù)流向選擇端，當(dāng)該端為低電平時，D0~D7上的數(shù)據(jù)流向內(nèi)部占空比鎖存器，當(dāng)該端為高電平時，數(shù)據(jù)流向內(nèi)部控制鎖存器，使用中于用戶選擇設(shè)置端相連。引腳16 異步系統(tǒng)復(fù)位端，在該端接低電平時，整個內(nèi)存芯片被復(fù)位，輸出變?yōu)榈碗娖?，工作模式設(shè)為8位，內(nèi)部頻率除法器不起作用，為直通，控制寄存器數(shù)據(jù)變?yōu)?1000111，死區(qū)時間變?yōu)樽畲蟆Ｐ盘柺俏ㄒ磺宄刂扑嬷蠰OCK位的方法。引腳17 ，整個芯片的寫控制端，使用中與單片機或微機系統(tǒng)的寫控制端線相連。引腳18 ,整個芯片的片選通端，低電平有效，使用中接用戶片選信號端【8】。其主要特點如下：（1）兼容于微處理器總線，IXDP610的控制信號D0~DSEL、和CLK信號都是TTL電平，可以直接和微處理器的數(shù)據(jù)總線、控制總線相連。（2）兩路互補輸出，可直接控制橋式變換器。（3）占空比可以在0~100％之間動態(tài)實時控制。（4）數(shù)據(jù)總線有兩種工作模式：7位或8位。（5）開關(guān)頻率可達(dá)300KHZ（6）死區(qū)時間可編程，以防止開關(guān)管重疊導(dǎo)通。（7）逐周時能，以防止過流、過溫等。（8）輸出可受軟件控制，全部變?yōu)榈碗娖?。?）在控制鎖存器中設(shè)置了鎖定位，以防止因軟件故障而損壞器件。開關(guān)頻率由外部時鐘頻率、內(nèi)部頻率除法器的狀態(tài)以及脈寬計數(shù)器控制。頻率除法器可以是二分頻也可以是直通，這取決于控制鎖存器中的DIV位的設(shè)置；脈寬計數(shù)器可以是8位計數(shù)器也可以是7位計數(shù)器（取決于控制寄存器的/8位設(shè)置）。如果/8=0，DIV=0（選擇7位工作模式，頻率除法器為直通），PWM信號周期為時鐘周期乘上128；如果/8=0，DIV=1（頻率除法器為二分頻），PWM信號周期為256倍的時鐘周期。同樣，當(dāng)/8=1，DIV=0時，PWM信號周期為256倍的時鐘周期，當(dāng)/8=1，DIV=1時，PWM信號周期為512倍的時鐘周期。如果=，/8=0，DIV=0，則開關(guān)頻率就是300KHZ【8】。死區(qū)時間（dead time）就是輸出OUT1和OUT2都為低電平時的時間。由于功率管的關(guān)斷需要一定的時間。模擬PWM死區(qū)時間的設(shè)置比較復(fù)雜，而對數(shù)字PWM IXDP610來說，只需要一條指令即可。 控制鎖存器的位定義位名稱功能描述Bit0DT0死區(qū)時間設(shè)置位，所有的組合都有效。000表示死區(qū)時間為0，111表示最長的死區(qū)時間為7個時鐘周期。Bit1DT1Bit2DT2Bit3保留，一般置為0Bit4LOCK為1時，控制鎖存器（除stop位外）禁止訪問Bit5DIV決定內(nèi)部頻率除法器的工作，為1時頻率除法器為二分頻器，為0時，頻率除法器為直通Bit6/8脈沖寬度計數(shù)器7位/8位選擇，為0時，計數(shù)器為7位，為1時，計數(shù)器為8位。Bit7Stop為1時，關(guān)斷PWM的輸出死區(qū)時間由控制鎖存器的Bit0~Bit2決定，其值為Bit0、BitBit2表示的二進(jìn)制數(shù)乘以2倍的時鐘周期【8】。占空比基本上由占空比鎖存器的予設(shè)置決定。當(dāng)SEL=0時，在 的下降沿把D0~D7中的數(shù)據(jù)寫入占空比計數(shù)器，占空比也受/8影響。當(dāng)采用7位模式工作時，占空比=PW數(shù)/128100％當(dāng)采用8位模式工作時，占空比=PW數(shù)/256100％式中，PW數(shù)為占空比計數(shù)器的予設(shè)值。在7位模式下，如果PW輸超過128，則無效。以上式中可以看出，采用8位模式時，占空比的控制精度比7位模式高一倍，但是在相同的時鐘頻率下開管頻率則低一倍。IXDP610的輸出受控制，當(dāng)位低電平時，兩路互補輸出立即禁止。當(dāng)由低變高后，不會立即輸出信號，要等到下一個PWM周期開始時才會輸出信號。IXDP610的輸出還受鎖存器的stop位控制。當(dāng)=0時，輸出OUT1和OUT2變?yōu)榈碗娖?，因此，該DPWM的輸出受和雙重控制，由于STOP是通過命令寫入的，因此又稱為軟禁止。VCC：電源正極，一般為+5V。GND：電源地線?；竟ぷ鲄?shù)如下：~7V，一般采用+5V，最大功耗500mv,工作溫度氛圍為：軍品55~+150 ℃，工業(yè)品為40~+85℃，最大輸出電流為20【8】。 EXB841驅(qū)動器1. IGBT驅(qū)動電路主要設(shè)計要求在工業(yè)應(yīng)用中，對IGBT驅(qū)動電路的主要要求有：（1）動態(tài)驅(qū)動能力強，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動脈沖。（2）能向IGBT提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪驏艍骸Ｒ话闳?15V 左右的正向柵壓比較恰當(dāng)，取5V的反向柵壓讓IGBT能可靠截止。（3）具有柵壓限幅電路，保護(hù)柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為,驅(qū)動信號超出此范圍可能破壞柵極。 EXB841管腳引線圖（4）當(dāng)IGBT處于負(fù)載短路或過流狀態(tài)時,能在IGBT允許時間內(nèi)通過逐漸降低柵壓自動抑制故障電流,實現(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷【9】。2. EXB841管腳引線功能簡介。 EXB841的管腳引線功能簡介管腳號管腳引線功能簡介1外接偏置電源的濾波電容端2輸入電源電壓端（+20V）3驅(qū)動器輸出端。構(gòu)成應(yīng)用電路是該端通過一個限流電阻連接于外部IGBT的柵極4用于連接外部電容，以防止過流保護(hù)電路誤操作（絕大部分場合不需要電容）5過流保護(hù)輸出端6集電極電壓監(jiān)視器7，8，10，11空腳9輸入電源電壓的接地端14驅(qū)動信號的負(fù)相輸出端15驅(qū)動信號的正相輸出端（1）工作頻率可達(dá)40KHZ（2）內(nèi)部設(shè)置了一個具有2500Vac/m高隔離度的光耦合器。（3）采用單電源供電方式（4）內(nèi)部設(shè)置有過流保護(hù)電路，并且具有過流保護(hù)功能。（5）外形封裝設(shè)計成具有高密度安裝的SIL型封裝。EXB841是一種混合型IC，它能夠驅(qū)動高達(dá)400A、600V的IGBT復(fù)合功率模塊和高達(dá)300A、1200V的IGBT復(fù)合功率模塊。因為驅(qū)動電路對驅(qū)動信號的延遲時間，所以此混合型IC特別適合工作于高約40KHZ的開關(guān)頻率?！?】。 EXB841的典型應(yīng)用電路在不同的開關(guān)頻率下，當(dāng)應(yīng)用電路輸出功率不同時，所對應(yīng)的柵極串聯(lián)電阻Rg和耗散電流Icc有所不同，供設(shè)計參考【9】。 當(dāng)應(yīng)用電路輸出功率不同時所對應(yīng)的柵極串聯(lián)電阻Rg和耗散電流IccIGBT600V200A300A400A—1200V100A150A200A300A柵極串聯(lián)電阻Rg12Ω5Ω耗散電流Icc5KHz2022232710KHz2427303715KHz27323747 PWM控制與驅(qū)動電路的接線圖根據(jù)上述對PWM控制電路的分析。 PWM控制與驅(qū)動電路的接線圖圖中，EXB841產(chǎn)生的過流保護(hù)信號接在IXDP610的控制端，當(dāng)EXB841發(fā)生過流故障時，過流保護(hù)輸出端輸出低電平給端，兩脈沖輸出端被置為低電平，開關(guān)管截止。根據(jù)前面IXDP610開關(guān)頻率的設(shè)定原則，本文在編程時設(shè)置/8=1，DIV=1時，PWM信號周期為512倍的時鐘周期，則開關(guān)頻率就是5KHZ。MAX7375為硅振蕩器，用于取代陶瓷諧振槽路、晶振或晶體振蕩器模塊，在微控制器和UART的3V、 5V應(yīng)用中用作時鐘源，可有效降低系統(tǒng)成本。 MAX7375為完全集成的振蕩器，提供特定的工廠調(diào)諧頻率，帶有滿擺幅、50%占空比