【正文】 轉(zhuǎn)換。EOC：表示轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)的輸出線(xiàn)，在轉(zhuǎn)換結(jié)束后 EOC 則輸出一個(gè)寬為 8 各 CLK周期的正脈沖。OE：表示輸出允許控制信號(hào)輸出線(xiàn)，OE 為高電平時(shí)吧轉(zhuǎn)換的結(jié)果送到數(shù)據(jù)線(xiàn)，當(dāng) OE 為低電平時(shí)，輸出為浮空狀態(tài)。VCC：表示主電源 +5V。GND：表示數(shù)字地。VREF+：表示參考電壓的輸入線(xiàn)，通常情況下 VREF+≤VCC。湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 VREF：表示參考電壓的輸入線(xiàn)，通常情況下 VREF≥GND。 2 RST9 XTAL218 XTAL119GND20VCC 39 37 35 33 32/EA 31ALE 30/PSEN 29 27 25 23 21U4 STC89C51 VCCC1210UFC1430PC1330PR1010KVCCIN0 25IN1 24IN2IN3 23IN4 22IN5 21IN6 20IN7 19VREF+ 18VREF 17CLK1 C2B3 A4D05 D16D27 D38D49 D510D611START13ALE14 OE15EOC16D712U22ADC0809R91KSVCCSTEOCOESTEOCOEY112M CLKCLK圖 ADC0809 與單片機(jī)的接線(xiàn)圖。由于 ADC0809 具有三態(tài)輸出數(shù)據(jù)總線(xiàn)，故可以與 51 單片機(jī)總線(xiàn)直接接口，圖 給出了 ADC0809 與單片機(jī)的接線(xiàn)圖。 本章小結(jié)在高頻開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)中主要的難點(diǎn)是系統(tǒng)中各主要磁性元件的選擇，這也是本章中就系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決的主要問(wèn)題，本章主要完成了AP法設(shè)計(jì)高頻變壓器及按要求完成了輸入級(jí)和輸出級(jí)的設(shè)計(jì)、開(kāi)關(guān)管的設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)等。湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 第四章 系統(tǒng)的控制及仿真 系統(tǒng)的控制電源控制部分的設(shè)計(jì)在很多程度上決定了整個(gè)系統(tǒng)的好壞，控制電路的主要任務(wù)根據(jù)要求產(chǎn)生設(shè)定的 SPWM 脈沖，根據(jù)采樣回的電壓信號(hào)而調(diào)節(jié)脈沖寬度。 脈寬調(diào)制的實(shí)現(xiàn)最初的脈寬控制技術(shù)是基于模擬電路，將載波與控制信號(hào)送到比較器進(jìn)行比較而實(shí)現(xiàn)的?；谠摲椒ǖ膽?yīng)用，出現(xiàn)許多能發(fā)生 PWM 波的控制芯片，如TL49UC3842 ，后又出現(xiàn)數(shù)字集成式芯片如 HEF475MA818。但這些方法與微機(jī)控制技術(shù)相比具有外圍電路復(fù)雜、調(diào)試不方便等缺點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用 AT89C51 單片機(jī)，采用軟件計(jì)算的實(shí)時(shí) PWM 控制策略，該策略對(duì)硬件要求低、受外界干擾較小。常用的產(chǎn)生 SPWM 波形的軟件設(shè)計(jì)方法有：（1）自然采樣法，該方法調(diào)制信號(hào)是正弦波，調(diào)制信號(hào)與等腰三角形載波相比較，在自然交點(diǎn)處控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷。自然采樣法能準(zhǔn)確地反映脈沖通斷時(shí)刻，產(chǎn)生的波形是最接近正弦波的。但是由于軟件確定開(kāi)關(guān)時(shí)刻需要求解超越方程，并且需要進(jìn)行多次三角函數(shù)及乘法運(yùn)算，這給實(shí)時(shí)控制帶來(lái)麻煩，該方法一般只用與模擬電路的產(chǎn)生。（2）規(guī)則采樣法，為在微機(jī)中實(shí)現(xiàn) SPWM 算法，可以對(duì)正弦控制信號(hào)進(jìn)行周期湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 采樣，依據(jù)采用值與載波信號(hào)比較來(lái)確定 PWM 脈沖的前后沿，有多種形式實(shí)現(xiàn)該方法，包括：對(duì)稱(chēng)采樣、非對(duì)稱(chēng)采樣、平均規(guī)則采樣。該方法不論在采樣時(shí)刻正弦與三角載波是不是相交，這雖會(huì)帶來(lái)一點(diǎn)誤差，但可以控制在可行范圍內(nèi)。（3）面積等效法，該方法是基本思路是控制相同時(shí)間間隔內(nèi)的 PWM 波形的面積，使之與調(diào)制波面積相等，當(dāng)調(diào)制波為正弦時(shí)的調(diào)制原理圖如圖 所示。圖中 Tpi 和 Tgi分別為開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷與導(dǎo)通時(shí)間。假設(shè)單個(gè)周期內(nèi)的 PWM 波的脈沖個(gè)數(shù)為 2N，即將參考正弦波 的整個(gè)周期 T 分成 2N 等分，每份時(shí)間 T 為 T／2N，在第 i 段區(qū)間sinmwtU內(nèi)的正弦波面積為：………………………（??1 1sintcossSiTmrimUiidwN?? ??????????）本設(shè)計(jì)運(yùn)用單片機(jī)的定時(shí)器采用軟件計(jì)算的方法產(chǎn)生 PWM 波形，可以方便地對(duì)PWM 波占空比進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓可調(diào)，具體程序源代碼見(jiàn)附錄 A。 PID 算法的實(shí)現(xiàn)（1）控制技術(shù)概述PID 算法具有結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性與可靠性較高、調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，因此在各圖 面積等效原理種應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，特別是結(jié)合微處理器，PID 控制算法能夠得到很好的實(shí)現(xiàn)。除了 PID 控制外用于電源變壓控制技術(shù)還包括：無(wú)差拍控制、重復(fù)控制、模糊控制等，但由于它們的各種不足，如模糊控制雖然在理論上可一任意精度逼近非線(xiàn)性函數(shù)，但是受到目前模糊控制研究水平的限制，模糊變量的分檔以及模糊規(guī)則數(shù)都會(huì)受到一定的限制等。因此目前普及的只是 PID 控制。湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 （2）PID 控制算法的實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)是通過(guò)采樣的方式進(jìn)行反饋的，具有離散性，離散的 PID 控制可以近似為：……………………………（??10tDipijioITUKeeu???????????）其中 為第 i 采樣時(shí)刻的輸入值， 為第 i 個(gè)采樣時(shí)刻的偏差值， 為第 i1 采樣i i 1ie?時(shí)刻的偏差值，當(dāng)采樣周期 T 足夠短時(shí)，控制過(guò)程可近似為連續(xù)控制，這種控制算法稱(chēng)為全量式 PID 算法。將式 稍做修改即可得到增量式 PID 控制算法，增量式 PID算法跟全量式 PID 算法相比計(jì)算量大大減小，又能達(dá)到本設(shè)計(jì)的要求，因此，本設(shè)計(jì)采用增量式 PID 算法：……………（??1112DiipiiiiiITuKeee???? ?????? ?? ?） 軟件流程圖本設(shè)計(jì)的 PWM 波脈寬調(diào)制軟件如圖 所示。湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 初始設(shè)置電壓檢測(cè)開(kāi)始測(cè)量與設(shè)定值是否一致開(kāi)采樣中斷使 PWM 輸出是否結(jié)束輸出結(jié)束是否否是（a）主程序流程圖湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 采樣中斷子程序計(jì)算比例環(huán)節(jié)計(jì)算偏差脈寬設(shè)為 50us更新調(diào)制度更新歷史偏差計(jì)算調(diào)制度增量計(jì)算積分環(huán)節(jié)脈寬大于 50us返回NY（b）中斷程序流程圖圖 軟件程序流程圖系統(tǒng)的初始設(shè)置了一個(gè) PWM 波占空比，轉(zhuǎn)換器的輸出電壓經(jīng)過(guò)采樣反饋回單片機(jī)與設(shè)定值進(jìn)行比較。如果輸出值大于設(shè)定值，則通過(guò)相應(yīng)的軟件算法調(diào)低占空比，使輸出電壓在一定的誤差范圍內(nèi)穩(wěn)定在設(shè)定值；如果輸出電壓值小于設(shè)定值，則調(diào)大占空比。湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 Pspice 仿真本節(jié)是根據(jù)文獻(xiàn)[9]編寫(xiě)的，根據(jù)開(kāi)關(guān)電源的實(shí)際電路進(jìn)行建模，運(yùn)用計(jì)算機(jī)對(duì)模型進(jìn)行分析、研究、觀(guān)察結(jié)果，以達(dá)到研究和開(kāi)發(fā)實(shí)際應(yīng)用電路的目的，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為仿真。此方法是經(jīng)濟(jì)性高并具有較高的可靠性的研發(fā)開(kāi)關(guān)電源的方法。電力電子常用的仿真工具有：通用型軟件 General Purpose、控制系統(tǒng)仿真軟件 MATLAB 和專(zhuān)用仿真軟件 Special Purpose，本文選用 Pspice 進(jìn)行系統(tǒng)的仿真。在電路系統(tǒng)的仿真中，Pspice仿真軟件具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，這是其他軟件沒(méi)法與之媲美的，Pspice是一個(gè)多功能的電路模擬試驗(yàn)的平臺(tái)。它的收斂性好，適于做系統(tǒng)及電路級(jí)仿真，能達(dá)到快速準(zhǔn)確的仿真要求，其主要優(yōu)點(diǎn)包括：（1）圖形界面友好、易學(xué)易用、操作簡(jiǎn)單。該軟件采用原理圖輸入方式，這使得電路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單方便，圖形輸入形象直觀(guān)。Pspice 6．0以上版本全部采用菜單式結(jié)構(gòu)方式，只要是熟悉Windows操作系統(tǒng)就很容易上手學(xué)，通過(guò)鼠標(biāo)和熱鍵一起操作，能提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)的周期。一般具有一定的英語(yǔ)基礎(chǔ)，即使在沒(méi)有專(zhuān)業(yè)指導(dǎo)書(shū)或?qū)I(yè)知道人的條件下也能快速入門(mén)、學(xué)會(huì)。（2）具有較高的實(shí)用性，對(duì)元件參數(shù)的修改操作方便，它只需存一次盤(pán)、創(chuàng)建一次連接表，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)較為復(fù)雜電路的仿真。用Protel等軟件進(jìn)行參數(shù)修改仿真時(shí)此過(guò)程則顯得比較繁瑣。在改變一個(gè)參數(shù)時(shí)，哪怕是一個(gè)電容容值的大小都需要重新建立起網(wǎng)絡(luò)表的連接，如果要設(shè)置其他器件的相關(guān)參數(shù)就更為復(fù)雜了。（3）各種功能齊全。Pspice的仿真功能有很多，包括：直流仿真、交流仿真、溫度仿真、噪聲仿真等，該軟件還集成了多種基本數(shù)學(xué)公式和數(shù)學(xué)函數(shù)。另外，用戶(hù)還可以對(duì)仿真窗口按自己的需求進(jìn)行適當(dāng)?shù)木庉嫞€支持文本輸入方式和原理圖輸入方式。 變壓器建模（a）所示， 為繞組1的自感， 為繞組2的自L(fǎng)L感， 為變壓器的互感，此時(shí)方程為：12L………………………………………（）1212LVIdt???????????????????:其電流方程為：= ………………………………（）12Idt??????12L???????1V???????:湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 圖 變壓器模型及符號(hào)式中， 。定義 ，理想耦合情況下 =1，此時(shí)的211L???:122LK?:12K變壓器之比等于匝數(shù)之比n，上述公式又可以寫(xiě)：…………………………………（??????????????????）考慮實(shí)際情況下線(xiàn)圈繞組存在一定的電阻，路。 Pspice 中變壓器的模型分析 圖 變壓器的等效電路圖Pspice軟件中包括多種變壓器，其中線(xiàn)性變壓器XFRM_Linear，由耦合電感和耦合器件K Linear 構(gòu)成的線(xiàn)性變壓器在一定的情況下也可當(dāng)作理想變壓器使用。由非線(xiàn)性磁芯構(gòu)成的非線(xiàn)性變壓器由于存在磁滯現(xiàn)象和飽和的特性，應(yīng)用時(shí)能較好地反映實(shí)際況。另外，在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析和小信號(hào)分析時(shí)常直接使用變壓器模型，而實(shí)際電路中卻不存在，也可以使用電壓控制電壓源和電流控制電流源構(gòu)成理想變壓器模型。非線(xiàn)性變壓器的特性主要因素是非線(xiàn)性磁心。在Pspice仿真軟件中有四種非線(xiàn)性變壓器模型，如圖。這些模型存放在BREAKOUT．olb庫(kù)中的，用戶(hù)通過(guò)雙擊元器件可以修各個(gè)元器件的參數(shù)。本設(shè)計(jì)的變壓器采用副邊為單路輸出的模型，在Pspice中變壓器仿真原。湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 圖 非線(xiàn)性邊變壓器模型 R2120L140uHK K5COUPLING = 1K_Linear L210uHR3100MEGV1FREQ = 10kHZVAMPL = 220VOFF = 0R1120圖 本設(shè)計(jì)中采用互感器進(jìn)行變壓器仿真，即ANALOG庫(kù)中的K_LINEAR的耦合器件，其中K設(shè)定為1（理想變壓器）。圖中電感值LL2 是根據(jù)變壓器的變比進(jìn)行取值的，即L1/L2 = (N1/N2) 2，在耦合器件K_LINEAR中設(shè)置好感值L1 、L2即可。原理圖中各參數(shù)的設(shè)置如下網(wǎng)表所示。* source P2R_R1 N00013 N00020 120 R_R2 N00312 N00128 120 V_V1 N00013 0 +SIN 0 220 10kHZ 0 0 0Kn_K5 L_40uh L_10uh 1R_R3 0 N00128 100MEG L_L2 N00312 N00128 10uH 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 L_L1 N00020 0 40uH 變壓器仿真波形圖 主電路仿真400pD12D1N4148TX1K528T500_3C8C3 L21mHM2IRF9140C4R550D11D1N4148D10D1N4148C1OUTV2220VdcV3TD = 10nTF = 10PW = 50mPER = 100mV1 = 0TR = 10nV2 = 5R840R450R13k 主電路仿真原理圖，原理圖中各元器件的參數(shù)如下網(wǎng)表給出，：* source PROJECT1C_C2 N00142 N00142 400p C_C3 N00408 N002091 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 D_D10 0 N00418 D1N4148 R_R1 N02538 N00142 3k C_C1 N02538 N00142 D_D11 N00142 N02538 D1N4148 D_D12 N02731 N00418 D1N4148 V_V3 N02964 0 +PULSE 0 5 10n 10n 10 50m 100mM_M2 N00142 N02964 N00142 N00142 IRF9140V_V2 N00142 N00142 220VdcC_C4 0 OUT C_C5 N002070 N00142 L1_TX1 N00142 N00142 15L2_TX1 N02731 0 9K_TX1 L1_TX1 L2_TX1 1 K528T500_3C8R