【正文】 轉換。EOC：表示轉換結束信號的輸出線，在轉換結束后 EOC 則輸出一個寬為 8 各 CLK周期的正脈沖。OE：表示輸出允許控制信號輸出線，OE 為高電平時吧轉換的結果送到數(shù)據(jù)線，當 OE 為低電平時，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，通常情況下 VREF+≤VCC。湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 22 VREF：表示參考電壓的輸入線，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 與單片機的接線圖。由于 ADC0809 具有三態(tài)輸出數(shù)據(jù)總線，故可以與 51 單片機總線直接接口，圖 給出了 ADC0809 與單片機的接線圖。 本章小結在高頻開關電源的設計中主要的難點是系統(tǒng)中各主要磁性元件的選擇，這也是本章中就系統(tǒng)設計解決的主要問題，本章主要完成了AP法設計高頻變壓器及按要求完成了輸入級和輸出級的設計、開關管的設計和驅(qū)動電路設計等。湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（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計在很多程度上決定了整個系統(tǒng)的好壞，控制電路的主要任務根據(jù)要求產(chǎn)生設定的 SPWM 脈沖，根據(jù)采樣回的電壓信號而調(diào)節(jié)脈沖寬度。 脈寬調(diào)制的實現(xiàn)最初的脈寬控制技術是基于模擬電路，將載波與控制信號送到比較器進行比較而實現(xiàn)的?；谠摲椒ǖ膽?，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。但這些方法與微機控制技術相比具有外圍電路復雜、調(diào)試不方便等缺點。本設計采用 AT89C51 單片機，采用軟件計算的實時 PWM 控制策略，該策略對硬件要求低、受外界干擾較小。常用的產(chǎn)生 SPWM 波形的軟件設計方法有：（1）自然采樣法，該方法調(diào)制信號是正弦波，調(diào)制信號與等腰三角形載波相比較，在自然交點處控制開關管的導通與關斷。自然采樣法能準確地反映脈沖通斷時刻，產(chǎn)生的波形是最接近正弦波的。但是由于軟件確定開關時刻需要求解超越方程，并且需要進行多次三角函數(shù)及乘法運算，這給實時控制帶來麻煩，該方法一般只用與模擬電路的產(chǎn)生。（2）規(guī)則采樣法，為在微機中實現(xiàn) SPWM 算法，可以對正弦控制信號進行周期湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 24 采樣，依據(jù)采用值與載波信號比較來確定 PWM 脈沖的前后沿，有多種形式實現(xiàn)該方法，包括：對稱采樣、非對稱采樣、平均規(guī)則采樣。該方法不論在采樣時刻正弦與三角載波是不是相交，這雖會帶來一點誤差，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間間隔內(nèi)的 PWM 波形的面積，使之與調(diào)制波面積相等，當調(diào)制波為正弦時的調(diào)制原理圖如圖 所示。圖中 Tpi 和 Tgi分別為開關管的關斷與導通時間。假設單個周期內(nèi)的 PWM 波的脈沖個數(shù)為 2N，即將參考正弦波 的整個周期 T 分成 2N 等分，每份時間 T 為 T／2N，在第 i 段區(qū)間sinmwtU內(nèi)的正弦波面積為：………………………（??1 1sintcossSiTmrimUiidwN?? ??????????）本設計運用單片機的定時器采用軟件計算的方法產(chǎn)生 PWM 波形，可以方便地對PWM 波占空比進行控制，從而實現(xiàn)輸出電壓可調(diào)，具體程序源代碼見附錄 A。 PID 算法的實現(xiàn)（1）控制技術概述PID 算法具有結構較為簡單、穩(wěn)定性與可靠性較高、調(diào)試方便等優(yōu)點，因此在各圖 面積等效原理種應用領域內(nèi)得到廣泛應用，特別是結合微處理器，PID 控制算法能夠得到很好的實現(xiàn)。除了 PID 控制外用于電源變壓控制技術還包括：無差拍控制、重復控制、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。湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 25 （2）PID 控制算法的實現(xiàn)本設計是基于單片機的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)是通過采樣的方式進行反饋的，具有離散性，離散的 PID 控制可以近似為：……………………………（??10tDipijioITUKeeu???????????）其中 為第 i 采樣時刻的輸入值， 為第 i 個采樣時刻的偏差值， 為第 i1 采樣i i 1ie?時刻的偏差值，當采樣周期 T 足夠短時，控制過程可近似為連續(xù)控制，這種控制算法稱為全量式 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 算法相比計算量大大減小，又能達到本設計的要求，因此，本設計采用增量式 PID 算法：……………（??1112DiipiiiiiITuKeee???? ?????? ?? ?） 軟件流程圖本設計的 PWM 波脈寬調(diào)制軟件如圖 所示。湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 26 初始設置電壓檢測開始測量與設定值是否一致開采樣中斷使 PWM 輸出是否結束輸出結束是否否是（a）主程序流程圖湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 27 采樣中斷子程序計算比例環(huán)節(jié)計算偏差脈寬設為 50us更新調(diào)制度更新歷史偏差計算調(diào)制度增量計算積分環(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)的初始設置了一個 PWM 波占空比，轉換器的輸出電壓經(jīng)過采樣反饋回單片機與設定值進行比較。如果輸出值大于設定值，則通過相應的軟件算法調(diào)低占空比，使輸出電壓在一定的誤差范圍內(nèi)穩(wěn)定在設定值；如果輸出電壓值小于設定值，則調(diào)大占空比。湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 28 Pspice 仿真本節(jié)是根據(jù)文獻[9]編寫的，根據(jù)開關電源的實際電路進行建模，運用計算機對模型進行分析、研究、觀察結果，以達到研究和開發(fā)實際應用電路的目的，這個過程稱為仿真。此方法是經(jīng)濟性高并具有較高的可靠性的研發(fā)開關電源的方法。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 和專用仿真軟件 Special Purpose，本文選用 Pspice 進行系統(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，這是其他軟件沒法與之媲美的，Pspice是一個多功能的電路模擬試驗的平臺。它的收斂性好，適于做系統(tǒng)及電路級仿真，能達到快速準確的仿真要求，其主要優(yōu)點包括：（1）圖形界面友好、易學易用、操作簡單。該軟件采用原理圖輸入方式，這使得電路設計更加簡單方便，圖形輸入形象直觀。Pspice 6．0以上版本全部采用菜單式結構方式，只要是熟悉Windows操作系統(tǒng)就很容易上手學，通過鼠標和熱鍵一起操作，能提高設計效率，縮短設計的周期。一般具有一定的英語基礎，即使在沒有專業(yè)指導書或?qū)I(yè)知道人的條件下也能快速入門、學會。（2）具有較高的實用性，對元件參數(shù)的修改操作方便，它只需存一次盤、創(chuàng)建一次連接表，就可以實現(xiàn)一個較為復雜電路的仿真。用Protel等軟件進行參數(shù)修改仿真時此過程則顯得比較繁瑣。在改變一個參數(shù)時，哪怕是一個電容容值的大小都需要重新建立起網(wǎng)絡表的連接，如果要設置其他器件的相關參數(shù)就更為復雜了。（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)學公式和數(shù)學函數(shù)。另外，用戶還可以對仿真窗口按自己的需求進行適當?shù)木庉?，還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LL感， 為變壓器的互感，此時方程為：12L………………………………………（）1212LVIdt???????????????????:其電流方程為：= ………………………………（）12Idt??????12L???????1V???????:湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 29 圖 變壓器模型及符號式中， 。定義 ，理想耦合情況下 =1，此時的211L???:122LK?:12K變壓器之比等于匝數(shù)之比n，上述公式又可以寫：…………………………………（??????????????????）考慮實際情況下線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，其中線性變壓器XFRM_Linear，由耦合電感和耦合器件K Linear 構成的線性變壓器在一定的情況下也可當作理想變壓器使用。由非線性磁芯構成的非線性變壓器由于存在磁滯現(xiàn)象和飽和的特性，應用時能較好地反映實際況。另外，在進行穩(wěn)態(tài)分析和小信號分析時常直接使用變壓器模型，而實際電路中卻不存在，也可以使用電壓控制電壓源和電流控制電流源構成理想變壓器模型。非線性變壓器的特性主要因素是非線性磁心。在Pspice仿真軟件中有四種非線性變壓器模型，如圖。這些模型存放在BREAKOUT．olb庫中的，用戶通過雙擊元器件可以修各個元器件的參數(shù)。本設計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。湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 30 圖 非線性邊變壓器模型 R2120L140uHK K5COUPLING = 1K_Linear L210uHR3100MEGV1FREQ = 10kHZVAMPL = 220VOFF = 0R1120圖 本設計中采用互感器進行變壓器仿真，即ANALOG庫中的K_LINEAR的耦合器件，其中K設定為1（理想變壓器）。圖中電感值LL2 是根據(jù)變壓器的變比進行取值的，即L1/L2 = (N1/N2) 2，在耦合器件K_LINEAR中設置好感值L1 、L2即可。原理圖中各參數(shù)的設置如下網(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 湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（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 湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（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