本科畢業(yè)設(shè)計(jì)題目三相正弦變頻電源的軟件設(shè)計(jì)院（系）電子信息工程學(xué)院專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)學(xué)生學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師2009年06月三相正弦變頻電源的軟件設(shè)計(jì)摘要本文設(shè)計(jì)了一個(gè)AD/DC/AC變頻電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用XC164單片機(jī),采用SPWM變頻控制技術(shù)，將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出，電源輸出波形近似于正弦波，實(shí)現(xiàn)了三相正弦波變頻輸出。并采用雙閉環(huán)PID控制，使其輸出線電壓有效值為36V，最大輸出電流有效值達(dá)3A。此外系統(tǒng)還具有良好的穩(wěn)壓性能和很小的波形失真,并且能夠進(jìn)行自檢測(cè)、過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱和短路保護(hù)等功能。關(guān)鍵字正弦波脈寬調(diào)制；PID；A/D轉(zhuǎn)換；變頻電源SINUSOIDALTHREEPHASEINVERTERPOWERSOFTWAREDESIGNABSTRACTINTHISPAPER,WEDESIGNEDAAD/DC/ACINVERTERPOWERSYSTEMTHESYSTEMUSESXC164MICROCONTROLLER,USINGSPWMINVERTERCONTROLTECHNOLOGY,REVERSEDCVOLTAGEINTOAVOLTAGE,VARIABLEFREQUENCYACOUTPUTWAVEFORMSIMILARTOSINEWAVEPOWEROUTPUTTOACHIEVETHETHREEPHASESINEWAVEOUTPUTINVERTERANDTHEUSEOFDOUBLELOOPPIDCONTROL,SOTHATTHEOUTPUTLINEVOLTAGERMSTO36V,THEMAXIMUMEFFECTIVEVALUEOFOUTPUTCURRENT3ASYSTEM,THEREGULATORALSOHASAGOODPERFORMANCEANDVERYSMALLWAVEFORMDISTORTION,ANDTOCARRYOUTSELFINSPECTION,OVERCURRENT,OVERVOLTAGE,OVERHEATINGANDSHORTCIRCUITPROTECTIONKEYWORDSSINUSOIDALPULSEWIDTHMODULATIONPIDCONTROLA/DTRANSFORMATIONFREQUENCYVARIABLEPOWERSUPPLIER目錄摘要IABSTRACTII1緒論211前言212課題研究背景及意義213國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況214本文主要研究工作22三相正弦變頻技術(shù)相關(guān)理論研究421正弦波生成方案的研究4211PWM控制的基本原理4212SPWM的產(chǎn)生過(guò)程722PID控制技術(shù)研究83系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)述1231系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1232XC164單片機(jī)簡(jiǎn)介12321簡(jiǎn)介12322常用單元介紹12323A/D轉(zhuǎn)換器134系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)1241軟件開發(fā)環(huán)境12411單片機(jī)編程開發(fā)語(yǔ)言12412KEILC編輯器1242系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)15421主程序設(shè)計(jì)15422中斷程序17423SPWM的編程實(shí)現(xiàn)18424輸出電壓和電流有效值的計(jì)算20425PID控制225結(jié)論28參考文獻(xiàn)29致謝30畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明31畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明32附錄331緒論11前言近來(lái),變頻電源在各行各業(yè)的應(yīng)用日益廣泛。變頻器電源主要用于交流電機(jī)的變頻調(diào)速，其在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要，已獲得巨大的節(jié)能效果。由于世界各國(guó)電網(wǎng)指標(biāo)不統(tǒng)一，生產(chǎn)出口產(chǎn)品都需要電網(wǎng)模擬不同國(guó)家的電網(wǎng)狀況，并保證穩(wěn)定性。過(guò)去采用調(diào)壓器調(diào)壓，穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，發(fā)電機(jī)進(jìn)行二次變頻，耗電量大，躁聲大，穩(wěn)定性差逐漸被變頻電源所代替，所以市場(chǎng)上需求輸出電壓，頻率無(wú)級(jí)數(shù)字可調(diào)，波形穩(wěn)定純凈的電源。本文是設(shè)計(jì)一個(gè)新型工業(yè)用縫紉機(jī)三相正弦波變頻電源，用以實(shí)現(xiàn)縫紉機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速。該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是根據(jù)市場(chǎng)的需求而確定的，可填補(bǔ)該產(chǎn)品市場(chǎng)的空白，滿足國(guó)內(nèi)制衣業(yè)的急需。12課題研究背景及意義該題目是設(shè)計(jì)一個(gè)新型工業(yè)用縫紉機(jī)三相正弦波變頻電源，用以實(shí)現(xiàn)縫紉機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速。該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是根據(jù)市場(chǎng)的需求而確定的，可填補(bǔ)該產(chǎn)品市場(chǎng)的空白，滿足國(guó)內(nèi)制衣業(yè)的急需?，F(xiàn)代電源技術(shù)是應(yīng)用電力電子半導(dǎo)體器件,綜合自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)微處理器技術(shù)和電磁技術(shù)的多學(xué)科邊緣交叉技術(shù)。在各種高質(zhì)量、高效、高可靠性的電源中起關(guān)鍵作用,是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的具體應(yīng)用。當(dāng)前,電力電子作為節(jié)能、節(jié)材、自動(dòng)化、智能化、機(jī)電一體化的基礎(chǔ),正朝著應(yīng)用技術(shù)高頻化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。在不遠(yuǎn)的將來(lái),電力電子技術(shù)將使電源技術(shù)更加成熟、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用,實(shí)現(xiàn)高效率和高品質(zhì)用電相結(jié)合。技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向,是從以低頻技術(shù)處理問(wèn)題為主的傳統(tǒng)電力電子學(xué),向以高頻技術(shù)處理問(wèn)題為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)方向轉(zhuǎn)變。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來(lái)的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電力電子時(shí)代。（1）整流器時(shí)代大功率的工業(yè)用電由工頻50HZ交流發(fā)電機(jī)提供,但是大約20的電能是以直流形式消費(fèi)的,其中最典型的是電解、牽引和直流傳動(dòng)三大領(lǐng)域。因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應(yīng)用得以很大發(fā)展。當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)曾經(jīng)掀起了股各地大辦硅整流器廠的熱潮。（2）逆變器時(shí)代七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機(jī),交流電機(jī)變頻調(diào)速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調(diào)速的關(guān)鍵技術(shù)是將直流電逆變?yōu)?100HZ的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調(diào)速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管GTR和門極可關(guān)斷晶閘管GT0成為當(dāng)時(shí)電力電子器件的主角。這時(shí)的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內(nèi)。（3）變頻器時(shí)代八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展將集成電路技術(shù)的精細(xì)加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機(jī)結(jié)合,出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問(wèn)世,導(dǎo)致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門極雙極晶體管IGBT的出現(xiàn),又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來(lái)機(jī)遇。MOSFET和IGBT的相繼問(wèn)世,是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)化的標(biāo)志。13國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況20世紀(jì)70年代后,大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用,推動(dòng)了變頻電源技術(shù)的發(fā)展,使得交流電力拖動(dòng)系統(tǒng)逐步具備了寬的調(diào)速范圍、高的穩(wěn)速范圍、高的穩(wěn)速精度、快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及在四象限作可逆運(yùn)行等良好的技術(shù)性能,在調(diào)速性能方面可以與直流電力拖動(dòng)媲美。在交流調(diào)速技術(shù)中,變頻調(diào)速具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì),并且它的調(diào)速性能與可靠性不斷完善,價(jià)格不斷降低,特別是變頻調(diào)速節(jié)電效果明顯,而且易于實(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)化,深受工業(yè)行業(yè)的青睞。變頻電源是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的功率變換器。當(dāng)今的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是包含多種學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域，總的發(fā)展趨勢(shì)是驅(qū)動(dòng)的交流化，功率變換器的高頻化，控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。因此，變頻電源作為系統(tǒng)的重要功率變換部件，提供可控的高性能變壓變頻的交流電源而得到迅猛發(fā)展。經(jīng)歷大約30年的研發(fā)與應(yīng)用實(shí)踐，隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應(yīng)用以及控制技術(shù)的發(fā)展，變頻電源的性能價(jià)格比越來(lái)越高，體積越來(lái)越小，而廠家仍然在不斷地提高可靠性實(shí)現(xiàn)變頻電源的進(jìn)一步小型輕量化、高性能化和多功能化以及無(wú)公害化而做著新的努力。14本文主要研究工作本文采用交流直流交流，即先整流后逆變的方法,制作一個(gè)頻率可調(diào)的三相正弦波變頻電源。先通過(guò)自耦變壓器和隔離變壓器將220V的市電轉(zhuǎn)化為所需要的電壓，再通過(guò)電容濾波的不可控整流電路，將交流整為直流，然后通過(guò)軟件產(chǎn)生的SPWM控制。本電路有電流電壓的檢測(cè)和緩沖電路,具有過(guò)流保護(hù),負(fù)載缺相保護(hù)及負(fù)載不對(duì)稱保護(hù)功能,使電路安全穩(wěn)定工作。用單片機(jī)的編程，以生成SPWM脈沖；對(duì)輸出電壓和電流進(jìn)行采樣、A/D轉(zhuǎn)換，并計(jì)算出輸出線電壓和相電流；實(shí)現(xiàn)電壓、電流、頻率和功率的LCD顯示；對(duì)輸出電壓進(jìn)行PID控制；以及根據(jù)輸出電流實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)、負(fù)載缺相保護(hù)及負(fù)載不對(duì)稱保護(hù)。根據(jù)課題要求，通過(guò)比較，采用德國(guó)INFINEON公司生產(chǎn)的XC164單片機(jī)作為核心控制模塊，利用單片機(jī)生成的SPWM脈沖經(jīng)過(guò)逆變電路的驅(qū)動(dòng)電路（核心器件為IR2136），加在由MOS管構(gòu)成的逆變驅(qū)動(dòng)電路上，再對(duì)逆變電路的輸出信號(hào)進(jìn)行LC低通濾波，從而產(chǎn)生合乎要求的正弦波，是一種基于SPWM控制的變頻電源的設(shè)計(jì)方法。該變頻電源的輸出頻率范圍為20HZ100HZ的三相對(duì)稱交流電，各相電壓有效值之差小于05V；輸出電壓波形接近正弦波，用示波器觀察無(wú)明顯失真；在輸入電壓為198V242V，負(fù)載電流有效值為05A3A時(shí)，輸出線電壓有效值應(yīng)保持在36V，誤差的絕對(duì)值小于5；當(dāng)輸出電流有效值達(dá)36A時(shí)過(guò)流保護(hù)動(dòng)作、當(dāng)三相電流中任意兩相電流之差大于05A時(shí)，自動(dòng)實(shí)施負(fù)載缺相保護(hù)及負(fù)載不對(duì)稱保護(hù)功能，保護(hù)時(shí)自動(dòng)切斷輸入交流電源。本人在該課題中所承擔(dān)的任務(wù)主要是單片機(jī)的編程，以生成SPWM脈沖；對(duì)輸出電壓和電流進(jìn)行采樣、A/D轉(zhuǎn)換，并計(jì)算出輸出線電壓和相電流；實(shí)現(xiàn)電壓、電流、頻率和功率的LCD顯示；對(duì)輸出電壓進(jìn)行PID控制；以及根據(jù)輸出電流實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)、負(fù)載缺相保護(hù)及負(fù)載不對(duì)稱保護(hù)。另外，我還參與系統(tǒng)方案的選取與部分電路的設(shè)計(jì)。根據(jù)課題要求，通過(guò)比較，我們決定采用SPWM技術(shù)，并且將XC164單片機(jī)作為該變頻電源系統(tǒng)的核心控制器。2三相正弦變頻技術(shù)相關(guān)理論研究21正弦波生成方案的研究211PWM控制的基本原理在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同，沖量即指窄脈沖的面積。這里所說(shuō)的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如果把各輸出波形用傅立葉變換進(jìn)行頻譜分析，可發(fā)現(xiàn)它們的低頻段特性非常接近，僅在高頻段略有差異。例如圖21中A、B、C所示的三個(gè)窄脈沖形狀不同，圖21A為矩形脈沖，圖21B為三角形脈沖，圖21C為正弦半波脈沖，但它們的面積（即沖量）都等于1，那么，當(dāng)它們分別加在具有慣性的同一個(gè)環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同。脈沖越窄，其輸出的差異越小，當(dāng)窄脈沖變?yōu)閳D21D的單脈沖函數(shù)T時(shí)，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過(guò)渡函數(shù)。ABCD圖21形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖上述結(jié)論是PWM控制的重要理論基礎(chǔ)。下面分析一下如何用一系列等幅而不等寬的脈沖代替一個(gè)正弦半波。把圖22A所示的正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N個(gè)彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于/N，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積（沖量）相等，就得到圖22B所示的脈沖序列。這就是PWM波形。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦波是等效的。對(duì)于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱為SPWM（SINUSOIDALPWM）波形。圖22PWM控制的基本原理示意圖以上介紹的是PWM控制的基本原理，按照上述原理，在給出了正弦波頻率、幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，PWM波形各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確計(jì)算出來(lái)。按照計(jì)算結(jié)果控制電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形。圖23單極性SPWM控制原理圖圖24雙極性SPWM控制原理但是，這種計(jì)算是很煩瑣的，正弦波的頻率、幅值變化時(shí)，結(jié)果都要變化。較為實(shí)用的方法是采用調(diào)制的方法，即把所希望的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過(guò)對(duì)載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角形作為載波，因?yàn)榈妊切紊舷聦挾扰c高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱，當(dāng)它與任何一個(gè)平緩變化的調(diào)制信號(hào)波形相交時(shí)，如在交點(diǎn)時(shí)刻控制電路中開關(guān)器件的通斷，就可以得到寬度正比于信號(hào)波幅值的脈沖，這正好符合PWM控制的要求。當(dāng)調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，所得到的就是SPWM波形。一般根據(jù)三角波載波在半個(gè)周期內(nèi)方向的變化，又可以分為兩種情況。三角波載波在半個(gè)周期內(nèi)的方向只在一個(gè)方向變化，所得到的SPWM波形也只在一個(gè)方向變化的控制方式成為單極性SPWM控制方式，如圖23所示。如果三角波載波在半個(gè)周期內(nèi)的方向是在正負(fù)兩個(gè)方向變化的，所得到的SPWM波形也是在兩個(gè)方向變化的，這時(shí)成為雙極性SPWM控制方式如圖24所示。212SPWM的產(chǎn)生過(guò)程脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)是用脈沖寬度不等的一系列矩形脈沖去逼近一個(gè)所需要的電壓或電流信號(hào)。它是利用三角波電壓與參考電壓相比較，一旦三角波電壓和參考電壓相比配，輸出電平翻轉(zhuǎn)，否則輸出電平保持不變，這樣就確定了各分段矩形脈沖的寬度。從脈寬調(diào)制的極性看，PWM波又可分為單極性和雙極性控制模式兩種。由于單極性的PWM脈沖信號(hào)還要與特定的倒相信號(hào)相乘才能得到正負(fù)半波對(duì)稱的PWM脈沖信號(hào)，與單極性模式相比，盡管雙極性PWM脈沖信號(hào)輸出電壓中高次諧波分量較多，但其電路簡(jiǎn)單且易于單片機(jī)編程，因此本文采用雙極性的PWM。采用對(duì)稱的三相正弦波電源供電，有利于減小諧波影響，因此，PWM的參考電壓一般為正弦波，參考電壓為正弦波的PWM即為SPWM。其具體方法如下正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)就是利用三角波電壓（載波）和正弦波（調(diào)制波）相比較，以確定個(gè)分段矩形脈沖的寬度，使輸出矩形脈沖逼近正弦波。為了得到三相SPWM脈沖，需要用三個(gè)相位兩兩相差120的正弦波同時(shí)調(diào)制一個(gè)三角波，如圖25所示圖25三相SPWM產(chǎn)生示意圖在該變頻電源系統(tǒng)中，SPWM脈沖是由單片機(jī)產(chǎn)生的，SPWM信號(hào)要求脈寬按正弦規(guī)律變化，因此每一個(gè)PWM周期脈寬都要改變，由單片機(jī)產(chǎn)生SPWM波就是在初始化時(shí)將PWM周期值設(shè)定，然后用定時(shí)器定時(shí)，每個(gè)周期產(chǎn)生一次中斷，來(lái)調(diào)整脈寬，從而得到脈寬不斷變化的SPWM脈沖。所謂SPWM正弦脈寬調(diào)制法是調(diào)制波為正弦波載波為三角波或鋸齒波的一種脈寬調(diào)制法它原理簡(jiǎn)單,控制和調(diào)節(jié)性能好,具有消除諧波、調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓等多種作用,是一種較好的波形改善法。電源的穩(wěn)定關(guān)鍵是SPWM波形產(chǎn)生的穩(wěn)定性?，F(xiàn)在通用的SPWM實(shí)現(xiàn)方法是，通過(guò)用單片機(jī)查正弦函數(shù)表得到SPWM波形本文把單片機(jī)的智能化和控制技術(shù)與開關(guān)電源的高效率相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一款高性能的三相正弦波變頻穩(wěn)壓電源。該變頻電源可利用反饋電壓對(duì)輸出電壓每個(gè)周期內(nèi)采樣20個(gè)點(diǎn)，據(jù)此計(jì)算出輸出線電壓有效值，對(duì)其進(jìn)行PID控制，以實(shí)現(xiàn)良好的穩(wěn)幅特性。同時(shí)通過(guò)電流傳感器對(duì)電流每個(gè)周期內(nèi)采樣20個(gè)點(diǎn)，并反饋到控制模塊，以計(jì)算出電流的有效值從而對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控，以實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)、負(fù)載缺相保護(hù)和負(fù)載不對(duì)稱保護(hù)，使該變頻電源更加安全可靠。另外，該變頻電源還具有液晶顯示功能，可以顯示輸出正弦波的頻率、電壓、電流和功率，使其操作簡(jiǎn)單方便。22PID控制技術(shù)研究PID控制就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的，在PID控制中，比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。但是，比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。比例放大系數(shù)的加大，會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分控制的作用是，只要系統(tǒng)有誤差存在，積分控制器就不斷地積累，輸出控制量，以消除誤差。因而，只要有足夠的時(shí)間，積分控制將能完全消除誤差，使系統(tǒng)誤差為零，從而消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。微分控制可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時(shí)加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。PID控制是一種比較成熟的控制理論，它通過(guò)比例、積分、微分三部分的合理組合可以用比較簡(jiǎn)單的方法獲得令人滿意的控制效果。PID的數(shù)學(xué)模型如圖26表示圖26PID數(shù)學(xué)模型給定值RT與實(shí)際值YT構(gòu)成控制誤差E（T）R（T）Y（T）（21）PID控制器根據(jù)ET將誤差的比例P、積分I、和微分D通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行控制，其控制規(guī)律如式22所示UTKPET2201TDITETETUT一控制器輸出函數(shù)ET一控制器誤差函數(shù)KP一比例系數(shù)TI一積分時(shí)間常數(shù)TD一微分時(shí)間常數(shù)PID控制算法又分為位置型和增量型兩種，分別如下面式（23）、式（24）所示U（N）KCE（N）TTRE（I）TDTE（N）E（N1）（23）U（N）U（N）U（N1）KCE（N）E（N1）TTRE（N）TDTE（N）2E（N1）E（N2）（24）式中，U（N）為第N次采樣時(shí)刻計(jì)算機(jī)的輸出；U（N）為第N次采樣時(shí)刻計(jì)算機(jī)輸出的增量；E（N）為第N次采樣時(shí)刻的偏差信號(hào)；T為采樣周期；KC為調(diào)節(jié)器的比例增益；TR為調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間；TD為調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間。由上面兩式可知，數(shù)字PID控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量。由于偏差信號(hào)E（N）是由測(cè)量環(huán)節(jié)輸出的測(cè)量信號(hào)S（T）和設(shè)定值R相比較后采樣而得到的E（N）R（N）S（N），而測(cè)量信號(hào)中總是存在一些干擾、噪聲或者畸變，這些因素都影響上述控制算法的精度，從而使整個(gè)控制系統(tǒng)的性能下降。但是，利用數(shù)字濾波和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)能夠有效地對(duì)偏差信號(hào)（測(cè)量信號(hào)）中的干擾、噪聲進(jìn)行濾波或者對(duì)其畸變進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，從而提高數(shù)字PID控制算式的精度，改進(jìn)控制系統(tǒng)的性能。本設(shè)計(jì)用的是增量式PID控制算法增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量UK。采用增量式算法時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出的控制量UK對(duì)應(yīng)的是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的增量，而不是對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，因此要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須具有對(duì)控制量增量的累積功能，才能完成對(duì)被控對(duì)象的控制操作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的累積功能可以采用硬件的方法實(shí)現(xiàn)；也可以采用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，如利用算式程序化來(lái)完成。由式26可得增量式PID控制算式25式中進(jìn)一步可以改寫成26式中、一般計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的采樣周期T在選定后就不再改變，所以，一旦確定了KP、TI、TD，只要使用前后3次測(cè)量的偏差值即可由式25或式26求出控制增量。增量式算法優(yōu)點(diǎn)算式中不需要累加?？刂圃隽縐K的確定僅與最近3次的采樣值有關(guān)，容易通過(guò)加權(quán)處理獲得比較好的控制效果；計(jì)算機(jī)每次只輸出控制增量，即對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的變化量，故機(jī)器發(fā)生故障時(shí)影響范圍小、不會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)過(guò)程；手動(dòng)自動(dòng)切換時(shí)沖擊小。當(dāng)控制從手動(dòng)向自動(dòng)切換時(shí)，可以作到無(wú)擾動(dòng)切換。3系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)述31系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖本論文采用交直交變頻技術(shù)，首先將220V，50HZ交流電通過(guò)隔離變壓器變壓后再整流濾波，形成90V左右的直流電壓，然后再由單片機(jī)產(chǎn)生三相SPWM波，經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大后加到逆變電路上，將直流電轉(zhuǎn)化為36V的正弦波交流電。該變頻電源系統(tǒng)的開關(guān)，輸出頻率的增減可通過(guò)與單片機(jī)相連的鍵盤控制。同時(shí)，為了輸出波形的穩(wěn)定、安全，并且顯示輸出頻率、電壓、電流和功率，本系統(tǒng)同時(shí)采用電壓反饋電路和電流反饋電路，分別將輸出電壓和電流反饋至XC164單片機(jī)，然后該單片機(jī)利用其內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)反饋電壓和電流進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再根據(jù)轉(zhuǎn)換的數(shù)字量結(jié)果計(jì)算出電壓、電流的有效值以及功率，連同輸出頻率一并顯示；同時(shí)單片機(jī)根據(jù)計(jì)算出的電壓有效值對(duì)輸出電壓進(jìn)行宏觀PID控制，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅。三相正弦變頻電源的系統(tǒng)原理框圖如圖31所示圖31系統(tǒng)原理框圖隔離變壓器整流濾波電路逆變電路濾波電路三相負(fù)載逆變驅(qū)動(dòng)電路電壓反饋電路電流反饋電路單片機(jī)液晶顯示鍵盤32XC164單片機(jī)簡(jiǎn)介321簡(jiǎn)介本論文中的單片機(jī)選用了德國(guó)INFINEON公司生產(chǎn)的XC164單片機(jī)。它屬于INFINEONXC166系列的單片機(jī)，是INFINEON16位單片機(jī)的第四代產(chǎn)品。該系列的單片機(jī)是為了適應(yīng)實(shí)時(shí)嵌入式應(yīng)用的高性能要求所設(shè)計(jì)的。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)根據(jù)高速指令輸出與對(duì)外部激勵(lì)的快速響應(yīng)進(jìn)行了最優(yōu)化的設(shè)計(jì)。為了最大程度的減小CPU中斷的需要，它把外圍智能子系統(tǒng)結(jié)合成一個(gè)整體，這樣同時(shí)也使外部總線接口的通信需求減到最小。XC164型單片機(jī)的功率管理機(jī)理有效地控制了單片機(jī)在特定狀態(tài)下的能耗，使單片機(jī)工作時(shí)的能耗達(dá)到最小。它的MAC單元具有數(shù)字信號(hào)處理功能，使其具有處理數(shù)字濾波算法的能力，并且極大地減小了乘法和除法運(yùn)算的執(zhí)行時(shí)間。作為該變頻電源系統(tǒng)核心控制模塊的XC164單片機(jī)控制著SPWM脈沖的生成，LCD的顯示，變頻電源的輸出頻率，輸出電壓的穩(wěn)幅以及電路的保護(hù)，可以說(shuō)是整個(gè)變頻電源系統(tǒng)的心臟。該變頻電源系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)單片機(jī)編程的任務(wù)是在實(shí)現(xiàn)硬件平臺(tái)正常工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制軟件，完成SPWM脈沖的生成、對(duì)輸出電壓的PID控制、輸出電壓和電流檢測(cè)、液晶顯示、按鍵控制，過(guò)流保護(hù)負(fù)載不對(duì)稱或缺相保護(hù)等功能。322常用單元介紹下面本文將對(duì)單片機(jī)編程中最常用的單元進(jìn)行介紹。XC164單片機(jī)具有128KB的閃存，6KB的內(nèi)存，14個(gè)模擬輸入通道，6個(gè)串行接口，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、處理、控制和顯示功能，并且內(nèi)部含有AD轉(zhuǎn)換器，靈活性好，外圍設(shè)備簡(jiǎn)單，可以在線編程，易于調(diào)試，執(zhí)行速度快、存儲(chǔ)容量大。在該變頻電源系統(tǒng)的單片機(jī)編程中，用到最多的是XC164中CAPCOM6（CAPTURE/COMPAREUNIT6）單元。CAPCOM6由T12計(jì)時(shí)器模塊和T13計(jì)時(shí)器模塊組成，由于本文只用到T12計(jì)數(shù)器，因此這里只對(duì)T12進(jìn)行介紹。T12計(jì)時(shí)器有三個(gè)捕獲/比較通道，它們可以獨(dú)立的產(chǎn)生PWM信號(hào)或者接受捕獲觸發(fā)，也可以共同產(chǎn)生控制信號(hào)模式，以驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)或逆變器。當(dāng)CAPCOM6處于比較模式時(shí)，T12計(jì)時(shí)器模塊主要是用來(lái)產(chǎn)生三相PWM脈沖的。一個(gè)16位的計(jì)數(shù)器通過(guò)比較器與三個(gè)通道寄存器相連，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值與通道寄存器的值相匹配時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)。T12計(jì)時(shí)器通過(guò)可編程比例因子從模塊時(shí)鐘獲得其輸入時(shí)鐘。它可以向上或向下計(jì)數(shù)，其計(jì)數(shù)方向用一個(gè)方向標(biāo)6CF12TF志CDIR來(lái)表示。通過(guò)比較器還和周期寄存器T12PR相連，T12PR決定了T12的最大計(jì)數(shù)值。當(dāng)選擇邊緣對(duì)齊模式時(shí)，T12計(jì)數(shù)到最大值后被重新賦0；當(dāng)選擇中心對(duì)齊模式時(shí)，T12計(jì)數(shù)到最大值后計(jì)數(shù)方向變?yōu)橄蛳掠?jì)數(shù)?？梢酝ㄟ^(guò)軟件控制T12的工作狀態(tài)對(duì)T12RS賦1，T12R置一，T12開始計(jì)數(shù)；對(duì)T12RR賦1，T12R清零，T12停止計(jì)數(shù)。對(duì)單相信號(hào)來(lái)說(shuō)，一個(gè)通道會(huì)產(chǎn)生高電平（當(dāng)T12計(jì)數(shù)值大于比較值時(shí)）和低電平（當(dāng)T12計(jì)數(shù)值小于比較值時(shí)）。然而在實(shí)際操作中，開關(guān)電源的開關(guān)特性關(guān)于開關(guān)時(shí)間往往是不對(duì)稱的。當(dāng)電源的開啟時(shí)間小于關(guān)閉時(shí)間時(shí)，逆變器的上下橋臂將短路，產(chǎn)生的巨大電流可能損壞整個(gè)系統(tǒng)。為避免這種情況的發(fā)生，必須建立死區(qū)時(shí)間。CAPCOM6內(nèi)包含一個(gè)可編程的死區(qū)控制模塊，可以通過(guò)對(duì)其控制以延遲開關(guān)信號(hào)由低電平向高電平轉(zhuǎn)變的時(shí)間，從而避免逆變器上下橋臂“直通”。運(yùn)用軟件對(duì)單片機(jī)內(nèi)部寄存器進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置可以得到三相SPWM脈沖。在單片機(jī)內(nèi)部，通過(guò)查表的方式來(lái)得到正弦信號(hào)的幅值，該幅值乘以調(diào)制度后與CAPCOM6T12的計(jì)數(shù)值相比較，若匹配則輸出端產(chǎn)生跳變，否則輸出端保持原電平，這樣在輸出端便產(chǎn)生SPWM脈沖。為得到三相SPWM脈沖，可設(shè)置三個(gè)不同的指針，每相鄰的兩個(gè)指針間距為正弦表長(zhǎng)度的1/3（即相差120），并且三個(gè)指針同步變化，這樣，每一個(gè)指針對(duì)應(yīng)一路SPWM脈沖。當(dāng)三個(gè)指針同時(shí)采樣時(shí)，便產(chǎn)生了相位相差120三相SPWM脈沖。323A/D轉(zhuǎn)換器XC164單片機(jī)內(nèi)部還包含一個(gè)具有10位或8位精度的A/D轉(zhuǎn)換器以及一個(gè)采樣/保持電路。（本文的A/D轉(zhuǎn)換模式選為增強(qiáng)模式，對(duì)應(yīng)10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換精度。）A/D轉(zhuǎn)換器相當(dāng)于一個(gè)容性網(wǎng)絡(luò)，采用逐次逼近的方式進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，其工作過(guò)程分為三個(gè)階段（1）在采樣階段，該容性網(wǎng)絡(luò)與選定的輸入通道相連，通過(guò)電容的充放電來(lái)逼近輸入信號(hào)的電壓。（2）在轉(zhuǎn)換階段，該容性網(wǎng)絡(luò)與選定的輸入通道斷開，在逐次逼近過(guò)程中，通過(guò)參考電壓進(jìn)行充放電。（3）轉(zhuǎn)換器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)外部環(huán)境（如溫度）的變化進(jìn)行校準(zhǔn)，并將結(jié)果送入結(jié)果寄存器，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)中斷。4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)41軟件開發(fā)環(huán)境411單片機(jī)編程開發(fā)語(yǔ)言匯編語(yǔ)言作為一個(gè)符號(hào)化的機(jī)器語(yǔ)言，其代碼執(zhí)行效率高，運(yùn)行速度快，非常適合于編寫實(shí)時(shí)性要求較高的控制程序。但其開發(fā)的工作量大，程序的可讀性差。匯編語(yǔ)言比機(jī)器語(yǔ)言易于讀寫、易于調(diào)試和修改，同時(shí)也具有機(jī)器語(yǔ)言執(zhí)行速度快，占內(nèi)存空間少等優(yōu)點(diǎn)，但在編寫復(fù)雜程序時(shí)具有明顯的局限性，匯編語(yǔ)言依賴于具體的機(jī)型，不能通用，也不能在不同機(jī)型之間移植。對(duì)于不同型號(hào)的計(jì)算機(jī)，有著不同的結(jié)構(gòu)的匯編語(yǔ)言。相比之下，作為高級(jí)語(yǔ)言的C具有可讀性強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單和調(diào)試方便的特點(diǎn)。C語(yǔ)言是目前非常流行的一種編程語(yǔ)言，除具有高級(jí)語(yǔ)言使用方便靈活、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)外，還可實(shí)現(xiàn)匯編語(yǔ)言的大部分功能，如可直接對(duì)硬件進(jìn)行操作、生成的目標(biāo)代碼質(zhì)量較高且執(zhí)行的速度較快等。所以在工程上對(duì)硬件處理速度要求不很高的情況下，基本可以用C代替匯編語(yǔ)言，編寫接口電路的控制軟件。與匯編相比，C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，易學(xué)易用，所以本設(shè)計(jì)選用C語(yǔ)言作為單片機(jī)的開發(fā)語(yǔ)言。412KEILC編輯器本文的XC164單片機(jī)的編程是在KEILUVISION3開發(fā)軟件環(huán)境下進(jìn)行的。KEILUVISION3是美國(guó)SOFTWARE公司推出的單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開發(fā)系統(tǒng)。用它生成的目標(biāo)代碼效率非常高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。單片機(jī)程序是在KEILUVISION3軟件下調(diào)試、編譯通過(guò)后，通過(guò)偉福仿真機(jī)燒到XC164單片機(jī)里的。標(biāo)準(zhǔn)編譯器為單片機(jī)微控制器的軟件開發(fā)提供了語(yǔ)言環(huán)境，它可以支持所有的衍生產(chǎn)品，也支持所有兼容的仿真器，同時(shí)支持其它第三方開發(fā)工具。它的基本特點(diǎn)有KEIL強(qiáng)大的編輯功能。允許在編輯器內(nèi)調(diào)試程序，可以更快速的檢查和修改程序允許在編輯時(shí)設(shè)置程序斷點(diǎn)，當(dāng)啟動(dòng)調(diào)試器后，斷點(diǎn)被激活可以在編輯器中觀察其取值。靈活的工程管理功能。在一個(gè)工程中建立多個(gè)源文件包括匯編、C以及其它文件，并可以隨時(shí)添加、修改和刪除文件，通過(guò)對(duì)工程的操作完成編譯和鏈接。高效的代碼優(yōu)化功能。具有通用代碼優(yōu)化、特殊優(yōu)化、寄存器優(yōu)化等。利用KEIL軟件開發(fā)的一般步驟A根據(jù)所選擇的器件以及調(diào)試方式創(chuàng)建新的任務(wù)。B創(chuàng)建新的工程，把已編好的源程序、頭文件等加入工程中。C編譯連接工程，進(jìn)行在線調(diào)試。D調(diào)試完成后，在工程中選擇加載類型，重新編譯連接，生成可以用于加載的文件。圖41KEIL主界面介紹42系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)421主程序設(shè)計(jì)在程序設(shè)計(jì)時(shí)，為簡(jiǎn)化程序流程，本文采用了T12中斷（控制生成SPWM脈沖）和T3中斷（控制反饋電壓和電流的A/D轉(zhuǎn)換），將按鍵狀態(tài)的判斷，輸出電壓的PI控制，電壓、電流有效值的計(jì)算，以及過(guò)流保護(hù)、負(fù)載不對(duì)稱和缺相保護(hù)等放在主程序循環(huán)中。主程序下分顯示子程序，采樣子程序和SPWM子程序，主程序運(yùn)行時(shí)，不斷調(diào)用這三個(gè)子程序。主程序流程圖如圖42所示否是按鍵選擇輸出頻率減1設(shè)置相關(guān)寄存器顯示結(jié)果開T12中斷開T3中斷ZH關(guān)T12中斷關(guān)T3中斷ZH設(shè)置相關(guān)寄存器運(yùn)行狀態(tài)輸出頻率加1UP鍵RUN/STOP鍵DOWN鍵開始系統(tǒng)初始化圖42程序流程圖主程序除了一些初始化設(shè)置外，整個(gè)處在一個(gè)大循環(huán)中，判斷按鍵狀態(tài)從而做出相應(yīng)的響應(yīng)。當(dāng)變頻電源處于工作狀態(tài)時(shí)，按下開關(guān)鍵，電源停止工作；按頻率增加鍵，輸出頻率以1為步長(zhǎng)增加；按頻率減小鍵，輸出頻率以1為步長(zhǎng)減小。當(dāng)電源處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，按下開關(guān)鍵，電源開始工作；按頻率增加鍵或頻率減小鍵，系統(tǒng)都不會(huì)響應(yīng)。當(dāng)電源工作并且A/D轉(zhuǎn)換不工作時(shí)，系統(tǒng)不停地計(jì)算輸出線電壓有效值，并對(duì)輸出電壓進(jìn)行PI控制，以使輸出線電壓穩(wěn)定在36V。電源工作時(shí)，每隔一段時(shí)間計(jì)算各相電流的有效值，單片機(jī)據(jù)此對(duì)電路進(jìn)行過(guò)流保護(hù)、負(fù)載不對(duì)稱和缺相保護(hù)。LCD則根據(jù)計(jì)算的電壓、電流值自動(dòng)更新顯示。422中斷程序其中，T12、T3中斷服務(wù)程序流程圖分別如圖43、44所示進(jìn)入T12中斷計(jì)算A/D轉(zhuǎn)換后的有效值計(jì)算電壓偏差E（K）E（K）GU中斷返回輸出SPWM信號(hào)將修正結(jié)果送入T12寄存器查正弦表，并利用計(jì)算結(jié)果修正調(diào)制度對(duì)E（K）的增量進(jìn)行PID運(yùn)算圖43T12中斷服務(wù)程序流程圖中斷返回對(duì)六路反饋信號(hào)進(jìn)行采集存儲(chǔ)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入中斷圖44T3中斷程序流程圖XC164中的T12計(jì)時(shí)器按中心對(duì)齊方式進(jìn)行計(jì)數(shù)，其效果相當(dāng)于在單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生了一個(gè)三角波，同時(shí)，三個(gè)正弦指針?lè)謩e以輸出頻率從正弦表中讀取正弦值，得到的正弦值乘以調(diào)制度后賦給寄存器CC60SR，該寄存器與T12計(jì)時(shí)器相比較，一旦匹配，單片機(jī)輸出電平翻轉(zhuǎn)，否則保持不變，這樣SPWM脈沖就產(chǎn)生了。當(dāng)程序進(jìn)入T12中斷時(shí)，轉(zhuǎn)到T3中斷程序，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器，對(duì)六路反饋信號(hào)進(jìn)行采集存儲(chǔ)，程序由T3返回到T12，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換后的有效值進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算電壓偏差E（K）E（K），對(duì)E（K）的增量進(jìn)行PID運(yùn)算，查正弦表，并利用GU計(jì)算結(jié)果修正調(diào)制度，將修正結(jié)果送入T12寄存器存儲(chǔ)，輸出SPWM信號(hào)，中斷返回。423SPWM的編程實(shí)現(xiàn)SPWM脈沖是由XC164單片機(jī)內(nèi)部的CAPCOM6實(shí)現(xiàn)的。T12中斷程序用三相正弦波共同調(diào)制一個(gè)三角波，三相SPWM脈沖產(chǎn)生的軟件實(shí)現(xiàn)基本一致，因此，下面以任意一相SPWM脈沖產(chǎn)生的流程圖（如圖45所示）為例進(jìn)行說(shuō)明，其流程圖如下否是是否360比較寄存器1000MSIN1802/將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果放入數(shù)組其中，VUCH是U相電壓通道地址的宏定義。在增強(qiáng)型模式下，A/D轉(zhuǎn)換的精度為10位，模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在寄存器ADRES的第2至第11位（ADCDAT），因此A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果在存入相應(yīng)的數(shù)組前必須先右移兩位；另外，增強(qiáng)模式下A/D轉(zhuǎn)換的最大時(shí)間為255US，為保證A/D轉(zhuǎn)換的正確性，在從ADCDAT取值前必須有大于255US的延遲時(shí)間，因此我們調(diào)用了一個(gè)大約4US的延遲子程序。A/D轉(zhuǎn)換后的三相電壓和電流分別存放在數(shù)組VUS20、VVS20、VWS20、IUS20、IVS20和IWS20中。三相純阻性負(fù)載星型連接，所以線電流即等于相電流，而線電壓和相電壓并不相等。由于電壓反饋電路反饋回的電壓為相電壓，所以在進(jìn)行有效值計(jì)算前，根據(jù)線電壓的含義，我們對(duì)任意兩個(gè)相電壓數(shù)組求差，將差值存入另一個(gè)數(shù)組，則該數(shù)組中的值即為線電壓。線電壓和電流有效值的計(jì)算可以由其均方根近似，具體公式如下20IIU1有效（41）20III1有效I（42）當(dāng)然采樣的點(diǎn)數(shù)越多，計(jì)算的電壓和電流的均方根值越接近其有效值，但是，相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換總次數(shù)也增加，會(huì)占用相當(dāng)可觀的執(zhí)行時(shí)間；采用點(diǎn)數(shù)減小，雖然A/D轉(zhuǎn)換的總時(shí)間減少，但由此計(jì)算的均方根值與有效值之間的偏差勢(shì)必增大，因此，采用點(diǎn)數(shù)必須折中選取。該變頻電源系統(tǒng)的采用點(diǎn)數(shù)定為20，根據(jù)實(shí)驗(yàn)，這樣選取完全滿足課題要求。425PID控制PID控制屬于閉環(huán)控制，是指將被控量的檢測(cè)信號(hào)反饋，并與被控量的目標(biāo)信號(hào)相比較，以判斷是否已經(jīng)達(dá)到預(yù)定的控制目標(biāo)。如果尚未達(dá)到，則根據(jù)兩者的差值進(jìn)行調(diào)整，直到達(dá)到預(yù)定的控制目標(biāo)為止。PID控制分為比例控制（PROPORTIONALCONTROL），積分控制（INTEGRALCONTROL）和微分控制（DIFFERENTIALCONTROL）。從系統(tǒng)框圖可以看出，穩(wěn)壓環(huán)節(jié)屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)，為了提高系統(tǒng)整體的性能，該系統(tǒng)采用了工程中常用的PID控制中的PI控制，具體地說(shuō)，是增量式PI控制。采用增量PI既有利于加快系統(tǒng)的控制過(guò)程，又便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可靠性。其中，比例控制能迅速反映誤差，從而減小誤差，但是不能消除靜態(tài)誤差；為了消除靜態(tài)誤差，我們還必須采用積分控制，但是積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)量過(guò)大，甚至出現(xiàn)振蕩，因此積分常數(shù)的選取一定不能過(guò)大。PID增量型控制算法流程如圖46NY圖46PID增量型控制算法流程如圖PID參數(shù)選擇以下是利用MATALB里的SIMULINK部件，構(gòu)建的一個(gè)PID反饋控制方框圖高線計(jì)算Q0,Q1,Q2置E（K1）EK20將A/D結(jié)果賦給YK求EKRKYK計(jì)算控制增量U（K）將U（K）輸出給D/AEK2EK1EK2EKA/DD/A采樣時(shí)刻到否被控對(duì)象（如圖47所示）,其中比例常數(shù)KP20，積分常數(shù)KI5，微分常數(shù)KD0（PI控制）。輸入正弦波與反饋一起經(jīng)過(guò)PID控制模塊，由硬件部分的PID仿真可知，即比例常數(shù)為20，積分常數(shù)為5的PI控制可以的到較好的穩(wěn)幅效果。圖47PID反饋控制方框圖其中，LC低通濾波器的傳遞函數(shù)的推導(dǎo)過(guò)程如下LSXS1201/CSYS圖48LC低通濾波器的S域表示圖322為S域下LC低通濾波器的示意圖，其中電感值為3MH,電容值為2UF（兩個(gè)1UF的電容并聯(lián)），該濾波器的傳遞函數(shù)為（43）10611292SLCSSXYSH圖49積分常數(shù)為5時(shí)SCOPE窗口輸出的波形當(dāng)PI控制中的積分常數(shù)在5附近取時(shí)，SCOPE窗口的輸出波形和圖49差不多。但是，當(dāng)比例常數(shù)不變，積分常數(shù)增大到10時(shí)，由SCOPE窗口可以看出，PI控制將有產(chǎn)生震蕩的趨勢(shì)。如圖410所示圖410積分常數(shù)為10時(shí)SCOPE輸出的波形因此，PI控制中積分常數(shù)的取值不宜大于10。必須承認(rèn)，用該方法得到的PI的參數(shù)只能提供一個(gè)粗略的參數(shù)范圍。因?yàn)樵趯?shí)際仿真中，當(dāng)比例常數(shù)和積分常數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，由MATLAB中的SCOPE窗口看到的輸入與輸出正弦波的吻合程度相差無(wú)幾。圖411為比例常數(shù)KP20，積分常數(shù)KI3，微分常數(shù)KD0時(shí)，由SCOPE窗口看到的波形?？梢钥闯觯藭r(shí)單純用軟件沒有辦法判斷PI參數(shù)取何值時(shí)PI控制效果最好。圖411積分常數(shù)為3時(shí)SCOPE輸出波形因此，只能在硬件調(diào)試中，通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)才能得到PI參數(shù)的最佳值。一開始，我在程序中把比例常數(shù)定為20，積分常數(shù)定為3，微分常數(shù)為0。此時(shí)，從LCD和示波器可以觀察到，PID控制可以使輸出線電壓有效值較快的鎖定在360V左右，但是輸出線電壓跳變較厲害。根據(jù)PID控制原理，可以知道產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是積分控制的作用偏小。于是，我逐漸把積分常數(shù)調(diào)大，電壓跳變的幅度隨之減小，但是當(dāng)積分常數(shù)增大的同時(shí)，輸出電壓穩(wěn)幅的響應(yīng)速度也明顯減慢。實(shí)驗(yàn)表明，PI參數(shù)應(yīng)該折中選取。所以，我把PID參數(shù)最終定為比例常數(shù)KP20，積分常數(shù)KI5，微分常數(shù)KD0。5結(jié)論本文設(shè)計(jì)的三相正弦波變頻穩(wěn)壓電源以變頻電源技術(shù)和開關(guān)電源技術(shù)為基礎(chǔ)電路，以高性能XC164單片機(jī)為控制核心，組成數(shù)據(jù)處理和控制電路，在檢測(cè)與控制軟件支持下，通過(guò)對(duì)變頻電源輸出電壓、輸出電流進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣、計(jì)算并與給定數(shù)據(jù)比較，從而調(diào)整變頻電源的工作狀態(tài)，同時(shí)配備有完善的保護(hù)電路。以XC164單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)輸出電壓、輸出電流進(jìn)行采集與顯示，并且對(duì)輸出電壓進(jìn)行PID控制，使其穩(wěn)定在36V；當(dāng)輸出電流過(guò)大（超過(guò)36A時(shí)），三相電流中任兩相電流相差超過(guò)05A或是負(fù)載缺相時(shí)，單片機(jī)停止輸出并進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)（LCD上顯示“PROTECT”）；另外，通過(guò)鍵盤控制調(diào)節(jié)輸出頻率，可以使其在20HZ到100HZ內(nèi)變化。參考文獻(xiàn)1馬小亮大功率腳交變頻調(diào)速系統(tǒng)及其應(yīng)用武漢華中理工大學(xué)出社,19922李宏電力電子設(shè)備用器件與集成電路應(yīng)用指南M機(jī)械工業(yè)出版社,20013劉志剛電力電子學(xué)清華大學(xué)出版社，20044張燕賓SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)機(jī)械工業(yè)出版社，20055楊旭，裴云慶，王兆安開關(guān)電源技術(shù)機(jī)械工業(yè)出版社，20046薛弘曄計(jì)算機(jī)控制技術(shù)西安電子科技大學(xué)出版社，20037李永平,董欣PSPICE電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)國(guó)防工業(yè)出版社，20058施陽(yáng)MATLAB語(yǔ)言精要及動(dòng)態(tài)仿真工具SIMULINK西北工業(yè)大學(xué)出版社，19979XC16416DERIVATIVES（USERMANUAL），200410陸涵,胡磊,何湘寧等一種基于單片機(jī)的正弦波輸出逆變電源的設(shè)計(jì)J電源技術(shù)應(yīng)用,2005,1011李玉玲,于長(zhǎng)勝,魏華雄基于SPWM的變壓變頻電源設(shè)計(jì)J哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào),2005,0112陳曉明，羊彥，景占榮等基于XC164單片機(jī)的智能化三相正弦波變頻電源電源技術(shù)應(yīng)用，2003年09期13劉茂榮，郭佐，姚中元三相PWM產(chǎn)生器，產(chǎn)生氣SA828214RASHIDMHPOWERELECTRNICSPRENTICEHALL,INC,198815GUICHAOCHAOHUA,FREDCLEEEVAUATIONSOFSWITCHEDMODEPOWERCONVERSIONTECHNOLOGIESOFIPEMC94,BEIJING16舒為亮,張昌盛,段善旭等逆變電源PI雙環(huán)數(shù)字控制技術(shù)研究J電工電能新技術(shù),2005,0217孟慶云,吳瑕,耿士廣等一種簡(jiǎn)單實(shí)用的車載正弦波逆變電源J電源技術(shù)應(yīng)用,2005,0518蔡黎,鄭棐基于單片機(jī)的數(shù)字化交交變頻低頻電源設(shè)計(jì)J儀器儀表用戶,2006,0119張青,龔俊新,陳堅(jiān)使用EPROM和D/A的新型逆變電源控制電路J電力電子技術(shù),1994,01致謝感謝王琪導(dǎo)師的關(guān)心、指導(dǎo)和教誨。論文從查閱資料，選題，理論研究到最后的畢業(yè)論文的撰寫無(wú)不滲透著恩師的心血和汗水。王老師追求真理、獻(xiàn)身科學(xué)、嚴(yán)以律己、寬已待人的崇高品質(zhì)對(duì)我將是永遠(yuǎn)的鞭策。老師的教誨和關(guān)懷令我終生難忘。我的畢業(yè)設(shè)計(jì)期間的工作自始至終都是在王老師全面、具體的指導(dǎo)下進(jìn)行的。王老師淵博的學(xué)識(shí)、敏銳的思維、民主而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)，使學(xué)生收益匪淺，終生難忘。在論文完成之際，特向王老師表示衷心的感謝和深深的敬意。感謝我的學(xué)友和朋友們對(duì)我的關(guān)心和幫助。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明本人完全了解西安工業(yè)大學(xué)有關(guān)保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的規(guī)定，即本科學(xué)生在校攻讀學(xué)士學(xué)位期間畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)屬于西安工業(yè)大學(xué)。本人保證畢業(yè)離校后，使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作成果或用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作成果發(fā)表論文時(shí)署名單位仍然為西安工業(yè)大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留送交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的原文或復(fù)印件，允許畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨籍厴I(yè)設(shè)計(jì)（論文）的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）。（保密的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者簽名指導(dǎo)教師簽名日期畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明秉承學(xué)校嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)與優(yōu)良的科學(xué)道德，本人聲明所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的成果，不包含他人已申請(qǐng)學(xué)位或其他用途使用過(guò)的成果。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了致謝。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者簽名指導(dǎo)教師簽名日期附錄主程序/PRAGMASRC/PRAGMASMALLINCLUDEINCLUDE“SPWMH“INCLUDE“SAMPLEH“INCLUDE“DISPLAYH“DEFINEKEY_SP3_P6DEFINEKEY_UPP3_P8DEFINEKEY_DOWNP3_P9/PI參數(shù)DEFINEKP20DEFINEKI5EXTERNUNSIGNEDINTVUSINTE_B0BITBOUTSTATUS0UNSIGNEDINTFREQUENCY20UNSIGNEDINTVOLTAGE0UNSIGNEDINTCURRENT0UNSIGNEDINTPOWER0UNSIGNEDINTCURRENT_U0UNSIGNEDINTCURRENT_V0UNSIGNEDINTCURRENT_W0UNSIGNEDLONGDKEY_TIME0UNSIGNEDLONGDD_TIME0/DELAYOFTIME/VOIDDELAYTIMEUNSIGNEDLONGTIMEUNSIGNEDLONGDELAYFORDELAY0DELAY500000DKEY_TIME500000/OUTCONTROLIFBOUTSTATUS0IFKEY_SDELAYTIME1000/DELAYIFKEY_SSETFREQUENCYFREQUENCYSETAMP32768E_B0STARTOUTBOUTSTATUS1INIOUTDISPLAYDKEY_TIME0ELSEIFKEY_S0DELAYTIME1000IFKEY_S0STOPOUTBOUTSTATUS0INISTOPDISPLAYDKEY_TIME0/FREQUENCYCONTROLIFKEY_UP0DELAYTIME1000IFKEY_UP0IFFREQUENCY20FREQUENCYSETFREQUENCYFREQUENCYIFBOUTSTATUS1OUTREFRESHELSESTOPREFRESHDKEY_TIME0/AMPCONTROLIFBOUTSTATUS/IFBSG0VOLTAGEUNSIGNEDINTUNSIGNEDLONGRMS0130/85/OUTREFRESHADJUSTAMPPI360INTVOLTAGESTARTSAMPLEFREQUENCY/DISPLAYREFRESHIFBOUTSTATUSIFDD_TIME100000DD_TIME100001IFBSGDD_TIME0CURRENT_URMS3/4CURRENT_VRMS4/4CURRENT_WRMS5/4CURRENTCURRENT_UPOWERUNSIGNEDINTCURRENT_UUNSIGNEDLONGVOLTAGE/10OUTREFRESH/IFBOUTSTATUSIFCURRENT_U3|CURRENT_V3|CURRENT3STOPOUTP1L_P60BOUTSTATUS0INISTOPDISPLAYDISPLAYSTR8,3,“PROTECT“IFINTCURRENT_UINTCURRENT_V5|INTCURRENT_UINTCURRENT_V5|INTCURRENT_VINTCURRENT_W36|CURRENT_V36|CURRENT_W36STOPOUTP1L_P60BOUTSTATUS0INISTOPDISPLAYDISPLAYSTR8,3,“PROTECT“XC164單片機(jī)的SPWM生成程序/PRAGMASRCINCLUDEEXTERNUNSIGNEDINTCONSTSINTABUNSIGNEDINTSINTABU0UNSIGNEDINTSINTABV3333UNSIGNEDINTSINTABW6666UNSIGNEDINTPSINTABSINTABUNSIGNEDINTSTEP100UNSIGNEDINTMODULATE0XFFFFUNSIGNEDINTSTEP_F20VOIDSTARTOUTVOIDDP1L0X007FALTSEL0P1L0X0000CCU6_T120CCU6_T12PR1999CCU6_T12MSEL0X0333/COMPAREMODEENABLECCU6_T12DTC0X073F/DEADTIMEENABLE,MAXDEADTIME12USCCU6_TCTR00X0080/T12CENTERALIGNEDMODEINPUTCLOCKFCC6CCU6_TCTR20X0000/SIGNEDSHOTISDISABLEDCCU6_TCTR40X0000/CONTRO