毕业设计（论文）-基于单片机控制的逆变稳压电源设计与仿真研究.doc

沈阳工业大学本科生毕业设计(论文) 论文题目：论文题目：基于单片机控制的逆变稳压电源设计与仿真研究基于单片机控制的逆变稳压电源设计与仿真研究 design and simulation of invert manostat based on single- chip microcomputer control 学 院： 电气工程学院 专 业 班 级：电气工程及其自动化 0703 班 学 号： 070301094 学 生 姓 名： 指 导 教 师： (教授) 2011 年 5 月 11 日 密级： i 摘 要 逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变换的装置。随着电力电子技术的 发展，逆变电源的应用越来越广泛，但应用系统对逆变电源的输出电压波形特性也 随之提出了越来越高的要求，因为电源的输出波形质量直接关系到整个系统的安全 和可靠性指标。在这中情势下，逆变电源的数字化控制便应运而生。 数字化控制以控制简单、灵活，输出性能更稳定，可以实现模拟控制所不能达 到的控制等诸多优势成为电源研究领域的一大热点。随着数字信号处理技术的发展， 以 spwm 控制方式设计的逆变电源越来越受到青睐。本文介绍的 spwm 逆变电源 就是采用 pic 单片机来实现 spwm 控制和正弦波方式输出，而且电路简单，性能安 全可靠，灵活性强，同时可以降低谐波，提高效率。 论文首先介绍了 spwm 基本原理及其控制方式、spwm 的生成方法，并结合 本课题给出了查表法生成 spwm 波的一般方法。分析电路特点，建立 pwm 逆变器 的电路模型，在此数学模型基础上，针对逆变器研究分析了用于逆变器设计的各种 数字控制技术、控制方案，并介绍了 igbt 的驱动模块。最后,对 spwm 波发生器的 使用和编程以及系统的软件设计过程进行了简单介绍。 利用仿真工具软件对所设计的电力电子设备进行仿真，有利于缩短产品的设计 时间，有利于提高产品的可靠性，在本文中，主要应用 protues 软件进行仿真分 析。 关键词：逆变电源；关键词：逆变电源；spwm；单片机控制；单片机控制；igbt ii abstract inverter manostat is a device which used power electronics technology to convert electricity. with the development of power electronics technology,the application of inverter power supply more and more widely, but the application of inverter power supply system of the output voltage waveform characteristics also subsequently put forward more and more high demand,because the power output waveform quality directly relates to the whole system safety and reliability index.in this case,digital control of inverter manostat come into being. digital control strategy has been employed in study and design of power supply because ofthe advantages such as smart control method,steady output performance and high controlaccuracy comparing with analogue control strategy.along with the digital signal processing technology development, the control mode design with spwm inverter power supply more and more be favored. it firstly introduces the basic principle and its control method spwm,the method of generating spwm,and with this topic querying method are given the general method of generating spwm wave.analysis the circuit features,build a pwm inverter circuit model,based on this mathematics model,the study analyzed the inverters are used for design of inverter digital control technology, control plan,and introduces igbt drive module.finally,spwm wave generator for the use of the software and system programming and design process are introduced in brief. using simulation tool software the design of power electronic equipment, and simulation shorten product design time, improve the reliability of the product, in this paper, we use the protues software simulation. keywords: invert manostat; spwm wave; single-chip microcomputer control; igbt i 目 录 摘摘 要要i i abstractabstractiiii 第一章第一章 绪论绪论1 1 1.1 论文研究背景、目的及意义 1 1.2 国内外研究现状及趋势 2 1.3 论文的主要工作 3 1.3.1 论文的主要任务 .4 1.3.2 本选题的意义 .4 第二章第二章 逆变逆变原理原理5 5 2.1 igbt 管的基本原理与特性 .5 2.1.1 igbt 的工作原理 5 2.1.2 igbt 的特性与参数特点 5 2.1.3 igbt 的保护 8 2.2 逆变技术及其原理9 2.2.1 现代逆变技术的分类.9 2.2.2 逆变技术的基本原理.9 2.2.3 电力器件的换流方式10 2.2.4 单相电压型逆变电路11 2.3 spwm 控制技术及其原理 12 2.3.1 spwm 控制的基本原理 .12 2.3.2 spwm 控制方式 .12 第三章第三章 系统系统综述综述1616 3.1 系统总体介绍.16 3.2 逆变主电路参数及其控制策略.17 3.2.1 igbt 的选择 .17 3.3 驱动电路设计.20 3.3.1 驱动电路的特性 20 3.3.3 保护电路22 3.3.4 ir2101 应用中需要注意的问题 .22 3.4 输出滤波环节.23 ii 第四章第四章 系统的软件设计系统的软件设计2525 4.1 pic 系列单片机概述 .25 4.2 系统软件的总体描述 .27 4.2.1 过程控制的基本概念 27 4.2.2 模拟 pi 调节器.27 4.2.3 数字 pi 控制器 .28 4.2.4 标准 pi 算法积分项的改进 .30 4.3 数字 pi 参数的选择 30 4.3.1 采样周期的选择 30 4.3.2 数字 pi 控制参数的选择 .31 4.4 单片机计时步阶的计算.32 4.4.1 面积等效的 spwm 控制算法.32 4.4.2 用 matlab 计算计时步阶.34 4.5 系统控制程序设计 .35 4.5.1 pic 单片机的设置 36 4.6 spwm 波形产生的实现过程 37 4.7 系统仿真 .40 4.7.1 protues 简介 40 4.7.2 实验结果与分析 41 第六章第六章 结论结论4343 参考文献参考文献4444 致致 谢谢4646 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 1 第一章 绪论 1.1 论文研究背景、目的及意义论文研究背景、目的及意义 1.1 课题研究背景、目的及意义 电源是电力电子技术的主要应用领域之一，随着新的电子元器件、新电磁材料、 新变换技术、新的控制技术的出现与应用，逆变电源技术得到越来越广泛的应用。 电源技术的发展，大体经历了几个阶段：由磁放大式到硅二极管整流式，再到可控 硅（晶闸管）整流式，直到发展到逆变式(开关式)。 现代逆变技术就是研究现代逆变电路的理论和应用设计方法的一门科学2。这 们学科是建立在工业电子技术、半导体器件技术、现代控制技术、现代电力电子技 术、半导体变流技术、脉宽调制（pwm）技术、磁性材料等学科基础之上的一门实用 技术。 通常，把交流电变成直流电的过程叫做整流；完成整流功能的电路叫做整流电 路。与之相对应，把直流电变成交流电的过程叫做逆变，完成逆变功能的电路则称 为逆变电路，而实现逆变过程的装置叫做逆变设备或逆变器。 采用逆变技术，可使所设计的电源具有许多方面的优越性： 1.可灵活地调节输出电压或电流的幅度和频率 通过控制回路，我们可以控制逆变电路的工作频率和输出时间的比例，从而使 输出电压或电流的频率和幅值按照人们的意愿或设备工作的要求来灵活地变化。 2.可将蓄电池中的直流电转换成交流电或其他形式的直流电，这样就不会因为 交流电网停电或剧烈变化而影响工作。 3.可明显地减小用电设备的体积和重量,节省材料 在很多用电设备中 ,变压器和电抗器在很大程度上决定了其体积和重量，如果 我们将变压器绕组中所加电压的频率大幅度提高，则变压器绕组匝数与有效面积之 积就会明显减小，变压器的体积和重量明显地减小了。 4采用逆变技术的电源还具有高效节能的优越性，表现在如下几个方面3： 1)在许多应用交流电动机的场合，在其负载变化时，传统的方法是调节电动机 的通电时间所占比例，这样电动机就会频繁地制动、起动。而电动机的起动、制动 消耗的能量往往很大，如使用变频电源来调节电动机做功的量，则可节约很大一部 分能量。 2)采用逆变技术的电源，其变压器的体积和重量大大减小了，也即减小了铁心 横面积和线圈匝数。变压器本身的损耗主要包括原、副边铜耗和铁芯损耗，铁芯横 面积和线圈匝数的大幅度减小也就大大降低了铜耗和铁耗。因此，采用逆变技术大 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 2 大提高变压器的工作频率，使得变压器的损耗变得比工频工作时小得多，从而达到 节能的目的。 3)传统的、采用工频变压器的整流式电源设备的功率因数一般在 0.5-0.8 之间， 这是因为其电流谐波成分和相移角都比较大。在逆变电源中，如果用功率因数校正 技术，能使输入电流的谐波成分变得很小，从而使功率因数约为 1，节能的效果非 常明显。 5.动态响应快、控制性能好、电气性能指标好由于逆变电路的工作频率高，调 节周期短，使得电源设备的动态响应或者说动态特性好，表现为：对电网波动的适 应能力强、负载效应好、启动冲击电流小、超调量小、恢复时间快、输出稳定、纹 波小。 6.电源故障保护快由于逆变器工作频率高、控制速度快，对保护信号反应快， 从而增加了系统的可靠性。 另外，现代越来越复杂的电子设备对电源提出了各种各样的负载要求，一个特 定用途的电源，应当具有特定的负载性能要求和外特性，同时还应当具备安全可靠、 高效、高功率因数、低噪音的特点，另外，无电磁干扰、无电网污染、省电节能也 是我们应当认真考虑的设计要求。 1.2 国内外研究现状及趋势国内外研究现状及趋势 逆变电源的发展是和电力电子器件的发展联系在一起的，器件的发展带动着逆 变电源的发展。逆变电源出现于电力电子技术飞速发展的20世纪60年代，到目前为 止，它已经历了三个发展阶段5。 第一代逆变电源是采用品闸管(scr)作为逆变器的开关器件，称为可控硅逆变电 源。可控硅逆变电源的出现虽然可以取代旋转刑变流机组，但由于scr足一种没有自 关断能力的器件，因此必须增加换流电路来强迫关断scr，但换流电复杂、噪声大、 体积大、效率低等原意却限制了逆变电源的进一步发展。 第二代逆变电源是采用自关断器件作为逆变器的开关器件3。白20世纪70年代 后期，各种自关断器件相运而生，它们包括可关断晶闸管(gto)、电力晶体管 (gtr)、功率场效应品体管(mosfet)、绝缘栅双极型品体管(igbt)等。自关断器件在 逆变器中的应用大大提高了逆变电源的一性能，逆变器采用自关断器件的好处是： 简化了主电路。由于自关断器件不需要换流电路，因而主电路得以简化、成 本降低、可靠性提高； 提高了性能。由于自关断器件的使用，使得开关频率得以提高，从而使逆变 桥输出电压中低次谐波含量大大降低，因而使输出滤波器的尺寸得以减小，逆变电 源的动态特性及对非线性负载的适应性也得以提高。在自关断器件当中，igbt以其 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 3 开关频率高、通态压降小、驱动功率小、模块的电压电流等级高等优点已成为中小 功率逆变器的首选器件。igbt逆变电源已成为中小型逆变电源的主流。 第二代逆变电源在控制上普遍采用带输出电压有效值或平均值反馈的spwm控制 技术。图1-1是第二代逆变电源典型控制方法示意图，输出电压有效值或平均值反馈 控制使逆变电源输出电压幅值稳态无差。 u* + - uf 图1-1逆变电源典型控制方法示意图 第二代逆变电源所采用的控制方法具有结构简单、容易实现的优点，但由于它 所采用的spwm控制技术只注重如何通过恰当设汁开关模式来实现逆变器输出频谱的 优化，没有考虑信号传输过程中开关点的变化及负载的影响，所以存在以下缺点： 对非线性负载的适应性不强。当逆变电源输出带非线性负载时，负载电流中的低 次谐波电流将流过电源的内阻。引起输出电压波形畸变；死区时间的存在将使 spwm波中含有不易滤掉的低次谐波，使输出电压波形发生畸变；动态特性不好。 负载突变时输出电压调整时间长。之所以出现这种情况，是因为系统中仅存在电压 平均值或有效值反馈，而没有瞬时值反馈；给定电压与输出电压之间的相位差受 负载影响较大。在三相电源中，三相输出之间的相差不易满足120要求。 第三代逆变电源采用了实时反馈控制技术，使逆变电源的性能得到提高。实时 反馈控制技术是针对第二代逆变电源对非线性负载的适应性不强及动态特性不好的 缺点提出来的，它是近几年来发展起来的新型电源控制技术，目前仍在不断地完善 和发展之中，实时反馈控制技术的采用使逆变电源的性能有了质的飞跃。实时反馈 控制技术多种多样，主要有以下几种；重复控制；谐波补偿控制；无差拍控 制；单一的电压瞬时值控制；带电流内环的电压瞬时值反馈控制。其中以第五 种控制方法因实现方便，逆变电源动态性能优越和对负载的适应性强等优点而被广 泛采用。 pi x pwm 逆变器 变压器 lc 滤波器 三角波 sin(t) 电压有效值 k 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 4 1.3 论文的主要工作论文的主要工作 本文主要论述了基于单片机控制逆变稳压电源的基本原理、结构和设计过程， 并且在搭接实验电路之前，利用仿真工具软件对所设计的电路进行仿真，验证电路 的可行性。 1.3.1 论文的主要任务论文的主要任务 本课题的主要任务是了解并掌握电力电子器件 igbt 的原理和使用，并用电源 的逆变技术设计出一台基于单片机控制的新型逆变稳压电源，先用 protues 对所 设计的系统进行仿真，分析其可行性，在此基础上，对所设计的电源系统进行调试， 故本课题的名字为：基于单片机控制新型逆变稳压电源的设计与仿真。 本课题所设计逆变电源的参数要求： (1)输入电压：输入电源 590v dc; (2)输出电压：输出为单相 220vac(有效值)、频率为 50hz 的稳压电源； (3)输出功率：3kw，允许过载 10。 1.3.2 本选题的意义本选题的意义 现在，电源技术的发展使得用新型、高效的开关电源取代传统电源己成为必然。 传统的稳压电源一般都是线形电源，这种电源效率低、体积大。随着技术的发展， 开关电源的开关频率越来越高，使得电源的小型、轻量化成为可能。电源工作在开 关状态，从原理上讲是低损耗的。本电源就是用新型的数字化开关电源取代传统电 源，其特点就是效率高、体积小、保护完善等。 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 5 第二章 逆变原理 2.1 igbt 管的基本原理与特性管的基本原理与特性 绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor）简称 igbt，因为它的 等效结构具有晶体管模式，所以称为绝缘栅双极型晶体管。igbt 于 1982 年开始研 制，1986 年投产，是发展很快而且很有前途的一种混合型器件。igbt 综合了 mos 和 gtr 的优点，其导通电阻是同一耐压规格的功率 mos 的 1/10，开关时间是同容 量 gtr 的 1/10。在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其他高速低损耗的中小 功率领域，igbt 有取代 gtr 和 vdmos 的趋势1。 2.1.1 igbt 的工作原理的工作原理 n 沟道 igbt 通过在栅极发射间加阈值电压 uth以上的（正）电压，在栅极 电极正下方的 p 层上形成反型层（沟道），开始从发射极电极下的 n 层注入电子。 该电子为 pnp 晶体管的少数载流子，从集电极衬底 p 层开始注入空穴，行电导 率调制（双极工作），所以可以降低集电极发射极间饱和电压。在发射极电极侧 形成 npn 寄生晶体管。若寄生体管工作，又变成 pnp 晶闸管。电流继续流动，直 到输出侧停止供给电流通过输出信号已不能进行控制。这种状态称为闭锁状态。 为了抑制寄生晶体管的工作，igbt 采用尽量缩小 pnp 晶体管的电流放大数 作为解决闭锁的措施。具体来说，pnp 的电流放大系数 设计在 0.5 以 igbt 的闭 锁电流 il为额定电流（直流）的 3 倍以上。igbt 的驱动原理与功率 mos 基本相同， 为场控器件，通断由栅射极电压 uge 决定。 导通：uge大于开启电压时，mosfet 内形成沟道，为晶体管提供基极电流 igbt 导通。 导通压降：电导调制效应使电阻 ron减小，使通态压降减小。 关断：栅、射极间施加反压或不加信号时，mosfet 内的沟道消失，晶体 的基极电流被切断，igbt 关断。 2.1.2 igbt 的特性与参数特点的特性与参数特点 1.igbt 的伏安特性和转移特性 igbt 的伏安特性如图 2-2(a)所示，它反映在一定的栅极发射极电压 uge与 ic 的关系。uge越高，ic越大。值得注意的是，igbt 的反向电压承受能力很差，从曲 线中可知，其反向阻断电压 ubm只有几十伏，因此限制了它在需要承受高反压场所 的使用。 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 6 图 2-2(b)是 igbt 的转移特性曲线。当 ugeuge(th) (开启电压，一般为 36 伏)时, igbt 开通，其输出电流 ic 与驱动电压基本呈线性关系。当 uge0,表 示电源向负载输送能量，u0=ud。 在输出为正弦波负半周期时的情况与上述情况类似，这里就不一一列出。 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 20 3.3 驱动电路设计驱动电路设计 3.3.13.3.1 驱动电路的特性驱动电路的特性 驱动电路的作用是将控制电路输出的脉冲放大到足以驱动功率晶体管，所以单 从原理上讲，驱动电路主要起开关功率放大作用，即脉冲放大器。但其重要性在于 功率晶体管的开关特性与驱动电路的性能密切相关。同样的功率开关管，采用不同 的驱动电路将得到不同的开关特性。设计优良的驱动电路能改善功率晶体管的开关 特性，从而减小开关损耗，提高电源的效率及功率器件工作的可靠性。因此，驱动 电路的优劣直接影响电源的性能。随着开关工作频率的提高，驱动电路的优化设计 显得越来越重要。驱动电路的最佳驱动特性应具有: 1.功率管开通时，驱动电路提供的基极电流应有快速的上升沿，并一开始有一 定的过冲，以加速开通过程。 2.功率管导通期间，驱动电路提供的基极电流在任何负载情况下都能保证功率 管处于饱和导通状态，使功率管的饱和压降较低，以保证低的导通损耗。 3.关断瞬间，驱动电路应提供足够的反向基极驱动，以迅速抽出基区的剩余载 流子，并加反偏截止电压，使集电极电流迅速下降以减少下降时间。 4.栅极欠压、过压或负载电流超过预定峰值时，栅极信号钳位于低电平，保护 功率开关。 5.驱动动电路损耗要小，电路尽可能简单可靠，还常采取必要的隔离措施。 3.3.2 驱动电路的原理 在逆变器应用中，通常希望驱动电路和驱动电源尽量简单，因此本文选用 ri 公 司的专用驱动芯片 ir2101。该芯片为六输出高压栅极驱动器，8 脚双列直插，驱动 信号延时为 ns 级，开关频率可从几十赫兹到几百千赫兹。ir2101 具有六路输入信 号和六路输出信号，其中六路输出信号中的三路具有电平转换功能，可直接驱动高 压侧的功率器件。该驱动器可与主电路共地运行，且只需一路控制电源，克服了常 规驱动器需要多路隔离电源的缺点，大大简化了硬件设计。 驱动电路的作用就是单片机输出的驱动信号进行适当的放大，然后再去控制电 路中的电力电子器件的开通和关断。采用功率开关管的变换器电路中，开关管的驱 动电路性能的好坏直接关系到变换器工作的可靠性。 驱动采用两个 ir2101 作为两个半桥的驱动芯片。这里需要注意的是与 pwm 驱动 不同，每个半桥由两个 igbt 级联构成。高端 mos 管的源极（s）连接低端 mos 管的 漏极（d），这一节点同时也与 ir2101 的 vs 端连接，两个半桥的低端 mos 管的源极 都接地并与两个 ir2101 的 com 连接。可以看到两个半桥的低端 mos 管的源极电压常 为地电压，驱动低端 mos 管的方式跟驱动 pwm 电路的一致，只需要让 lo 为 12v 即可 打开功率开关。然而，驱动高端 mos 管必须理解与解决以下这个问题：由于高端 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 21 mos 管的 s 极与滤波电感相连，也就是说 s 极同时作为准正弦脉冲的输出端，它的 电压是随时间而浮动的，浮动规律是按照准正弦脉冲的电压变化的规律。显而易见， 此节点上准正弦脉冲的高电压相对地一般为 340v（若产生尖峰脉冲会更高）。在这 种情况下，要想打开高端 mos 管则必须使其栅极（g）的电压稳定地高于其 s 极电压 12v。因此，就要求高端 mos 管的 g 极电压要跟随 s 极高压浮动。 ir2101 在本部分设计中体现了其高悬浮高压驱动的特点。在它的基础上，用简 洁的外围电路就可以解决此问题，其关键就在于 vb 与 vcc 之间的高压隔离二极管 fr107 与电压自举式电解电容（实验取值 2.2uf）。具体原理是：当需要关断高端 mos 管（q3）时 ir2101 将 ho 电压与 vs 一致。此时由于半桥上高端管（q3）关闭、 低端管（q4）导通，vs 电压为地电压。这样 q3 的 s 极与 g 极同为地电压。若需要 打开 q3 时，u2 将 ho 电压与 vb 一致。此时由于半桥上高端管（q3）导通、低端管 （q4）关闭，vs 电压为升压整流后的高压直流 340v，由于电解电容的单极性（正连 接 vb，负连接 vs），vcc 端会通过 d3 二极管向电容充电来抬高 vb 的电势使电容的 正恒大于负端 12v。由于二极管的单向导通性 d3 将高压的 vb 点电压与只能承受低 压的 vcc 隔离开，因此在选取二极管型号时应注意其反向最大耐压值，不然极可能 造成二极管的反向击穿并将高压送入 ir2101 烧毁芯片。 3.3.33.3.3 保护电路保护电路 完善的保护电路是逆变器成功应用的关键之一。保护电路按照故障分为直流和 逆变保护电路: 1.直流故障是电网输入和直流侧故障，主要指输入冲击过电压和电网过电压以 及直流侧短路，一般的相应保护电路是在输入端设置保险丝和压敏电阻或在直流侧 设置压敏电阻等，如选用 10a 的保险丝串接入输入端和选用压敏电阻在保险丝的输 出端处并接于地。 2.逆变电路故障 主要是指 mosfet 器件工作的过热，过流保护。 为了防止 mosfet 期间工作时出现过热的情况，我们有必要给器件安装热片， 为了较少的接触热阻，最好在器件与散热片之间涂抹上导热硅脂。 交流输出电压检测电路一方面将电压反馈至 dsp 的 a/d 输入口以调整逆器的输 出电压，一方面送至保护电路，当输出电压过高时封锁输出电压脉冲，以上保护信 号还可转换成对应的电压信号送至 ir2101，达到逆变电路的过压保护。 3.3.43.3.4 ir2101ir2101 应用中需要注意的问题应用中需要注意的问题 ir2101 是ir 公司早期推出的半桥驱动器，具有功耗小，电路简单，开关速度 快等优点，广泛应用于逆变器的全桥驱动中。对于dip16封装的ir2101在正弦波逆变 器的应用中主要要注意以下几点： 1). 13脚的逻辑地和2脚的驱动地在布线时要分开来走，逻辑地一般要接到5v滤 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 22 波电容的负端，再到高压滤波电容的负端，驱动地一般要接到12-15v驱动电源的滤 波电容的负端，再到两个低端高压mos管中较远的那个mos的源极。 2). 在正弦波逆变器中因为载波的频率较高，母线电压也较高。自举二极管要使 用高频高压的二极管。因为载波占空比接近100%，自举电容的容量要按照基波计算， 一般需要取到47-100uf，最好并一个小的高频电容。 3.4 输出滤波环节输出滤波环节 当逆变器的输出不加滤波电路时，其输出波形只是 spwm 调制波，其中既包含 了 50hz 基波，又包含了高于 50hz 的谐波。为了削弱高次谐波，就需要设置输出滤 波器。 滤波器是一种具有选择性的四端网络，它允许某些频率信号通过，而不允许另 一些频率信号通过。允许通过的信号频率范围称为通带，不允许通过的信号频率范 围称为阻带，通带与阻带交界的频率 fc称为截止频率。 根据滤波器的阻带与通带的位置，滤波器可分为：低通滤波器、高通滤波器、 带通滤波器。根据滤波器的结构又可分为： 型滤波器、型滤波器和 型滤波 器。 在逆变电源的输出滤波电路中，通常采用 r 型低通滤波器，其电路如图 3.7 所示: 图 3-7 低通滤波器等效电路图 经全桥逆变器输出的电压中，逆变开关频率一般都比较高，从几 khz 到几 mhz 的都有。对几 khz 至十几 khz 的脉冲电压进行滤波时，一般对纹波电压要求 不是太高，所以可以忽略滤波电解电容等效串联电阻(esr)，并且频率不高时，其等 效串联阻抗 esz 也不大，影响也不严重。但是，随着频率的升高，电解电容引线电 感 l 造成的等效串联阻抗 esz 就会上升，明显地增加输入电压的纹波。所以计算 lc 参数，要分别情况根据工作频率范围设计。 允许电抗器的电流波动峰峰值 a4 . 1%522030002%5i2i oel 逆变器输出脉冲电压峰值 v51338035 . 1 v m2 由于逆变器输出的是 spwm 电压，所以在设计滤波 lc 参数时，我们可以考虑 如下情况： 当滤波输出的平均电压 v0=311v，此时 ton=311/513171us=103.6us、 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 23 toff=171103.6=66.4us，所以 由式 l on0m2 i t)vv( l ，得 mh 9 . 14 4 . 1 6 . 103)311513( l ， 由式 l off0 i tv l ，得 l=14.7mh，所以 l 取 15mh。 设电容上电压纹波为 3v，由式 c l u8 ti c ，得 c=9.9uf，取 10uf。 所以 l 为工频电感，电感量可选为 15mh，为减小噪声，选闭合铁芯，如 od 型硅钢铁芯（400hz）或铁粉芯铁芯。 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 24 第四章第四章 系统的软件设计系统的软件设计 4.1 pic 系列单片机概述系列单片机概述 1.哈佛总线结构 pic 系列单片机不仅采用了哈佛体系结构，而且还采用了哈佛总线结构。在 pic 系列单片机中采用的这种哈佛总线结构，就是在芯片内部将数据总线与指令总线分 开，并且采用不同的宽度，这样做的好处是，便于实现指令提取的“流水作业”， 也就是在执行一条指令的同时对下一条揩令进行取指操作，便于实现全部指令的单 字节化、单周期化，从而有利于提高 cpu 执行指令的速度。在一般的单片机中，指 令总线和数据总线是共用的。 2.指令单字节化 因为数据总线和指令总线是分开的，并且采用了不同的宽度，所以程序存储器 rom 和数据存储器 ram 的寻址空间(即地址编码空间)是互相独立的，而且两种存 储器宽度也不同。这样设计不仅可以确保数据的安全性，还能提高运行速度和实现 全部指令的单字节化。 3.精简指令集(risc)技术 pic 系列单片机的指令系统只有 35 条指今，这给指令的学习、记忆、理解带来 很大的好处，也给程序的编写、阅读、调试、修改、交流都带来极大的便利。pic 系列单片机不仅全部指令均为单字节指令，而且绝大多数指令为单周期指令，以利 于提高执行速度。 4.寻址方式简单 寻址方式就是寻找操作数的方法。pic 系列单片机只有 4 种寻址方式(寄存器间 接寻址、立即数寻址、自接寻址和位寻址)，容易掌握。 5.代码压缩度高 1kb 的存储器空间，对于像 mcs-51 这样的单片机，大约只能存放 600 条指令， 而对于 pic 系列单片机则能够存放的指令条数多达 1024 条。 6.运行速度高 由于采用了哈佛总线结构，以及指令的读取和执行采用了流水作业方式，使得 运行速度大大提高。 7.功耗低 pic 系列单片机的功率消耗极低，是口前世界上功率消耗最低的单片机品种之 一。其中有些型号在 4mhz 时钟下工作时耗电不超过 2ma，在睡眠模式下耗电可以 低到 1a 以下。 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 25 8.驱动能力强 i/o 端口驱动负载的能力较强，每个 i/o 引脚输入和输出电流的最大值可分别达 到 25ma 和 20ma，能够自接驱动发光二极管 led、光电藕合器或者微型继电器等。 9.外接电路简单 pic 系列单片机片内集成了上电复位电路,i/o 引脚上拉电路、看门狗定时器等， 可以最大程度地减少或免用外接器件，以便实现“纯单片”应用，这样不仅方便于 开发，而且还可节省用户的电路板空间和制造成本。 10.开发方便 microchip 公司研制了多种版本的软件仿真器和软件综合开发环境(软件名叫 mplab-ide，为爱好者学习与实践、应用与开发的实际操练提供了极大的方便。对 于 pic 系列中任一款单片机的开发，都可以以借助于一套免费的软件综合开发环境， 实现程序编写和模拟仿真，再用任何一种廉价的烧写器完成程序的固化烧写，便形 成一套最经济实用的开发系统。它特别适合那些不想过多投资购置昂贵开发上具的 初学者和业余爱好者。借助于这套廉价的开发系统，用户可以完成一些小电子产品 的研制开发。 11.品种丰富 pic 系列单片机口前己形成 3 个层次、50 多个型号、片内功能从简单到复杂， 封装形式从 8 脚到 68 脚，可以满足各种不同的客户需求、用户总能在其中找到一款 适合自己开发口标的单片机。 12.程序保密性强 目前，尚无办法对其自接进行解密拷贝，可以最大限度地保护用户的程序版权。 pic16f877 最高时钟频率为 20mhz,每条指令执行周期 200ns，由于大多数指令 执行时间为一个周期，因此速度相当快。其内含 192 字节的 ram，4k 程序存储器、 5 路 a/d 转换及 2 路 pwm 波发生器，应用时外围电路极其简单，是理想的单相逆 变电源数字控制器。 单片机通过内部软件产生两路 spwm 控制信号，然后经过逻辑门变换电路变换 成逆变桥所需的四路驱动信号，再经过驱动芯片 ir2101 后，分别加到逆变桥的四个 mosfet 的栅极，进行驱动控制。 为了提高输出电压的稳定性，本系统中采用了电压反馈闭环。输出电压经电阻 分压取样后，由运算放大电路将电平转换为单片机 a/d 转换所能接受 05v 的电压 信号，送入单片机 a/d 转换。软件在运行过程中，会每隔一段时间进行一次 a/d 转 换，得到反馈电压值，调整 spwm 信号的脉宽，保证输出电压的稳定。 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 26 4.2 系统软件的总体描述系统软件的总体描述 4.2.1 过程控制的基本概念过程控制的基本概念 采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控称为 过程控制. 操作变量 给定值 +偏差 被控变量 - 图 4-1 基本模拟反馈控制回路 在模拟控制过程中，基本控制回路是简单的反馈回路，如图 4-1 所示。被控量 的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进行比较，得到偏差，模拟调节器 依一定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零，其输出通过执行器控制于过 程。 在模拟控制系统中，以微型计算机来代替调节器，就构成了微机过程控制系 统。微机过程控制系统基本框图如图 4-2 所示。 给定值 +偏差 被控变量 - 图 4-2 微机过程控制系统基本框图 控制系统中引入计算机，可以充分利用计算机在对采集数据加以分析并根据所 得结果作出逻辑判断等方面的能力，编制出符合某种技术要求的控制程序、管理程 序，实现对被控参数的控制和管理。在计算机控制系统中，控制规律的实现，是通 过软件来完成的。改变控制规律，只要改变相应的程序即可，这是模拟控制系统所 无法比拟的。 控制规律 执行器 过程 传感器 变送器 控制器 d/a执行器 过程 传感器 变送器 a/d 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 27 4.2.24.2.2 模拟模拟 pipi 调节器调节器 在模拟控制系统中，调节器最常用的控制规律是 pi 控制。常规 pi 控制系统原 理框图如图 4-3 所示，系统由模拟 pi 调节器、执行机构及控制对象组成。 pi 调节器是一种线性调节器，它根据给定值 r(t)与实际输出值 c(t)构成的控制 偏差 e(t)=r(t)-c(t) (4-1) 将偏差的比例（p）、积分（i）通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制， 故称其为 pi 调节器 r(t) + e(t) u(t) c(t) - 图 4-3 模拟 pi 控制系统原理框图 pi 调节器的控制规律为： dt) t ( e t 1 ) t ( e kp) t (u t 0i （4- 2）式中,kp为比例系数，ti为积分时间常数。 简单来说，pi 调节器各校正环节的作用是这样的： （1） 比例环节 即时成比例地反应控制系统的偏差信号 e(t)，偏差一旦产生， 调节器立即产生控制作用以减小偏差。 （2） 积分环节 主要用于消除偏差，提高系统的无差度。积分作用的强弱 取决于积分时间常数 ti，ti越大，积分作用越弱，反之则越强。由式(4-2)可得，模 拟 pi 调节器的传递函数为: ) st 1 1 (k)s(e/ )s(u)s(d i p （4- 3） 比例 积分 执行机构对象 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 28 4.2.34.2.3 数字数字 pipi 控制器控制器 在 ddc（direct digital control）系统中，用计算机取代了模拟调节器，控制规 律的实现是由计算机软件完成的，因此，系统中数字控制器的设计，实际上是计算 机算法的设计。 由于计算机只能识别数字量,不能对连续的控制算法直接进行运算，故在计 算机控制系统中，必须首先对控制规律进行离散化的算法设计。 为将模拟 pi 控制规律按式(4-2)离散化,我们将图 4-3 中 r(t),e(t),u(t),c(t)在第 n 次 采样时刻的数据分别用 r(n)，e(n)，u(n),c(n)表示，于是式(4-1)变为 e(n)=r(n)-c(n) (4-4) 当采样周期 t 很小时，dt 可用 t 近似代替，积分用求和近似代替，即可作如 下近似 t 0 n 1i t) i ( edt) t ( e (4-5) 这样，式（4-2）便可离散化成为以下差分方程式 0 n 1i i p u ) i ( e t t )n( e k)n(u (4-6) 上式中 u0是偏差为零时的初值，上式中的第一项起比例控制作用，称为比例（p） 项 )n(up ,即 )n(k)n(u pep (4-7) 第二项起积分控制作用，称为积分（i）项 )n(ui n 1i i pi ) i ( e t t k)n(u (4-8) 式（4-6）的输出量 u(n)为全量输出，它对应于被控对象的执行机构（如调节阀） 每次采样时刻应达到的位置（如阀门的开度）。因此，式(4-6)又称为位置型 pi 算 法。 由式(4-6)可看出，位置型控制算法不够方便，这是因为要累加偏差 e(i)，不仅 要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序，为此对式(4-6)进行改进。根据式 （4-6）不难写出 u(n-1)的表达式，即 0 1n 1i i p u ) i ( e t t ) 1n( e k) 1n(u (4-9) 将式(4-6)和式(4-9)相减，即得数字式 pi 增量型控制算式为 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 29 ) 1n(k)n( e )kk() 1n(u)n(u)n(u peip (4-10) 式中： p k 称为比例增益、 i pi t t kk 称为积分系数。 所以，我们可得到本系统所采用的控制算法: ) 1n(k)n( e )kk() 1n(u)n(u) 1n(u)n(u peip (4-11) 我们可根据上式来编写本系统的控制程序。 4.2.44.2.4 标准标准 pipi 算法积分项的改进算法积分项的改进 积分作用能消除控制系统的静差，但它有一个副作用，既会引起积分饱和。这 是由于在偏差始终存在的情况下，输出 u(n)将达到上下极限值，此时虽对 u(n)进行 了限幅，但积分项仍在累加，从而造成积分过量。当偏差方向改变后，因积分项的 累积值很大，超过了输出值的限幅范围，故需经过一段时间后，输出 u(n)才能脱离 饱和区，造成调节滞后，使系统出现明显的超调。 克服积分饱和的方法有积分限幅法、积分分离法、变速积分法等，在本系统中 我们使用了积分分离法,下面简单介绍一下积分分离法： 积分分离法基本思想是在偏差很大时不进行积分，仅当偏差的绝对值小于门限 值时才进行积分积累。这样既防止了偏差大时有过大的控制量，也避免了过积分现 象。 4.34.3 数字数字 pipi 参数的选择参数的选择 对于采用数字 pi 控制的系统来说，其控制效果的好坏与数字控制器的参数紧密 相关，正确选择数字 pi 的有关参数是提高控制效果的一项重要技术措施。 数字控制系统就其本质来说是一种采样控制系统，在大多数情况下，数字控制 器的采样周期，相对于系统的时间常数来说是很短的，故其参数选择可沿用模拟调 节器的方法来整定，但数字控制器还必须考虑附加参数采样周期。 4.3.14.3.1 采样周期的选择采样周期的选择 数字 pi 控制是建立在用计算机对连续 pi 控制进行数字模拟基础上的，它是 一种准连续控制。采样周期越小，数字模拟越精确，控制效果越接近连续控制。对 大多数算法，缩短采样周期可使控制回路性能改善，但采样周期小，频繁的采样必 然会占用较多的计算机工作时间，同时也会增加计算机的计算负担，而对变化缓慢 的受控对象来说，过多的采样反而没有多少实际意义。所以在实际应用中，可按下 面的原则，结合经验来选择采样周期。 maxmin ttt (4-12) 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 30 式中，tmin为微机执行控制程序所需的时间，tmax为信号频率中最高频率分量 的周期，若采样周期 t 大于此上限，便会丢失部分信息，从而使控制质量变差。另 外，t 的选择，应综合考虑这样一些因素： 1. 给定值的变化频率 加到被控对象上的给定值变化频率越高，采样频率应越高，以使给定值的改变 通过采样迅速得到反映，而不致在随动控制中产生大的时延。 2被控对象的特性 被控对象变化慢，t 一般取得较大，在对象变化较快的场合，t 应取得较小， 另外，从抗干扰的性能要求来看，要求采样周期短，使扰动能迅速得到校正。 3. 使用的算式和执行机构的类型 pi 算式中的积分与采样周期的选择有关，采样周期太小，会使积分作用不明显。 如积分增益 t/ti，当 t 很小时，这个增益也很小。同时，因受微机计算精度的影响， 当采样周期小到一定程度时，前后两次采样的差别反映不出来，使调节作用因而减 弱。此外，执行机构的动作惯性大，采样周期的选择要与之适应，否则执行机构来 不及反应数字控制器输出值的变化。 4. 控制的回路数 一般来讲，考虑到计算机的工作量和各个调节回路的计算成本，要求在控制回 路较多时，相应采样周期越长，以使每个回路的调节算法都有足够的时间来完成。 控制的回路数 n 与采样周期 t 有如下关系: n 1j j tt (4-13) 式中，tj是第 j 个回路控制程序的执行时间。 表 4-1 常见被控量采样周期 被控量采样周期（t）备注 流量 压力 液位 温度 15 310 68 1520 优选 12 优选 68 或取纯滞后时间，对窜级 系统，副环采样周期 =（1/41/5）主环采样周 期 表 4-1 是常用被控量地经验采样周期。实践中，可以表中地数据为基础，通过 试验最后确定最适合的采样周期。 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 31 4.3.24.3.2 数字数字 pipi 控制参数的选择控制参数的选择 如何选择控制算法的参数，要