三相正弦变频电源的软件设计论文 - 图文(3)

西安工业大学毕业设计(论文)

图2.3 单极性SPWM 控制原理图

图2.4 双极性SPWM 控制原理

但是，这种计算是很烦琐的，正弦波的频率、幅值变化时，结果都要变化。较为实用的方法是采用调制的方法，即把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM 波形。通常采用等腰三角形作为载波，因为等腰三角形上下宽度与高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波形相交时，如在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合PWM控制的要求。当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM 波形。一般根据三角波载波在半个周

6

西安工业大学毕业设计(论文)

期内方向的变化，又可以分为两种情况。三角波载波在半个周期内的方向只在一个方向变化，所得到的SPWM 波形也只在一个方向变化的控制方式成为单极性SPWM 控制方式，如图2.3 所示。如果三角波载波在半个周期内的方向是在正负两个方向变化的，所得到的SPWM 波形也是在两个方向变化的，这时成为双极性SPWM 控制方式如图2.4 所示。 2.1.2 SPWM的产生过程

脉宽调制（PWM）技术是用脉冲宽度不等的一系列矩形脉冲去逼近一个所需要的电压或电流信号。它是利用三角波电压与参考电压相比较，一旦三角波电压和参考电压相比配，输出电平翻转，否则输出电平保持不变，这样就确定了各分段矩形脉冲的宽度。

从脉宽调制的极性看，PWM波又可分为单极性和双极性控制模式两种。由于单极性的PWM脉冲信号还要与特定的倒相信号相乘才能得到正负半波对称的PWM脉冲信号，与单极性模式相比，尽管双极性PWM脉冲信号输出电压中高次谐波分量较多，但其电路简单且易于单片机编程，因此本文采用双极性的PWM。

采用对称的三相正弦波电源供电，有利于减小谐波影响，因此，PWM的参考电压一般为正弦波，参考电压为正弦波的PWM即为SPWM。其具体方法如下：

正弦波脉宽调制技术就是利用三角波电压（载波）和正弦波（调制波）相比较，以确定个分段矩形脉冲的宽度，使输出矩形脉冲逼近正弦波。为了得到三相SPWM脉冲，需要用三个相位两两相差120°的正弦波同时调制一个三角波，如图 2.5所示：

图2.5 三相SPWM产生示意图

在该变频电源系统中，SPWM脉冲是由单片机产生的，SPWM信号要求脉宽按正弦规律变化，因此每一个PWM周期脉宽都要改变，由单片机产生SPWM波就是在初始化时将PWM周期值设定，然后用定时器定时，每个周期产生一次中断，来调整脉宽，从而得到脉宽不断变化的SPWM脉冲。

所谓SPWM正弦脉宽调制法是调制波为正弦波载波为三角波或锯齿波的一种脉

7

西安工业大学毕业设计(论文)

宽调制法.它原理简单,控制和调节性能好,具有消除谐波、调节和稳定输出电压等多种作用,是一种较好的波形改善法。电源的稳定关键是SPWM波形产生的稳定性。现在通用的SPWM实现方法是，通过用单片机查正弦函数表得到SPWM波形;本文把单片机的智能化和控制技术与开关电源的高效率相结合，设计出一款高性能的三相正弦波变频稳压电源。该变频电源可利用反馈电压对输出电压每个周期内采样20个点，据此计算出输出线电压有效值，对其进行PID控制，以实现良好的稳幅特性。 同时通过电流传感器对电流每个周期内采样20个点，并反馈到控制模块，以计算出电流的有效值从而对其进行监控，以实现过流保护、负载缺相保护和负载不对称保护，使该变频电源更加安全可靠。另外，该变频电源还具有液晶显示功能，可以显示输出正弦波的频率、电压、电流和功率，使其操作简单方便。

2.2 PID控制技术研究

PID控制就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的，在PID控制中，比例控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差。但是，比例控制不能消除稳态误差。比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。积分控制的作用是，只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零，从而消除稳态误差。积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。

PID控制是一种比较成熟的控制理论，它通过比例、积分、微分三部分的合理组合可以用比较简单的方法获得令人满意的控制效果。PID的数学模型如图2.6表示：

图2.6 PID数学模型

给定值R(t)与实际值Y(t)构成控制误差:

E（t）=R（t）-Y（t） （2.1） PID控制器根据E(t)将误差的比例(P)、积分(I)、和微分(D)通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制，其控制规律如式2.2所示:

8

西安工业大学毕业设计(论文)

U(t)=KP[e(t)+

1Ti?t0E(t)dt?Tdde(t)dt] (2.2)

U(t)一控制器输出函数;E(t)一控制器误差函数; KP一比例系数;Ti一积分时间常数;Td一微分时间常数;

PID控制算法又分为位置型和增量型两种，分别如下面式（2.3）、式（2.4）所示：

u（n）＝KC｛e（n）＋T／Tre（i）＋

TD／T［e（n）－e（n－1）］｝ （2.3） Δu（n）＝u（n）－u（n－1）

＝KC｛［e（n）－e（n－1）］＋T／Tre（n）＋

TD／T［e（n）－2e（n－1）＋e（n－2）］｝ （2.4）

式中，u（n）为第n次采样时刻计算机的输出；Δu（n）为第n次采样时刻计算机输出的增量；e（n）为第n次采样时刻的偏差信号；T为采样周期；KC为调节器的比例增益；Tr为调节器的积分时间；TD为调节器的微分时间。

由上面两式可知，数字PID控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。由于偏差信号e（n）是由测量环节输出的测量信号S（t）和设定值r相比较后采样而得到的［e（n）＝r（n）－S（n）］，而测量信号中总是存在一些干扰、噪声或者畸变，这些因素都影响上述控制算法的精度，从而使整个控制系统的性能下降。但是，利用数字滤波和动态补偿技术能够有效地对偏差信号（测量信号）中的干扰、噪声进行滤波或者对其畸变进行动态补偿，从而提高数字PID控制算式的精度，改进控制系统的性能。 本设计用的是增量式PID控制算法：

增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量Δu(k)。采用增量式算法时，计算机输出的控制量Δu(k)对应的是本次执行机构位置的增量，而不是对应执行机构的实际位置，因此要求执行机构必须具有对控制量增量的累积功能，才能完成对被控对象的控制操作。执行机构的累积功能可以采用硬件的方法实现；也可以采用软件来实现，如利用算式 程序化来完成。 由式(2.6)可得增量式PID控制算式

(2.5)

式中

进一步可以改写成

式中

、

、

(2.6)

一般计算机控制系统的采样周期T在选定后就不再改变，所以，一旦确定了

9

< …… 此处隐藏：1513字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……