摘要PAGE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：學(xué)生：學(xué)號：指導(dǎo)教師：2009年06月PAGEI摘要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、過流、過壓、過熱和短路保護(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PAGEIISinusoidalThree-phaseInverterPowerSoftwareDesignAbstractInthispaper,wedesignedaAD/DC/ACinverterpowersystem.ThesystemusesXC164microcontroller,usingSPWMinvertercontroltechnology,reverseDCvoltageintoavoltage,variablefrequencyACoutputwaveformsimilartosinewavepoweroutputtoachievethethree-phasesinewaveoutputinverter.Andtheuseofdouble-loopPIDcontrol,sothattheoutputlinevoltageRMSto36V,themaximumeffectivevalueofoutputcurrent3A.System,theregulatoralsohasagoodperformanceandverysmallwaveformdistortion,andtocarryoutself-inspection,over-current,over-voltage,overheatingandshortcircuitprotection.Keywords：sinusoidalpulsewidthmodulation;PIDcontrol;A/Dtransformation;frequency-variablepowersupplierPAGEii目錄TOC\o"1-3"\h\u19077摘要 I24603Abstract II304851緒論 2142461.1前言 2326171.2課題研究背景及意義 2322371.3國內(nèi)外相關(guān)研究情況 2272451.4本文主要研究工作 2287902三相正弦變頻技術(shù)相關(guān)理論研究 4124662.1正弦波生成方案的研究 466972.1.1PWM控制的基本原理 4152792.1.2SPWM的產(chǎn)生過程 7266352.2PID控制技術(shù)研究 8286993系統(tǒng)硬件簡述 12124683.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 1292143.2XC164單片機(jī)簡介 12114113.2.1簡介 1298373.2.2常用單元介紹 1233913.2.3A/D轉(zhuǎn)換器 13281804系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 1252244.1軟件開發(fā)環(huán)境 12278814.1.1單片機(jī)編程開發(fā)語言 12202534.1.2KeilC編輯器 12150534.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 151354.2.1主程序設(shè)計(jì) 1556064.2.2中斷程序 17244014.2.3SPWM的編程實(shí)現(xiàn) 18283934.2.4輸出電壓和電流有效值的計(jì)算 2090294.2.5PID控制 22104275結(jié)論 283308參考文獻(xiàn) 2911789致謝 307997畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明 3121727畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明 3217302附錄 331緒論11緒論1.1前言近來,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)模擬不同國家的電網(wǎng)狀況，并保證穩(wěn)定性。過去采用調(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，所以市場上需求輸出電壓，頻率無級數(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)的無級調(diào)速。該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是根據(jù)市場的需求而確定的，可填補(bǔ)該產(chǎn)品市場的空白，滿足國內(nèi)制衣業(yè)的急需。1.2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)的無級調(diào)速。該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是根據(jù)市場的需求而確定的，可填補(bǔ)該產(chǎn)品市場的空白，滿足國內(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,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)處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學(xué),向以高頻技術(shù)處理問題為主的現(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)國內(nèi)曾經(jīng)西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）PAGE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)展帶來機(jī)遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)化的標(biāo)志。1.3國內(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)速具有絕對優(yōu)勢,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)格比越來越高，體積越來越小，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公害化而做著新的努力。1.4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，再通過電容濾波的不可控整流電路，將交流整為直流，然后通過軟件產(chǎn)生的SPWM控制。本電路有電流電壓的檢測和緩沖電路,具有過流保護(hù),負(fù)載缺相保護(hù)及負(fù)載不對稱保護(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；對輸出電壓進(jìn)行PID控制；以及根據(jù)輸出電流實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)、負(fù)載缺相保護(hù)及負(fù)載不對稱保護(hù)。根據(jù)課題要求，通過比較，采用德國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，再對逆變電路的輸出信號進(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20Hz～100Hz的三相對稱交流電，各相電壓有效值之差小于0.5V；輸出電壓波形接近正弦波，用示波器觀察無明顯失真；在輸入電壓為198V～242V，負(fù)載電流有效值為0.5A～3A時(shí)，輸出線電壓有效值應(yīng)保持在36V，誤差的絕對值小于5%；當(dāng)輸出電流有效值達(dá)3.6A時(shí)過流保護(hù)動(dòng)作、當(dāng)三相電流中任意兩相電流之差大于0.5A時(shí)，自動(dòng)實(shí)施負(fù)載缺相保護(hù)及負(fù)載不對稱保護(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；對輸出電壓進(jìn)行PID控制；以及根據(jù)輸出電流實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)、負(fù)載缺相保護(hù)及負(fù)載不對稱保護(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PAGE42三相正弦變頻技術(shù)相關(guān)理論研究2.1正弦波生成方案的研究2.1.1PWM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2.1中a、b、c所示的三個(gè)窄脈沖形狀不同，圖2.1a為矩形脈沖，圖2.1b為三角形脈沖，圖2.1c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D2.1d的單脈沖函數(shù)δ(t)時(shí)，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù)。abcd圖2.1形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)PAGE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2.2a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π/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2.2b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2.2PWM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。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2.3單極性SPWM控制原理圖圖2.4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，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(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)系且左右對稱，當(dāng)它與任何一個(gè)平緩變化的調(diào)制信號波形相交時(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波幅值的脈沖，這正好符合PWM控制的要求。當(dāng)調(diào)制信號波為正弦波時(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2.3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2.4所示。2.1.2SPWM的產(chǎn)生過程脈寬調(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。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脈沖信號還要與特定的倒相信號相乘才能得到正負(fù)半波對稱的PWM脈沖信號，與單極性模式相比，盡管雙極性PWM脈沖信號輸出電壓中高次諧波分量較多，但其電路簡單且易于單片機(jī)編程，因此本文采用雙極性的PWM。采用對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2.5所示：圖2.5三相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)通過電流傳感器對電流每個(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其進(jìn)行監(jiān)控，以實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)、負(fù)載缺相保護(hù)和負(fù)載不對稱保護(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，使其操作簡單方便。2.2PID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，它通過比例、積分、微分三部分的合理組合可以用比較簡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2.6表示：圖2.6PID數(shù)學(xué)模型給定值R(t)與實(shí)際值Y(t)構(gòu)成控制誤差:E（t）=R（t）-Y（t）（2.1）PID控制器根據(jù)E(t)將誤差的比例(P)、積分(I)、和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對受控對象進(jìn)行控制，其控制規(guī)律如式2.2所示:U(t)=KP[e(t)+](2.2)U(t)一控制器輸出函數(shù);E(t)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（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）為第n次采樣時(shí)刻計(jì)算機(jī)的輸出；Δu（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；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e（n）是由測量環(huán)節(jié)輸出的測量信號S（t）和設(shè)定值r相比較后采樣而得到的［e（n）＝r（n）－S（n）］，而測量信號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)能夠有效地對偏差信號（測量信號）中的干擾、噪聲進(jìn)行濾波或者對其畸變進(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Δu(k)。采用增量式算法時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出的控制量Δu(k)對應(yīng)的是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的增量，而不是對應(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)必須具有對控制量增量的累積功能，才能完成對被控對象的控制操作。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)；也可以采用軟件來實(shí)現(xiàn)，如利用算式程序化來完成。由式(2.6)可得增量式PID控制算式 (2.5)式中進(jìn)一步可以改寫成 (2.6)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次測量的偏差值即可由式(2.5)或式(2.6)求出控制增量。增量式算法優(yōu)點(diǎn)：①算式中不需要累加?？刂圃隽喀(k)的確定僅與最近3次的采樣值有關(guān)，容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果；②計(jì)算機(jī)每次只輸出控制增量，即對應(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)過程；③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)，可以作到無擾動(dòng)切換。3系統(tǒng)硬件簡述113系統(tǒng)硬件簡述3.1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3.1所示：逆變驅(qū)動(dòng)電路鍵盤單片機(jī)電壓反饋電路三相負(fù)載整流濾波電路液晶顯示濾波電路隔離變壓器逆變電路逆變驅(qū)動(dòng)電路鍵盤單片機(jī)電壓反饋電路三相負(fù)載整流濾波電路液晶顯示濾波電路隔離變壓器逆變電路電流反饋電路電流反饋電路圖3.1系統(tǒng)原理框圖西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)PAGE3.2XC164單片機(jī)簡介3.2.1簡介本論文中的單片機(jī)選用了德國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、對輸出電壓的PID控制、輸出電壓和電流檢測、液晶顯示、按鍵控制，過流保護(hù)負(fù)載不對稱或缺相保護(hù)等功能。3.2.2常用單元介紹下面本文將對單片機(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)備簡單，可以在線編程，易于調(diào)試，執(zhí)行速度快、存儲容量大。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信號或者接受捕獲觸發(fā)，也可以共同產(chǎn)生控制信號模式，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)器模塊主要是用來產(chǎn)生三相PWM脈沖的。一個(gè)16位的計(jì)數(shù)器通過比較器與三個(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。T12計(jì)時(shí)器通過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)志——CDIR來表示。通過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^軟件控制T12的工作狀態(tài)：對T12RS賦1，T12R置一，T12開始計(jì)數(shù)；對T12RR賦1，T12R清零，T12停止計(jì)數(shù)。對單相信號來說，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，可以通過對其控制以延遲開關(guān)信號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，通過查表的方式來得到正弦信號的幅值，該幅值乘以調(diào)制度后與CAPCOM6-T12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。3.2.3A/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，通過電容的充放電來逼近輸入信號的電壓。（2）在轉(zhuǎn)換階段，該容性網(wǎng)絡(luò)與選定的輸入通道斷開，在逐次逼近過程中，通過參考電壓進(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)144系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1軟件開發(fā)環(huán)境4.1.1單片機(jī)編程開發(fā)語言匯編語言作為一個(gè)符號化的機(jī)器語言，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。匯編語言比機(jī)器語言易于讀寫、易于調(diào)試和修改，同時(shí)也具有機(jī)器語言執(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。對于不同型號的計(jì)算機(jī)，有著不同的結(jié)構(gòu)的匯編語言。相比之下，作為高級語言的c具有可讀性強(qiáng)、編程簡單和調(diào)試方便的特點(diǎn)。C語言是目前非常流行的一種編程語言，除具有高級語言使用方便靈活、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、編程簡單等優(yōu)點(diǎn)外，還可實(shí)現(xiàn)匯編語言的大部分功能，如可直接對硬件進(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代替匯編語言，編寫接口電路的控制軟件。與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，易學(xué)易用，所以本設(shè)計(jì)選用C語言作為單片機(jī)的開發(fā)語言。4.1.2KeilC編輯器本文的XC164單片機(jī)的編程是在Keil-Uvision3開發(fā)軟件環(huán)境下進(jìn)行的。Keil-Uvision3是美國Software公司推出的單片機(jī)C語言軟件開發(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)高級語言的優(yōu)勢。單片機(jī)程序是在Keil-Uvision3軟件下調(diào)試、編譯通過后，通過偉福仿真機(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，通過對工程的操作完成編譯和鏈接。西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)PAGE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4.1Keil主界面介紹4.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.2.1主程序設(shè)計(jì)在程序設(shè)計(jì)時(shí)，為簡化程序流程，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，以及過流保護(hù)、負(fù)載不對稱和缺相保護(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4.2所示：否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4.2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為步長增加；按頻率減小鍵，輸出頻率以1為步長減小。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)此對電路進(jìn)行過流保護(hù)、負(fù)載不對稱和缺相保護(hù)。LCD則根據(jù)計(jì)算的電壓、電流值自動(dòng)更新顯示。4.2.2中斷程序其中，T12、T3中斷服務(wù)程序流程圖分別如圖4.3、4.4所示進(jìn)入T12中斷進(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）=中斷返回輸出SPWM信號將修正結(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e（k）的增量進(jìn)行PID運(yùn)算圖4.3T12中斷服務(wù)程序流程圖中斷返回中斷返回對六路反饋信號進(jìn)行采集存儲啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入中斷圖4.4T3中斷程序流程圖XC164中的T12計(jì)時(shí)器按中心對齊方式進(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)正弦指針分別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，對六路反饋信號進(jìn)行采集存儲，程序由T3返回到T12，對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e（k）的增量進(jìn)行PID運(yùn)算，查正弦表，并利用計(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，輸出SPWM信號，中斷返回。4.2.3SPWM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4.5所示）為例進(jìn)行說明，其流程圖如下：否否是是否θ>360°θθ+△θ比較寄存器1000-Msinθθθ-180°θ<180°開始θθ-180°結(jié)束比較寄存器1000+Msinθ圖4.5SPWM脈沖產(chǎn)生流程圖首先，對CAPCOM6內(nèi)部的T12計(jì)時(shí)器進(jìn)行初始化設(shè)定：CCU6_T12=0;//首先將T12的計(jì)數(shù)器值賦0CCU6_T12PR=1999;//將T12的最大計(jì)數(shù)值設(shè)為1999CCU6_T12MSEL=0x0333;//激活三個(gè)通道，選用比較模式CCU6_T12DTC=0x073f;//使能死區(qū)時(shí)間控制，最大死區(qū)時(shí)間定為1.5usCCU6_TCTR0=0x0080;//計(jì)數(shù)采用中心對齊模式，CCU6_ISR=0xffff;//中斷狀態(tài)清零CCU6_IEN=0x0040;//使能T12OM中斷CCU6_T12IC=0x015f;//中斷級別設(shè)為7CCU6_CC60SR=1000;//分別給三個(gè)比較寄存器賦1000CCU6_CC61SR=1000;CCU6_CC62SR=1000;CCU6_TCTR4=0x0040;//使能影子轉(zhuǎn)移CCU6_TCTR4=0x0002;//T12開始計(jì)數(shù)其中，T12的頻率等于系統(tǒng)頻率。單片機(jī)外部晶振頻率為8MHz，XC164內(nèi)部的鎖相環(huán)使該頻率五倍頻，即系統(tǒng)頻率為40MHz，亦即。T12在一個(gè)計(jì)數(shù)周期內(nèi)從0計(jì)數(shù)到1999，再從1999計(jì)數(shù)到0，共計(jì)數(shù)4000次。因此SPWM的頻率。至于其它兩相SPWM脈沖的產(chǎn)生，其差別只在正弦表指針上。在具體編程實(shí)現(xiàn)時(shí)，我們分別用正弦表偏移量SintabU、SintabV和SintabW來代替圖3.4中的正弦角θ；對應(yīng)于SPWM的頻率，應(yīng)建立一個(gè)10000個(gè)點(diǎn)的正弦表，這樣，正弦表里的一個(gè)點(diǎn)就相當(dāng)于1Hz的頻率，輸出頻率賦給輸出步長。比如輸出頻率為50Hz時(shí)，正弦表取值就以步長50跳變。三個(gè)正弦表偏移量初始值設(shè)為：SintabU=0，SintabV=3333，SintabW=6666，以后，三個(gè)正弦表指針同步變化，即相當(dāng)于三個(gè)正弦波相位兩兩相差120°。正弦表的正弦值在-998到998之間變化，而三角波則在0到1999之間變化，因此寫程序時(shí)給正弦值加了1000。另外，為節(jié)省單片機(jī)內(nèi)存，建立正弦表時(shí)，只給出了前半周期（0到180°）的正弦值，后半周期的正弦值由程序算法實(shí)現(xiàn)，所以開始時(shí)首先判斷相位的范圍，若相位在后半周期，則需做相應(yīng)的變換；若相位超過360°，則應(yīng)先將相位減去360°。得到的正弦值乘以調(diào)制度后和三角波計(jì)數(shù)值做比較，一旦匹配，輸出自動(dòng)電平翻轉(zhuǎn)，如此就產(chǎn)生了SPWM脈沖。4.2.4輸出電壓和電流有效值的計(jì)算要實(shí)現(xiàn)電流過流和負(fù)載不對稱或缺相電路保護(hù)需要知道輸出電流有效值，要實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)幅需要知道電壓有效值，另外，LCD要顯示電壓、電流和功率也需要知道電壓與電流值，因此在單片機(jī)的編程中輸出電壓和電流有效值的計(jì)算特別重要。要計(jì)算輸出電壓和電流的有效值，首先要將反饋電壓和電流等模擬量轉(zhuǎn)換成適合單片機(jī)處理的數(shù)字量，即對反饋電壓和電流進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。XC164內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換主要由T3計(jì)時(shí)器完成，其初始化設(shè)置如下：GPT12E_T3CON=0x0000;//T3向上計(jì)數(shù)，GPT12E_T2CON=0x1027;//T3OTL觸發(fā)GPT12E_T2=0xffff-(5000000/(frequency*SMOUNT));//一個(gè)輸出周期內(nèi)產(chǎn)生20個(gè)中斷GPT12E_T3=GPT12E_T2;GPT12E_T3IC=0x0147;//使能T3中斷，中斷級別為8GPT12E_T3CON_T3R=1;//T3開始計(jì)時(shí)其中，SMOUNT為20的宏定義，T2為T3的輔助計(jì)時(shí)器。T3從5000000/(frequency*20)開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)到65535（0xffff）時(shí)，產(chǎn)生溢出，T3OTL觸發(fā)使T2把0xffff-(5000000/(frequency*20))賦給T3，T3重新開始從5000000/(frequency*20)計(jì)數(shù)，如此反復(fù)。T3的計(jì)數(shù)頻率，而T3每計(jì)數(shù)5000000/(frequency*20)就產(chǎn)生一個(gè)中斷，即T3中斷的頻率為輸出頻率的20倍，亦即一個(gè)輸出周期內(nèi)產(chǎn)生20個(gè)T3中斷，這樣就可以在一個(gè)周期內(nèi)采樣20個(gè)點(diǎn)。T3中斷一次，對三相電壓和三相電流各采樣一個(gè)點(diǎn)，由于三相電壓和電流的A/D轉(zhuǎn)換程序除了通道不同之外基本一樣，所以下面只寫出U相電壓的A/D轉(zhuǎn)換：ADC_CTR0&=0xfff0;//選擇增強(qiáng)型模式ADC_CTR0|=VUCH;//選擇U相電壓通道ADC_CTR0_ADST=1;//開始A/D轉(zhuǎn)換Delay4us();//調(diào)用延遲子程序，大約延遲4usvus[scount]=(ADC_DAT>>2)&0x03ff;//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（ADC-DAT），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2.55us，為保證A/D轉(zhuǎn)換的正確性，在從ADC-DAT取值前必須有大于2.55us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vus[20]、vvs[20]、vws[20]、ius[20]、ivs[20]和iws[20]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：（4.1）（4.2）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。4.2.5PID控制PID控制屬于閉環(huán)控制，是指將被控量的檢測信號反饋，并與被控量的目標(biāo)信號相比較，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，是增量式PI控制。采用增量PI既有利于加快系統(tǒng)的控制過程，又便于對系統(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)量過大，甚至出現(xiàn)振蕩，因此積分常數(shù)的選取一定不能過大。PID增量型控制算法流程如圖4.6：D/AA/D采樣時(shí)刻到否？e(k-2)=e(k-1)e(k-2)=e(k)被控對象將△u（k）輸出給D/A計(jì)算控制增量△u（k）將A/D結(jié)果賦給y(k)求e(k)=r(k)-y(k)高線計(jì)算q0,q1,q2置e（k-1）=e(k-2)=0D/AA/D采樣時(shí)刻到否？e(k-2)=e(k-1)e(k-2)=e(k)被控對象將△u（k）輸出給D/A計(jì)算控制增量△u（k）將A/D結(jié)果賦給y(k)求e(k)=r(k)-y(k)高線計(jì)算q0,q1,q2置e（k-1）=e(k-2)=0NY圖4.6PID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（如圖4.7所示）,其中比例常數(shù)Kp=20，積分常數(shù)Ki=5，微分常數(shù)Kd=0（PI控制）。輸入正弦波與反饋一起經(jīng)過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4.7PID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)過程如下：圖4.8LC低通濾波器的s域表示圖3.2.2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：（4.3）圖4.9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4.9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。如圖4.10所示：圖4.10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幾。圖4.11為比例常數(shù)Kp=20，積分常數(shù)Ki=3，微分常數(shù)Kd=0時(shí)，由Scope窗口看到的波形?？梢钥闯?，此時(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4.11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36.0V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)Kp=20，積分常數(shù)Ki=5，微分常數(shù)Kd=0。5結(jié)論285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，在檢測與控制軟件支持下，通過對變頻電源輸出電壓、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)，對輸出電壓、輸出電流進(jìn)行采集與顯示，并且對輸出電壓進(jìn)行PID控制，使其穩(wěn)定在36V；當(dāng)輸出電流過大（超過3.6A時(shí)），三相電流中任兩相電流相差超過0.5A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)29參考文獻(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,1992[2]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,2001[3]劉志剛.電力電子學(xué).清華大學(xué)出版社，2004[4]張燕賓.SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社，2005[5]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，2004[6]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，2003[7]\o"查看該作者的其它著作"李永平,董欣.\o"查看該書詳細(xì)信息"PSpice電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).\o"查看該出版社的其它出版物"國防工業(yè)出版社，2005[8]施陽.\o"查看該書詳細(xì)信息"MATLAB語言精要及動(dòng)態(tài)仿真工具SIMULINK.西北工業(yè)大學(xué)出版社，1997[9]XC164-16Derivatives（User’Manual），2004[10]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,(10)[11]李玉玲,于長勝,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,(01)[12]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SA8282[14]RashidMH.PowerElectrnics.Prentice-Hall,Inc,1988[15]GuichaoChaoHua,FredC.Lee.EvauationsofSwitched-ModePowerConversionTechnologiesofIPEMC’94,Beijing[16]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,(02)[17]孟慶云,吳瑕,耿士廣等.一種簡單實(shí)用的車載正弦波逆變電源[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2005,(05)[18]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,(01)[19]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30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、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)友和朋友們對我的關(guān)心和幫助。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明31畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識產(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)校可以公布畢業(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32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)表或撰寫過的成果，不包含他人已申請學(xué)位或其他用途使用過的成果。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了致謝。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PAGE附錄主程序：//#pragmaSRC//#pragmaSMALL#include<xc164.h>#include"spwm.h"#include"sample.h"#include"display.h"#defineKey_sP3_P6#defineKey_upP3_P8#defineKey_downP3_P9//PI參數(shù)#definekp20#defineki5externunsignedintvus[];inte_b=0;bitbOutStatus=0;unsignedintfrequency=20;unsignedintvoltage=0;unsignedintcurrent=0;unsignedintpower=0;unsignedintcurrent_u=0;unsignedintcurrent_v=0;unsignedintcurrent_w=0;unsignedlongDkey_time=0;unsignedlongDd_time=0;/*******************************************//*delayoftime*//*******************************************/voidDelayTime(unsignedlongtime){unsignedlongdelay;for(delay=0;delay<time;delay++);}//delaytime=(time*175)ns/*************************************************/intPI(inte){intresult;result=(int)(((long)e*ki+(long)e_b*kp));e_b=