PID功能詳解及PWM波的產(chǎn)生和PWM波形生成原理

1、PID功能詳解一、PID控制簡介 PID( Proportional Integral Derivative)控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應用于工業(yè)過程控制，尤其適用于可建立精確數(shù)學模型的確定性控制系統(tǒng)。 在工程實際中，應用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)，它實際上是一種算法。PID控制器問世至今已有近 70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型 時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參

2、數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應用PID控制技術(shù)最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng) 和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤 差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。 從信號變換的角度而言，超前校正、滯后校正、滯后超前校正可以總結(jié)為比例、積分、微分三種運算及其組合。 PID調(diào)節(jié)器的適用范圍：PID調(diào)節(jié)控制是一個傳統(tǒng)控制方法，它適用于溫度、壓力、流量、液位等幾乎所有現(xiàn)場，不同的現(xiàn)場，僅僅是PID參數(shù)應設置不同，只要參數(shù)設置得當均可以達到很好的效果。均可以達到0.1%，甚至更高的

3、控制要求。PID控制的不足1. 在實際工業(yè)生產(chǎn)過程往往具有非線性、時變不確定，難以建立精確的數(shù)學模型，常規(guī)的PID控制器不能達到理想的控制效果；2. 在實際生產(chǎn)現(xiàn)場中，由于受到參數(shù)整定方法煩雜的困擾，常規(guī)PID控制器參數(shù)往往整定不良、效果欠佳，對運行工況的適應能力很差。二、PID控制器各校正環(huán)節(jié) 任何閉環(huán)控制系統(tǒng)的首要任務是要穩(wěn)（穩(wěn)定）、快（快速）、準（準確）的響應命令。PID調(diào)整的主要工作就是如何實現(xiàn)這一任務。增大比例系數(shù)P 將加快系統(tǒng)的響應，它的作用于輸出值較快，但不能很好穩(wěn)定在一個理想的數(shù)值，不良的結(jié)果是雖較能有效的克服擾動的影響，但有余差出現(xiàn)，過大的比例系數(shù)會使 系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，并

4、產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。積分能在比例的基礎上消除余差，它能對穩(wěn)定后有累積誤差的系統(tǒng)進行誤差修整，減小穩(wěn)態(tài)誤差。微分具有超前作用，對于具有容量滯后的控制通道，引入微分參與控制，在微分項設置得當?shù)那闆r下，對于提高系統(tǒng)的動態(tài)性能指標，有著顯著效果，它可以使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，動態(tài)誤差減小。 綜上所述，P比例控制系統(tǒng)的響應快速性，快速作用于輸出，好比"現(xiàn)在"（現(xiàn)在就起作用，快），I積分控制系統(tǒng)的準確性，消除過去的累積誤差，好比"過 去"（清除過去積怨，回到準確軌道），D微分控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具有超前控制作用，好比"未來"（放眼未來，未

5、雨綢繆，穩(wěn)定才能發(fā)展）。當然這個結(jié)論也 不可一概而論，只是想讓初學者更加快速的理解PID的作用。在調(diào)整的時候，你所要做的任務就是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)允許的情況下，在這三個參數(shù)之間權(quán)衡調(diào)整，達到最佳控制效果，實現(xiàn)穩(wěn)快準的控制特點。 比例控制可快速、及時、按比例調(diào)節(jié)偏差，提高控制靈敏度，但有靜差，控制精度低。積分控制能消除偏差，提高控制精度、改善穩(wěn)態(tài)性能，但易引起震蕩，造成超 調(diào)。微分控制是一種超前控制，能調(diào)節(jié)系統(tǒng)速度、減小超調(diào)量、提高穩(wěn)定性，但其時間常數(shù)過大會引入干擾、系統(tǒng)沖擊大，過小則調(diào)節(jié)周期長、效果不顯著。比例、 積分、微分控制相互配合，合理選擇PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)，即比例系數(shù)KP、積分時間常數(shù)i和微分

6、時間常數(shù)D，可迅速、準確、平穩(wěn)的消除偏差，達到良好的 控制效果。 1. 比例環(huán)節(jié) 成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。 P參數(shù)越小比例作用越強，動態(tài)響應越快，消除誤差的能力越強。但實際系統(tǒng)是有慣性的，控制輸出變化后，實際y(t)值變化還需等待一段時間才會緩慢變化。 由于實際系統(tǒng)是有慣性的，比例作用不宜太強，比例作用太強會引起系統(tǒng)振蕩不穩(wěn)定。P參數(shù)的大小應在以上定量計算的基礎上根據(jù)系統(tǒng)響應情況，現(xiàn)場調(diào)試決定， 通常將P參數(shù)由大向小調(diào)，以能達到最快響應又無超調(diào)(或無大

7、的超調(diào))為最佳參數(shù)。優(yōu)點:調(diào)整系統(tǒng)的開環(huán)比例系數(shù)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，減低系統(tǒng)的惰性，加快響應速度。缺點:僅用P控制器,過大的開環(huán)比例系數(shù)不僅會使系統(tǒng)的超調(diào)量增大，而且會使系統(tǒng)穩(wěn)定裕度變小，甚至不穩(wěn)定。 2. 積分環(huán)節(jié) 控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)T,T越大，積分作用越弱，反之則越強。為什么要引進積分作用？ 比例作用的輸出與誤差的大小成正比，誤差越大，輸出越大，誤差越小，輸出越小，誤差為零，輸出為零。由于沒有誤差時輸出為零，因此比例調(diào)節(jié)不可能完全消除誤差，不可能使被控的PV值達到給定值。必須存在一個穩(wěn)定的誤差，

8、以維持一個穩(wěn)定的輸出，才能使系統(tǒng)的PV值保持穩(wěn)定。這就是通常所說的比例作用是有差調(diào)節(jié)，是有靜差的，加強比例作用只能減少靜差，不能消除靜差(靜差：即靜態(tài)誤差，也稱穩(wěn)態(tài)誤差)。 為了消除靜差必須引入積分作用，積分作用可以消除靜差，以使被控的y(t)值最后與給定值一致。引進積分作用的目的也就是為了消除靜差，使y(t)值達到給定值，并保持一致。 積分作用消除靜差的原理是，只要有誤差存在，就對誤差進行積分，使輸出繼續(xù)增大或減小，一直到誤差為零，積分停止，輸出不再變化，系統(tǒng)的PV值保持穩(wěn)定，y(t)值等于u(t)值，達到無差調(diào)節(jié)的效果。 但由于實際系統(tǒng)是有慣性的，輸出變化后，y(t)值不會馬上變化，須等待

9、一段時間才緩慢變化，因此積分的快慢必須與實際系統(tǒng)的慣性相匹配，慣性大、積分作 用就應該弱，積分時間I就應該大些，反之而然。如果積分作用太強，積分輸出變化過快，就會引起積分過頭的現(xiàn)象，產(chǎn)生積分超調(diào)和振蕩。通常I參數(shù)也是由大往 小調(diào)，即積分作用由小往大調(diào)，觀察系統(tǒng)響應以能達到快速消除誤差，達到給定值，又不引起振蕩為準。 對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差

10、很小，積 分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn) 態(tài)誤差。PI控制器不但保持了積分控制器消除穩(wěn)態(tài)誤差的“記憶功能”，而且克服了單獨使用積分控制消除誤差時反應不靈敏的缺點。優(yōu)點：消除穩(wěn)態(tài)誤差。缺點：積分控制器的加入會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度減小。 3. 微分環(huán)節(jié) 反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。為什么要引進微分作用

11、？ 前面已經(jīng)分析過，不論比例調(diào)節(jié)作用，還是積分調(diào)節(jié)作用都是建立在產(chǎn)生誤差后才進行調(diào)節(jié)以消除誤差，都是事后調(diào)節(jié)，因此這種調(diào)節(jié)對穩(wěn)態(tài)來說是無差的，對動態(tài)來說肯定是有差的，因為對于負載變化或給定值變化所產(chǎn)生的擾動，必須等待產(chǎn)生誤差以后，然后再來慢慢調(diào)節(jié)予以消除。 但一般的控制系統(tǒng)，不僅對穩(wěn)定控制有要求，而且對動態(tài)指標也有要求，通常都要求負載變化或給定調(diào)整等引起擾動后，恢復到穩(wěn)態(tài)的速度要快，因此光有比例和積 分調(diào)節(jié)作用還不能完全滿足要求，必須引入微分作用。比例作用和積分作用是事后調(diào)節(jié)(即發(fā)生誤差后才進行調(diào)節(jié))，而微分作用則是事前預防控制，即一發(fā)現(xiàn) y(t)有變大或變小的趨勢，馬上就輸出一個阻止其變化的

12、控制信號，以防止出現(xiàn)過沖或超調(diào)等。 D越大，微分作用越強，D越小，微分作用越弱。系統(tǒng)調(diào)試時通常把D從小往大調(diào)，具體參數(shù)由試驗決定。 如：由于給定值調(diào)整或負載擾動引起y(t)變化，比例作用和微分作用一定等到y(tǒng)(t)值變化后才進行調(diào)節(jié)，并且誤差小時，產(chǎn)生的比例和積分調(diào)節(jié)作用也小， 糾正誤差的能力也小，誤差大時，產(chǎn)生的比例和積分作用才增大。因為是事后調(diào)節(jié)動態(tài)指標不會很理想。而微分作用可以在產(chǎn)生誤差之前一發(fā)現(xiàn)有產(chǎn)生誤差的趨勢就 開始調(diào)節(jié)，是提前控制，所以及時性更好，可以最大限度地減少動態(tài)誤差，使整體效果更好。但微分作用只能作為比例和積分控制的一種補充，不能起主導作用，微 分作用不能太強，太強也會引起系

13、統(tǒng)不穩(wěn)定，產(chǎn)生振蕩，微分作用只能在P和I調(diào)好后再由小往大調(diào)，一點一點試著加上去。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用， 其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢。這樣，具有比例+微分的控制器，就能 夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有

14、較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在 調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。PD控制只在動態(tài)過程中才起作用，對恒定穩(wěn)態(tài)情況起阻斷作用。因此，微分控制在任何情況下都不能單獨使用。優(yōu)點：使系統(tǒng)的響應速度變快，超調(diào)減小，振蕩減輕，對動態(tài)過程有“預測”作用。 在低頻段，主要是PI控制規(guī)律起作用，提高系統(tǒng)型別，消除或減少穩(wěn)態(tài)誤差；在中高頻段主要是PD規(guī)律起作用，增大截止頻率和相角裕度，提高響應速度。因此，控制器可以全面地提高系統(tǒng)的控制性能。 三、PID控制器的參數(shù)整定 PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。P

15、ID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：1. 理論計算整定法 它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。2. 工程整定方法 它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、 反應曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)， 都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行 PID

16、控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。 PID調(diào)試一般原則a.在輸出不振蕩時，增大比例增益P。b.在輸出不振蕩時，減小積分時間常數(shù)Ti。c.在輸出不振蕩時，增大微分時間常數(shù)Td。 PID調(diào)試一般步驟a. 確定比例增益P確定比例增益P 時，首先去掉PID的積分項和微分項，一般是令Ti=0、Td=0（具體見PID的參數(shù)設定說明），使PID為純比例調(diào)節(jié)。輸入設定為系統(tǒng)允許的最大值的 60%70%，由0逐漸加

17、大比例增益P，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；再反過來，從此時的比例增益P逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時的比例增益P，設定 PID的比例增益P為當前值的60%70%。比例增益P調(diào)試完成。b. 確定積分時間常數(shù)Ti比例增益P確定后，設定一個較大的積分時間常數(shù)Ti的初值，然后逐漸減小Ti，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，之后在反過來，逐漸加大Ti，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時的Ti，設定PID的積分時間常數(shù)Ti為當前值的150%180%。積分時間常數(shù)Ti調(diào)試完成。c. 確定積分時間常數(shù)Td積分時間常數(shù)Td一般不用設定，為0即可。若要設定，與確定 P和Ti的方法相同，取不振蕩時的30%。d. 系統(tǒng)空載、帶載聯(lián)調(diào)，再對PID

18、參數(shù)進行微調(diào)，直至滿足要求。 變速積分的基本思想是，設法改變積分項的累加速度，使其與偏差大小相對應：偏差越大，積分越慢；反之則越快，有利于提高系統(tǒng)品質(zhì)。 PWM波的產(chǎn)生PWM控制方式廣泛應用于各種控制系統(tǒng)中，但對脈沖寬度的調(diào)節(jié)一般采用硬件來實現(xiàn)。如使用PWM控制器或在系統(tǒng)中增加PWM電路1等，則成本高、響應速度慢，而且PWM控制器與系統(tǒng)之間存在兼容問題。另外，控制系統(tǒng)中的信號采樣通常是由A/D轉(zhuǎn)換器來完成，因此檢測精度要求較高時，調(diào)理電路復雜，而且因A/D的位數(shù)高，從而使設計的系統(tǒng)成本居高不下。本文以應用于溫度控制系統(tǒng)為例，介紹利用Motorola公司生產(chǎn)的新型單片機MSP430F413內(nèi)的定

19、時器Time_A設計可以用時間量進行溫度采樣以及實現(xiàn)PWM調(diào)節(jié)的方法。為了可在使用少量外圍電路的情況下實現(xiàn)控制系統(tǒng)的高精度測量和控制，一方面用時間量采樣，在省去1片A/D的情況下得到12位的高精度；另一方面在定時中斷內(nèi)完全用軟件實現(xiàn)PWM調(diào)節(jié)，以易于進行數(shù)據(jù)的通信和顯示。該系統(tǒng)在中斷內(nèi)可以解決波形產(chǎn)生的實時在線計算和計算精度問題，可精確、實時地計算設定頻率下的脈沖寬度。1 單片機MSP430F413及定時器 MSP430系列的單片機F413在超低功耗和功能集成上都有一定的特色，可大大減小外圍電路的復雜性，它的實時處理能力及各種外圍模塊使其可應用在多個低功耗領域2。MSP430F413中通用16

20、位定時器Timer_A有如下主要功能模塊。(1)一個可連續(xù)遞增計數(shù)至預定值并返回0的計數(shù)器。(2)軟件可選擇時鐘源。(3)5個捕獲/比較寄存器，每個有獨立的捕獲事件。(4)5個輸出模塊，支持脈寬調(diào)制的需要。定時器控制寄存器TACTL的各位可控制Timer_A的配置，并定義16位定時器的基本操作，可選擇原始頻率或分頻后的輸入時鐘源及4種工作模式。另外還有清除功能和溢出中斷控制位。5個捕獲/比較寄存器CCRx的操作相同，它們通過各自的控制寄存器CCTLx進行配置。2 時間量采樣及PWM控制的實現(xiàn)原理 以應用于溫度控制系統(tǒng)為例，介紹用定時器實現(xiàn)信號采樣和PWM控制的方法。該溫度控制系統(tǒng)包括單片機、溫

21、度測量電路、負載驅(qū)動電路及電源控制、低電壓檢測和顯示電路等其他外圍部分。單片機MSP430F413中用于測量和控制溫度的主要I/O口有： P1.0：輸出50Hz方波，用于產(chǎn)生三角波。P1.2：驅(qū)動溫度控制執(zhí)行元件，2kHz方波PWM輸出。P2.0：脈寬捕捉。2.1 單片機端口的中斷設置 溫度控制系統(tǒng)的50Hz方波輸出、PWM輸出和輸入捕捉都是由定時中斷來實現(xiàn)。這3個中斷分別由P0、P1和P2口的外圍模塊引起，屬于外部可屏蔽中斷。初始化時，對這3個I/O口進行中斷設置，并對Time_A控制寄存器TACTL設置，包括輸入信號2分頻、選用輔助時鐘ACLK等。當定義完捕獲/比較寄存器后，重新賦值TAC

22、TL，啟動定時器，開始連續(xù)遞增計數(shù)。2.2 脈寬捕捉實現(xiàn)溫度值的采樣 溫度測量電路將溫度值轉(zhuǎn)換為電壓值，同時單片機產(chǎn)生的50Hz方波經(jīng)電容充放電電路變換得到同頻率的三角波，其電壓值切割三角波，從而將溫度值轉(zhuǎn)換為相應寬度的脈沖送入單片機。波形變化如圖1所示。通過設置CCTLx中的模式位，可將對應的捕獲/比較寄存器CCRx設定為捕獲模式，用于時間事件的精確定位。如果在選定的輸入引腳上發(fā)生選定脈沖的觸發(fā)沿，則定時器計數(shù)的值將被復制到CCRx中。根據(jù)這一原理，選定P2.0為輸入引腳，設置CCTL2為捕獲模式，所測溫度值由模擬量經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換為脈沖后，P2.0捕捉脈沖下降沿，進入中斷T2，得到與溫度值一

23、致的單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)，存入CCR2作進一步處理。這樣，系統(tǒng)就在不使用A/D轉(zhuǎn)換器的情況下完成了模數(shù)轉(zhuǎn)換。因為單片機的時鐘精確度高，而且時間量是一個相對精度極高的量，但本系統(tǒng)中用時間量進行溫度采樣可獲得12位的高精度，同時采用50Hz脈沖，可以大大消除工頻干擾。這些都為進行精確的溫度控制提供了必要的條件。2.3 PWM信號生成原理 將捕獲/比較寄存器CCR0和CCR1定義為比較模式，它們的輸出單元OUT0和OUT1分別對應單片機引腳P1.0（TA0）和P1.2（TA1）。進入比較模式后，如果定時器CCRx的計數(shù)值等于比較寄存器x中的值，則比較信號EQUx輸出到輸出單元OUTx中，同時根據(jù)選定的

24、模式對信號置位、復位或翻轉(zhuǎn)。其中：設置EQU0將OUT0信號翻轉(zhuǎn)，信號時鐘與定時器時鐘同步，這樣就可以在P1.0引腳上得到50Hz的方波信號；設置EQU1輸出模式為PWM復位/置位。設定模式下定時中斷的輸出如圖2所示。根據(jù)設定的PWM復位/置位模式，若CCR1計數(shù)器溢出，則EQU1將OUT1復位；若CCR0計數(shù)器溢出，則EQU0將OUT1置位。利用CCR0和CCR1計數(shù)起始點的差值，實現(xiàn)占空比的變化，從而在P1.2上完成PWM輸出。系統(tǒng)對占空比的調(diào)節(jié)是通過改變CCR1的基數(shù)來實現(xiàn)的。定時器時鐘為2MHz、CCR1和CCR0的計數(shù)值為1 000時，可獲得2kHz的PWM輸出頻率。負載驅(qū)動電路將單

25、片機P1.2引腳輸出的PWM信號放大濾波，用于驅(qū)動大功率的執(zhí)行元件。3 軟件設計 3.1 系統(tǒng)主程序 在主程序中包括系統(tǒng)初始化、定時器的初始化、溫度采樣值的讀入、負載驅(qū)動和顯示等。系統(tǒng)進行溫度值采樣和PWM輸出均在定時中斷內(nèi)完成，PWM輸出脈沖的占空比則由PID算法得到。系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。3.2 PID脈寬調(diào)節(jié) 系統(tǒng)對脈寬的調(diào)制由PID算法實現(xiàn)。根據(jù)算法原理，本系統(tǒng)設計了一套完全由軟件實現(xiàn)的PID算法，并且在控制過程中完成參數(shù)的自整定。PID調(diào)節(jié)的控制過程：單片機讀出數(shù)字形式的實際溫度Tn，然后和設定溫度Tg相比較，得出差值en=Tn-Tg，根據(jù)en的正負和大小，調(diào)用PID公式，計算

26、得到與輸出電壓un一致的占空比，調(diào)節(jié)溫度的升降，同時尋找最優(yōu)條件，改變PID參數(shù)。增量式PID控制算法的輸出量3：PID調(diào)節(jié)程序直接寫入單片機內(nèi)，根據(jù)得到的值改變計數(shù)器CCR1的基數(shù)值，從而改變輸出脈沖的占空比，達到調(diào)節(jié)PWM的目的。3.3 定時中斷 定時中斷子程序流程如圖4所示。系統(tǒng)采用的晶振頻率為2MHz，T0中斷的作用是得到頻率為50Hz、占空比為90%的方波，用以產(chǎn)生三角波，并檢查1個周期內(nèi)是否有漏采的數(shù)據(jù)。T0模溢出翻轉(zhuǎn)為高電平，輸出比較間隔為18ms。其中，CCR0加了PWM的模，該值即為CCR0和CCR1的差值，用以產(chǎn)生輸出所需的脈沖寬度。T1中斷內(nèi)處理的是控制端口的PWM輸出，

27、并檢查1個周期內(nèi)是否重復采集數(shù)據(jù)，T1輸出比較產(chǎn)生低電平，輸出比較間隔為20ms。T2中斷捕捉溫度測量端口的脈寬，得到所測的溫度值。4 結(jié)束語 利用單片機MSP430F413內(nèi)的定時器Time_A進行溫度采樣以及實現(xiàn)PWM調(diào)節(jié)的方法，可以廣泛用于具有端口捕捉功能的單片機中。與傳統(tǒng)方法比較，它不僅可以簡化測量和控制電路的硬件結(jié)構(gòu)，而且可以方便地建立人機接口，實現(xiàn)用軟件調(diào)整參數(shù)，使控制更精確、實時、可靠。經(jīng)過實驗，該方法應用于溫度控制系統(tǒng)中獲得了預期的精確PWM調(diào)節(jié)波形。該方法同樣可以用于其他單片機控制系統(tǒng)中。PWM技術(shù)編輯PWM是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方

28、波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。簡介脈寬調(diào)制（PWM:(Pulse Width Modulation）是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。優(yōu)點PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形

29、式的，在進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。可將噪聲影響降到最低（可以話跟電腦一樣。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時，也才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當?shù)腞C或LC網(wǎng)絡可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號還原為模擬形式。PWM控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把這項通訊技術(shù)應用到交流傳動中，從此為交流傳動的推廣應用開辟了新的局面。從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波

30、比較，產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制SPWM信號以控制功率器件的開關開始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實時在線的PWM信號輸出，可以說直到目前為止，PWM在各種應用場合仍在主導地位，并一直是人們研究的熱點。由于PWM可以同時實現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點。由此在交流傳動及至其它能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應用。PWM控制技術(shù)大致可以分為三類，正弦PWM（包括電壓，電流或磁通的正弦為目標的各種PWM方案，多重PWM也應歸于此類），優(yōu)化PWM及隨機PWM。正弦PWM已為人們所熟知，而旨在改善輸出電壓、電流波形，降低電源系統(tǒng)諧波的多重PWM技術(shù)在大功率變頻器中有其獨特的優(yōu)勢（如ABB ACS1000系列和美國ROB

31、ICON公司的完美無諧波系列等）；而優(yōu)化PWM所追求的則是實現(xiàn)電流諧波畸變率（THD）最小，電壓利用率最高，效率最優(yōu)，及轉(zhuǎn)矩脈動最小以及其它特定優(yōu)化目標。在70年代開始至80年代初，由于當時大功率晶體管主要為雙極性達林頓三極管，載波頻率一般最高不超過5kHz，電機繞組的電磁噪音及諧波引起的振動引起人們的關注。為求得改善，隨機PWM方法應運而生。其原理是隨機改變開關頻率使電機電磁噪音近似為限帶白噪音（在線性頻率坐標系中，各頻率能量分布是均勻的），盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開關頻率為特征的有色噪音強度大大削弱。正因為如此，即使在IGBT已被廣泛應用的今天，對于載波頻率必須限制在較低頻率的場合

32、，隨機PWM仍然有其特殊的價值（DTC控制即為一例）；別一方面則告訴人們消除機械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，因為隨機PWM技術(shù)提供了一個分析、解決問題的全新思路。-幾種PWM控制方法采樣控制理論中有一個重要結(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，其效果基本相同.PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎，對半導體開關器件的導通和關斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率.PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)

33、展水平的制約，在上世紀80年代以前一直未能實現(xiàn).直到進入上世紀80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，PWM控制技術(shù)才真正得到應用.隨著電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論,非線性系統(tǒng)控制思想的應用，PWM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展.到目前為止，已出現(xiàn)了多種PWM控制技術(shù)，根據(jù)PWM控制技術(shù)的特點，到目前為止主要有以下8類方法.1 相電壓控制PWM等脈寬PWM法VVVF(Variable Voltage Variable Frequency）裝置在早期是采用PAM(Pulse Amplitude Modulation）控制技術(shù)來實現(xiàn)的，其逆變

34、器部分只能輸出頻率可調(diào)的方波電壓而不能調(diào)壓.等脈寬PWM法正是為了克服PAM法的這個缺點發(fā)展而來的，是PWM法中最為簡單的一種.它是把每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為PWM波，通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化.相對于PAM法，該方法的優(yōu)點是簡化了電路結(jié)構(gòu)，提高了輸入端的功率因數(shù)，但同時也存在輸出電壓中除基波外，還包含較大的諧波分量.隨機PWM在上世紀70年代開始至上世紀80年代初，由于當時大功率晶體管主要為雙極性達林頓三極管，載波頻率一般不超過5kHz,電機繞組的電磁噪音及諧波造成的振動引起了人們的關注.為求得改善，隨機PW

35、M方法應運而生.其原理是隨機改變開關頻率使電機電磁噪音近似為限帶白噪聲（在線性頻率坐標系中，各頻率能量分布是均勻的），盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開關頻率為特征的有色噪音強度大大削弱.正因為如此，即使在IGBT已被廣泛應用的今天，對于載波頻率必須限制在較低頻率的場合，隨機PWM仍然有其特殊的價值；另一方面則說明了消除機械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，隨機PWM技術(shù)正是提供了一個分析，解決這種問題的全新思路.SPWM法SPWM(Sinusoidal PWM）法是一種比較成熟的，目前使用較廣泛的PWM法.前面提到的采樣控制理論中的一個重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣

36、性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同.SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值.該方法的實現(xiàn)有以下幾種方案.等面積法該方案實際上就是SPWM法原理的直接闡釋，用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波，然后計算各脈沖的寬度和間隔，并把這些數(shù)據(jù)存于微機中，通過查表的方式生成PWM信號控制開關器件的通斷，以達到預期的目的.由于此方法是以SPWM控制的基本原理為出發(fā)點，可以準確地計算出各

37、開關器件的通斷時刻，其所得的的波形很接近正弦波，但其存在計算繁瑣，數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大，不能實時控制的缺點.硬件調(diào)制法硬件調(diào)制法是為解決等面積法計算繁瑣的缺點而提出的，其原理就是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.通常采用等腰三角波作為載波，當調(diào)制信號波為正弦波時，所得到的就是SPWM波形.其實現(xiàn)方法簡單，可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來確定它們的交點,在交點時刻對開關器件的通斷進行控制，就可以生成SPWM波.但是，這種模擬電路結(jié)構(gòu)復雜，難以實現(xiàn)精確的控制.軟件生成法由于微機技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成SPWM波形變得

38、比較容易，因此，軟件生成法也就應運而生.軟件生成法其實就是用軟件來實現(xiàn)調(diào)制的方法，其有兩種基本算法，即自然采樣法和規(guī)則采樣法.自然采樣法以正弦波為調(diào)制波，等腰三角波為載波進行比較，在兩個波形的自然交點時刻控制開關器件的通斷，這就是自然采樣法.其優(yōu)點是所得SPWM波形最接近正弦波，但由于三角波與正弦波交點有任意性，脈沖中心在一個周期內(nèi)不等距，從而脈寬表達式是一個超越方程，計算繁瑣，難以實時控制.規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法是一種應用較廣的工程實用方法，一般采用三角波作為載波.其原理就是用三角波對正弦波進行采樣得到階梯波，再以階梯波與三角波的交點時刻控制開關器件的通斷，從而實現(xiàn)SPWM法.當三角波只在其頂

39、點（或底點）位置對正弦波進行采樣時，由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬，在一個載波周期（即采樣周期）內(nèi)的位置是對稱的，這種方法稱為對稱規(guī)則采樣.當三角波既在其頂點又在底點時刻對正弦波進行采樣時，由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬，在一個載波周期（此時為采樣周期的兩倍）內(nèi)的位置一般并不對稱，這種方法稱為非對稱規(guī)則采樣.規(guī)則采樣法是對自然采樣法的改進，其主要優(yōu)點就是是計算簡單，便于在線實時運算，其中非對稱規(guī)則采樣法因階數(shù)多而更接近正弦.其缺點是直流電壓利用率較低，線性控制范圍較小.以上兩種方法均只適用于同步調(diào)制方式中.低次諧波消去法低次諧波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次諧波為目的的方法.

40、其原理是對輸出電壓波形按傅氏級數(shù)展開，表示為u（t)=ansinnt，首先確定基波分量a1的值，再令兩個不同的an=0,就可以建立三個方程，聯(lián)立求解得a1,a2及a3，這樣就可以消去兩個頻率的諧波.該方法雖然可以很好地消除所指定的低次諧波，但是，剩余未消去的較低次諧波的幅值可能會相當大，而且同樣存在計算復雜的缺點.該方法同樣只適用于同步調(diào)制方式中.梯形波與三角波比較法前面所介紹的各種方法主要是以輸出波形盡量接近正弦波為目的，從而忽視了直流電壓的利用率，如SPWM法，其直流電壓利用率僅為86.6%.因此，為了提高直流電壓利用率，提出了一種新的方法-梯形波與三角波比較法.該方法是采用梯形波作為調(diào)制

41、信號，三角波為載波，且使兩波幅值相等，以兩波的交點時刻控制開關器件的通斷實現(xiàn)PWM控制.由于當梯形波幅值和三角波幅值相等時，其所含的基波分量幅值已超過了三角波幅值，從而可以有效地提高直流電壓利用率.但由于梯形波本身含有低次諧波，所以輸出波形中含有5次，7次等低次諧波.線電壓控制PWM前面所介紹的各種PWM控制方法用于三相逆變電路時，都是對三相輸出相電壓分別進行控制的，使其輸出接近正弦波，但是，對于像三相異步電動機這樣的三相無中線對稱負載，逆變器輸出不必追求相電壓接近正弦，而可著眼于使線電壓趨于正弦.因此，提出了線電壓控制PWM，主要有以下兩種方法.馬鞍形波與三角波比較法馬鞍形波與三角波比較法也

42、就是諧波注入PWM方式（HIPWM），其原理是在正弦波中加入一定比例的三次諧波，調(diào)制信號便呈現(xiàn)出馬鞍形，而且幅值明顯降低，于是在調(diào)制信號的幅值不超過載波幅值的情況下，可以使基波幅值超過三角波幅值，提高了直流電壓利用率.在三相無中線系統(tǒng)中，由于三次諧波電流無通路,所以三個線電壓和線電流中均不含三次諧波4.除了可以注入三次諧波以外，還可以注入其他3倍頻于正弦波信號的其他波形，這些信號都不會影響線電壓.這是因為，經(jīng)過PWM調(diào)制后逆變電路輸出的相電壓也必然包含相應的3倍頻于正弦波信號的諧波，但在合成線電壓時，各相電壓中的這些諧波將互相抵消，從而使線電壓仍為正弦波.單元脈寬調(diào)制法因為，三相對稱線電壓有U

43、uv+Uvw+Uwu=0的關系，所以，某一線電壓任何時刻都等于另外兩個線電壓負值之和.現(xiàn)在把一個周期等分為6個區(qū)間，每區(qū)間60°，對于某一線電壓例如Uuv，半個周期兩邊60°區(qū)間用Uuv本身表示，中間60°區(qū)間用-(Uvw+Uwu）表示，當將Uvw和Uwu作同樣處理時，就可以得到三相線電壓波形只有半周內(nèi)兩邊60°區(qū)間的兩種波形形狀，并且有正有負.把這樣的電壓波形作為脈寬調(diào)制的參考信號，載波仍用三角波，并把各區(qū)間的曲線用直線近似（實踐表明，這樣做引起的誤差不大，完全可行），就可以得到線電壓的脈沖波形，該波形是完全對稱，且規(guī)律性很強，負半周是正半周相應脈沖列

44、的反相，因此，只要半個周期兩邊60°區(qū)間的脈沖列一經(jīng)確定，線電壓的調(diào)制脈沖波形就唯一地確定了.這個脈沖并不是開關器件的驅(qū)動脈沖信號，但由于已知三相線電壓的脈沖工作模式，就可以確定開關器件的驅(qū)動脈沖信號了.該方法不僅能抑制較多的低次諧波，還可減小開關損耗和加寬線性控制區(qū)，同時還能帶來用微機控制的方便,但該方法只適用于異步電動機，應用范圍較小.電流控制PWM電流控制PWM的基本思想是把希望輸出的電流波形作為指令信號，把實際的電流波形作為反饋信號，通過兩者瞬時值的比較來決定各開關器件的通斷，使實際輸出隨指令信號的改變而改變P4SEL=0X0E; P4DIR=0xFF; P4OUT=0xFF

45、; TBCCTL1 = OUTMOD_7; / CCR1 reset/set TBCCTL2 = OUTMOD_7; / CCR2 reset/set TBCCTL3 = OUTMOD_7; / CCR3 reset/set TBCCR0=5000; TBCCR1=pwm1d1; TBCCR2=pwm2d1; TBCCR3=pwm3d1; TBCTL = TBSSEL_2 + TBCLR + MC_1;/MCLK,UP 改變TBCCR1,TBCCR2,TBCCR3便改變占空比。TA的你自已改吧。單片機要選TA可以輸出7路PWM的。PWM波形生成原理脈寬調(diào)制(Pulse-Width Modula

46、tion，PWM)技術(shù)在電力電子領域的應用極其廣泛。PWM模式是決定逆變器輸出電壓特性的根本。性能優(yōu)越的PWM模式可以使逆變器具有良好的輸出特性。由傅里葉分析可知，不對稱波形會帶來大量低次諧波、偶次諧波以及余弦項。因此PWM脈沖波形的對稱性對輸出特性有很大影響。 PWM的實現(xiàn)方法一般有兩種：比較法和計算法。隨著數(shù)字技術(shù)的迅速發(fā)展和計算機功能的提高，計算法以其方便靈活的特點成為PWM實現(xiàn)方法的主流。采用計算法實現(xiàn)PWM時，按照每個載波周期內(nèi)調(diào)制波的取法，可以分為規(guī)則采樣PWM和自然采樣PWM。其中，采用規(guī)則采樣法，計算簡單，占用系統(tǒng)軟件資源較少，因而應用比較廣泛；但是由規(guī)則采樣法計算出的PWM波

47、形，在系統(tǒng)載波頻率較低時，輸出精度差，并且在計算時需要通過查表確定計算結(jié)果，所以并不能保證其波形的對稱性，諧波含量也會因為波形的不對稱而增加。 對于調(diào)制類PWM，有三種方式：同步調(diào)制，異步調(diào)制，分段同步調(diào)制三種方式。同步調(diào)制雖然可以在調(diào)制波頻率變化的所有范圍內(nèi)，載波與調(diào)制波的相位相同， PWM波形一直保持對稱，輸出諧波的低次諧波可以得到消除。但是在載波頻率變化范圍大時，電力電子器件的開關頻率變化范圍大，在低頻時，將給系統(tǒng)引入大量較低頻率的諧波。異步調(diào)制的優(yōu)點在于載波頻率在調(diào)速過程中載波不變，高次諧波對系統(tǒng)的影響基本固定，可以彌補同步調(diào)制的缺點。但是異步調(diào)制無法在大部分頻率點上都保證調(diào)制波與載波

48、相位相對的固定，出現(xiàn)不對稱波形，會給系統(tǒng)引入大量的低次諧波、偶次諧波和余弦項。分段同步調(diào)制可以綜合以上兩種方式的優(yōu)點，但在波比切換時可能出現(xiàn)電壓突變，甚至震蕩?；谝陨侠碚?，本文提出一種新的PWM算法，可以在異步調(diào)制下，使PWM波形在T2周期內(nèi)始終保持關于T4 周期的完全對稱。1 PWM算法原理 在用數(shù)字化控制技術(shù)產(chǎn)生PWM脈沖時，三角載波實際上是不存在的，完全由軟件及硬件定時器代替，圖1為三角載波的產(chǎn)生原理(Ttimer為定時器的值)用階梯波代替模擬三角波。 PWM脈沖的產(chǎn)生機理為：定時器重復按照PWM周期進行計數(shù)。比較寄存器用于保持調(diào)制值，比較寄存器中的值與定時器計數(shù)器的值相比較，當兩個值匹配時， PWM輸出就會跳變；當兩個值產(chǎn)生二次匹配或者一個定時器的周期結(jié)束時，就會產(chǎn)生第二次輸出跳變。通過這種方式就會產(chǎn)生一個周期與比較寄存器值成比例的脈沖信號。在比較單元中重復完成計數(shù)、