PID功能詳解及PWM波地產(chǎn)生和PWM波形生成原理

1、wordPID功能詳解一、PID限制簡(jiǎn)介PID( Proportional Integral Derivative) 限制是最早開(kāi)展起來(lái)的限制策略 之一,由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高,被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程限制,尤 其適用于可建立準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型確實(shí)定性限制系統(tǒng).在工程實(shí)際中,應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器限制規(guī)律為比例、積分、微分限制, 簡(jiǎn)稱(chēng)PID限制,又稱(chēng)PID調(diào)節(jié),它實(shí)際上是一種算法.PID限制器問(wèn)世至今已有 近70年歷史,它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握,或得不到準(zhǔn)確的數(shù) 學(xué)模型 時(shí),限制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí),系統(tǒng)

2、限制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依 靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定,這時(shí)應(yīng)用PID限制技術(shù)最為方便.即當(dāng)我們不完全了 解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象,或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí),最適 合用PID限制技術(shù).PID限制,實(shí)際中也有PI和PD限制.PID限制器就是根據(jù) 系統(tǒng)的誤 差,利用比例、積分、微分計(jì)算出限制量進(jìn)展限制的.從信號(hào)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(yùn)算與其組合.PID 調(diào)節(jié)器的適用圍：PID調(diào)節(jié)限制是一個(gè)傳統(tǒng)限制方法,它適用于溫度、 壓力、流量、液位等幾乎所有現(xiàn)場(chǎng),不同的現(xiàn)場(chǎng),僅僅是PID參數(shù)應(yīng)設(shè)置不同,只要參數(shù)設(shè)置得當(dāng)均可以到達(dá)很好的效果.均可以

3、到達(dá)0.1%,甚至更高的限制要求.PID限制的缺乏1.在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程往往具有非線(xiàn)性、時(shí)變不確定,難以建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模 型,常規(guī)的PID限制器不能到達(dá)理想的限制效果；2.在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中,由于 受到參數(shù)整定方法煩雜的困擾,常規(guī) PID限制器參數(shù)往往整定不良、效果欠佳, 對(duì)運(yùn)行工況的適應(yīng)水平很差.二、PID限制器各校正環(huán)節(jié)任何閉環(huán)限制系統(tǒng)的首要任務(wù)是要穩(wěn)穩(wěn)定、快快速、準(zhǔn)準(zhǔn)確的響 應(yīng)命令.PID調(diào)整的主要工作就是如何實(shí)現(xiàn)這一任務(wù).增大比例系數(shù)P將加快系統(tǒng)的響應(yīng),它的作用于輸出值較快,但不能很好1 / 25word穩(wěn)定在一個(gè)理想的數(shù)值,不良的結(jié)果是雖較能有效的克制擾動(dòng)的影響, 但有余差 出現(xiàn),過(guò)大

4、的比例系數(shù)會(huì)使 系統(tǒng)有比較大的超調(diào),并產(chǎn)生振蕩,使穩(wěn)定性變壞. 積分能在比例的根底上消除余差,它能對(duì)穩(wěn)定后有累積誤差的系統(tǒng)進(jìn)展誤差修 整,減小穩(wěn)態(tài)誤差.微分具有超前作用,對(duì)于具有容量滯后的限制通道,引入微 分參與限制,在微分項(xiàng)設(shè)置得當(dāng)?shù)那闆r下,對(duì)于提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo),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(dòng)態(tài)誤差減小.綜上所述,P比例限制系統(tǒng)的響應(yīng)快速性,快速作用于輸出,好比 "現(xiàn)在" 現(xiàn)在就起作用,快,I積分限制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,消除過(guò)去的累積誤差,好比 "過(guò) 去"去除過(guò)去積怨,回到準(zhǔn)確軌道,D1微分限制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,具有超 前限制作用,

5、好比"未來(lái)放眼未來(lái),未雨綢繆,穩(wěn)定才能開(kāi)展.當(dāng)然這個(gè)結(jié) 論也 不可一概而論,只是想讓初學(xué)者更加快速的理解 PID的作用.在調(diào)整的時(shí)候,你所要做的任務(wù)就是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)允許的情況下, 在這三個(gè)參 數(shù)之間權(quán)衡調(diào)整,到達(dá)最優(yōu)限制效果,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)快準(zhǔn)的限制特點(diǎn).比例限制可快速、與時(shí)、按比例調(diào)節(jié)偏差,提升限制靈敏度,但有靜差,控 制精度低.積分限制能消除偏差,提升限制精度、改善穩(wěn)態(tài)性能,但易引起震蕩, 造成超調(diào).微分限制是一種超前限制,能調(diào)節(jié)系統(tǒng)速度、減小超調(diào)量、提升穩(wěn) 定性,但其時(shí)間常數(shù)過(guò)大會(huì)引入干擾、系統(tǒng)沖擊大,過(guò)小如此調(diào)節(jié)周期長(zhǎng)、效果 不顯著.比例、 積分、微分限制相互配合,合理選擇 PID調(diào)節(jié)

6、器的參數(shù),即比 例系數(shù)KR積分時(shí)間常數(shù)p i和微分時(shí)間常數(shù)p D,可迅速、準(zhǔn)確、平穩(wěn)的消除 偏差,到達(dá)良好的限制效果.1.比例環(huán)節(jié)成比例地反映限制系統(tǒng)的偏差信號(hào) e(t),偏差一旦產(chǎn)生,限制器立即產(chǎn)生 限制作用,以減小偏差.當(dāng)僅有比例限制時(shí)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(qiáng),動(dòng)態(tài)響應(yīng)越快,消除誤差的水平越強(qiáng).但實(shí)際系統(tǒng)是有慣性的,限制輸出變化后,實(shí)際 y(t)值變化還需等待一段時(shí)間才會(huì)緩慢 變化.由于實(shí)際系統(tǒng)是有慣性的,比例作用不宜太強(qiáng),比例作用太強(qiáng)會(huì)引起系 統(tǒng)振蕩不穩(wěn)定.P參數(shù)的大小應(yīng)在以上定量計(jì)算的根底上根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)情況,現(xiàn)2 / 25wor

7、d場(chǎng)調(diào)試決定,通常將P參數(shù)由大向小調(diào),以能到達(dá)最快響應(yīng)又無(wú)超調(diào)(或無(wú)大的 超調(diào))為最優(yōu)參數(shù).優(yōu)點(diǎn)：調(diào)整系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)比例系數(shù),提升系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度,減低系統(tǒng)的惰性,加快 響應(yīng)速度.缺點(diǎn)：僅用P限制器,過(guò)大的開(kāi)環(huán)比例系數(shù)不僅會(huì)使系統(tǒng)的超調(diào)量增大, 而且會(huì)使 系統(tǒng)穩(wěn)定裕度變小,甚至不穩(wěn)定.2.積分環(huán)節(jié)限制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系.主要用于消除靜差,提升 系統(tǒng)的無(wú)差度.積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)T,T越大,積分作用越弱,反之如此越強(qiáng).為什么要引進(jìn)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(méi)有誤差時(shí)輸出為零,因此比例調(diào)節(jié)

8、不可能 完全消除誤差,不可能使被控的 PV值到達(dá)給定值.必須存在一個(gè)穩(wěn)定的誤差, 以維持一個(gè)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(shuō)的比例 作用是有差調(diào)節(jié),是有靜差的,增強(qiáng)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(chēng)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(jìn)積分作用的目的也就是為了消除靜差,使 y(t)值達(dá) 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(duì)誤差進(jìn)展積分,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)

9、值,到達(dá)無(wú)差調(diào)節(jié)的效果.但由于實(shí)際系統(tǒng)是有慣性的,輸出變化后,y(t)值不會(huì)馬上變化,須等待一 段時(shí)間才緩慢變化,因此積分的快慢必須與實(shí)際系統(tǒng)的慣性相匹配, 慣性大、積 分作用就應(yīng)該弱,積分時(shí)間I就應(yīng)該大些,反之而然.如果積分作用太強(qiáng),積 分輸出變化過(guò)快,就會(huì)引起積分過(guò)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(yīng)以能到達(dá)快速消除誤 差,到達(dá)給定值,又不引起振蕩為準(zhǔn).對(duì)一個(gè)自動(dòng)限制系統(tǒng),如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差,如此稱(chēng)這個(gè)限制系3 / 25word統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(tǒng)System with Steady-state Error .為

10、了 消除穩(wěn)態(tài)誤差,在限制器中必須引入“積分項(xiàng).積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積 分,隨著時(shí)間的增加,積分項(xiàng)會(huì)增大.這樣,即便誤差很小,積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大,它推動(dòng)限制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小,直到等于零.因此,比例+積分(PI)限制器,可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差.PI限制器不但保持了積分限制器消除穩(wěn)態(tài)誤差的 “記憶功能,而且克制了單獨(dú)使 用積分限制消除誤差時(shí)反響不靈敏的缺點(diǎn).優(yōu)點(diǎn)：消除穩(wěn)態(tài)誤差.缺點(diǎn)：積分限制器的參加會(huì)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(hào)的變化趨勢(shì),并能在偏差信號(hào)變得太大之前,在系統(tǒng)中引入一 個(gè)有效的早期修正信號(hào),從而加快系統(tǒng)的動(dòng)

11、作速度,減少調(diào)節(jié)時(shí)間.在微分限制 中,限制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分即誤差的變化率成正比關(guān)系. 為什么要引進(jìn)微分作用？前面已經(jīng)分析過(guò),不管比例調(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(jìn)展調(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(duì)穩(wěn)態(tài)來(lái)說(shuō)是無(wú)差的, 對(duì)動(dòng)態(tài)來(lái)說(shuō)肯定是有差的,由于對(duì)于負(fù)載變化或給定值變化所產(chǎn)生的擾動(dòng),必須等待產(chǎn)生誤差以后,然后再來(lái)慢慢調(diào)節(jié)予以消除.但一般的限制系統(tǒng),不僅對(duì)穩(wěn)定限制有要求,而且對(duì)動(dòng)態(tài)指標(biāo)也有要求,通 常都要求負(fù)載變化或給定調(diào)整等引起擾動(dòng)后, 恢復(fù)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(mǎn)足要求,必須引入微分作用.比例作用和積 分作用是事

12、后調(diào)節(jié)(即發(fā)生誤差后才進(jìn)展調(diào)節(jié)),而微分作用如此是事前預(yù)防控 制,即一發(fā)現(xiàn)y(t)有變大或變小的趨勢(shì),馬上就輸出一個(gè)阻止其變化的限制信 號(hào),以預(yù)防出現(xiàn)過(guò)沖或超調(diào)等.D越大,微分作用越強(qiáng),D越小,微分作用越弱. 系統(tǒng)調(diào)試時(shí)通常把D從小往大調(diào),具體參數(shù)由試驗(yàn)決定.如：由于給定值調(diào)整或負(fù)載擾動(dòng)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(jìn)展調(diào)節(jié),并且誤差小時(shí),產(chǎn)生的比例和積分調(diào)節(jié)作用也 小,糾正誤差的水平也小,誤差大時(shí),產(chǎn)生的比例和積分作用才增大.由于是 事后調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)指標(biāo)不會(huì)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(shì)就 開(kāi)始調(diào)節(jié),是提前限制,所以與時(shí)性更好,可

13、以最大限度地減少動(dòng)4 / 25word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限制的一種補(bǔ)充,不能起主導(dǎo)作用,微 分作用不能太強(qiáng),太強(qiáng)也會(huì)引起系統(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(diǎn)一點(diǎn)試著加上去.自動(dòng)限制系統(tǒng)在克制誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)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.解決的方法是使抑制誤差的作用的變化“超前, 即在誤差接近零時(shí),抑制誤差的作用就應(yīng)該是零.這就是說(shuō),在限制器中僅引入 “比例項(xiàng)往往是不夠的,比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值,而目前需要增加 的是“

14、微分項(xiàng),它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì).這樣,具有比例+微分的限制器,就能 夠提前使抑制誤差的限制作用等于零,甚至為負(fù)值,從而預(yù)防了被控量的 嚴(yán)重超調(diào).所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象,比例 +微分(PD)限制器能改善 系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性.PD限制只在動(dòng)態(tài)過(guò)程中才起作用,對(duì)恒定穩(wěn)態(tài) 情況起阻斷作用.因此,微分限制在任何情況下都不能單獨(dú)使用.優(yōu)點(diǎn)：使系統(tǒng)的響應(yīng)速度變快,超調(diào)減小,振蕩減輕,對(duì)動(dòng)態(tài)過(guò)程有“預(yù)測(cè)作 用.在低頻段,主要是PI限制規(guī)律起作用,提升系統(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,提升響應(yīng)速 度.因此,限制器可以全面地提升系統(tǒng)的限制性能

15、.三、PID限制器的參數(shù)整定PID 限制器的參數(shù)整定是限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心容.它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID限制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小.PID限制器參數(shù)整定的方法很多,概括起來(lái)有兩大類(lèi)：1 .理論計(jì)算整定法它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定限制器參數(shù).這種方法所 得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用,還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)展調(diào)整和修改.2 .工程整定方法它主要依賴(lài)工程經(jīng)驗(yàn),直接在限制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)展,且方法簡(jiǎn)單、易于掌 握,在工程實(shí)際中被廣泛采用.PID限制器參數(shù)的工程整定方法,主要有臨界比5 / 25word例法、反響曲線(xiàn)法和衰減法.三種方法各有其特點(diǎn),其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn),

16、 然后根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)限制器參數(shù)進(jìn)展整定. 但無(wú)論采用哪一種方法所得到的 限制器參數(shù), 都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)展最后調(diào)整與完善.現(xiàn)在一般采用的是臨 界比例法.利用該方法進(jìn)展 PID限制器參數(shù)的整定步驟如下：1首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；2僅參加比例限制環(huán)節(jié),直 到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩,記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周 期；3在一定的限制度下通過(guò)公式計(jì)算得到 PID限制器的參數(shù).PID調(diào)試一般原如此a.在輸出不振蕩時(shí),增大比例增益P.b.在輸出不振蕩時(shí),減小積分時(shí)間常數(shù)Ti0 c.在輸出不振蕩時(shí),增大微分時(shí)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

17、P時(shí),首先去掉PID的積分項(xiàng)和微分項(xiàng),一般是令Ti=0、Td=0 具體見(jiàn)PID的參數(shù)設(shè)定說(shuō)明,使PID為純比例調(diào)節(jié).輸入設(shè)定為系統(tǒng)允許的 最大值的60%70%由0逐漸加大比例增益 P,直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；再反過(guò)來(lái), 從此時(shí)的比例增益P逐漸減小,直至系統(tǒng)振蕩消失,記錄此時(shí)的比例增益P,設(shè)定PID的比例增益P為當(dāng)前值的60%70%比例增益P調(diào)試完成.b.確定積分時(shí)間常數(shù)Ti比例增益P確定后,設(shè)定一個(gè)較大的積分時(shí)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(guò)來(lái),逐漸加大Ti ,直至系統(tǒng)振蕩消失.記錄此時(shí)的Ti ,設(shè)定PID的積分時(shí)間常數(shù)Ti為當(dāng)前值的150%180%積分時(shí)間 常

18、數(shù)Ti調(diào)試完成.c.確定積分時(shí)間常數(shù)Td積分時(shí)間常數(shù)Td 一般不用設(shè)定,為0即可.假設(shè)要設(shè)定,與確定P和Ti的 方法一樣,取不振蕩時(shí)的30%d.系統(tǒng)空載、帶載聯(lián)調(diào),再對(duì) PID參數(shù)進(jìn)展微調(diào),直至滿(mǎn)足要求.變速積分的根本思想是,設(shè)法改變積分項(xiàng)的累加速度,使其與偏差大小相對(duì)6 / 25word應(yīng)：偏差越大,積分越慢；反之如此越快,有利于提升系統(tǒng)品質(zhì).PW械的產(chǎn)生PWhfi制方式廣泛應(yīng)用于各種限制系統(tǒng)中,但對(duì)脈沖寬度的調(diào)節(jié)一般采用硬 件來(lái)實(shí)現(xiàn).如使用PW肺制器或在系統(tǒng)中增加 PWMfe路1等,如此本錢(qián)高、響 應(yīng)速度慢,而且PW棉制器與系統(tǒng)之間存在兼容問(wèn)題.另外,限制系統(tǒng)中的信號(hào) 采樣通常是由A/D轉(zhuǎn)

19、換器來(lái)完成,因此檢測(cè)精度要求較高時(shí),調(diào)理電路復(fù)雜,而 且因A/D的位數(shù)高,從而使設(shè)計(jì)的系統(tǒng)本錢(qián)居高不下.本文以應(yīng)用于溫度限制系統(tǒng)為例,介紹利用Motorola公司生產(chǎn)的新型單片機(jī)MSP430F413定時(shí)器Time_A設(shè)計(jì)可以用時(shí)間量進(jìn)展溫度采樣以與實(shí)現(xiàn) PWIMH 節(jié)的方法.為了可在使用少量外圍電路的情況下實(shí)現(xiàn)限制系統(tǒng)的高精度測(cè)量和控 制,一方面用時(shí)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(shí)中斷完全用軟件實(shí)現(xiàn) PWMS節(jié),以易于進(jìn)展數(shù)據(jù)的通信和顯示.該系統(tǒng) 在中斷可以解決波形產(chǎn)生的實(shí)時(shí)在線(xiàn)計(jì)算和計(jì)算精度問(wèn)題,可準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地計(jì)算設(shè)定頻率下的脈沖寬度.1單片機(jī)MSP43

20、0F413定時(shí)器MSP43原列J的單片機(jī) F413ft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(fù)雜性,它的實(shí)時(shí)處理水平與各種 外圍模塊使其可應(yīng)用在多個(gè)低功耗領(lǐng)域 2 .MSP430F41316位定時(shí)器Timer_A 有如下主要功能模塊.(1) 一個(gè)可連續(xù)遞增計(jì)數(shù)至預(yù)定值并返回0的計(jì)數(shù)器.(2)軟件可選擇時(shí)鐘源.(3)5個(gè)捕獲/比較存放器,每個(gè)有獨(dú)立的捕獲事件.(4)5個(gè)輸出模塊,支持脈寬調(diào)制的需要.定時(shí)器限制存放器TACTL勺各位可限制Timer_A的配置,并定義16位定時(shí)器的根 本操作,可選擇原始頻率或分頻后的輸入時(shí)鐘源與 4種工作模式.另外還有去除 功能和溢出中斷限制位.

21、5個(gè)捕獲/比較存放器CCRX勺操作一樣,它們通過(guò)各自 的限制存放器CCTLX1展配置.7 / 25word2時(shí)間量采樣與PWF®制的實(shí)現(xiàn)原理 以應(yīng)用于溫度限制系統(tǒng)為例,介紹用定時(shí) 器實(shí)現(xiàn)信號(hào)采樣和PWMI制的方法.該溫度限制系統(tǒng)包括單片機(jī)、溫度測(cè)量電路、 負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路與電源限制、低電壓檢測(cè)和顯示電路等其他外圍局部.單片機(jī)MSP430F413用于測(cè)量和限制溫度的主要 I/O 口有：P1.0:輸出50Hz 方波,用于產(chǎn)生三角波.P1.2:驅(qū)動(dòng)溫度限制執(zhí)行元件,2kHz方波PWMf出.P2.0:脈寬捕捉.2.1 單片機(jī)端口的中斷設(shè)置 溫度限制系統(tǒng)的50Hz方波輸出、PW喻出和輸入捕 捉都是

22、由定時(shí)中斷來(lái)實(shí)現(xiàn).這3個(gè)中斷分別由PR P1和P2口的外圍模塊引起,屬 于外部可屏蔽中斷.初始化時(shí),對(duì)這3個(gè)I/O 口進(jìn)展中斷設(shè)置,并對(duì)Time_A限制 存放器TACT段置,包括輸入信號(hào)2分頻、選用輔助時(shí)鐘ACLK?.當(dāng)定義完捕獲 /比較存放器后,重新賦值TACTL啟動(dòng)定時(shí)器,開(kāi)始連續(xù)遞增計(jì)數(shù).2.2 脈寬捕捉實(shí)現(xiàn)溫度值的采樣 溫度測(cè)量電路將溫度值轉(zhuǎn)換為電壓值,同時(shí)單 片機(jī)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(yīng)寬度的脈沖送入單片機(jī).波形變化如圖1所示.通過(guò)設(shè)置CCTL井的模式位,可將對(duì)應(yīng)的捕獲/比較存放器CCR歿定為捕獲模式, 用

23、于時(shí)間事件的準(zhǔn)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,如此定時(shí)器計(jì)數(shù)的值將被復(fù)制到 CCR葉.根據(jù)這一原理,選定P2.0為輸入引腳, 設(shè)置CCTL為捕獲模式,所測(cè)溫度值由模擬量經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為脈沖后,P2.0捕捉脈沖下降沿,進(jìn)入中斷T2,得到與溫度值一致的單位時(shí)間的脈沖數(shù), 存入CCR2 作進(jìn)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.由于單片機(jī)的時(shí)鐘 準(zhǔn)確度高,而且時(shí)間量是一個(gè)相對(duì)精度極高的量, 但本系統(tǒng)中用時(shí)間量進(jìn)展溫度 采樣可獲得12位的高精度,同時(shí)采用50Hz脈沖,可以大大消除工頻干擾.這些8 / 25word都為進(jìn)展準(zhǔn)確的溫度限制提供了必要的條件.2

24、.3 PWM信號(hào)生成原理 將捕獲/比較存放器CCR0 CCR定義為比較模式,它們 的輸出單元OUT和OUT分別對(duì)應(yīng)單片機(jī)引腳 P1.0TA0和P1.2TA1.進(jìn)入 比較模式后,如果定時(shí)器 CCRX勺計(jì)數(shù)值等于比較存放器x中的值,如此比較信 號(hào)EQUX俞出到輸出單元OUTX,同時(shí)根據(jù)選定的模式對(duì)信號(hào)置位、復(fù)位或翻轉(zhuǎn). 其中：設(shè)置EQU% OUT0J號(hào)翻轉(zhuǎn),信號(hào)時(shí)鐘與定時(shí)器時(shí)鐘同步,這樣就可以在 P1.0弓唧上得至1150Hz的方波信號(hào)；設(shè)置EQU輸出模式為PWMT位/置位.設(shè)定模式下定時(shí)中斷的輸出如圖2所示.根據(jù)設(shè)定的 PWMT位/置位模式,假設(shè) CCR計(jì)數(shù)器溢出,如此 EQU將OUT便位；假設(shè)

25、CCR計(jì)數(shù)器溢出,如此 EQU/ OUT置位.利用CCR0口 CCR1數(shù)起始點(diǎn)的差值,實(shí)現(xiàn)占空比的變化,從而在P1.2 上完成PW麻出.系統(tǒng)對(duì)占空比白調(diào)節(jié)是通過(guò)改變 CCR的基數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的.定時(shí) 器時(shí)鐘為2MHz CCR和CCR0計(jì)數(shù)值為1 000時(shí),可獲得2kHz的PW喻出頻率.負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路將單片機(jī)P1.2引腳輸出的PWM9號(hào)放大濾波,用于驅(qū)動(dòng)大功率的 執(zhí)行元件.t |' FW MI 11 EQI 1 孫JTAtn 卬 I； £5 03軟件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)主程序在主程序中包括系統(tǒng)初始化、定時(shí)器的初始化、溫 度采樣值的讀入、負(fù)載驅(qū)動(dòng)和顯示等.系統(tǒng)進(jìn)展溫度值采樣和PW嘛出均在定時(shí)

26、中斷完成,PWM&出脈沖的占空比方此由PID算法得到.系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示.9 / 25word3.2 PID脈寬調(diào)節(jié) 系統(tǒng)對(duì)脈寬的調(diào)制由PID算法實(shí)現(xiàn).根據(jù)算法原理,本系統(tǒng) 設(shè)計(jì)了一套完全由軟件實(shí)現(xiàn)的 PID算法,并且在限制過(guò)程中完成參數(shù)的自整定. PID調(diào)節(jié)的限制過(guò)程：?jiǎn)纹瑱C(jī)讀出數(shù)字形式的實(shí)際溫度Tn,然后和設(shè)定溫度Tg相比較,得出差值en=Tn-Tg,根據(jù)en的正負(fù)和大小,調(diào)用PID公式,計(jì)算得到 與輸出電壓A un 一致的占空比,調(diào)節(jié)溫度的升降,同時(shí)尋找最優(yōu)條件,改變PID 參數(shù).增量式PID限制算法的輸出量3:IAU.般帆飄儀力丁業(yè)計(jì)7771-2£1?捫式中：

27、工4“17分別為第丘次m 1 ：a fll/i-2次的偏均分別為比例系效,積分系數(shù)、糖分系數(shù)尸為栗樣周期,對(duì)邛Q一巧玲PID調(diào)節(jié)程序直接寫(xiě)入單片機(jī),根據(jù)得到的值改變計(jì)數(shù)器 CCR的基數(shù)值,從而改變輸出脈沖的占空比,到達(dá)調(diào)節(jié) PWMJ目的3.3 定時(shí)中斷 定時(shí)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%勺方波,用以產(chǎn)生三角波,并檢查1 個(gè)周期是否有漏采的數(shù)據(jù).T0奠溢出翻轉(zhuǎn)為高電平,輸出比較間隔為18ms其中,10 / 25wordT1中斷處理的是限制端口的PWM出,并檢查1個(gè)周期是否重復(fù)采集數(shù)據(jù),T1輸 出比較產(chǎn)生低電平,輸出比較

28、間隔為20ms T2中斷捕捉溫度測(cè)量端口的脈寬,得 到所測(cè)的溫度值.4完畢語(yǔ) 利用單片機(jī)MSP430F413定時(shí)器Time_A進(jìn)展溫度采樣以與實(shí)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(jī)中.與傳統(tǒng)方法比較,它不僅可以簡(jiǎn)化測(cè)量和限制電路的硬件結(jié)構(gòu),而且可以方便地建立人機(jī)接口,實(shí)現(xiàn)用軟件調(diào)整參數(shù),使限制更準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、可靠.經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn),該方法應(yīng)用于溫度控 制系統(tǒng)中獲得了預(yù)期的準(zhǔn)確PWM節(jié)波形.該方法同樣可以用于其他單片機(jī)限制 系統(tǒng)中.PW眼術(shù)編輯PWM1一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)展數(shù)字編碼的方法.通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使11 / 25word用,方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平

29、進(jìn)展編碼.PWM1號(hào)仍然是數(shù)字的,由于在給定的任何時(shí)刻,滿(mǎn)幅值的直流供電要么完全有(ON),要么 完全無(wú)(OFF).電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模 擬負(fù)載上去的.通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候,斷的時(shí)候即是供電被斷開(kāi)的時(shí)候.只要帶寬足夠,任何模擬值都可以使用PWMtt展編碼.簡(jiǎn)介脈寬調(diào)制PWM:(Pulse Width Modulation 是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)展限制的一種非常有效的技術(shù),廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中.優(yōu)點(diǎn)PWM勺一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的,在進(jìn)展數(shù)模轉(zhuǎn) 換.可將噪聲影響降到

30、最低可以話(huà)跟電腦一樣.噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1 改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí),也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響.對(duì)噪聲反抗水平的增強(qiáng)是PWM目對(duì)于模擬限制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn), 而且這也是 在某些時(shí)候?qū)WMB于通信的主要原因.從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向PWW以極延長(zhǎng)通信距 離.在接收端,通過(guò)適當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號(hào)復(fù)原為 模擬形式.PWM空制技術(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(xiàng)通訊技術(shù)應(yīng)用到交流傳動(dòng)中,從此為交流傳動(dòng)的推 廣應(yīng)用開(kāi)辟了新的局面.從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波比較,產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制spwMJ號(hào)

31、以限制功率器件的開(kāi)關(guān)開(kāi)始,到目前采用全數(shù)字化方案,完成優(yōu)化的 實(shí)時(shí)在線(xiàn)的PWM&號(hào)輸出,可以說(shuō)直到目前為止,PWMfc各種應(yīng)用場(chǎng)合仍在主導(dǎo) 地位,并一直是人們研究的熱點(diǎn).12 / 25word由于pwiw以同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點(diǎn).由此在交流傳動(dòng)與至其它能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用.pwM!制技術(shù)大致可以分為三類(lèi),正弦pwte 括電壓,電流或磁通的正弦為目標(biāo)的各種 PW此案,多重pw如應(yīng)歸于此類(lèi), 優(yōu)化PWMf隨機(jī)PWM正弦PWI®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 PWMK術(shù)在大功率變頻器中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)如 ABBACS100康列和美

32、國(guó)ROBICO映司的完美無(wú)諧波系列等；而優(yōu)化PWMT追求 的如此是實(shí)現(xiàn)電流諧波畸變率THD最小,電壓利用率最高,效率最優(yōu),與轉(zhuǎn) 矩脈動(dòng)最小以與其它特定優(yōu)化目標(biāo).在70年代開(kāi)始至80年代初,由于當(dāng)時(shí)大功率晶體管主要為雙極性達(dá)林頓三極 管,載波頻率一般最高不超過(guò)5kHz,電機(jī)繞組的電磁噪音與諧波引起的振動(dòng)引起 人們的關(guān)注.為求得改善,隨機(jī)PW0法應(yīng)運(yùn)而生.其原理是隨機(jī)改變開(kāi)關(guān)頻率 使電機(jī)電磁噪音近似為限帶白噪音 在線(xiàn)性頻率坐標(biāo)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(kāi)關(guān)頻率為特征的有色噪音強(qiáng)度大 大削弱.正由于如此,即使在IGBT已被廣泛應(yīng)用的今天,對(duì)于載波頻率必須限 制在

33、較低頻率的場(chǎng)合,隨機(jī) PWM05然有其特殊的價(jià)值DTC限制即為一例；別 一方面如此告訴人們消除機(jī)械和電磁噪音的最優(yōu)方法不是盲目地提升工作頻率, 由于隨機(jī)PWMfc術(shù)提供了一個(gè)分析、解決問(wèn)題的全新思路.幾種PWMI制方法采樣限制理論中有一個(gè)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(shí),其效果根本一樣.PWM限制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論根底,對(duì)半 導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)展限制,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(lái)代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的規(guī)如此對(duì)各 脈沖的寬度進(jìn)展調(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§制的

34、根本原理很早就已經(jīng)提出,但是受電力電子器件電力電子技術(shù), 微電子技術(shù)和自動(dòng)限制技術(shù)的開(kāi)展以與各種新的理論方法,如現(xiàn)代限制理論,非13 / 25word線(xiàn)性系統(tǒng)限制思想的應(yīng)用,PWM空制技術(shù)獲得了空前的開(kāi)展.到目前為止,已出 現(xiàn)了多種PWMI制技術(shù),根據(jù)PWM1制技術(shù)的特點(diǎn),到目前為止主要有以下 8類(lèi) 方法.1相電壓限制PWM等脈寬PWMVVVF(Variable Voltage Variable Frequency裝置在早期是采用 PAM(Pulse Amplitude Modulation限制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,具逆變器局部只能輸出頻率可調(diào)的 方波電壓而不能調(diào)壓.等脈寬PWM1為了克制PAM法的這

35、個(gè)缺點(diǎn)開(kāi)展而來(lái)的,是 PWMfc中最為簡(jiǎn)單的一種.它是把每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為PWMfe,通過(guò)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(dāng) 限制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化.相對(duì)于PAM?去,該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了電 路結(jié)構(gòu),提升了輸入端的功率因數(shù),但同時(shí)也存在輸出電壓中除基波外, 還包含 較大的諧波分量.隨機(jī)PWM在上世紀(jì)70年代開(kāi)始至上世紀(jì)80年代初,由于當(dāng)時(shí)大功率晶體管主要為雙極 性達(dá)林頓三極管,載波頻率一般不超過(guò) 5kHz,電機(jī)繞組的電磁噪音與諧波造成的 振動(dòng)引起了人們的關(guān)注.為求得改善,隨機(jī)PWMT法應(yīng)運(yùn)而生.其原理是隨機(jī)改變 開(kāi)關(guān)頻率使電機(jī)電磁噪首近似

36、為限帶白噪聲在線(xiàn)性頻率坐標(biāo)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(kāi)關(guān)頻率為特征的有色噪 音強(qiáng)度大大削弱.正由于如此,即使在IGBT已被廣泛應(yīng)用的今天,對(duì)于載波頻率 必須限制在較低頻率的場(chǎng)合,隨機(jī)PWM5然有其特殊的價(jià)值；另一方面如此說(shuō)明 了消除機(jī)械和電磁噪音的最優(yōu)方法不是盲目地提升工作頻率,隨機(jī)PW眼術(shù)正是提供了一個(gè)分析,解決這種問(wèn)題的全新思路.SPW昧SPWM(Sinusoidal PWM法是一種比較成熟的,目前使用較廣泛的PWM!.前14 / 25word面提到的采樣限制理論中的一個(gè)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(shí),其效果根本一樣.SP

37、WMI就是以該結(jié)論為理論根底,用脈沖 寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PW瞰形即SPW帔形限制逆變電路中開(kāi) 關(guān)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(yīng)區(qū)間的 面積相等,通過(guò)改變調(diào)制波的頻率和幅值如此可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和 幅值.該方法的實(shí)現(xiàn)有以下幾種方案.等面積法該方案實(shí)際上就是SPW悵原理的直接闡釋,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(jì)算各脈沖的寬度和間隔,并把這些數(shù)據(jù)存于微 機(jī)中,通過(guò)查表的方式生成 PWM1號(hào)限制開(kāi)關(guān)器件的通斷,以到達(dá)預(yù)期的目的 由于此方法是以SPW肺制的根本原理為出發(fā)點(diǎn),可以準(zhǔn)確地計(jì)算出各開(kāi)關(guān)器件 的通斷時(shí)刻,其所

38、得的的波形很接近正弦波,但其存在計(jì)算繁瑣,數(shù)據(jù)占用存大, 不能實(shí)時(shí)限制的缺點(diǎn).硬件調(diào)制法硬件調(diào)制法是為解決等面積法計(jì)算繁瑣的缺點(diǎn)而提出的,其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號(hào),把承受調(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PW瞰形.通常采用等腰三角波作為載波,當(dāng)調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí),所 得到的就是SPW帔形.其實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)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(lái)確定它們的交點(diǎn),在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn) 展限制,就可以生成SPW跛.但是,這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的控 制.軟件生成法由于微機(jī)技術(shù)的開(kāi)展使得用軟件生成 SPW極形變得比較容易,因此,軟件

39、 生成法也就應(yīng)運(yùn)而生.軟件生成法其實(shí)就是用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方法,具有兩種 根本算法,即自然采樣法和規(guī)如此采樣法.15 / 25word自然采樣法以正弦波為調(diào)制波,等腰三角波為載波進(jìn)展比較,在兩個(gè)波形的自然交點(diǎn)時(shí) 刻限制開(kāi)關(guān)器件的通斷,這就是自然采樣法.其優(yōu)點(diǎn)是所得SPW帔形最接近正弦 波,但由于三角波與正弦波交點(diǎn)有任意性, 脈沖中央在一個(gè)周期不等距,從而脈 寬表達(dá)式是一個(gè)超越方程,計(jì)算繁瑣,難以實(shí)時(shí)限制 .規(guī)如此采樣法規(guī)如此采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程實(shí)用方法,一般采用三角波作為載波.其原理就是用三角波對(duì)正弦波進(jìn)展采樣得到階梯波,再以階梯波與三角波的交點(diǎn)時(shí)刻限制開(kāi)關(guān)器件的通斷,從而實(shí)現(xiàn)SPW昧.

40、當(dāng)三角波只在其頂點(diǎn)或底點(diǎn)位 置對(duì)正弦波進(jìn)展采樣時(shí),由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬,在一個(gè)載波周期即采樣周期的位置是對(duì)稱(chēng)的,這種方法稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)規(guī)如此采樣.當(dāng)三角波既在其頂點(diǎn)又在底點(diǎn)時(shí)刻對(duì)正弦波進(jìn)展采樣時(shí),由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的 脈寬,在一個(gè)載波周期此時(shí)為采樣周期的兩倍的位置一般并不對(duì)稱(chēng),這種方 法稱(chēng)為非對(duì)稱(chēng)規(guī)如此采樣.規(guī)如此采樣法是對(duì)自然采樣法的改進(jìn),其主要優(yōu)點(diǎn)就是是計(jì)算簡(jiǎn)單,便于在 線(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)算,其中非對(duì)稱(chēng)規(guī)如此采樣法因階數(shù)多而更接近正弦.其缺點(diǎn)是直流電壓利用率較低,線(xiàn)性限制圍較小.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 PW械形中某些主要的低次諧波

41、為目的的方法.其 原理是對(duì)輸出電壓波形按傅氏級(jí)數(shù)展開(kāi),表示為 ucot)=ansinn cot,首先確定 基波分量al的值,再令兩個(gè)不同的an=0,就可以建立三個(gè)方程,聯(lián)立求解得a1,a2 與a3,這樣就可以消去兩個(gè)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16 / 25word諧波的幅值可能會(huì)相當(dāng)大,而且同樣存在計(jì)算復(fù)雜的缺點(diǎn).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, 從而無(wú)視 了直流電壓的利用率,如 SPW%,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

42、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)制信號(hào),三角波為載波,且使兩波幅值相等,以?xún)刹ǖ慕稽c(diǎn)時(shí)刻 限制開(kāi)關(guān)器件的通斷實(shí)現(xiàn)PWMI制.由于當(dāng)梯形波幅值和三角波幅值相等時(shí),其所含的基波分量幅值已超過(guò)了三 角波幅值,從而可以有效地提升直流電壓利用率 .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(xiàn)電壓限制PWM前面所介紹的各種PWM!制方法用于三相逆變電路時(shí),都是對(duì)三相輸出相電 壓分別進(jìn)展限制的,使其輸出接近正弦波,但是,對(duì)于像三相異步電動(dòng)機(jī)這樣的 三相無(wú)中線(xiàn)對(duì)稱(chēng)負(fù)載,逆變器輸出不必追求相電壓接近正弦, 而可著眼于使線(xiàn)電 壓趨于正弦.因此,提出了線(xiàn)電壓限

43、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就是諧波注入 PWM?式HIPWM,其原理是在正 弦波中參加一定比例的三次諧波,調(diào)制信號(hào)便呈現(xiàn)出馬鞍形,而且幅值明顯降低, 于是在調(diào)制信號(hào)的幅值不超過(guò)載波幅值的情況下,可以使基波幅值超過(guò)三角波幅 值,提升了直流電壓利用率.在三相無(wú)中線(xiàn)系統(tǒng)中,由于三次諧波電流無(wú)通路,所以三個(gè)線(xiàn)電壓和線(xiàn)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(hào)的其他波 形,這些信號(hào)都不會(huì)影響線(xiàn)17 / 25word電壓.這是由于,經(jīng)過(guò)PWMI制后逆變電路輸出的相電壓也必然包含相應(yīng)的 3 倍頻于正弦波信號(hào)的諧波,但在

44、合成線(xiàn)電壓時(shí),各相電壓中的這些諧波將互相抵 消,從而使線(xiàn)電壓仍為正弦波.單元脈寬調(diào)制法由于,三相對(duì)稱(chēng)線(xiàn)電壓有 Uuv+Uvw+Uwu的關(guān)系,所以,某一線(xiàn)電壓任何時(shí) 刻都等于另外兩個(gè)線(xiàn)電壓負(fù)值之和.現(xiàn)在把一個(gè)周期等分為 6個(gè)區(qū)間,每區(qū)間60° ,對(duì)于某一線(xiàn)電壓例如Uuv,半個(gè)周期兩邊600區(qū)間用Uuv本身表示,中間 600區(qū)間用-(Uvw+Uwii表示,當(dāng)將Uvw和Uwurf乍同樣處理時(shí),就可以得到三相 線(xiàn)電壓波形只有半周兩邊600區(qū)間的兩種波形形狀,并且有正有負(fù).把這樣的電 壓波形作為脈寬調(diào)制的參考信號(hào),載波仍用三角波,并把各區(qū)間的曲線(xiàn)用直線(xiàn)近 似實(shí)踐明確,這樣做引起的誤差不大,完全

45、可行,就可以得到線(xiàn)電壓的脈沖 波形,該波形是完全對(duì)稱(chēng),且規(guī)律性很強(qiáng),負(fù)半周是正半周相應(yīng)脈沖列的反相, 因此,只要半個(gè)周期兩邊600區(qū)間的脈沖列一經(jīng)確定,線(xiàn)電壓的調(diào)制脈沖波形就 唯一地確定了 .這個(gè)脈沖并不是開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào),但由于三相線(xiàn)電壓的 脈沖工作模式,就可以確定開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)了.該方法不僅能抑制較多的低次諧波,還可減小開(kāi)關(guān)損耗和加寬線(xiàn)性限制區(qū), 同時(shí)還能帶來(lái)用微機(jī)限制的方便,但該方法只適用于異步電動(dòng)機(jī),應(yīng)用圍較小.電流限制PWM電流限制PWMJ根本思想是把希望輸出的電流波形作為指令信號(hào), 把實(shí)際的 電流波形作為反響信號(hào),通過(guò)兩者瞬時(shí)值的比較來(lái)決定各開(kāi)關(guān)器件的通斷, 使實(shí) 際

46、輸出隨指令信號(hào)的改變而改變P4SEL=0X0EP4DIR=0xFF;P4OUT=0xFFTBCCTL= OUTMOD_77; CCRTeset/setTBCCTL2= OUTMOD_7/ CCR2 reset/set TBCCTL3= OUTMOD_7/ CCR318 / 25wordreset/set TBCCR0=5000; TBCCR1=pwm1d1TBCCR2=pwm2d1TBCCR3=pwm3d1; TBCTL = TBSSEL_2 + TBCLR + MC_1;/MCLK,UF變 TBCCR1,TBCCR2,TBCCR3 改變占空比.TA的你自已改吧.單片機(jī)要選 TA可以輸出7路P

47、WMhPW快形生成原理脈寬調(diào)制Pulse-Width Modulation , PWM術(shù)在電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用極其 廣泛.PWM1式是決定逆變器輸出電壓特性的根本.性能優(yōu)越的PWM1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(duì)稱(chēng)波形會(huì)帶來(lái)大量低次諧 波、偶次諧波以與余弦項(xiàng).因此 PW啾沖波形的對(duì)稱(chēng)性對(duì)輸出特性有很大影響. PWMJ實(shí)現(xiàn)方法一般有兩種：比較法和計(jì)算法.隨著數(shù)字技術(shù)的迅速開(kāi)展和計(jì)算 機(jī)功能的提升,計(jì)算法以其方便靈活的特點(diǎn)成為 PW位現(xiàn)方法的主流.采用計(jì)算 法實(shí)現(xiàn)PWW,根據(jù)每個(gè)載波周期調(diào)制波的取法, 可以分為規(guī)如此采樣PWM口自 然采樣PWM其中,采用規(guī)如此采樣法,計(jì)算簡(jiǎn)

48、單,占用系統(tǒng)軟件資源較少,因 而應(yīng)用比較廣泛；但是由規(guī)如此采樣法計(jì)算出的 PW班形,在系統(tǒng)載波頻率較低 時(shí),輸出精度差,并且在計(jì)算時(shí)需要通過(guò)查表確定計(jì)算結(jié)果,所以并不能保證其波形的對(duì)稱(chēng)性,諧波含量也會(huì)由于波形的不對(duì)稱(chēng)而增加.對(duì)于調(diào)制類(lèi)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圍,載波與調(diào)制波的相位一樣,PWMt形一直保持對(duì)稱(chēng),輸出諧波的低次諧波可以得到消除.但是在載波頻率變化圍大時(shí),電力電子器件的開(kāi)關(guān)頻率變化圍大,在低頻時(shí),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(diǎn)在于載波頻率在調(diào)速過(guò)程中載波不變,高次諧波對(duì)系統(tǒng)的影響根本固 定

49、,可以彌補(bǔ)同步調(diào)制的缺點(diǎn).但是異步調(diào)制無(wú)法在大局部頻率點(diǎn)上都保證調(diào)制 波與載波相位相對(duì)的固定,出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)波形,會(huì)給系統(tǒng)引入大量的低次諧波、偶 次諧波和余弦項(xiàng).分段同步調(diào)制可以綜合以上兩種方式的優(yōu)點(diǎn),但在波比切換時(shí)可能出現(xiàn)電壓突變,甚至震蕩.基于以上理論,本文提出一種新的PWMJ法,可以在異步調(diào)制下,使PW極形在T/2周期始終保持關(guān)于T/4周期的完全對(duì)稱(chēng).1 PWMT法原理 在用數(shù)字化限制技術(shù)產(chǎn)生PW嘛沖時(shí),三角載波實(shí)際上 是不存在的,完全由軟件與硬件定時(shí)器代替,圖1為三角載波的產(chǎn)生原理Ttimer 為定時(shí)器的值用階梯波代替模擬三角波.PWMt沖的產(chǎn)生機(jī)理為：定時(shí)器重復(fù) 根據(jù)PW曬期進(jìn)展計(jì)數(shù).比

50、較存放器用于保持調(diào)制值,比較存放器中的值與定時(shí)19 / 25word器計(jì)數(shù)器的值相比較,當(dāng)兩個(gè)值匹配時(shí),PWM俞出就會(huì)跳變；當(dāng)兩個(gè)值產(chǎn)生二次匹配或者一個(gè)定時(shí)器的周期完畢時(shí),就會(huì)產(chǎn)生第二次輸出跳變.通過(guò)這種方式 就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)周期與比較存放器值成比例的脈沖信號(hào). 在比較單元中重復(fù)完成計(jì) 數(shù)、匹配輸出的過(guò)程,產(chǎn)生 PW時(shí)號(hào),如圖2所示.III三斯M述S產(chǎn)生感短國(guó)2 學(xué)4匕拉*產(chǎn)生PWM仆號(hào)機(jī)應(yīng)基于數(shù)字化限制技術(shù)產(chǎn)生PW啾沖的這種特點(diǎn),利用本文提出的算法,可以 實(shí)現(xiàn)在任何頻率下產(chǎn)生完全對(duì)稱(chēng)的 PW極形.其原理為：根據(jù)三角載波頻率與 DSP系統(tǒng)時(shí)鐘頻率確定定時(shí)器周期,利用數(shù)學(xué)計(jì)算方法,將形成載波的定時(shí)器周 期等分,均分后所得到的數(shù)作為脈寬增量單元,隨時(shí)間遞增.脈寬以脈寬增量為單元成比例地增加或減少.三角載波由軟件與硬件定時(shí)器形成,三角載波的頻率由時(shí)鐘頻率與定時(shí)器的周期 值決定.根據(jù)需要可以選取一個(gè)定時(shí)器周期T1,以確定調(diào)頻過(guò)程中的固定載波頻率.由于載波頻率不變,故整個(gè)調(diào)頻過(guò)程的載波比是變動(dòng)的, 可先設(shè)定在一個(gè) 固定的輸出波頻率fl下的載波比為n1,對(duì)所需的輸出頻率f對(duì)應(yīng)的周期為T(mén) 進(jìn)展處理,如式1所示,x為f處理后