数字式恒流电源的研究毕业论文(编辑修改稿)

数字式恒流电源的研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。 冲量指窄脉冲的面积。 效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。 低频段非常接近，仅在高频段略有差异。 图 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 分别将 图 所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（ RL 电路）上，如图 所示。 其输出电流 i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图 (b)所示。 从波形可以看出，在 i(t)的上升段， i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。 脉冲越窄，各 i(t)响应 波形的差异也越小。 如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。 用傅里叶级数分解后将可看出，各 i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。 16 图 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形 用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波 N 等分，看成 N个相连的脉 冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。 要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。 如图 所示。 图 用 PWM波代替正弦半波 PWM 相关概念 17 就是输出的 PWM 中，高电平保持的时间 与 该 PWM 的时钟周期的时间之比。 例 如，一个 PWM 的频率是 1000Hz，那么它的时钟周期就是 1ms，就是 1000us，如果高电平出现的时间是 200us，那么低电平的时间肯定是 800us，那么占空比就是 200： 1000，也就是说占空比就是 1： 5。 占空比 的最小值。 PWM 波形 周期 的 倒数。 开关电源的控制算法 在介绍开关电源的控制算法之前，我们需要了解控制系统的基本概念，过程控制就是对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制。 图 基本模拟反馈控制回路 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，其输出通过执行器作用于过程。 控制规律用对应的模拟硬件来实现，控制规律的修改需要更换模拟硬件。 以微 型计算机作为控制器。 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。 18 图 微机过程控制系统基本框图 开环控制系统 (openloop control system)是指被控对象的输出 (被控制量 )对控制器 (controller)的输出没有影响。 在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路，所以结构简单，易于实现，但输出误差较大，鉴于本题目对输出误差有严格的要求，所以应该采用闭环控制系统。 闭环控制系统 (closedloop control system)的特点是系统被控对象的输出(被控制量 )会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。 闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈 ( Negative Feedback)，本系统即采用了闭环负反馈控制系统。 在工程实际中， PID（比例、积分、微分）是应用最为广泛的闭环控制规律。 当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。 即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。 PID 控制，实际中也有 PI和 PD 控制。 PID 控制器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。 比例控制是一种最简单的控制方式。 其控制器的输 出与输入误差信号成比例关系。 当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（ Steadystate error）。 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。 对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（ System with Steadystate Error）。 为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。 积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。 即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的 19 输出增大使稳态误 差进一步减小，直到等于零。 因此，比例 +积分 (PI)控制器，会使系统在进入稳态后无稳态误差。 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。 其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后 (delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。 解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。 这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值 ，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例 +微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。 所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例 +微分 (PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 PID 调节器 (1) 模拟 PID 控制系统组成 图 模拟 PID控制系统原理框图 （ 2）模拟 PID 调节器的微分方程和传输函数 PID 调节器是一种线性调节器，它将给定值 r(t)与实际输出值 c(t)的偏差的比例 (P)、积分 (I)、微分 (D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。 PID 调节器的微分方程    t DIP dttdeTdtteTteKtu0)()(1)()( （ 21） 式中 )()()( tctrte  PID 调节器的传输函数 20   STSTKSE SUSD DIP11)( )()( （ 22） (3） PID 调节器各校正环节的作用 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：主要用于消除静差，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。 3）微分环节：能反应偏差信号的变化趋势 (变化速率 )，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的 动作速度，减小调节时间。 PID 控制器 （ 1）模拟 PID 控制规律的离散化 表 21 模拟 PID 控制规律 模拟形式 离散化形式 )()()( tctrte  )()()( nrne  dTtde)( T nene )1()(  t dtte0 )(    nini ieTTie 00 )()( （ 2）数字 PID 控制器的差分方程  000)()()()1()()()()(unununuuneneTTieTTneKnuDIPniDIP   （ 23） 式中 )()( neKnu PP  称为比例项 21 niIPI ieTTKnu0 )()( 称为积分项  )1()()(  neneTTKnu DPD 称为微分项 （ 3） 常用的控制方式 1） P控制 0)()( ununu P  （ 24） 2） PI控制 0)()()( unununu IP  （ 25） 3） PD控制 0)()()( unununu DP  （ 26） 4） PID 控制 0)()()()( ununununu DIP  （ 27） （ 4） PID 算法的两种类型 1）位置型控制   00 )1()()()()( uneneTTieTTneKnu niDIP    （ 28） 2）增量型控制    )2()1(2)()()1()()1()()(neneneTTKneTTKneneKnununuDPIPP （ 29） 本章小结 本章主要讨论了恒流源的工作原理、常见的开关型电源、 PID 控制算法和 PWM调制方式在数字实现方式上的分析，确定了系统的总体方案，对各个模块的功能进行了分析。 22 第三章 电源系统硬件设计 系统硬件总体结构 23 数控直流稳压电源的整机框图如图 31 所示，它主要由 单片机控制电路、整流滤波电路、稳压电路、 DC/DC 转换电路、 D/A 转换电路、采样电路、缓冲放大电路、键盘控制和液晶显示电路等九个模块组成。 AVR 微控制器是数字直流稳压电源的核心。 它通过软件的运行来控制整个仪器的工作，从而完成设定的功能操作。 我们选用的 AVR 为 ATmega 16，它是整个系统的中枢，接收来自键盘的信息，对输入的信息进行处理，从而确定仪器的工作状态及输出电压的大小。 如果发生过热现象， AVR 系统能驱动温度保护电路工作。 此外，如果上位 PC 机有请求，能通过串口接口电路与 PC 机进行通信。 DC/DC 转换采用开关电源芯片 TPS5450，缓冲放大采用精密仪表运放 INA118 和 低噪声 运放 TLC2202 组成 ， 显示电路采用 了 LCD 器件 128*64 液晶显示。 系统框架如图 所示。 图 系统框架图 工作原理和流程分析 本系统整机工作原理 ：系统上电，首先 220V 市电通过降压器降为后级电路所需的 24V 交流电压；再将交流电压整流为脉冲直流电压后经过滤波，由于此脉冲直流电压 含有较大的波纹和高频信号， 所以 必须通过滤波电路加以滤除，才能得到较平滑的直流电压 信号 ；得到的直流电压 输入 稳压电路中，稳压电路 对其 进行稳压 并 24 输出 多路电压，一路 为 DC/DC 模块 提供 稳定的 12～ 18V 直流电压，另几路又通过次级降压为液晶、单片机和运放单独供电；稳定的电压送入 DC/DC 模块保证其正常工作， 以实现改变 DC/DC 模块 的输出电流； DC/DC 输出电流当流经采样电路中 康铜丝 上时被采集 ，采样 出来的 差值进行可调增益放大， 然后放大的电流信号 再通过 低噪声 运放 构 成的缓冲电路送往 单片机 片内 A/D，最后 A/D 对采 集回来的信号进行转换。 AVR 控制器电路 AVR 单片机是 Atmel 公司推出的一款基于 RISC 指令架构的高性能、低功耗的 8位单片机。 所谓精简指令集 RISC（ Reduced Instrution Set Computer）是 20 世纪 90 年代开发出来的，它是综合了半导体集成技术和软件技术性能的新型微处理器架构，是相对于复杂指令集 CISC（ Complex Instrution Set Computer）而言的。 RISC 先使用频率通过最高的简单指令、避免复杂指令、采用固定指令长度、减少指令格式和寻址方式 等方法来缩短指令那个周期，提高处理器的运算速度。 采用这种 RISC 结构，使得 AVR 系列的单片机具备 1MIPS/Mhz 的高速处理能力。 AVR 单片机采用哈佛 (Harvard)总线结构，程序存储器和数据存储器是分开的。 微处理器直接访问全部程序存储器和数据存储器。 并且 AVR 单片机具有 ISP（ In System Programming）功能。 ATmega16 芯片引脚图见图。 25 AGND31X113X212RESET9PD2 (INT0)16PD3 (INT1)17PD4 (OC1B)18PD5 (OC1A)19PB0 (T0)1PB1 (T1)2PB2 (AIN0)3PB3 (AIN1)4PB4 (SS)5PB5 (MOSI)6PB6 (MISO)7PB7 (SCK)8(ADC0) PA040(ADC1) PA139(ADC2) PA238。