基于微處理器和PWM的交流可調(diào)穩(wěn)壓電源

　　2.4 單片機(jī)PWM與輸出驅(qū)動(dòng)

　　單片機(jī)采用定周期調(diào)占空比的方式實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)制。其輸出有兩種方式可供選擇，一種輸出方式的脈沖寬度受來(lái)自ADC0809的直流偏置+交流幅值的數(shù)據(jù)控制，脈寬高、低電平延時(shí)量按正弦脈動(dòng)直流規(guī)律變化，這種方式的輸出電路和程序編寫(xiě)都簡(jiǎn)單，但輸出端需增加隔直流電容，適用于輸出功率不大的應(yīng)用場(chǎng)合，如圖8單片機(jī)PWM脈寬驅(qū)動(dòng)電路所示；另一種是以ADC0809輸出的最高數(shù)字位作為正負(fù)符號(hào)位（所加的直流偏置幅值），對(duì)負(fù)數(shù)求補(bǔ)后再?zèng)Q定輸出脈沖寬度，這相當(dāng)于用軟件整流，輸出的脈寬按全波整流波形的規(guī)律變化，為使輸出電壓按正弦交流變化，輸出電路需增加極性變換電路，不需要隔直流電容，單片機(jī)需增加變極性控制端子，這種方式適用于輸出功率較大且不適用隔直流電容的應(yīng)用場(chǎng)合。

　　請(qǐng)參看圖9單電源變極性交流輸出仿真電路。

　　3 單片機(jī)PWM的交流穩(wěn)壓原理

　　電源在實(shí)際使用中往往由于電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流的變化導(dǎo)致電壓波動(dòng)，嚴(yán)重影響電橋測(cè)量的精確度。要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，必然要引入閉環(huán)的負(fù)反饋控制。對(duì)交變的正弦信號(hào)，如何確定給定值和反饋值是實(shí)現(xiàn)交流穩(wěn)壓的關(guān)鍵。

　　3.1 交流給定值的確定

　　交流給定值的確定有很多方法，如采用數(shù)表法確定每一采樣時(shí)刻的給定值，此方法需要的存儲(chǔ)空間很大，而且要求精度越高，所需存儲(chǔ)空間越大，不太適合存儲(chǔ)空間有限的單片機(jī)。一種簡(jiǎn)單有效的方法是采用默認(rèn)值加鍵入增減值作為給定值，這是一個(gè)數(shù)字量，對(duì)應(yīng)著正常交流輸入情況下的交流輸出有效值。

　　3.2 反饋值的檢測(cè)與量化

　　對(duì)實(shí)際輸出的交流電壓作全波整流和平均值檢測(cè)，然后量化為數(shù)字量，可采用的方法也很多，如模數(shù)轉(zhuǎn)換型或壓頻變換計(jì)數(shù)型均可。此數(shù)字量對(duì)應(yīng)著實(shí)際輸出的交流有效值。在調(diào)試過(guò)程中，調(diào)試程序中的相關(guān)參數(shù)，或調(diào)試電路參數(shù)，使正常情況下輸出的電壓有效值達(dá)到給定值時(shí)，反饋的數(shù)字量等于給定值數(shù)字量。

　　3.3 偏差信號(hào)的PID調(diào)節(jié)

　　不論是電網(wǎng)電壓變化，或是負(fù)載電流的變化，都反映在穩(wěn)壓電源輸出電壓的變化上，應(yīng)用單片機(jī)對(duì)反饋值與給定值的差值作數(shù)字PID調(diào)節(jié)，輸出的數(shù)字量用以調(diào)節(jié)輸入端的數(shù)控增益放大器，只要滿足閉環(huán)反饋控制為負(fù)反饋性質(zhì)，就可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差的穩(wěn)壓控制，使交流輸出電壓有效值穩(wěn)定在給定值上。

　　如果只要求輸出電壓穩(wěn)定，允許有靜差存在，可以只采用P比例度控制，這樣可使控制算法大為簡(jiǎn)化。有關(guān)P、PI、PD、PID控制性能對(duì)比如圖10PID階躍響應(yīng)曲線所示。

圖10 PID階躍響應(yīng)曲線

　　由圖示階躍響應(yīng)曲線可知，P和PD控制算法都存在靜差。

　　如果將電網(wǎng)電壓的變化作前饋檢測(cè)，與微處理器的閉環(huán)負(fù)反饋控制結(jié)合構(gòu)成前饋－反饋控制，則會(huì)在電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)提高控制的響應(yīng)速度，使電網(wǎng)電壓的波動(dòng)不影響穩(wěn)壓輸出，取得更好的穩(wěn)壓效果。

　　3.4 PID控制算法的特點(diǎn)

　　PID是經(jīng)典的工業(yè)過(guò)程控制算法，通常應(yīng)用于工作速度不很高的控制過(guò)程中。根據(jù)不同的控制對(duì)象和控制要求，可分別采用比例控制P，比例－積分控制PI，比例－微分控制PD和比例－積分－微分控制PID。其中比例控制的主要作用是對(duì)偏差的放大量，以提高控制靈敏度，但輸出量是以偏差的存在為依存的，通常輸出存在靜差；積分控制的主要作用就是消除靜差，但會(huì)使響應(yīng)速度減??；微分控制則可提高響應(yīng)速度，也存在靜差。有階躍響應(yīng)曲線圖10還可以看出，采用PID調(diào)節(jié)是響應(yīng)速度最快的無(wú)靜差控制。

　　4 單片機(jī)PWM調(diào)制交流穩(wěn)壓電路計(jì)算機(jī)仿真

　　4.1控制電路計(jì)算機(jī)仿真的特點(diǎn)

　　目前流行的電子仿真軟件有好幾款，其中PROTEUS嵌入式系統(tǒng)仿真與開(kāi)發(fā)平臺(tái)是一款可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路、模擬電路、微控制器系統(tǒng)仿真以及PCB設(shè)計(jì)等功能的EDA軟件。

　　從元件的選取到連線，直至電路的調(diào)試、分析和軟件的編譯，都在計(jì)算機(jī)中完成，所有的工作先在虛擬環(huán)境下進(jìn)行?？梢栽谠韴D設(shè)計(jì)階段對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行評(píng)估、驗(yàn)證，看是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求和技術(shù)指標(biāo)，并可以通過(guò)改變?cè)?shù)使整個(gè)電路性能達(dá)到最優(yōu)化。這就避免了傳統(tǒng)電子電路設(shè)計(jì)中方案更換帶來(lái)的多次重復(fù)購(gòu)買元器件及制板，在節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間與經(jīng)費(fèi)的同時(shí)，提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

　　現(xiàn)代化教學(xué)越來(lái)越多地使用多媒體教學(xué)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室電腦教學(xué)，這為開(kāi)展一定量的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了基礎(chǔ)。仿真實(shí)驗(yàn)中不需要擔(dān)心元器件的損壞，也不需要設(shè)立太多的條條框框，學(xué)生可以放心大膽地從多方位對(duì)仿真電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，作更深層次的分析探討。

　　PROTEUS軟件提供了三十多個(gè)元器件庫(kù)，有數(shù)千種元器件，涉及電阻、電容、電感、二極管、晶體管、MOS管、變壓器、繼電器、各種放大器、各種激勵(lì)源、300多種微處理器、各種門電路和各種終端等。提供的儀表有：交直流電壓表、交直流電流表、邏輯分析儀、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、信號(hào)發(fā)生器、多蹤示波器等。作為交互式可視化仿真軟件，提供數(shù)碼管、液晶屏、LED、按鈕、鍵盤等外設(shè)，同時(shí)支持圖形化的分析功能，具有直流工作點(diǎn)、瞬態(tài)特性、交直流參數(shù)掃描、頻率特性、傅里葉、失真、噪聲分析等多種分析功能，可將仿真曲線繪制到圖表中?？梢?jiàn)擁有了仿真軟件，如同擁有了一個(gè)龐大的實(shí)驗(yàn)室。

　　4.2 交流穩(wěn)壓電路計(jì)算機(jī)仿真電路與輸出波形

　　圖11是電阻性負(fù)載的交流穩(wěn)壓電源仿真電路圖，圖12給出了示波器檢測(cè)的波形圖，圖中黃色為單片機(jī)脈寬輸出波形，藍(lán)色為晶體管脈沖驅(qū)動(dòng)波形，紅色為脈沖續(xù)流濾波后輸出的正弦交流波形，綠色為提供參考的輸入交流波形。由輸出波形可知除有一定延時(shí)外，無(wú)任何波形畸變，無(wú)諧波污染。仿真實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)交流電源頻率提高到100Hz時(shí)，輸出波形平滑度仍相當(dāng)好。圖12是有續(xù)流時(shí)的濾波輸出電壓波形；圖13是切斷二極管續(xù)流支路后的脈沖驅(qū)動(dòng)波形和交流輸出電壓波形，可以看到明顯的輸出電壓波形畸變和諧波污染現(xiàn)象。由此可知續(xù)流濾波對(duì)輸出電壓波形的重要性。

圖11 PWM調(diào)制交流穩(wěn)壓計(jì)算機(jī)仿真電路