波分調(diào)功式溫度控制器設(shè)計(jì)-畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　（2009屆）</b></p><p>　題 目波分調(diào)功式溫度控制器設(shè)計(jì)</p><p>　學(xué) 院自動(dòng)化</p><p>　專 業(yè)電氣工程與自動(dòng)化</p><p>　班 級(jí)

2、</p><p>　學(xué) 號(hào)</p><p>　學(xué)生姓名</p><p>　指導(dǎo)教師</p><p>　完成日期2009年6月</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本畢業(yè)設(shè)計(jì)論文探討一種以雙向晶閘管為功率控制元件的、以波形均勻分配的過(guò)零

3、調(diào)功式溫度控制器的技術(shù)方案，首先進(jìn)行整機(jī)方案的可行性分析，提出一種PFM過(guò)零調(diào)功溫度控制方法；并與PWM過(guò)零調(diào)功方法進(jìn)行仿真比較，通過(guò)仿真驗(yàn)證PFM過(guò)零調(diào)功溫度控制方法的優(yōu)越性，最后設(shè)計(jì)溫度控制器的硬件電路。</p><p>　　波分調(diào)功式溫度控制器硬件電路包括過(guò)零調(diào)功主電路、基于V/F轉(zhuǎn)換器的波分電路、調(diào)節(jié)器電路和電源電路。過(guò)零調(diào)功主電路選用過(guò)零型光耦合器觸發(fā)主電路中的雙向晶閘管，波分電路的原理是使用A/D轉(zhuǎn)換

4、器的數(shù)字量輸出端接在D/A轉(zhuǎn)換器的輸入端，再經(jīng)過(guò)V/F轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生有級(jí)的脈沖，再定脈寬，產(chǎn)生導(dǎo)通時(shí)間固定為20ms、占空比可調(diào)的方波脈沖，實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)功。選用A/D 轉(zhuǎn)換器其中7路模擬轉(zhuǎn)換通道，構(gòu)成128級(jí)調(diào)功。調(diào)節(jié)器電路由運(yùn)算放大器構(gòu)成，滿足P、I、D獨(dú)立可調(diào)的PID運(yùn)算電路，最后設(shè)計(jì)電源電路給整機(jī)電路中所用到的芯片供電。</p><p>　　這種溫度控制器可以使加熱負(fù)載的電壓為均勻分配的周波，優(yōu)于一般的PWM過(guò)

5、零調(diào)功溫度控制器，具有加熱溫度波動(dòng)量減小，加熱溫度更加平穩(wěn)的特點(diǎn)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：溫度控制器；過(guò)零調(diào)功；波形均勻分配</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The aim of this graduates design thesis is to explore a technology pro

6、gram of temperature controller which using TRIAC as its power control components, with evenly distributed the waveform and zero-crossing power regulated. First, we do the feasibility analysis of this program; after that

7、proposed a PFM zero-crossing power regulated temperature control methods; The Simulation compared with the general PWM zero power regulation temperature control methods, shows the advance of the PFM zero-crossi</p>

8、<p>　　The temperature controller’s hardware circuit include zero-crossing power regulated main circuit, based on V/F converter waveform evenly distributed circuit, regulator circuit, and supply voltage circuit. Th

9、e main circuit uses zero-crossing opt- coupler open the TRIAC of the main circuit. The waveform evenly distributed circuit connects A/D converter digital output with D/A converter analog input, and connects with t

10、he V/F converter in order to generate pulse within the frequency requirem</p><p>　　This temperature controller can make the voltage of the heating load distribute waveform evenly and can be better than the g

11、eneral PWM zero-crossing power regulation temperature controller. It can reduce heating temperature fluctuations and make the heating temperature more stable.</p><p>　　Key words：Temperature Controller；Zero-c

12、rossing Power Regulation；Waveform Evenly Distribution</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要Ⅰ</b></p><p>　　ABSTRACTⅡ</p><p><b>　　1 前言1&

13、lt;/b></p><p>　　2 波分調(diào)功式溫度控制器方案及其可行性分析3</p><p>　　2.1 波分調(diào)功式溫度控制器的總體框圖與功能分析3</p><p>　　2.1.1 波分調(diào)功式溫度控制器的總體框圖及分析3</p><p>　　2.1.2 波分調(diào)功式溫度控制器的功能及其實(shí)現(xiàn)方案4</p>&

14、lt;p>　　2.2 核心器件的選型5</p><p>　　3 波分式過(guò)零調(diào)功方法及仿真分析6</p><p>　　3.1 一種波形均勻分配的過(guò)零調(diào)功方法研究6</p><p>　　3.1.1 PWM過(guò)零調(diào)功的輸出波動(dòng)量計(jì)算分析6</p><p>　　3.1.2 PFM過(guò)零調(diào)功的輸出波動(dòng)量計(jì)算分析8</p>

15、;<p>　　3.1.3 兩種過(guò)零調(diào)功方法的比較9</p><p>　　3.2 兩種過(guò)零調(diào)功方法的仿真分析9</p><p>　　4 過(guò)零調(diào)功式溫度控制器的設(shè)計(jì)13</p><p>　　4.1 過(guò)零調(diào)功式溫度控制器的電路框圖及分析13</p><p>　　4.2 調(diào)節(jié)算法14</p><p

16、>　　4.3 各單元電路設(shè)計(jì)16</p><p>　　4.3.1 過(guò)零調(diào)功主電路的設(shè)計(jì)16</p><p>　　4.3.2 基于V/F轉(zhuǎn)換器的波分電路17</p><p>　　4.3.3 調(diào)節(jié)器電路設(shè)計(jì)19</p><p>　　4.3.4 輔助電源電路的設(shè)計(jì)20</p><p>　　4.4

17、過(guò)零調(diào)功式溫度控制器的整機(jī)電路及工作原理21</p><p><b>　　5 總結(jié)23</b></p><p><b>　　致謝24</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)25</b></p><p>　　附錄 整機(jī)電路圖27</p><

18、p><b>　　1 前言</b></p><p>　　加熱溫度控制器對(duì)加熱溫度起到控制調(diào)節(jié)作用，應(yīng)用范圍很廣，對(duì)溫度控制的技術(shù)方案多種多樣，技術(shù)方案水平的高低直接影響了控溫效果。從加熱系統(tǒng)溫度控制方案上，有交流相控調(diào)壓溫度控制和交流過(guò)零調(diào)功溫度控制兩種方法。溫度控制方法有PID控制、模糊控制、專家模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、機(jī)械式溫度控制和智能溫度控制方法等，應(yīng)用在不同的領(lǐng)域，針對(duì)不同的

19、控溫對(duì)象和控溫條件。</p><p>　　一般通過(guò)對(duì)交流電電壓的調(diào)節(jié)來(lái)達(dá)到溫度控制的目的，調(diào)壓調(diào)功比較常見(jiàn)的方法有相控調(diào)壓和過(guò)零調(diào)功兩種方法。交流相控調(diào)壓溫度控制是在恒定電源與負(fù)載之間接入晶閘管作為交流電壓控制器，利用晶閘管的相位控制方式，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓溫度控制。過(guò)零調(diào)功是一般的調(diào)功，是用可控硅功率器件，譬如雙向晶閘管，雙向晶閘管作為無(wú)觸點(diǎn)接觸開(kāi)關(guān)，采用脈沖觸發(fā)方式來(lái)控制晶閘管的通斷，調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值，實(shí)現(xiàn)調(diào)功溫度

20、控制的目的。</p><p>　　無(wú)論是交流相控調(diào)壓還是交流過(guò)零調(diào)功溫度控制，輸出的電壓波形都不是均勻分配的周波，即不能實(shí)現(xiàn)波分的目的，波分式過(guò)零調(diào)功可以使負(fù)載輸出的電壓波為均勻分配的周波，由于波形為均勻分配的周波，即導(dǎo)通一個(gè)電源周期，再關(guān)斷一個(gè)或多個(gè)電源周期，形成均勻分配的周波波形，那么輸出電壓的有效值變化更小，使得溫度波動(dòng)量更小，溫度運(yùn)行更加的平穩(wěn)，有利于溫度的控制。</p><p>

21、　　調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)算法有PID控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)、專家模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。</p><p>　?。?） PID控制是在溫度控制中應(yīng)用最廣泛、最基本的一種控制方法。數(shù)字PID算法已成為數(shù)字慣性系統(tǒng)中一種最常用的控制算法。PID控制方法簡(jiǎn)單易行、穩(wěn)定性好、可靠性高，能滿足大多數(shù)控溫的要求[1,2]。常規(guī)PID控制的缺點(diǎn)是魯棒性不強(qiáng)，適應(yīng)性不快，協(xié)調(diào)性不夠好等[3]。</p><p>　　

22、（2）模糊溫度控制，是對(duì)于溫度達(dá)滯后系統(tǒng)，控制溫度要求不同而又很難建立精確的溫控模型，是故用基于數(shù)學(xué)模型的控制技術(shù)如經(jīng)典PID等難以獲得理想的控制效果[4]。模糊控制系統(tǒng)不需要被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，是借助于操作者豐富的控制經(jīng)驗(yàn)，模仿人的思維，通過(guò)制定適當(dāng)?shù)目刂茙?kù)可實(shí)現(xiàn)大滯后系統(tǒng)的溫度控制，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，超調(diào)小的優(yōu)點(diǎn)[5]。</p><p>　　（3）專家模糊控制，運(yùn)用專家系統(tǒng)使溫度控制器獲得關(guān)于溫度控制的更高

23、層次的專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)來(lái)對(duì)模糊控制器的運(yùn)行參數(shù)加以修正，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度以及控制的跟蹤和抗干擾能力[6]。</p><p>　?。?）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是對(duì)更高精度的溫度控制方法，在溫度控制系統(tǒng)中，將溫度的影響因素如天氣、氣溫、外加電壓、被加熱物體性質(zhì)以及被加熱物體溫度等作為網(wǎng)絡(luò)的輸入，將其作為PID控制器的參數(shù)，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為樣本，在微機(jī)上反復(fù)迭代，自我完善與修正，直至系統(tǒng)收斂，得到網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，達(dá)到自整定PID控制器參數(shù)

24、的目的[7]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有學(xué)習(xí)能力、并行計(jì)算能力和非線性映射能力，在解決高度非線性和嚴(yán)重不確定性系統(tǒng)的控制方面具有很大潛力，但是，目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的研究大多仍停留在數(shù)學(xué)仿真和實(shí)驗(yàn)室階段，極少用于實(shí)際系統(tǒng)的控制當(dāng)中[8,9]。</p><p>　　本畢業(yè)設(shè)計(jì)的波分調(diào)功式溫度控制器是一種新型的溫度控制解決方案，探討一種以雙向晶閘管為功率控制元件的、以波形均勻分配的過(guò)零調(diào)功式溫度控制器的技術(shù)方案。提出一種波分過(guò)零調(diào)功方

25、案，使雙向晶閘管在電壓過(guò)零時(shí)開(kāi)通，使加熱負(fù)載上的電壓波形為連續(xù)均勻的周波，并與一般的PWM過(guò)零調(diào)功方法進(jìn)行比較，計(jì)算兩種方法的輸出波動(dòng)量，并利用MATLAB仿真軟件對(duì)兩種過(guò)零調(diào)功方法進(jìn)行仿真。根據(jù)提出的波分過(guò)零調(diào)功方案設(shè)計(jì)溫度控制器的核心部分，即波形均分器，設(shè)計(jì)波分電路，與此同時(shí)設(shè)計(jì)過(guò)零調(diào)功主電路。選取調(diào)節(jié)器算法，進(jìn)而設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器電路，最后設(shè)計(jì)輔助電源電路，完成波分調(diào)功式溫度控制器的硬件電路設(shè)計(jì)。這種溫度控制器可以使加熱負(fù)載的電壓為連續(xù)的

26、均勻分配的周波，優(yōu)于一般的PWM過(guò)零調(diào)功溫度控制器，具有加熱溫度波動(dòng)量減小，加熱溫度更加平穩(wěn)的特點(diǎn)。</p><p>　　2 波分調(diào)功式溫度控制器方案及其可行性分析</p><p>　　2.1 波分調(diào)功式溫度控制器的總體框圖與功能分析</p><p>　　波分調(diào)功式溫度控制器是一種實(shí)現(xiàn)波形均勻分配的溫度控制方案，整體方案的框圖包括調(diào)節(jié)器、波形均分器、過(guò)零型光耦合

27、器電路和雙向晶閘管，波形均分器的輸出驅(qū)動(dòng)過(guò)零型光耦合器，對(duì)雙向晶閘管過(guò)零觸發(fā)導(dǎo)通，來(lái)控制加熱主電路的通斷。調(diào)節(jié)器是基于PID運(yùn)算電路的調(diào)節(jié)器，波形均分器的設(shè)計(jì)方案由A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、V/F轉(zhuǎn)換器和基于NE555定時(shí)器的定脈寬電路構(gòu)成，過(guò)零型光耦合器過(guò)零觸發(fā)雙向晶閘管，導(dǎo)通主電路，整個(gè)設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了波分調(diào)功的設(shè)計(jì)目的。</p><p>　　2.1.1 波分調(diào)功式溫度控制器的總體框圖及分析</p&g

28、t;<p>　　波分調(diào)功式溫度控制器的總體框圖包括調(diào)節(jié)器、波形均分器、過(guò)零型光耦合器、雙向晶閘管和加熱負(fù)載等組成，調(diào)節(jié)器的輸入為給定電壓和反饋電壓，反饋電壓為加熱負(fù)載溫度通過(guò)溫度傳感器轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)，調(diào)節(jié)器的輸出電壓作為波形均分器的輸入，波形均分器產(chǎn)生脈沖驅(qū)動(dòng)過(guò)零型光耦合器，進(jìn)而控制雙向晶閘管的通斷，到達(dá)控制負(fù)載電路的通斷，控制負(fù)載的溫度。</p><p>　　圖2.1 波分調(diào)功式溫度控制器總體框圖

29、</p><p>　　圖2.1為波分調(diào)功式溫度控制器的總體框圖，包括調(diào)節(jié)器、波形均分器、過(guò)零型光耦合器、雙向晶閘管和加熱負(fù)載等組成，輸入信號(hào)包括給定電壓和反饋電壓。溫度控制系統(tǒng)是閉環(huán)控制，需要溫度傳感器，在本設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)的是溫度控制器，而不是溫度控制系統(tǒng)，因此溫度傳感器不在此設(shè)計(jì)中，但設(shè)計(jì)時(shí)留有反饋電壓信號(hào)接口。輸入為給定電壓和反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出為電壓，作為波形均分器的輸入信號(hào)，波形均分器的輸出信號(hào)為脈沖，的脈

30、寬要求為開(kāi)通時(shí)間固定為20ms，驅(qū)動(dòng)過(guò)零型光耦合器，過(guò)零觸發(fā)雙向晶閘管，進(jìn)而控制加熱負(fù)載電路的通斷，使負(fù)載上的電壓波形均勻分配。</p><p>　　波分調(diào)功式溫度控制器核心組成部分波形均分器由A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、V/F轉(zhuǎn)換器和NE555定時(shí)器構(gòu)成的定脈寬電路構(gòu)成，據(jù)此可以畫出波形均分器的框圖2.2。</p><p>　　圖2.2 波形均分器框圖</p><p&

31、gt;　　圖2.2為波形均分器框圖，由A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、V/F轉(zhuǎn)換器和NE555定時(shí)器構(gòu)成的定脈寬電路構(gòu)成，調(diào)節(jié)器的輸出電壓作為調(diào)功指令，波形均分器的輸出為脈沖。波形均分器是對(duì)電源電壓波形均勻分配，形成開(kāi)通時(shí)間時(shí)間固定不變，周期可變的脈沖信號(hào)。調(diào)節(jié)器的運(yùn)算結(jié)果作為A/D轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入，再輸給D/A轉(zhuǎn)換器，使無(wú)級(jí)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為有級(jí)的信號(hào)，通過(guò)定脈寬電路，輸出開(kāi)通時(shí)間固定為20ms的脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)過(guò)零型光耦合器。 </p&

32、gt;<p>　　2.1.2 波分調(diào)功式溫度控制器的功能及其實(shí)現(xiàn)方案</p><p>　　波分調(diào)功式溫度控制器是以雙向晶閘管為功率控制元件的、以波形均勻分配的過(guò)零調(diào)功式溫度控制器的技術(shù)方案，可以實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)功，調(diào)功級(jí)數(shù)為128級(jí)調(diào)功。通過(guò)PID調(diào)節(jié)器輸出作為外部調(diào)功指令，經(jīng)過(guò)波形均分器和過(guò)零光耦合器，對(duì)加熱主電路中的雙向晶閘管進(jìn)行觸發(fā)，使得主電路中的負(fù)載上的電壓波形均勻分配，也就減少了加熱溫度的波動(dòng)

33、量。過(guò)零光耦合器的作用是過(guò)零觸發(fā)加熱主電路中的雙向晶閘管。</p><p>　　PID調(diào)節(jié)器是把溫度控制系統(tǒng)的反饋電壓與給定電壓信號(hào)進(jìn)行差分放大電路求出偏差電壓，輸入到由P、I、D運(yùn)算電路并聯(lián)組成的PID電路中，進(jìn)行運(yùn)算后輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端，P、I、D的參數(shù)可以獨(dú)立可調(diào)，且互不影響。波形均分器時(shí)產(chǎn)生開(kāi)通時(shí)間為20ms，周期可變，且周期為20ms的整數(shù)倍的脈沖信號(hào)，輸給過(guò)零光耦合器，觸發(fā)雙向晶閘管。 &

34、lt;/p><p>　　整體的實(shí)現(xiàn)方案由PID調(diào)節(jié)器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、V/F轉(zhuǎn)換器、整定脈寬的NE555定時(shí)器和過(guò)零型光耦合器及以雙向晶閘管為控制器件的加熱主電路。因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換器是把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，D/A轉(zhuǎn)換器是把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，A/D的輸出端接在D/A的輸入端，這樣可以把無(wú)級(jí)的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成為有級(jí)的脈沖信號(hào)，在經(jīng)過(guò)V/F轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為需要的頻率的信號(hào)，定脈寬之后產(chǎn)生開(kāi)通時(shí)間固定為20ms，周期變

35、化的脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)過(guò)零型光耦合器，進(jìn)而觸發(fā)雙向晶閘管，對(duì)主電路的通斷進(jìn)行控制。</p><p>　　2.2 核心器件的選型</p><p>　　溫度控制器由PID調(diào)節(jié)器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、V/F轉(zhuǎn)換器、NE555定時(shí)器和過(guò)零型光耦合器和雙向晶閘管組成，核心器件為PID調(diào)節(jié)器的運(yùn)算放大器，A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器和V/F轉(zhuǎn)換器和過(guò)零型光耦合器。</p><p

36、>　　調(diào)節(jié)器電路的運(yùn)算放大器選用TLC2262，雙路CMOS放大器，電源電壓+5V，高輸入阻抗和低噪音，最大輸入偏置電壓950μV，它的飽和電壓滿足反饋電壓和給定電壓的輸入范圍要求。</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器是構(gòu)成波型均分器的核心器件，要達(dá)到128級(jí)調(diào)功，因此選用8位的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器選用AD7820，是美國(guó)AD公司生產(chǎn)，8位模擬量轉(zhuǎn)換數(shù)字COMS型芯片，采用逐次逼近

37、式A/D轉(zhuǎn)換原理，有一路模擬輸入。D/A轉(zhuǎn)換器輸出的電壓為-5V~0V，作為V/F轉(zhuǎn)換器的輸入電壓，因此D/A轉(zhuǎn)換器可以選用DAC0832，也是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)，8位D/A轉(zhuǎn)換COMS型芯片，單一的+5V供電，基準(zhǔn)電壓的幅度范圍為±10V，電流建立時(shí)間為1μs，功耗低的特點(diǎn)[10]?；鶞?zhǔn)電壓范圍滿足設(shè)計(jì)要求的輸出電壓范圍。</p><p>　　V/F轉(zhuǎn)換器選用滿刻度頻率高，很低的非線性度，輸入電壓

38、范圍要滿足-5V~0V 的范圍要求，因此V/F轉(zhuǎn)換器可以選用AD650，AD650是精密單片壓頻轉(zhuǎn)換器件，動(dòng)態(tài)范圍大，最大工作頻率可達(dá)1MHz。該器件具有體積小、精度高、外圍元件少的特點(diǎn)，輸入電壓范圍為-10V~+10V，具有很低的非線性度[11]。定脈寬電路選用NE555構(gòu)成脈寬調(diào)制電路，通過(guò)外圍的RC電路，定V/F輸出的脈沖寬度，NE555定時(shí)器是一種模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的中規(guī)模集成電路，其邏輯功能強(qiáng)，使用靈活，可以方便組成多種

39、多樣的邏輯路，在NE555的外圍接RC微分電路組成脈寬調(diào)制電路，可以整定脈沖寬度，得到需要的脈寬[12]。</p><p>　　在設(shè)計(jì)過(guò)零調(diào)功主電路時(shí)，有交流電路和直流電路，因此需要光耦合器來(lái)隔離交流電路和直流電路，并且過(guò)零觸發(fā)過(guò)零調(diào)功電路中的雙向晶閘管，因此選用過(guò)零型光耦合器，選用MOC3042，MOC3042是摩托羅拉公司生產(chǎn)的光電隔離器，輸入端驅(qū)動(dòng)電流為介于10mA和20mA之間,根據(jù)MOC3042芯片手冊(cè)

40、可以整定外接電阻和電容的值。通過(guò)這些核心器件的選型，可以構(gòu)成溫度控制器的核心電路組成部分，為整機(jī)的硬件電路設(shè)計(jì)做基礎(chǔ)工作。</p><p>　　3 波分式過(guò)零調(diào)功方法及仿真分析</p><p>　　3.1 一種波形均勻分配的過(guò)零調(diào)功方法研究</p><p>　　在傳統(tǒng)的加熱電路里，不管是什么方式的溫度控制方法都不能實(shí)現(xiàn)負(fù)載上的電壓波形是均勻分配的，因而加熱溫度的

41、波動(dòng)量比較大，不利于溫度的平穩(wěn)控制。而波形均勻分配的調(diào)功控制方法里，負(fù)載電壓波形是連續(xù)的平均分配的周波，即間隔一個(gè)或幾個(gè)周期的完整的波形。這樣就能減小電壓波形變動(dòng)帶來(lái)的溫度變化量，加熱的溫度更加平穩(wěn)。</p><p>　　過(guò)零調(diào)功是針對(duì)交流調(diào)功器的電路通斷的控制方法，是一種電壓過(guò)零時(shí)瞬間出發(fā)雙向晶閘管導(dǎo)通，這種控制方式在設(shè)定的周期內(nèi)通斷周波的比例，將電路接通幾個(gè)周波，然后斷開(kāi)幾個(gè)周波，通過(guò)改變晶閘管在設(shè)定周期內(nèi)通

42、斷比來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載兩端的功率[13]。設(shè)為設(shè)定的加熱周期，它是電網(wǎng)周期(50Hz時(shí)電網(wǎng)周期為20ms)的整數(shù)倍，N為內(nèi)的導(dǎo)通周波數(shù)，則調(diào)功輸出的電壓有效值為：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p><b>　　輸出功率為：</b></p><p><b>　?。?.2）</b>&

43、lt;/p><p>　　式（3.1）和式（3.2）中和為設(shè)定周期內(nèi)全部周波都導(dǎo)通是的輸出有效值電壓和輸出功率。則占空比為： </p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　式（3.3）中為加熱周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間。</p><p>　　在一般的PWM過(guò)零調(diào)功方法中，可變，不變，占空比通過(guò)來(lái)調(diào)節(jié)，輸出連續(xù)的幾個(gè)

44、的周波信號(hào)來(lái)觸發(fā)雙向晶閘管，電壓波形為在一個(gè)周期內(nèi)連續(xù)的一個(gè)或幾個(gè)周波連在一起的波形，而波分調(diào)功式溫度控制采用PFM調(diào)制脈沖，固定不變，等于一個(gè)電網(wǎng)周期，而占空比通過(guò)改變而變化，則它輸出為連續(xù)的均勻分布的波形。</p><p>　　3.1.1 PWM過(guò)零調(diào)功的輸出波動(dòng)量計(jì)算分析</p><p>　　現(xiàn)在就一般的PWM過(guò)零調(diào)功溫度控制和PFM過(guò)零調(diào)功溫度控制進(jìn)行分析比較，PWM過(guò)零調(diào)功和P

45、FM過(guò)零調(diào)功的占空比相等，也就是輸出的功率相等。對(duì)于溫度控制過(guò)程的傳遞函數(shù)：</p><p><b>　　(3.4)</b></p><p>　　式（3.4）中的和是常數(shù)，包括一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)和純滯后環(huán)節(jié)，其中的純滯后環(huán)節(jié)輸出完全復(fù)現(xiàn)輸入，只是延遲了時(shí)間，對(duì)波形的輸出沒(méi)有影響，因此只需要只討論一階慣性環(huán)節(jié)。結(jié)構(gòu)圖可以簡(jiǎn)化為：</p><p>　

46、　圖3.1 一階慣性環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)</p><p><b>　　它的微分方程為：</b></p><p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　對(duì)于PWM過(guò)零調(diào)功的微分方程為：</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>

47、　　式（3.5）和式（3.6）中和根據(jù)所設(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)和實(shí)際參數(shù)得出，由式（3.6）可見(jiàn)求解的公式為：</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　式（3.7）中的為積分常數(shù)，和根據(jù)所設(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)和實(shí)際參數(shù)得出，則可以畫出PWM過(guò)零調(diào)功的輸出波形圖3.2。</p><p>　　圖3.2 PWM過(guò)零調(diào)功輸出波形</

48、p><p>　　圖3.2中為PWM信號(hào)的周期，為PWM信號(hào)的開(kāi)通時(shí)間，根據(jù)圖3.2和式（3.7）可以計(jì)算出PWM過(guò)零調(diào)功輸出的最大值和PWM過(guò)零調(diào)功輸出的最小值，單位為℃，進(jìn)而計(jì)算出PWM過(guò)零調(diào)功的波動(dòng)量。</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p><b>　?。?.8）</b></p>&

49、lt;p>　　則PWM過(guò)零調(diào)功的輸出波動(dòng)量為：</p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　　3.1.2 PFM過(guò)零調(diào)功的輸出波動(dòng)量計(jì)算分析</p><p>　　計(jì)算PFM過(guò)零調(diào)功的輸出波動(dòng)量的方法同計(jì)算PWM波動(dòng)量相同，設(shè)PFM過(guò)零調(diào)功的輸出波動(dòng)量為，PFM過(guò)零調(diào)功的運(yùn)動(dòng)方程為：</p><p

50、><b>　　（3.10）</b></p><p>　　在與PWM相同的條件下，計(jì)算輸出波動(dòng)量。據(jù)此可以畫出PFM過(guò)零調(diào)功的輸出波形圖3.3。</p><p>　　圖3.3 PFM過(guò)零調(diào)功輸出波形</p><p>　　圖3.3中為PFM信號(hào)的周期，為PFM信號(hào)的開(kāi)通時(shí)間，由圖3.3和式（3.7）可以計(jì)算PFM過(guò)零調(diào)功輸出的最大值和PFM過(guò)

51、零調(diào)功輸出的最小值，單位均為℃，進(jìn)而計(jì)算PFM過(guò)零調(diào)功的波動(dòng)量。</p><p><b>　?。?.11）</b></p><p><b>　?。?.12）</b></p><p>　　式（3.11）和式（3.12）中為積分常數(shù)，則可以計(jì)算出PFM輸出波動(dòng)量為：</p><p><b>　

52、?。?.13）</b></p><p>　　3.1.3 兩種過(guò)零調(diào)功方法的比較</p><p>　　PWM和PFM兩種過(guò)零調(diào)功的輸出波動(dòng)量已經(jīng)計(jì)算出來(lái)，PWM過(guò)零調(diào)功的輸出波動(dòng)量為，PFM過(guò)零調(diào)功輸出的波動(dòng)量為，兩者相減進(jìn)行比較，可以得到：</p><p><b>　?。?.14）</b></p><p>

53、　　式（3.14）中和是積分常數(shù)，且為正數(shù)，由圖3.2和圖3.3可見(jiàn)：</p><p><b>　?。?.15）</b></p><p><b>　?。?.16）</b></p><p>　　根據(jù)式（3.14）、式（3.15）、式（3.16）可以計(jì)算的大小，并能判斷它的符號(hào)，可以得出：</p><p&g

54、t;<b>　　（3.17）</b></p><p>　　由式（3.17）可見(jiàn)，PWM過(guò)零調(diào)功的輸出波動(dòng)量大于PFM過(guò)零調(diào)功的輸出波動(dòng)量。并且可以通過(guò)賦值計(jì)算，給、、和賦值，可以更直觀的比較和的大小，和為積分常數(shù)，可以令==10，=2s，PWM信號(hào)和PFM信號(hào)的占空比相等，設(shè)定占空比都為20%，PWM的周期為10個(gè)電源周期，即=0.2s，=40ms。要求輸出的功率相等，即占空比相等，那么PF

55、M的周期為5個(gè)電源周期，=0.1s，=20ms，通過(guò)這些參數(shù)可以計(jì)算出=0.36℃，可以明顯的發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)大于。</p><p>　　由此可以得出，PWM過(guò)零調(diào)功的輸出波動(dòng)量大于PFM過(guò)零調(diào)功的輸出波動(dòng)量，因此PFM過(guò)零調(diào)功優(yōu)于PWM過(guò)零調(diào)功，PFM過(guò)零調(diào)功的加熱溫度波動(dòng)量更小，溫度更加平穩(wěn)。</p><p>　　3.2 兩種過(guò)零調(diào)功方法的仿真分析</p><p>　　

56、PWM和PFM兩種過(guò)零調(diào)功方法的傳遞函數(shù)已經(jīng)計(jì)算出來(lái)了，溫度控制過(guò)程的傳遞函數(shù)為式（3.4），由一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)和純滯后環(huán)節(jié)構(gòu)成，其中為溫度靜態(tài)增益，為溫度慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)，為溫度延遲時(shí)間，在不同的溫度系統(tǒng)中取不同的值[14]。</p><p>　　對(duì)于PWM和PFM這兩種過(guò)零調(diào)功，利用MATLAB仿真軟件進(jìn)行仿真，建立PWM脈沖信號(hào)源和PFM脈沖信號(hào)源，滿足PWM信號(hào)和PFM信號(hào)的占空比均設(shè)為20%，PWM信號(hào)

57、開(kāi)通時(shí)間為40ms，周期為0.2s，PFM信號(hào)開(kāi)通時(shí)間為20ms，周期為0.1s，設(shè)定=1500，=2s，=1s，輸出的溫度在300℃處上下波動(dòng)。據(jù)此可以利用MATLAB仿真軟件中SIMULINK仿真模型平臺(tái)對(duì)兩種過(guò)零調(diào)功方法的輸出波形進(jìn)行仿真。</p><p>　　圖3.4 PWM過(guò)零調(diào)功方法的仿真模型</p><p>　　圖3.5 PFM過(guò)零調(diào)功方法的仿真模型</p>&

58、lt;p>　　圖3.4為PWM過(guò)零調(diào)功仿真模型圖，圖3.5為PFM過(guò)零調(diào)功仿真模型圖，PWM信號(hào)開(kāi)通時(shí)間為40ms，周期為0.2s，PFM信號(hào)開(kāi)通時(shí)間為20ms，周期為0.1s，設(shè)定=1500，=2s，=1s，輸出的溫度在300℃處上下波動(dòng)。利用圖3.4和圖3.5的仿真模型進(jìn)行仿真，得出兩種過(guò)零調(diào)功方法的輸出波形圖3.6和圖3.7。仿真結(jié)果的橫坐標(biāo)都為仿真時(shí)間t，單位為ms，縱坐標(biāo)都為溫度T，單位為℃。</p>&l

59、t;p>　　圖3.6 PWM過(guò)零調(diào)功仿真結(jié)果圖</p><p>　　圖3.7 PFM過(guò)零調(diào)功仿真結(jié)果圖</p><p>　　圖3.6顯示的是PWM過(guò)零調(diào)功仿真結(jié)果，圖3.7顯示的是PFM過(guò)零調(diào)功仿真結(jié)果圖，輸出溫度波形的波動(dòng)量為最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的差值，由這兩圖可見(jiàn)PFM過(guò)零調(diào)功的輸出波動(dòng)量要遠(yuǎn)小于PWM過(guò)零調(diào)功的輸出波動(dòng)量，為了準(zhǔn)確計(jì)算兩者的輸出波動(dòng)量，在輸出穩(wěn)定后，局部放大穩(wěn)定輸出后

60、的波形圖3.8和圖3.9。</p><p>　　圖3.8 PWM過(guò)零調(diào)功穩(wěn)定輸出放大圖</p><p>　　圖3.9 PFM過(guò)零調(diào)功穩(wěn)定輸出放大圖</p><p>　　由圖3.8和圖3.9可見(jiàn)，PFM過(guò)零調(diào)功仿真出來(lái)的輸出波動(dòng)量約為25℃，而PWM過(guò)零調(diào)功仿真出來(lái)的輸出波動(dòng)量約為12℃，很明顯，PFM過(guò)零調(diào)功輸出的波形波動(dòng)量遠(yuǎn)小于PWM過(guò)零調(diào)功輸出的波形波動(dòng)量，波動(dòng)

61、量小表明溫度變化量小，溫度更加平穩(wěn)。因此MATLAB仿真可以證明PFM過(guò)零調(diào)功溫度控制可以使加熱負(fù)載的溫度波動(dòng)更小，也更加平穩(wěn)，要優(yōu)于PWM過(guò)零調(diào)功溫度控制。</p><p>　　4 過(guò)零調(diào)功式溫度控制器的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 過(guò)零調(diào)功式溫度控制器的電路框圖及分析</p><p>　　過(guò)零調(diào)功式溫度控制器以雙向晶閘管為功率控制元件、實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓波形均

62、勻分配、晶閘管過(guò)零調(diào)功方式的溫度控制器，控制器由調(diào)節(jié)器、波形均分器、過(guò)零型光耦合器電路、雙向晶閘管和負(fù)載組成，調(diào)節(jié)器電路包括求偏差電壓電路和PID運(yùn)算電路，波形均分器電路包括脈沖發(fā)生電路和定脈寬電路，過(guò)零型光耦合器電路由過(guò)零光耦合器及外圍電阻構(gòu)成，負(fù)載電路就是加熱主電路。在設(shè)計(jì)中用到的芯片需要穩(wěn)定的直流電壓，因而設(shè)計(jì)輔助電源電路。因此總體的電路框圖由求偏差電壓電路、PID運(yùn)算電路、脈沖發(fā)生電路、定脈寬電路、過(guò)零型光耦合器、雙向晶閘管、負(fù)

63、載電路和輔助電源電路等部分組成。</p><p>　　圖4.1 總體電路框圖</p><p>　　作為一個(gè)溫度控制系統(tǒng)，需要閉環(huán)控制，負(fù)載的加熱溫度通過(guò)溫度傳感器轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，即為反饋電壓信號(hào)，再與給定電壓信號(hào)，兩者作為控制量輸給調(diào)節(jié)器，完成一個(gè)閉環(huán)控制。在本設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)的是溫度控制器，而不是溫度控制系統(tǒng)，因此溫度傳感器不在此設(shè)計(jì)中，但設(shè)計(jì)時(shí)留有反饋電壓信號(hào)接口。</p>&

64、lt;p>　　圖4.1為總體電路框圖，給定電壓和反饋電壓通過(guò)求偏差電路得出偏差電壓，輸給PID運(yùn)算電路，得到結(jié)果輸給波分電路，即把調(diào)節(jié)器的輸出作為A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸給D/A轉(zhuǎn)換器，得到模擬量，即輸出電壓給V/F轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成頻率，溫度控制器為128級(jí)調(diào)功，那么最小周期為一個(gè)電源周期，即為20ms，最大周期為128個(gè)電壓周期，即為2560ms，據(jù)此轉(zhuǎn)換為脈沖的頻率，通過(guò)定脈寬電路，整定脈沖寬度，使得開(kāi)通時(shí)間為2

65、0ms的脈沖。</p><p>　　定脈寬電路整定出來(lái)的脈沖輸給過(guò)零型光耦合器，控制雙向晶閘管的通斷，也就是控制負(fù)載電路的通斷，完成過(guò)零調(diào)功的目的。由于設(shè)計(jì)中的輔助電源電路由提供的220V交流電，經(jīng)過(guò)變壓器輸出+17V和-17V的低壓交流電，經(jīng)過(guò)全橋整流橋整流濾波后，經(jīng)過(guò)三端穩(wěn)壓器輸出設(shè)計(jì)中用到的芯片所需要的電源，譬如+5V、+15V、-5V和-15V。</p><p>　　波分調(diào)功式溫度

66、控制器的核心組成部分是波形均分器，它由基于V/F轉(zhuǎn)換器的波分電路構(gòu)成，即由脈沖發(fā)生電路和定脈寬電路組成，脈沖發(fā)生電路由A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器和V/F轉(zhuǎn)換器組成，定脈寬電路由NE555定時(shí)器組成。據(jù)此可以畫出波形均分器的電路框圖4.2。</p><p>　　圖4.2 波形均分器電路框圖</p><p>　　圖4.2為波形均分器電路框圖，調(diào)節(jié)器的輸出電壓信號(hào)作為波形均分器的輸入，波形均分器

67、輸出的脈沖信號(hào)，它的脈沖寬度為20ms，驅(qū)動(dòng)過(guò)零型光耦合器，進(jìn)而控制與過(guò)零型光耦合器相連接的雙向晶閘管的通斷，完成波分過(guò)零調(diào)功。</p><p><b>　　4.2 調(diào)節(jié)算法</b></p><p>　　交流調(diào)壓調(diào)功的溫度控制中，調(diào)節(jié)器的算法，一般采用PID控制、模糊溫度控制、專家模糊控制以及更高層次的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，在本設(shè)計(jì)中選擇簡(jiǎn)單易行的PID算法。</p&

68、gt;<p>　　溫度控制系統(tǒng)由給定電壓和反饋電壓、控制器，加熱系統(tǒng)組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p>　　圖4.3 溫度控制系統(tǒng)</p><p>　　圖4.3中為控制器的傳遞函數(shù)，為加熱系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，為溫度傳感器的傳遞函數(shù)。圖4.3表明調(diào)節(jié)器需要給定電壓信號(hào)和反饋電壓信號(hào)，通過(guò)控制器進(jìn)行運(yùn)算得出結(jié)果控制加熱系統(tǒng)，對(duì)加熱系統(tǒng)溫度進(jìn)行控制，控制系統(tǒng)的輸出即為加熱負(fù)載溫度，溫

69、度通過(guò)溫度傳感器轉(zhuǎn)化為反饋電壓。因此調(diào)節(jié)器包括求偏差電壓電路和PID運(yùn)算電路，求偏差電壓電路把給定的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)與反饋電壓，進(jìn)行比較運(yùn)算，也就是經(jīng)過(guò)反饋矯正算法求得，輸給PID運(yùn)算電路。因此調(diào)節(jié)器的算法包括反饋校正算法和PID算法。</p><p>　　溫度控制器加熱溫度假設(shè)為0~300℃，通過(guò)溫度傳感器轉(zhuǎn)換為0~5V的電壓信號(hào)，作為反饋電壓，在另一端給定溫度通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，作為給定電壓信號(hào)。

70、反饋校正算法選取差分比例放大電路，給定電壓信號(hào)和反饋電壓，分別接在運(yùn)算放大器的同相端和反相端。</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中采用的調(diào)節(jié)算法是PID調(diào)節(jié)算法。PID控制是在溫度控制中應(yīng)用最廣泛、最基本的一種控制方法。PID控制方法簡(jiǎn)單易行、穩(wěn)定性好、可靠性高，能滿足大多數(shù)控溫的要求。PID算法要實(shí)現(xiàn)P、I、D要獨(dú)立可調(diào)，且互不影響。采取由P、I、D三電路并聯(lián)構(gòu)成調(diào)節(jié)電路，三部分的輸出求和作為調(diào)節(jié)器的輸出。P電路為

71、反相比例放大電路，I電路為積分電路，D為微分電路。</p><p>　　圖4.4 PID運(yùn)算電路并聯(lián)框圖</p><p>　　由圖4.4可見(jiàn)PID運(yùn)算電路的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　（4.1）</b></p><p>　　圖4.4中的輸入電壓為求偏差電壓電路的輸出電壓，經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算的輸出電壓輸給AD78

72、20的模擬輸入端。圖4.4和式（4.1）中的參數(shù)為比例系數(shù)，為積分時(shí)間，為微分時(shí)間。參數(shù)、和可以在電路中通過(guò)電位器調(diào)節(jié)阻值來(lái)調(diào)節(jié)大小。并聯(lián)構(gòu)成的PID調(diào)節(jié)器，由于是三個(gè)運(yùn)算電路并聯(lián)連接，避免了級(jí)間誤差的累計(jì)放大，對(duì)保證整機(jī)精度有利，同時(shí)并聯(lián)結(jié)構(gòu)消除參數(shù)和變化對(duì)整定參數(shù)之間的影響[15]。調(diào)節(jié)算法設(shè)定后，可以根據(jù)調(diào)節(jié)算法設(shè)計(jì)PID運(yùn)算電路和求偏差電壓電路。</p><p>　　4.3 各單元電路設(shè)計(jì)</p&

73、gt;<p>　　波分調(diào)功式溫度控制器由調(diào)節(jié)器、波形均分器、過(guò)零型光耦合器電路、雙向晶閘管和負(fù)載組成，因此設(shè)計(jì)硬件電路，需要設(shè)計(jì)過(guò)零調(diào)功主電路、基于V/F轉(zhuǎn)換器的波分電路、調(diào)節(jié)器電路和輔助電源電路。過(guò)零調(diào)功主電路由過(guò)零型光耦合器、負(fù)載及熔斷器、開(kāi)關(guān)等組成?；赩/F轉(zhuǎn)換器的波分電路也就是波形均分器電路,包括脈沖發(fā)生電路和定脈寬電路。調(diào)節(jié)器電路包括求偏差電壓電路和PID運(yùn)算電路構(gòu)成。輔助電源電路的作用是是給設(shè)計(jì)中用到的芯片供

74、電，譬如+5V、+15V和-15V。</p><p>　　4.3.1 過(guò)零調(diào)功主電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　過(guò)零調(diào)功主電路由過(guò)零型光耦合器、雙向晶閘管、負(fù)載及熔斷器、開(kāi)關(guān)等組成。過(guò)零型光耦合器選用MOC3042，輸入端觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電流介于10mA和20mA之間,根據(jù)MOC3042芯片手冊(cè)整定外接電阻、和的值。</p><p>　　圖4.5 過(guò)零調(diào)功主電路圖<

75、/p><p>　　圖4.5為過(guò)零調(diào)功主電路，為波分電路輸出的PFM脈沖，驅(qū)動(dòng)過(guò)零型光耦合器MOC3042。=510，=330，=360，RL為加熱負(fù)載，F(xiàn)是主電路的熔斷器，Q1是雙向晶閘管，在線上接一個(gè)雙刀開(kāi)關(guān)，電源接220V交流電壓。波分電路產(chǎn)生的PFM脈沖作為MOC3042的觸發(fā)端的輸入，進(jìn)而對(duì)主電路的雙向晶閘管進(jìn)行通斷控制。</p><p>　　4.3.2 基于V/F轉(zhuǎn)換器的波分電路&

76、lt;/p><p>　　波分電路基于V/F轉(zhuǎn)換器AD650的脈沖電路，也就是波形均分器，作為波分調(diào)功式溫度控制器的核心組成部分，它由脈沖發(fā)生電路和定脈寬電路組成，脈沖發(fā)生電路由A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器和V/F轉(zhuǎn)換器組成，定脈寬電路由NE555定時(shí)器組成脈寬調(diào)制電路。利用AD650轉(zhuǎn)換電壓為頻率，再由基于NE555的定脈寬電路，整定脈寬，形成開(kāi)通時(shí)間為20ms的脈沖。脈沖發(fā)生電路由A/D轉(zhuǎn)換器AD7820、D/A轉(zhuǎn)換

77、器DAC0832和V/F轉(zhuǎn)換器AD650組成，定脈寬電路由NE555定時(shí)器組成脈寬調(diào)制電路來(lái)整定脈沖的寬度，使得開(kāi)通時(shí)間為20ms。</p><p>　　圖4.6 基于V/F轉(zhuǎn)換器的波分電路圖</p><p>　　圖4.6為波分電路圖，調(diào)節(jié)器的輸出電壓輸給AD7820的模擬量輸入端，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸給DAC0832的數(shù)字量輸入端，選擇AD7820的7路輸出給DAC0832的輸入端，這樣形成有

78、級(jí)的脈沖，可以實(shí)現(xiàn)128級(jí)調(diào)功，DAC0832的模擬量輸出到AD650的輸入端+IN，由AD650轉(zhuǎn)為所需要的頻率信號(hào)。因?yàn)闇囟瓤刂破魇?28級(jí)調(diào)功，波形的開(kāi)通時(shí)間是20ms，所以產(chǎn)生的脈沖最大周期是2560ms，最小周期是20ms，則可以計(jì)算最大頻率和最小頻率。</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p><b>　?。?.3）<

79、/b></p><p>　　根據(jù)式（4.2）和式（4.3）計(jì)算出頻率的范圍就可以整定NE555定脈寬電路的范圍電阻和電容的值。</p><p>　　AD7820是一款8位模擬量轉(zhuǎn)換數(shù)字COMS型芯片，采用逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理，有一路模擬輸入。輸入電壓為+5V，—為數(shù)字量輸出端，選擇其中7路接在AD0832的數(shù)字量輸入端，PID調(diào)節(jié)器的運(yùn)算結(jié)果輸給模擬量輸入端，MODE端接+5V電

80、壓，表明芯片一直是讀寫狀態(tài)，REF+端接+5V電壓，REF-端接地，表明輸入的范圍是0到+5V之間。、和端口接地，保持芯片一直處于模數(shù)轉(zhuǎn)換的狀態(tài)中。DAC032為8位D/A轉(zhuǎn)換芯片，接+5V電壓，片選信號(hào)低電平有效，接地。數(shù)據(jù)鎖存允許信號(hào)ILE高電平有效，接+5V電壓。DAC0832是電流型D/A轉(zhuǎn)換器，為得到電壓的轉(zhuǎn)換輸出，需在兩個(gè)電流輸出端和接運(yùn)算放大器，這里選用TLC2262，基準(zhǔn)電壓接+5V電壓，則輸出電壓范圍是-5V~0V，接

81、在V/F轉(zhuǎn)換器AD650的正電壓輸入端+IN。由于是兩路電流輸出，但不要求輸出同步，因此設(shè)置DAC0832為單緩沖方式，使==0，同時(shí)要求輸入寄存器處于受控鎖存狀態(tài)，則=1，那么端口和都接地，端接+5V電壓。DGND接數(shù)字地，AGND接模擬地。</p><p>　　AD650可用于高分辨率數(shù)模轉(zhuǎn)換器、長(zhǎng)期高精度積分器、雙線高抗噪聲數(shù)字傳輸和數(shù)字電壓表，應(yīng)用范圍廣泛。AD650的輸入電壓可以是正電壓輸入、負(fù)電壓輸入

82、或正負(fù)電壓輸入。在本設(shè)計(jì)中，DAC0832經(jīng)運(yùn)算放大器輸出的電壓范圍是-5V~0V，接在AD650的+IN輸入端，輸出頻率與輸入電壓之間的關(guān)系為：</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　式（4.4）中的為波分電路產(chǎn)生的脈沖所要求的頻率范圍</p><p><b>　　（4.5）</b><

83、/p><p>　　當(dāng)為+5V時(shí)，=，由此可以整定AD650外圍的和，可以定=133K，=0.1uF。一般為1000pF。其他的外圍電阻和電容可以參考經(jīng)典設(shè)計(jì)。</p><p>　　NE555定時(shí)器是一種模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的中規(guī)模集成電路，其邏輯功能強(qiáng)，使用靈活，可以方便組成多種多樣的邏輯路[16]。NE555定時(shí)器組成的定脈寬電路，由圖4.6可見(jiàn)NE555構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，可以定脈沖寬度

84、，設(shè)為暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間，即為輸出脈沖的寬度。</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　式（4.6）中的和是圖4.6中NE555定時(shí)器外圍接的電阻和電容。要實(shí)現(xiàn)波分過(guò)零調(diào)功，=20ms，則可以根據(jù)式（4.6）可以整定NE555外圍的電阻和電容，可以定=39K，=0.47uF，定脈寬電路可以把AD650輸出的頻率信號(hào)變換成為矩形波，為過(guò)零光耦合器

85、提供標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)。</p><p>　　4.3.3 調(diào)節(jié)器電路設(shè)計(jì)</p><p>　　調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)是依據(jù)調(diào)節(jié)器算法，即反饋矯正算法和PID算法。調(diào)節(jié)器包括求偏差電壓電路和PID運(yùn)算電路，求偏差電壓電路是求反饋電壓信號(hào)與給定電壓信號(hào)兩者的偏差電壓，輸給PID運(yùn)算電路，PID運(yùn)算電路計(jì)算結(jié)果作為A/D轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入。因?yàn)榉答佇Ｕ惴ㄟx取差分比例放大電路，輸入電壓為給定電壓和反饋電壓，分

86、別接在運(yùn)算放大器的反相端和同相端，為了保持運(yùn)放輸入平衡，輸入電阻相等。再接一個(gè)RC電路，作為時(shí)間常數(shù)。PID算法要實(shí)現(xiàn)P、I、D要獨(dú)立可調(diào)，且互不影響。采取由P、I、D三電路并聯(lián)構(gòu)成調(diào)節(jié)電路，三部分的輸出求和作為調(diào)節(jié)器的輸出。P電路為反相比例放大電路，I電路為反積分電路，D為微分電路。</p><p>　　圖4.7 調(diào)節(jié)器電路</p><p>　　圖4.7為調(diào)節(jié)器電路圖，PID運(yùn)算電路調(diào)節(jié)

87、器電路是現(xiàn)實(shí)調(diào)節(jié)算法的，為系統(tǒng)外給定溫度轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)，負(fù)載加熱溫度轉(zhuǎn)換的反饋電壓信號(hào)，兩者經(jīng)過(guò)一個(gè)差分比例放大電路，后得到一個(gè)比較電壓輸給PID運(yùn)算電路，實(shí)現(xiàn)溫度控制。調(diào)節(jié)器中各參數(shù)可以計(jì)算，差分比例放大電路中，====15K，=0.1uF，求偏差電壓電路的輸出為，的計(jì)算公式為：</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　由圖4.7可見(jiàn)，=

88、15K，=5.1K，、、均為電位器，全部阻值為150K，全部阻值為220K，全部阻值為200K，其余的電阻均為15K。PID運(yùn)算電路的比例系數(shù)為，積分時(shí)間為，微分時(shí)間為，這些參數(shù)都可以計(jì)算出來(lái)：</p><p><b>　?。?.8）</b></p><p><b>　　（4.9）</b></p><p><b>

89、;　?。?.10）</b></p><p>　　由式（4.8）、式（4.9）和式（4.10）可以計(jì)算參數(shù)、和值的范圍。的值范圍為，值的范圍為，值的范圍為。</p><p>　　通過(guò)調(diào)節(jié)電位器、和改變它們的阻值，從而達(dá)到調(diào)節(jié)參數(shù)、和，并且調(diào)節(jié)這些參數(shù)是互不影響的，避免了級(jí)間誤差的累計(jì)放大，對(duì)保證整機(jī)精度有利，同時(shí)并聯(lián)結(jié)構(gòu)消除參數(shù)和變化對(duì)整定參數(shù)之間的影響。</p>

90、<p>　　4.3.4 輔助電源電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　在設(shè)計(jì)中用到的芯片需要穩(wěn)定的直流電壓，因而設(shè)計(jì)輔助電源電路，AD7820、DAC0832和NE555需要+5V的直流電壓，TLC2262需要+5V和-5V電壓，AD650需要+15V和-15V的直流電壓。三端穩(wěn)壓器使用時(shí)接在整流濾波電路之后，首先要經(jīng)過(guò)整流電路, 利用具有單向?qū)щ娦缘恼髟⒄?fù)交替的正弦交流電壓整流為單方向的脈動(dòng)電壓。

91、然后利用濾波電路盡可能地將單向脈動(dòng)電壓中的脈動(dòng)成分濾掉, 使輸出電壓成為比較平滑的直流電壓，最后經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓器使輸出的直流電壓在電網(wǎng)電壓或負(fù)載發(fā)生變化時(shí)保持穩(wěn)定[17]。圖4.8為輔助電源電路圖，選用H78L05AM、H78L15AM、H79L15AM和H79L05AM四種三端穩(wěn)壓器構(gòu)成輔助電源電路。</p><p>　　圖4.8 輔助電源電路</p><p>　　由圖4.8可見(jiàn)，H78L15

92、AM的輸入選為17V，H79L15AM的輸入選為-17V， H79L15AM輸出的-15V作為H79L05AM的輸入。220V交流電壓由變壓器降壓后經(jīng)過(guò)全橋整流橋整流，濾波后作為三端穩(wěn)壓器的輸入，分別輸出+15V和-15V電壓，+15V電壓再作為H78L05AM的輸入電壓，輸出+5V。H78L05AM輸出+5V電壓，H78L15AM輸出+15V電壓，H79L15AM輸出-15V電壓，H79L05AM輸出-5V，這樣就產(chǎn)生+5V、+15V

93、、-15V和-5V的直流電壓給芯片供電。</p><p>　　4.4 過(guò)零調(diào)功式溫度控制器的整機(jī)電路及工作原理</p><p>　　過(guò)零調(diào)功式溫度控制器的整機(jī)電路由調(diào)節(jié)器、波形均分器、過(guò)零型光耦合器電路、雙向晶閘管和負(fù)載以及輔助電源電路組成。調(diào)節(jié)器電路包括求反饋電壓信號(hào)和給定電壓信號(hào)的偏差電壓的求偏差電壓電路和PID運(yùn)算電路，波形均分器電路包括脈沖發(fā)生電路和定脈寬電路，過(guò)零型光耦合器電路

94、包括過(guò)零型光耦合器及它的外圍的電阻構(gòu)成，負(fù)載電路就是加熱主電路。</p><p>　　附錄為波分調(diào)功式溫度控制器的整機(jī)電路圖，由附錄可見(jiàn)，整機(jī)由調(diào)節(jié)器電路、波形均分器電路、過(guò)零型光耦合器電路、雙向晶閘管和負(fù)載以及輔助電源電路組成。調(diào)節(jié)器電路包括求偏差電壓電路和PID運(yùn)算電路，求偏差電壓電路將反饋電壓與給定的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)，進(jìn)行運(yùn)算得出結(jié)果，輸給PID運(yùn)算電路。PID算法要實(shí)現(xiàn)P、I、D要獨(dú)立可調(diào)，且互不影響

95、。采取由P、I、D三電路并聯(lián)構(gòu)成調(diào)節(jié)電路，三部分的輸出求和作為調(diào)節(jié)器的輸出。由反饋校正算法選取差分比例放大電路，輸入電壓為給定電壓和反饋電壓，分別接在運(yùn)算放大器的同相端和反相端，為了保持運(yùn)放輸入平衡，輸入電阻相等。再接一個(gè)RC電路，作為時(shí)間常數(shù)，構(gòu)成調(diào)節(jié)器電路的求偏差電壓電路，它的結(jié)果輸給PID運(yùn)算電路，即由P、I、D電路并聯(lián)構(gòu)成的PID運(yùn)算電路，PID運(yùn)算電路的輸出作為波分電路中AD7820的模擬量輸入。</p><

96、;p>　　波分電路，也就是波形均分器電路，采用基于V/F轉(zhuǎn)換器AD650的脈沖電路，波分電路是波分調(diào)功式溫度控制器的核心組成部分，它由脈沖發(fā)生電路和定脈寬電路組成，脈沖發(fā)生電路由A/D轉(zhuǎn)換器AD7820、D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832和V/F轉(zhuǎn)換器AD650組成，定脈寬電路由NE555定時(shí)器組成脈寬調(diào)制電路，波分電路產(chǎn)生開(kāi)通時(shí)間為20ms的脈沖。</p><p>　　過(guò)零型光耦合器電路和負(fù)載電路組成過(guò)零調(diào)功主電

97、路，過(guò)零調(diào)功主電路由過(guò)零型光耦合器MOC3042、雙向晶閘管、負(fù)載及熔斷器、開(kāi)關(guān)等組成。</p><p>　　輔助電源電路采用三端穩(wěn)壓器H78L05AM、H78L15AM、H79L15AM和H79L05AM，輸出+5V、+15V、-15V和-5V的直流電壓給芯片供電。</p><p>　　過(guò)零調(diào)功式溫度控制器的工作原理是首先在控制器外部提供一個(gè)給定溫度通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，作為給定電壓

98、信號(hào)，加熱負(fù)載溫度通過(guò)溫度傳感器轉(zhuǎn)換為0~5V的電壓信號(hào)，作為反饋電壓，兩者作為求偏差電壓電路的兩路輸入，得出結(jié)果輸入PID運(yùn)算電路，調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)算法選用的是PID算法，P、I、D參數(shù)獨(dú)立可調(diào)，且互不影響。PID運(yùn)算電路的運(yùn)算結(jié)果作為AD7820的模擬量輸入，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，選擇7路通道輸給DAC0832，把無(wú)級(jí)的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橛屑?jí)的信號(hào)，DAC0832轉(zhuǎn)換為電流，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換為-5V~0V的電壓信號(hào)，輸給V/F轉(zhuǎn)換器AD650轉(zhuǎn)換為頻

99、率，定脈寬后產(chǎn)生開(kāi)通時(shí)間固定為20ms的脈沖，驅(qū)動(dòng)過(guò)零型光耦合器MOC3042，對(duì)主電路中的雙向晶閘管進(jìn)行通斷控制，負(fù)載上的電壓波形即被均勻分配，完成波分過(guò)零調(diào)功的要求。</p><p><b>　　5 總結(jié)</b></p><p>　　本論文設(shè)計(jì)了波分調(diào)功式溫度控制器，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓波形均勻分配、晶閘管過(guò)零調(diào)功，以雙向晶閘管為控制器件，實(shí)現(xiàn)負(fù)載上的電壓波形均勻分配，

100、減小加熱溫度波動(dòng)量。溫度控制器由調(diào)節(jié)器、波形均分器、過(guò)零型光耦合器電路、雙向晶閘管和負(fù)載電路以及輔助電源等部分組成，現(xiàn)對(duì)波分調(diào)功式溫度控制器設(shè)計(jì)過(guò)程總結(jié)如下：</p><p>　?。?）進(jìn)行波分調(diào)功的可能性分析，提出一種波分式過(guò)零調(diào)功方法，也就是PFM過(guò)零調(diào)功，對(duì)比一般的PWM過(guò)零調(diào)功方法，計(jì)算并比較兩者的輸出波形波動(dòng)量，發(fā)現(xiàn)波分過(guò)零調(diào)功的輸出波形波動(dòng)量小與PWM過(guò)零調(diào)功方法的輸出波形波動(dòng)量。利用MATLAB仿真

101、軟件對(duì)兩種過(guò)零調(diào)功方法進(jìn)行仿真，建立兩種過(guò)零調(diào)功方法的仿真模型，比較兩種過(guò)零調(diào)功方法的輸出波動(dòng)量，也可以發(fā)現(xiàn)PFM過(guò)零調(diào)功的輸出波形波動(dòng)量小于PWM過(guò)零調(diào)功，從理論上證明PFM過(guò)零調(diào)功方法優(yōu)于PWM過(guò)零調(diào)功方法。</p><p>　　（2）確定調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)算法，溫度控制器的調(diào)節(jié)器選取PID算法，PID控制是在溫度控制中應(yīng)用最廣泛、最基本的一種控制方法。PID控制方法簡(jiǎn)單易行、穩(wěn)定性好、可靠性高，能滿足控制器的控溫

102、要求。調(diào)節(jié)器是由P、I、D電路并聯(lián)起來(lái)組成，這樣可以使P、I、D參數(shù)獨(dú)立可調(diào)，且互不影響。</p><p>　?。?）根據(jù)提出的波分式過(guò)零調(diào)功方法，設(shè)計(jì)出波分式溫度控制器的核心組成部分，即波形均分器，利用A/D轉(zhuǎn)換器把電壓模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再接在D/A轉(zhuǎn)換器的輸入端，把數(shù)字量再轉(zhuǎn)換為電壓模擬量，使無(wú)級(jí)的調(diào)功信號(hào)轉(zhuǎn)換為有級(jí)的信號(hào)，完成有級(jí)調(diào)功，選取A/D的7路輸出，這樣就形成了128級(jí)調(diào)功。整機(jī)電路由求偏差電壓電

103、路、PID運(yùn)算電路、脈沖發(fā)生電路、定脈寬電路、過(guò)零型光耦合器、過(guò)零型光耦合器的驅(qū)動(dòng)電路、雙向晶閘管、負(fù)載電路和輔助電源電路等部分組成。由于本設(shè)計(jì)是用純硬件電路搭建而成，在調(diào)功的靈活度和精度上要比基于單片機(jī)的溫度控制器差，基本實(shí)現(xiàn)波分調(diào)功的要求。</p><p>　?。?）波分調(diào)功式溫度控制器的優(yōu)點(diǎn)很明顯，從兩種過(guò)零調(diào)功方法的輸出波動(dòng)量計(jì)算和仿真分析，都可以證明波分過(guò)零調(diào)功優(yōu)于一般的PWM過(guò)零調(diào)功。它可以使負(fù)載上的

104、電壓波形均勻分配，且是完整的周波，即負(fù)載電壓波形為均勻分配的周波，這種溫度控制器能減小溫度波動(dòng)量，使溫度運(yùn)行更加平穩(wěn)。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　春去秋來(lái)，寒來(lái)暑往，轉(zhuǎn)眼間在杭州電子科技大學(xué)的四年就要匆匆而過(guò)，在論文完成之際，我不禁思潮彭湃，感慨萬(wàn)千?；叵肫疬@段求學(xué)歷程，有開(kāi)心快樂(lè)，有傷心痛苦，付出了汗水，也收獲了果實(shí)。</p

105、><p>　　本畢業(yè)設(shè)計(jì)論文是在我的導(dǎo)師XXX老師的悉心指導(dǎo)和熱誠(chéng)關(guān)懷下完成的。*老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的學(xué)識(shí)、豐富的科研經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)我們無(wú)限的關(guān)懷，對(duì)我順利地完成論文起了非常關(guān)鍵的作用，也時(shí)刻督促我們?nèi)W(xué)習(xí)、去探索。從設(shè)計(jì)的選題到完成無(wú)不凝聚著導(dǎo)師的心血。*老師的言傳身教中不僅養(yǎng)成了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲辛?xí)慣、正確的科研方法，更是學(xué)到了做人的道理，這些都將激勵(lì)我在今后的人生中一如既往地去進(jìn)取、拼搏。同時(shí)感謝在課題進(jìn)行中關(guān)心和幫

106、助過(guò)我的老師和同學(xué)，感謝你們?cè)谖矣龅嚼щy的時(shí)候及時(shí)給予我鼓勵(lì)和幫助，給了我戰(zhàn)勝困難的勇氣和決心；在論文設(shè)計(jì)過(guò)程中以給予我許多有益的建議和幫助。在此向XXX、XX、XX、XXX、XX等同學(xué)表示我深切的謝意！這里我要特別感謝我的家人和朋友，是他們給我提供了便利和條件，正是他們的關(guān)心、支持和幫助，使我才能潛心地學(xué)習(xí)和工作，從而在尊師的指導(dǎo)和自己的努力下，順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。</p><p>　　最后感謝所有關(guān)心、支持、幫

107、助、鼓勵(lì)我的親友、師長(zhǎng)、同學(xué)和朋友們！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 李小亭,韓冰,李正坤.關(guān)于精密控溫方法的比較研究[J].河北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004，24（1）：1-4.</p><p>　　[2] 朱肖強(qiáng)，陳三寶.電加熱爐爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2006，12（

108、3）：1-2.</p><p>　　[3] 楊啟偉，陳以.常用溫度控制法的對(duì)比[J].測(cè)控技術(shù)，2005，6：1-2.</p><p>　　[4] Zhang B. Optimization of combustion control based on fuzzy logic[C]. 2001 IEEE International Fuzzy Systems Conference, CA,