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

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計</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</p><p>　學(xué) 院自動化</p><p>　專 業(yè)電氣工程與自動化</p><p>　班 級

2、</p><p>　學(xué) 號</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過零調(diào)功溫度控制方法；并與PWM過零調(diào)功方法進(jìn)行仿真比較，通過仿真驗證PFM過零調(diào)功溫度控制方法的優(yōu)越性，最后設(shè)計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。過零調(diào)功主電路選用過零型光耦合器觸發(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V/F轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生有級的脈沖，再定脈寬，產(chǎn)生導(dǎo)通時間固定為20ms、占空比可調(diào)的方波脈沖，實現(xiàn)有級調(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級調(diào)功。調(diào)節(jié)器電路由運算放大器構(gòu)成，滿足P、I、D獨立可調(diào)的PID運算電路，最后設(shè)計電源電路給整機(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

5、零調(diào)功溫度控制器，具有加熱溫度波動量減小，加熱溫度更加平穩(wěn)的特點。</p><p>　　關(guān)鍵詞：溫度控制器；過零調(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零調(diào)功方法研究6</p><p>　　3.1.1 PWM過零調(diào)功的輸出波動量計算分析6</p><p>　　3.1.2 PFM過零調(diào)功的輸出波動量計算分析8</p>

15、;<p>　　3.1.3 兩種過零調(diào)功方法的比較9</p><p>　　3.2 兩種過零調(diào)功方法的仿真分析9</p><p>　　4 過零調(diào)功式溫度控制器的設(shè)計13</p><p>　　4.1 過零調(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16</p><p>　　4.3.1 過零調(diào)功主電路的設(shè)計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19</p><p>　　4.3.4 輔助電源電路的設(shè)計20</p><p>　　4.4

17、過零調(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>　　加熱溫度控制器對加熱溫度起到控制調(diào)節(jié)作用，應(yīng)用范圍很廣，對溫度控制的技術(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，針對不同的

19、控溫對象和控溫條件。</p><p>　　一般通過對交流電電壓的調(diào)節(jié)來達(dá)到溫度控制的目的，調(diào)壓調(diào)功比較常見的方法有相控調(diào)壓和過零調(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，實現(xiàn)調(diào)壓溫度控制。過零調(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，雙向晶閘管作為無觸點接觸開關(guān)，采用脈沖觸發(fā)方式來控制晶閘管的通斷，調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值，實現(xiàn)調(diào)功溫度

20、控制的目的。</p><p>　　無論是交流相控調(diào)壓還是交流過零調(diào)功溫度控制，輸出的電壓波形都不是均勻分配的周波，即不能實現(xiàn)波分的目的，波分式過零調(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)通一個電源周期，再關(guān)斷一個或多個電源周期，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，使得溫度波動量更小，溫度運行更加的平穩(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控制的缺點是魯棒性不強，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，模仿人的思維，通過制定適當(dāng)?shù)目刂茙炜蓪崿F(xiàn)大滯后系統(tǒng)的溫度控制，具有動態(tài)響應(yīng)快，超調(diào)小的優(yōu)點[5]。</p><p>　?。?）專家模糊控制，運用專家系統(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)驗知識來對模糊控制器的運行參數(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)，以實驗數(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)仿真和實驗室階段，極少用于實際系統(tǒng)的控制當(dāng)中[8,9]。</p><p>　　本畢業(yè)設(shè)計的波分調(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零調(diào)功式溫度控制器的技術(shù)方案。提出一種波分過零調(diào)功方

25、案，使雙向晶閘管在電壓過零時開通，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過零調(diào)功方法進(jìn)行比較，計算兩種方法的輸出波動量，并利用MATLAB仿真軟件對兩種過零調(diào)功方法進(jìn)行仿真。根據(jù)提出的波分過零調(diào)功方案設(shè)計溫度控制器的核心部分，即波形均分器，設(shè)計波分電路，與此同時設(shè)計過零調(diào)功主電路。選取調(diào)節(jié)器算法，進(jìn)而設(shè)計調(diào)節(jié)器電路，最后設(shè)計輔助電源電路，完成波分調(diào)功式溫度控制器的硬件電路設(shè)計。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過零調(diào)功溫度控制器，具有加熱溫度波動量減小，加熱溫度更加平穩(wěn)的特點。</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)動過零型光耦合器，對雙向晶閘管過零觸發(fā)導(dǎo)通，來控制加熱主電路的通斷。調(diào)節(jié)器是基于PID運算電路的調(diào)節(jié)器，波形均分器的設(shè)計方案由A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、V/F轉(zhuǎn)換器和基于NE555定時器的定脈寬電路構(gòu)成，過零型光耦合器過零觸發(fā)雙向晶閘管，導(dǎo)通主電路，整個設(shè)計方案實現(xiàn)了波分調(diào)功的設(shè)計目的。</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)載溫度通過溫度傳感器轉(zhuǎn)換的電壓信號，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)動過零型光耦合器，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、過零型光耦合器、雙向晶閘管和加熱負(fù)載等組成，輸入信號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)計中設(shè)計的是溫度控制器，而不是溫度控制系統(tǒng)，因此溫度傳感器不在此設(shè)計中，但設(shè)計時留有反饋電壓信號接口。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，波形均分器的輸出信號為脈沖，的脈

30、寬要求為開通時間固定為20ms，驅(qū)動過零型光耦合器，過零觸發(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。波形均分器是對電源電壓波形均勻分配，形成開通時間時間固定不變，周期可變的脈沖信號。調(diào)節(jié)器的運算結(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，使無級的信號轉(zhuǎn)換為有級的信號，通過定脈寬電路，輸出開通時間固定為20ms的脈沖信號，驅(qū)動過零型光耦合器。 </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零調(diào)功式溫度控制器的技術(shù)方案，可以實現(xiàn)有級調(diào)功，調(diào)功級數(shù)為128級調(diào)功。通過PID調(diào)節(jié)器輸出作為外部調(diào)功指令，經(jīng)過波形均分器和過零光耦合器，對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

33、量。過零光耦合器的作用是過零觸發(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進(jìn)行差分放大電路求出偏差電壓，輸入到由P、I、D運算電路并聯(lián)組成的PID電路中，進(jìn)行運算后輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端，P、I、D的參數(shù)可以獨立可調(diào)，且互不影響。波形均分器時產(chǎn)生開通時間為20ms，周期可變，且周期為20ms的整數(shù)倍的脈沖信號，輸給過零光耦合器，觸發(fā)雙向晶閘管。 &

34、lt;/p><p>　　整體的實現(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定時器和過零型光耦合器及以雙向晶閘管為控制器件的加熱主電路。因為A/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，這樣可以把無級的脈沖信號轉(zhuǎn)換成為有級的脈沖信號，在經(jīng)過V/F轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為需要的頻率的信號，定脈寬之后產(chǎn)生開通時間固定為20ms，周期變

35、化的脈沖信號，驅(qū)動過零型光耦合器，進(jìn)而觸發(fā)雙向晶閘管，對主電路的通斷進(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定時器和過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)換器和過零型光耦合器。</p><p

36、>　　調(diào)節(jié)器電路的運算放大器選用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，也是美國國家半導(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，電流建立時間為1μs，功耗低的特點[10]。基準(zhǔn)電壓范圍滿足設(shè)計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，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，通過外圍的RC電路，定V/F輸出的脈沖寬度，NE555定時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，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)計過零調(diào)功主電路時，有交流電路和直流電路，因此需要光耦合器來隔離交流電路和直流電路，并且過零觸發(fā)過零調(diào)功電路中的雙向晶閘管，因此選用過零型光耦合器，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)動電流為介于10mA和20mA之間,根據(jù)MOC3042芯片手冊

40、可以整定外接電阻和電容的值。通過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)計做基礎(chǔ)工作。</p><p>　　3 波分式過零調(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，即間隔一個或幾個周期的完整的波形。這樣就能減小電壓波形變動帶來的溫度變化量，加熱的溫度更加平穩(wěn)。</p><p>　　過零調(diào)功是針對交流調(diào)功器的電路通斷的控制方法，是一種電壓過零時瞬間出發(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，將電路接通幾個周波，然后斷開幾個周波，通過改變晶閘管在設(shè)定周期內(nèi)通

42、斷比來調(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>　　（3.1）</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>　　（3.3）</b></p><p>　　式（3.3）中為加熱周期內(nèi)導(dǎo)通時間。</p><p>　　在一般的PWM過零調(diào)功方法中，可變，不變，占空比通過來調(diào)節(jié)，輸出連續(xù)的幾個

44、的周波信號來觸發(fā)雙向晶閘管，電壓波形為在一個周期內(nèi)連續(xù)的一個或幾個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，等于一個電網(wǎng)周期，而占空比通過改變而變化，則它輸出為連續(xù)的均勻分布的波形。</p><p>　　3.1.1 PWM過零調(diào)功的輸出波動量計算分析</p><p>　　現(xiàn)在就一般的PWM過零調(diào)功溫度控制和PFM過零調(diào)功溫度控制進(jìn)行分析比較，PWM過零調(diào)功和P

45、FM過零調(diào)功的占空比相等，也就是輸出的功率相等。對于溫度控制過程的傳遞函數(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，只是延遲了時間，對波形的輸出沒有影響，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>　　對于PWM過零調(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)計的溫控系統(tǒng)和實際參數(shù)得出，由式（3.6）可見求解的公式為：</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)計的溫控系統(tǒng)和實際參數(shù)得出，則可以畫出PWM過零調(diào)功的輸出波形圖3.2。</p><p>　　圖3.2 PWM過零調(diào)功輸出波形</

48、p><p>　　圖3.2中為PWM信號的周期，為PWM信號的開通時間，根據(jù)圖3.2和式（3.7）可以計算出PWM過零調(diào)功輸出的最大值和PWM過零調(diào)功輸出的最小值，單位為℃，進(jìn)而計算出PWM過零調(diào)功的波動量。</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p><b>　　（3.8）</b></p>&

49、lt;p>　　則PWM過零調(diào)功的輸出波動量為：</p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　　3.1.2 PFM過零調(diào)功的輸出波動量計算分析</p><p>　　計算PFM過零調(diào)功的輸出波動量的方法同計算PWM波動量相同，設(shè)PFM過零調(diào)功的輸出波動量為，PFM過零調(diào)功的運動方程為：</p><p

50、><b>　?。?.10）</b></p><p>　　在與PWM相同的條件下，計算輸出波動量。據(jù)此可以畫出PFM過零調(diào)功的輸出波形圖3.3。</p><p>　　圖3.3 PFM過零調(diào)功輸出波形</p><p>　　圖3.3中為PFM信號的周期，為PFM信號的開通時間，由圖3.3和式（3.7）可以計算PFM過零調(diào)功輸出的最大值和PFM過

51、零調(diào)功輸出的最小值，單位均為℃，進(jìn)而計算PFM過零調(diào)功的波動量。</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)，則可以計算出PFM輸出波動量為：</p><p><b>　

52、?。?.13）</b></p><p>　　3.1.3 兩種過零調(diào)功方法的比較</p><p>　　PWM和PFM兩種過零調(diào)功的輸出波動量已經(jīng)計算出來，PWM過零調(diào)功的輸出波動量為，PFM過零調(diào)功輸出的波動量為，兩者相減進(jìn)行比較，可以得到：</p><p><b>　　（3.14）</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：</p><p><b>　　（3.15）</b></p><p><b>　?。?.16）</b></p><p>　　根據(jù)式（3.14）、式（3.15）、式（3.16）可以計算的大小，并能判斷它的符號，可以得出：</p><p&g

54、t;<b>　?。?.17）</b></p><p>　　由式（3.17）可見，PWM過零調(diào)功的輸出波動量大于PFM過零調(diào)功的輸出波動量。并且可以通過賦值計算，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信號和PFM信號的占空比相等，設(shè)定占空比都為20%，PWM的周期為10個電源周期，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個電源周期，=0.1s，=20ms，通過這些參數(shù)可以計算出=0.36℃，可以明顯的發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)大于。</p><p>　　由此可以得出，PWM過零調(diào)功的輸出波動量大于PFM過零調(diào)功的輸出波動量，因此PFM過零調(diào)功優(yōu)于PWM過零調(diào)功，PFM過零調(diào)功的加熱溫度波動量更小，溫度更加平穩(wěn)。</p><p>　　3.2 兩種過零調(diào)功方法的仿真分析</p><p>　　

56、PWM和PFM兩種過零調(diào)功方法的傳遞函數(shù)已經(jīng)計算出來了，溫度控制過程的傳遞函數(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)時間常數(shù)，為溫度延遲時間，在不同的溫度系統(tǒng)中取不同的值[14]。</p><p>　　對于PWM和PFM這兩種過零調(diào)功，利用MATLAB仿真軟件進(jìn)行仿真，建立PWM脈沖信號源和PFM脈沖信號源，滿足PWM信號和PFM信號的占空比均設(shè)為20%，PWM信號

57、開通時間為40ms，周期為0.2s，PFM信號開通時間為20ms，周期為0.1s，設(shè)定=1500，=2s，=1s，輸出的溫度在300℃處上下波動。據(jù)此可以利用MATLAB仿真軟件中SIMULINK仿真模型平臺對兩種過零調(diào)功方法的輸出波形進(jìn)行仿真。</p><p>　　圖3.4 PWM過零調(diào)功方法的仿真模型</p><p>　　圖3.5 PFM過零調(diào)功方法的仿真模型</p>&

58、lt;p>　　圖3.4為PWM過零調(diào)功仿真模型圖，圖3.5為PFM過零調(diào)功仿真模型圖，PWM信號開通時間為40ms，周期為0.2s，PFM信號開通時間為20ms，周期為0.1s，設(shè)定=1500，=2s，=1s，輸出的溫度在300℃處上下波動。利用圖3.4和圖3.5的仿真模型進(jìn)行仿真，得出兩種過零調(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過零調(diào)功仿真結(jié)果圖</p><p>　　圖3.7 PFM過零調(diào)功仿真結(jié)果圖</p><p>　　圖3.6顯示的是PWM過零調(diào)功仿真結(jié)果，圖3.7顯示的是PFM過零調(diào)功仿真結(jié)果圖，輸出溫度波形的波動量為最高點與最低點的差值，由這兩圖可見PFM過零調(diào)功的輸出波動量要遠(yuǎn)小于PWM過零調(diào)功的輸出波動量，為了準(zhǔn)確計算兩者的輸出波動量，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過零調(diào)功穩(wěn)定輸出放大圖</p><p>　　圖3.9 PFM過零調(diào)功穩(wěn)定輸出放大圖</p><p>　　由圖3.8和圖3.9可見，PFM過零調(diào)功仿真出來的輸出波動量約為25℃，而PWM過零調(diào)功仿真出來的輸出波動量約為12℃，很明顯，PFM過零調(diào)功輸出的波形波動量遠(yuǎn)小于PWM過零調(diào)功輸出的波形波動量，波動

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過零調(diào)功溫度控制可以使加熱負(fù)載的溫度波動更小，也更加平穩(wěn)，要優(yōu)于PWM過零調(diào)功溫度控制。</p><p>　　4 過零調(diào)功式溫度控制器的設(shè)計</p><p>　　4.1 過零調(diào)功式溫度控制器的電路框圖及分析</p><p>　　過零調(diào)功式溫度控制器以雙向晶閘管為功率控制元件、實現(xiàn)負(fù)載電壓波形均

62、勻分配、晶閘管過零調(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，過零型光耦合器電路由過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)計中用到的芯片需要穩(wěn)定的直流電壓，因而設(shè)計輔助電源電路。因此總體的電路框圖由求偏差電壓電路、PID運算電路、脈沖發(fā)生電路、定脈寬電路、過零型光耦合器、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>　　作為一個溫度控制系統(tǒng)，需要閉環(huán)控制，負(fù)載的加熱溫度通過溫度傳感器轉(zhuǎn)化為電壓信號，即為反饋電壓信號，再與給定電壓信號，兩者作為控制量輸給調(diào)節(jié)器，完成一個閉環(huán)控制。在本設(shè)計中設(shè)計的是溫度控制器，而不是溫度控制系統(tǒng)，因此溫度傳感器不在此設(shè)計中，但設(shè)計時留有反饋電壓信號接口。</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求偏差電路得出偏差電壓，輸給PID運算電路，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級調(diào)功，那么最小周期為一個電源周期，即為20ms，最大周期為128個電壓周期，即為2560ms，據(jù)此轉(zhuǎn)換為脈沖的頻率，通過定脈寬電路，整定脈沖寬度，使得開通時間為2

65、0ms的脈沖。</p><p>　　定脈寬電路整定出來的脈沖輸給過零型光耦合器，控制雙向晶閘管的通斷，也就是控制負(fù)載電路的通斷，完成過零調(diào)功的目的。由于設(shè)計中的輔助電源電路由提供的220V交流電，經(jīng)過變壓器輸出+17V和-17V的低壓交流電，經(jīng)過全橋整流橋整流濾波后，經(jīng)過三端穩(wěn)壓器輸出設(shè)計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)器的輸出電壓信號作為波形均分器的輸入，波形均分器

67、輸出的脈沖信號，它的脈沖寬度為20ms，驅(qū)動過零型光耦合器，進(jìn)而控制與過零型光耦合器相連接的雙向晶閘管的通斷，完成波分過零調(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)計中選擇簡單易行的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和反饋電壓信號，通過控制器進(jìn)行運算得出結(jié)果控制加熱系統(tǒng)，對加熱系統(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運算電路，求偏差電壓電路把給定的溫度信號轉(zhuǎn)換的電壓信號與反饋電壓，進(jìn)行比較運算，也就是經(jīng)過反饋矯正算法求得，輸給PID運算電路。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℃，通過溫度傳感器轉(zhuǎn)換為0~5V的電壓信號，作為反饋電壓，在另一端給定溫度通過傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號，作為給定電壓信號。

70、反饋校正算法選取差分比例放大電路，給定電壓信號和反饋電壓，分別接在運算放大器的同相端和反相端。</p><p>　　在本設(shè)計中采用的調(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算法要實現(xiàn)P、I、D要獨立可調(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運算電路并聯(lián)框圖</p><p>　　由圖4.4可見PID運算電路的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?.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PID運算的輸出電壓輸給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)，為積分時間，為微分時間。參數(shù)、和可以在電路中通過電位器調(diào)節(jié)阻值來調(diào)節(jié)大小。并聯(lián)構(gòu)成的PID調(diào)節(jié)器，由于是三個運算電路并聯(lián)連接，避免了級間誤差的累計放大，對保證整機(jī)精度有利，同時并聯(lián)結(jié)構(gòu)消除參數(shù)和變化對整定參數(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PID運算電路和求偏差電壓電路。</p><p>　　4.3 各單元電路設(shè)計</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、過零型光耦合器電路、雙向晶閘管和負(fù)載組成，因此設(shè)計硬件電路，需要設(shè)計過零調(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。過零調(diào)功主電路由過零型光耦合器、負(fù)載及熔斷器、開關(guān)等組成。基于V/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運算電路構(gòu)成。輔助電源電路的作用是是給設(shè)計中用到的芯片供

74、電，譬如+5V、+15V和-15V。</p><p>　　4.3.1 過零調(diào)功主電路的設(shè)計</p><p>　　過零調(diào)功主電路由過零型光耦合器、雙向晶閘管、負(fù)載及熔斷器、開關(guān)等組成。過零型光耦合器選用MOC3042，輸入端觸發(fā)驅(qū)動電流介于10mA和20mA之間,根據(jù)MOC3042芯片手冊整定外接電阻、和的值。</p><p>　　圖4.5 過零調(diào)功主電路圖<

75、/p><p>　　圖4.5為過零調(diào)功主電路，為波分電路輸出的PFM脈沖，驅(qū)動過零型光耦合器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，在線上接一個雙刀開關(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，形成開通時間為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定時器組成脈寬調(diào)制電路來整定脈沖的寬度，使得開通時間為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、級的脈沖，可以實現(xiàn)128級調(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。因為溫度控制器是128級調(diào)功，波形的開通時間是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，片選信號低電平有效，接地。數(shù)據(jù)鎖存允許信號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，需在兩個電流輸出端和接運算放大器，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)計中，DAC0832經(jīng)運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，=，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。</p><p>　　NE555定時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，使用靈活，可以方便組成多種多樣的邏輯路[16]。NE555定時器組成的定脈寬電路，由圖4.6可見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)維持時間，即為輸出脈沖的寬度。</p><p><b>　　（4.6）</b></p><p>　　式（4.6）中的和是圖4.6中NE555定時器外圍接的電阻和電容。要實現(xiàn)波分過零調(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輸出的頻率信號變換成為矩形波，為過零光耦合器

85、提供標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號。</p><p>　　4.3.3 調(diào)節(jié)器電路設(shè)計</p><p>　　調(diào)節(jié)器設(shè)計是依據(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運算電路，求偏差電壓電路是求反饋電壓信號與給定電壓信號兩者的偏差電壓，輸給PID運算電路，PID運算電路計算結(jié)果作為A/D轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入。因為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

86、別接在運算放大器的反相端和同相端，為了保持運放輸入平衡，輸入電阻相等。再接一個RC電路，作為時間常數(shù)。PID算法要實現(xiàn)P、I、D要獨立可調(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運算電路調(diào)節(jié)

87、器電路是現(xiàn)實調(diào)節(jié)算法的，為系統(tǒng)外給定溫度轉(zhuǎn)換的電壓信號，負(fù)載加熱溫度轉(zhuǎn)換的反饋電壓信號，兩者經(jīng)過一個差分比例放大電路，后得到一個比較電壓輸給PID運算電路，實現(xiàn)溫度控制。調(diào)節(jié)器中各參數(shù)可以計算，差分比例放大電路中，====15K，=0.1uF，求偏差電壓電路的輸出為，的計算公式為：</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　由圖4.7可見，=

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運算電路的比例系數(shù)為，積分時間為，微分時間為，這些參數(shù)都可以計算出來：</p><p><b>　?。?.8）</b></p><p><b>　?。?.9）</b></p><p><b>

89、;　?。?.10）</b></p><p>　　由式（4.8）、式（4.9）和式（4.10）可以計算參數(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，避免了級間誤差的累計放大，對保證整機(jī)精度有利，同時并聯(lián)結(jié)構(gòu)消除參數(shù)和變化對整定參數(shù)之間的影響。</p>

90、<p>　　4.3.4 輔助電源電路的設(shè)計</p><p>　　在設(shè)計中用到的芯片需要穩(wěn)定的直流電壓，因而設(shè)計輔助電源電路，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)壓器使用時接在整流濾波電路之后，首先要經(jīng)過整流電路, 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電壓。

91、然后利用濾波電路盡可能地將單向脈動電壓中的脈動成分濾掉, 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，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 過零調(diào)功式溫度控制器的整機(jī)電路及工作原理</p><p>　　過零調(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和給定電壓信號的偏差電壓的求偏差電壓電路和PID運算電路，波形均分器電路包括脈沖發(fā)生電路和定脈寬電路，過零型光耦合器電路

94、包括過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，整機(jī)由調(diào)節(jié)器電路、波形均分器電路、過零型光耦合器電路、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運算電路，求偏差電壓電路將反饋電壓與給定的溫度信號轉(zhuǎn)為電壓信號，進(jìn)行運算得出結(jié)果，輸給PID運算電路。PID算法要實現(xiàn)P、I、D要獨立可調(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，分別接在運算放大器的同相端和反相端，為了保持運放輸入平衡，輸入電阻相等。再接一個RC電路，作為時間常數(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運算電路，即由P、I、D電路并聯(lián)構(gòu)成的PID運算電路，PID運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定時器組成脈寬調(diào)制電路，波分電路產(chǎn)生開通時間為20ms的脈沖。</p><p>　　過零型光耦合器電路和負(fù)載電路組成過零調(diào)功主電

97、路，過零調(diào)功主電路由過零型光耦合器MOC3042、雙向晶閘管、負(fù)載及熔斷器、開關(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給定溫度通過傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號，作為給定電壓

98、信號，加熱負(fù)載溫度通過溫度傳感器轉(zhuǎn)換為0~5V的電壓信號，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)獨立可調(diào)，且互不影響。PID運算電路的運算結(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，把無級的信號轉(zhuǎn)變?yōu)橛屑壍男盘?，DAC0832轉(zhuǎn)換為電流，經(jīng)過運算放大器轉(zhuǎn)換為-5V~0V的電壓信號，輸給V/F轉(zhuǎn)換器AD650轉(zhuǎn)換為頻

99、率，定脈寬后產(chǎn)生開通時間固定為20ms的脈沖，驅(qū)動過零型光耦合器MOC3042，對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，完成波分過零調(diào)功的要求。</p><p><b>　　5 總結(jié)</b></p><p>　　本論文設(shè)計了波分調(diào)功式溫度控制器，實現(xiàn)負(fù)載電壓波形均勻分配、晶閘管過零調(diào)功，以雙向晶閘管為控制器件，實現(xiàn)負(fù)載上的電壓波形均勻分配，

100、減小加熱溫度波動量。溫度控制器由調(diào)節(jié)器、波形均分器、過零型光耦合器電路、雙向晶閘管和負(fù)載電路以及輔助電源等部分組成，現(xiàn)對波分調(diào)功式溫度控制器設(shè)計過程總結(jié)如下：</p><p>　?。?）進(jìn)行波分調(diào)功的可能性分析，提出一種波分式過零調(diào)功方法，也就是PFM過零調(diào)功，對比一般的PWM過零調(diào)功方法，計算并比較兩者的輸出波形波動量，發(fā)現(xiàn)波分過零調(diào)功的輸出波形波動量小與PWM過零調(diào)功方法的輸出波形波動量。利用MATLAB仿真

101、軟件對兩種過零調(diào)功方法進(jìn)行仿真，建立兩種過零調(diào)功方法的仿真模型，比較兩種過零調(diào)功方法的輸出波動量，也可以發(fā)現(xiàn)PFM過零調(diào)功的輸出波形波動量小于PWM過零調(diào)功，從理論上證明PFM過零調(diào)功方法優(yōu)于PWM過零調(diào)功方法。</p><p>　?。?）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)起來組成，這樣可以使P、I、D參數(shù)獨立可調(diào)，且互不影響。</p><p>　　（3）根據(jù)提出的波分式過零調(diào)功方法，設(shè)計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，使無級的調(diào)功信號轉(zhuǎn)換為有級的信號，完成有級調(diào)功，選取A/D的7路輸出，這樣就形成了128級調(diào)功。整機(jī)電路由求偏差電壓電

103、路、PID運算電路、脈沖發(fā)生電路、定脈寬電路、過零型光耦合器、過零型光耦合器的驅(qū)動電路、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)點很明顯，從兩種過零調(diào)功方法的輸出波動量計算和仿真分析，都可以證明波分過零調(diào)功優(yōu)于一般的PWM過零調(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量，使溫度運行更加平穩(wěn)。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　春去秋來，寒來暑往，轉(zhuǎn)眼間在杭州電子科技大學(xué)的四年就要匆匆而過，在論文完成之際，我不禁思潮彭湃，感慨萬千?；叵肫疬@段求學(xué)歷程，有開心快樂，有傷心痛苦，付出了汗水，也收獲了果實。</p

105、><p>　　本畢業(yè)設(shè)計論文是在我的導(dǎo)師XXX老師的悉心指導(dǎo)和熱誠關(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、豐富的科研經(jīng)驗以及對我們無限的關(guān)懷，對我順利地完成論文起了非常關(guān)鍵的作用，也時刻督促我們?nèi)W(xué)習(xí)、去探索。從設(shè)計的選題到完成無不凝聚著導(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，這些都將激勵我在今后的人生中一如既往地去進(jìn)取、拼搏。同時感謝在課題進(jìn)行中關(guān)心和幫

106、助過我的老師和同學(xué)，感謝你們在我遇到困難的時候及時給予我鼓勵和幫助，給了我戰(zhàn)勝困難的勇氣和決心；在論文設(shè)計過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。</p><p>　　最后感謝所有關(guān)心、支持、幫

107、助、鼓勵我的親友、師長、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(自然科學(xué)版),2004，24（1）：1-4.</p><p>　　[2] 朱肖強，陳三寶.電加熱爐爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真[J].自動化與儀器儀表，2006，12（

108、3）：1-2.</p><p>　　[3] 楊啟偉，陳以.常用溫度控制法的對比[J].測控技術(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,