一種輸出相位優(yōu)化的PWM調(diào)功方法

石 鑫，謝 華

SHI Xin1, XIE Hua2

（1.鎮(zhèn)江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇大學(xué) 電氣學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

溫度控制系統(tǒng)是最常用的一種控制系統(tǒng)，近年來，隨著社會(huì)的發(fā)展，溫度的測(cè)量及控制變得越來越重要[1]。對(duì)于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度控制過程，其過程復(fù)雜多變，具有不確定性，因此要求系統(tǒng)有更為先進(jìn)的控制技術(shù)。

由于一般的溫度控制系統(tǒng)存在大延時(shí)帶壞純滯后特性，被控對(duì)象的這種特性常引起系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)和震蕩，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性或系統(tǒng)的反饋性能，為了實(shí)現(xiàn)高精度控制的要求，一般采用PWM方式的電源控制，通過控制大功率電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)給點(diǎn)電壓的控制，從而保持設(shè)定的溫度基本不變[2]。因此，在現(xiàn)有的多控溫點(diǎn)的溫度控制系統(tǒng)中，每一路控溫點(diǎn)都會(huì)用一路PWM信號(hào)控制，因此各加熱器的啟動(dòng)時(shí)間完全相同，從而導(dǎo)致電網(wǎng)的瞬時(shí)電流很大，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊且產(chǎn)生較高的能耗。

針對(duì)上述問題，提出一種基于多控溫點(diǎn)的輸出相位優(yōu)化的PWM調(diào)功方法與其系統(tǒng)，通過優(yōu)化PWM輸出相位，以達(dá)到減小瞬時(shí)電流的目的，從而減小電網(wǎng)污染并降低能耗。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由單片機(jī)控制器、可控硅輸出部分、熱電偶傳感器、溫度變送器以及被控對(duì)象組成[3]。本文所選用的溫度控制系統(tǒng)如圖1所示，由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路、固態(tài)繼電器1至N（總共N個(gè)）和加熱器1至N（N個(gè)）構(gòu)成。其中，一個(gè)固態(tài)繼電器與一個(gè)加熱器夠成一個(gè)控溫點(diǎn)；控制系統(tǒng)發(fā)出PWM信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)所得脈沖信號(hào)，觸發(fā)某一路固體繼電器動(dòng)作，固體繼電器吸合，則啟動(dòng)該路控溫點(diǎn)工作，系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行加熱；反之，固態(tài)繼電器斷開，控溫點(diǎn)停止工作，系統(tǒng)停止加熱。

圖1 溫控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

2 調(diào)功方法

在PWM信號(hào)輸出的任一周期T內(nèi)，高電平時(shí)間為t1，低電平時(shí)間為t2，輸出占空比定義為t1與周期T時(shí)間的比值。在現(xiàn)有的多回路溫控系統(tǒng)中，每一路PWM信號(hào)控制一路控溫點(diǎn)，這樣在同一周期T中，各路控溫點(diǎn)同時(shí)動(dòng)作，即同時(shí)以相同的占空比輸出。當(dāng)所有的PWM信號(hào)同時(shí)以100%的占空比輸出時(shí)，等價(jià)于在一個(gè)周期T內(nèi)固態(tài)繼電器始終保持閉合狀態(tài)，于是在一個(gè)周期T內(nèi)整個(gè)回路的最大電流值為各路分電流之和，即：

若多路PWM信號(hào)以小于100%占空比（即t1＜T）輸出高電平時(shí)，如圖2所示，則在一個(gè)周期時(shí)間T內(nèi)，前時(shí)間，整個(gè)系統(tǒng)的最大瞬時(shí)電流值為Imax=N ×I，在后時(shí)間，系統(tǒng)的瞬時(shí)電流值為0。由此可見，控溫點(diǎn)對(duì)電網(wǎng)的沖擊較大。

圖2 常規(guī)多回路控制時(shí)電網(wǎng)電流消耗圖

輸出相位優(yōu)化的PWM調(diào)功策略是指在一個(gè)控制周期T內(nèi)，當(dāng)PWM波輸出百分比不為100%時(shí)，使其輸出初相位錯(cuò)開。如圖3所示，若有N路控溫點(diǎn)，則使每一路控溫點(diǎn)的輸出初相位彼此錯(cuò)開周期，亦即：第1路初相位為0，第2路初相位為，第2路初相位為，以此類推，第N路的初相位為。這樣，在整個(gè)控制周期T內(nèi)，系統(tǒng)的電流均勻化，大大降低溫控系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

圖3 輸出相位優(yōu)化的電網(wǎng)電流消耗圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證論文所提方法的應(yīng)用效果，采用5個(gè)控溫點(diǎn)，搭建電路并分別用常規(guī)多回路控制PWM輸出方法以及輸出相位優(yōu)化的PWM調(diào)功方法進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得單個(gè)控溫點(diǎn)無論是在何種控制方式、當(dāng)前PWM波的占空比為何值時(shí)，其最大電流值均為50A，并且在常規(guī)控制系統(tǒng)中，母線電流在有效占空比內(nèi)輸出的電流值為母線電流最大瞬時(shí)電流值，在其余時(shí)間內(nèi)輸出的電流值為0，如：占空比為x%時(shí)，母線電流在一個(gè)周期的x%×T時(shí)間內(nèi)，母線電流的電流值為所有單個(gè)溫控點(diǎn)的最大瞬時(shí)電流值之和，在其余的(1-x%)×T時(shí)間內(nèi)母線的電流值為0。改進(jìn)后的控制系統(tǒng)中，母線電流只有在占空比小于20%時(shí)，存在電流值為0的情況，并且出現(xiàn)0的時(shí)間較常規(guī)控制系統(tǒng)短。將PWM波調(diào)節(jié)值輸出的占空比分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%時(shí)，分別記錄母線在常規(guī)控制系統(tǒng)中以及在優(yōu)化后的系統(tǒng)中的最大瞬時(shí)電流，并將其數(shù)據(jù)描成圖，如圖4所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：采用常規(guī)多回路控制的PWM輸出方法所涉及的溫度控制系統(tǒng)，母線最大電流在PWM輸出使控溫點(diǎn)工作時(shí)的最大瞬時(shí)電流值始終為所有控溫點(diǎn)在最大電流值的總和，最小電流值為0，并且母線電流只有這兩種結(jié)果，出現(xiàn)最大電流值和最小電流值的時(shí)間之和為T；采用改進(jìn)后的PWM調(diào)功方法的溫度控制系統(tǒng)，在輸出百分比逐步增大的過程中，母線最大電流值也逐步增加，并且呈階梯式增加，當(dāng)PWM波輸出占空比為1時(shí)，優(yōu)化后的母線最大電流為所有控溫點(diǎn)的最大瞬時(shí)電流值之和，尤其當(dāng)PWM波輸出占空比大于或等于20%時(shí)，母線電流不存在電流值為0的情況。將二者比較可知，優(yōu)化控制效果顯著，尤其是在PWM波輸出占空比很小的情況下，效果更加突出。

圖4 常規(guī)控制與優(yōu)化控制母線最大電流值

4 結(jié)論

為了減小系統(tǒng)的瞬時(shí)電流，降低系統(tǒng)能耗，減少控溫系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊污染，采用分時(shí)控制PWM波相位輸出技術(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，采用該技術(shù)的多回路溫控系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)不是以100%的占空比輸出時(shí)，可以大幅度降低系統(tǒng)的瞬時(shí)電流，從而降低能耗，減少溫度控制系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊污染。

[1]夏志華.基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].煤炭技術(shù),2013(2):191-193.

[2]陳惠.基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)[J].寧夏機(jī)械,2009(4):38-40.

[3]丁敏.基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技信息,2011(13):81-88.