一種輸出相位優化的PWM調功方法

石 鑫，謝 華

SHI Xin1, XIE Hua2

（1.鎮江高等職業技術學校，鎮江 212013；2.江蘇大學 電氣學院，鎮江 212013）

0 引言

溫度控制系統是最常用的一種控制系統，近年來，隨著社會的發展，溫度的測量及控制變得越來越重要[1]。對于不同生產情況和工藝要求下的溫度控制過程，其過程復雜多變，具有不確定性，因此要求系統有更為先進的控制技術。

由于一般的溫度控制系統存在大延時帶壞純滯后特性，被控對象的這種特性常引起系統產生超調和震蕩，降低系統的穩定性或系統的反饋性能，為了實現高精度控制的要求，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通和關斷時間實現對給點電壓的控制，從而保持設定的溫度基本不變[2]。因此，在現有的多控溫點的溫度控制系統中，每一路控溫點都會用一路PWM信號控制，因此各加熱器的啟動時間完全相同，從而導致電網的瞬時電流很大，對電網產生沖擊且產生較高的能耗。

針對上述問題，提出一種基于多控溫點的輸出相位優化的PWM調功方法與其系統，通過優化PWM輸出相位，以達到減小瞬時電流的目的，從而減小電網污染并降低能耗。

1 系統結構

單片機溫度控制系統結構主要由單片機控制器、可控硅輸出部分、熱電偶傳感器、溫度變送器以及被控對象組成[3]。本文所選用的溫度控制系統如圖1所示，由控制系統、驅動電路、固態繼電器1至N（總共N個）和加熱器1至N（N個）構成。其中，一個固態繼電器與一個加熱器夠成一個控溫點；控制系統發出PWM信號給驅動電路，驅動電路根據所得脈沖信號，觸發某一路固體繼電器動作，固體繼電器吸合，則啟動該路控溫點工作，系統對目標進行加熱；反之，固態繼電器斷開，控溫點停止工作，系統停止加熱。

圖1 溫控系統的結構圖

2 調功方法

在PWM信號輸出的任一周期T內，高電平時間為t1，低電平時間為t2，輸出占空比定義為t1與周期T時間的比值。在現有的多回路溫控系統中，每一路PWM信號控制一路控溫點，這樣在同一周期T中，各路控溫點同時動作，即同時以相同的占空比輸出。當所有的PWM信號同時以100%的占空比輸出時，等價于在一個周期T內固態繼電器始終保持閉合狀態，于是在一個周期T內整個回路的最大電流值為各路分電流之和，即：

若多路PWM信號以小于100%占空比（即t1＜T）輸出高電平時，如圖2所示，則在一個周期時間T內，前時間，整個系統的最大瞬時電流值為Imax=N ×I，在后時間，系統的瞬時電流值為0。由此可見，控溫點對電網的沖擊較大。

圖2 常規多回路控制時電網電流消耗圖

輸出相位優化的PWM調功策略是指在一個控制周期T內，當PWM波輸出百分比不為100%時，使其輸出初相位錯開。如圖3所示，若有N路控溫點，則使每一路控溫點的輸出初相位彼此錯開周期，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，在整個控制周期T內，系統的電流均勻化，大大降低溫控系統對電網的沖擊。

圖3 輸出相位優化的電網電流消耗圖

3 實驗結果

為了驗證論文所提方法的應用效果，采用5個控溫點，搭建電路并分別用常規多回路控制PWM輸出方法以及輸出相位優化的PWM調功方法進行試驗，測得單個控溫點無論是在何種控制方式、當前PWM波的占空比為何值時，其最大電流值均為50A，并且在常規控制系統中，母線電流在有效占空比內輸出的電流值為母線電流最大瞬時電流值，在其余時間內輸出的電流值為0，如：占空比為x%時，母線電流在一個周期的x%×T時間內，母線電流的電流值為所有單個溫控點的最大瞬時電流值之和，在其余的(1-x%)×T時間內母線的電流值為0。改進后的控制系統中，母線電流只有在占空比小于20%時，存在電流值為0的情況，并且出現0的時間較常規控制系統短。將PWM波調節值輸出的占空比分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%時，分別記錄母線在常規控制系統中以及在優化后的系統中的最大瞬時電流，并將其數據描成圖，如圖4所示。

試驗結果表明：采用常規多回路控制的PWM輸出方法所涉及的溫度控制系統，母線最大電流在PWM輸出使控溫點工作時的最大瞬時電流值始終為所有控溫點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果，出現最大電流值和最小電流值的時間之和為T；采用改進后的PWM調功方法的溫度控制系統，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PWM波輸出占空比為1時，優化后的母線最大電流為所有控溫點的最大瞬時電流值之和，尤其當PWM波輸出占空比大于或等于20%時，母線電流不存在電流值為0的情況。將二者比較可知，優化控制效果顯著，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 常規控制與優化控制母線最大電流值

4 結論

為了減小系統的瞬時電流，降低系統能耗，減少控溫系統對電網的沖擊污染，采用分時控制PWM波相位輸出技術。實驗結果證明，采用該技術的多回路溫控系統中，當系統不是以100%的占空比輸出時，可以大幅度降低系統的瞬時電流，從而降低能耗，減少溫度控制系統對電網的沖擊污染。

[1]夏志華.基于單片機的溫度控制系統的研究與實現[J].煤炭技術,2013(2):191-193.

[2]陳惠.基于單片機的溫度控制系統的軟件設計[J].寧夏機械,2009(4):38-40.

[3]丁敏.基于單片機的溫度控制系統設計[J].科技信息,2011(13):81-88.