一种输出相位优化的PWM调功方法

石 鑫，谢 华

SHI Xin1, XIE Hua2

（1.镇江高等职业技术学校，镇江 212013；2.江苏大学 电气学院，镇江 212013）

0 引言

温度控制系统是最常用的一种控制系统，近年来，随着社会的发展，温度的测量及控制变得越来越重要[1]。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制过程，其过程复杂多变，具有不确定性，因此要求系统有更为先进的控制技术。

由于一般的温度控制系统存在大延时带坏纯滞后特性，被控对象的这种特性常引起系统产生超调和震荡，降低系统的稳定性或系统的反馈性能，为了实现高精度控制的要求，一般采用PWM方式的电源控制，通过控制大功率电力电子器件的导通和关断时间实现对给点电压的控制，从而保持设定的温度基本不变[2]。因此，在现有的多控温点的温度控制系统中，每一路控温点都会用一路PWM信号控制，因此各加热器的启动时间完全相同，从而导致电网的瞬时电流很大，对电网产生冲击且产生较高的能耗。

针对上述问题，提出一种基于多控温点的输出相位优化的PWM调功方法与其系统，通过优化PWM输出相位，以达到减小瞬时电流的目的，从而减小电网污染并降低能耗。

1 系统结构

单片机温度控制系统结构主要由单片机控制器、可控硅输出部分、热电偶传感器、温度变送器以及被控对象组成[3]。本文所选用的温度控制系统如图1所示，由控制系统、驱动电路、固态继电器1至N（总共N个）和加热器1至N（N个）构成。其中，一个固态继电器与一个加热器够成一个控温点；控制系统发出PWM信号给驱动电路，驱动电路根据所得脉冲信号，触发某一路固体继电器动作，固体继电器吸合，则启动该路控温点工作，系统对目标进行加热；反之，固态继电器断开，控温点停止工作，系统停止加热。

图1 温控系统的结构图

2 调功方法

在PWM信号输出的任一周期T内，高电平时间为t1，低电平时间为t2，输出占空比定义为t1与周期T时间的比值。在现有的多回路温控系统中，每一路PWM信号控制一路控温点，这样在同一周期T中，各路控温点同时动作，即同时以相同的占空比输出。当所有的PWM信号同时以100%的占空比输出时，等价于在一个周期T内固态继电器始终保持闭合状态，于是在一个周期T内整个回路的最大电流值为各路分电流之和，即：

若多路PWM信号以小于100%占空比（即t1＜T）输出高电平时，如图2所示，则在一个周期时间T内，前时间，整个系统的最大瞬时电流值为Imax=N ×I，在后时间，系统的瞬时电流值为0。由此可见，控温点对电网的冲击较大。

图2 常规多回路控制时电网电流消耗图

输出相位优化的PWM调功策略是指在一个控制周期T内，当PWM波输出百分比不为100%时，使其输出初相位错开。如图3所示，若有N路控温点，则使每一路控温点的输出初相位彼此错开周期，亦即：第1路初相位为0，第2路初相位为，第2路初相位为，以此类推，第N路的初相位为。这样，在整个控制周期T内，系统的电流均匀化，大大降低温控系统对电网的冲击。

图3 输出相位优化的电网电流消耗图

3 实验结果

为了验证论文所提方法的应用效果，采用5个控温点，搭建电路并分别用常规多回路控制PWM输出方法以及输出相位优化的PWM调功方法进行试验，测得单个控温点无论是在何种控制方式、当前PWM波的占空比为何值时，其最大电流值均为50A，并且在常规控制系统中，母线电流在有效占空比内输出的电流值为母线电流最大瞬时电流值，在其余时间内输出的电流值为0，如：占空比为x%时，母线电流在一个周期的x%×T时间内，母线电流的电流值为所有单个温控点的最大瞬时电流值之和，在其余的(1-x%)×T时间内母线的电流值为0。改进后的控制系统中，母线电流只有在占空比小于20%时，存在电流值为0的情况，并且出现0的时间较常规控制系统短。将PWM波调节值输出的占空比分别为10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%时，分别记录母线在常规控制系统中以及在优化后的系统中的最大瞬时电流，并将其数据描成图，如图4所示。

试验结果表明：采用常规多回路控制的PWM输出方法所涉及的温度控制系统，母线最大电流在PWM输出使控温点工作时的最大瞬时电流值始终为所有控温点在最大电流值的总和，最小电流值为0，并且母线电流只有这两种结果，出现最大电流值和最小电流值的时间之和为T；采用改进后的PWM调功方法的温度控制系统，在输出百分比逐步增大的过程中，母线最大电流值也逐步增加，并且呈阶梯式增加，当PWM波输出占空比为1时，优化后的母线最大电流为所有控温点的最大瞬时电流值之和，尤其当PWM波输出占空比大于或等于20%时，母线电流不存在电流值为0的情况。将二者比较可知，优化控制效果显著，尤其是在PWM波输出占空比很小的情况下，效果更加突出。

图4 常规控制与优化控制母线最大电流值

4 结论

为了减小系统的瞬时电流，降低系统能耗，减少控温系统对电网的冲击污染，采用分时控制PWM波相位输出技术。实验结果证明，采用该技术的多回路温控系统中，当系统不是以100%的占空比输出时，可以大幅度降低系统的瞬时电流，从而降低能耗，减少温度控制系统对电网的冲击污染。

[1]夏志华.基于单片机的温度控制系统的研究与实现[J].煤炭技术,2013(2):191-193.

[2]陈惠.基于单片机的温度控制系统的软件设计[J].宁夏机械,2009(4):38-40.

[3]丁敏.基于单片机的温度控制系统设计[J].科技信息,2011(13):81-88.