pwm電流有效值的檢測

1、海事大學畢業(yè)論文IIOO七年六月PWM逆變器電流有效值的檢測專業(yè)班級：電氣工程及其自動化一班姓名：xxxx指導教師：xxxxxx自動化與電氣工程學院摘要隨著社會生產(chǎn)力的迅猛開展，先進電子技術(shù)的不斷出現(xiàn)，電子設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域變的越來越廣泛，用電設(shè)備的種類也越來越多，對電的需求越來越多，對控制技術(shù)的要求也越來越高，而要實現(xiàn)準確的控制，對電流的檢測就是其中重要的一局部。目前，社會上逆變器的產(chǎn)品以SPWM控制式為主，本文就是檢測PWM逆變器電流的有效值，第一局部介紹了逆變器的開展史，逆變器的分類以及PWM逆變器的工作原理，第二局部介紹了本論文的原理，接著簡單介紹了各個主要電路的原理，第三局部介紹了電流檢

2、測的分類，以及電流檢測元件的分類，本文檢測電路的原理，本文研究的檢測電路采用了精細互感器檢測電流，并將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，用精細整流電路將交流電壓的負半周翻轉(zhuǎn)到坐標軸以上，送到單片機的C0通道進展模數(shù)轉(zhuǎn)換。第四局部首先簡單介紹了AVR單片機的構(gòu)造特點，其次介紹了本文主程序的流程圖，然后分模塊介紹了模數(shù)轉(zhuǎn)換、發(fā)SPWM波和顯示程序的流程圖。本文利用了AVR自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，將送到單片機的電壓值模數(shù)轉(zhuǎn)換，并根據(jù)電流有效值定義計算出有效值，在LED中顯示出來。利用定時器的PWM功能，發(fā)出兩路SPWM波第五局部對本論文進展總結(jié)。關(guān)鍵詞：PWM逆變器電流有效值A(chǔ)VR單片機ABSTRACTAlong

3、withtherapidsocialdevelopmentoftheproductivity,advancedelectronictechnologiescontinuetoemerge.Applicationofelectronicequipmentfieldbeesincreasinglywide,andthevarietyofelectricalequipmenthavehadmoreandmoredemandsbecauseofelectricitygrowing,controltechnologiesareincreasinglyhighrequirements,andtoachie

4、vetheprecisecontrol,thecurrentdetectionisanimportantpart.Atpresent,thereareinverterproductstoSPWMcontrolledmainly,ThispaperisthedetectionofPWMinvertercurrentRMS,thefirstpartontheinverter'shistoryofdevelopment,theclassificationofinverter,andtheprincipleofPWMinverter,thesecondpartistheprincipleoft

5、hesystem,thenabriefintroductionofeachofthemajorcircuittheory,thethirdpartisthecurrentdetectionclassification,Currentdetectionandclassificationofponents,thecurrentdetectioncircuittheory,ThedetectioncircuitemployssophisticatedcurrenttransformerandcurrentsignalisconvertedintovoltagesignalsPrecisionrect

6、ifiercircuitsreversedoverACvoltagetothenegativehalf-cycleoftheaxes,andtheC0channelforanalog-to-digitalconversion.PartIVthefirstsimplyintroducingthestructureofAVR,followedbytheintroductionofthisprocessflowchart,thensub-moduleontheanalog-to-digitalconversion,theSPWManddisplayprocessflowchart,thevalueo

7、fthevoltagewhichissenttoAVRwouldConvertintoadigital,andunderthecurrentRMSdefinitioncalculateRMS.MakeuseofthetimerthePWMfunctionoftheAVR,sendouttwoSPWMwaves.Thelastpartcarriesonsummarytothispaper.Keywords:PWMinvertercurrentRMSAVR目錄第一章前言81.1 逆變器開展史81.2 逆變器白分類.91.3 、PWM控制技術(shù)101.3.1 .PWM控制的根本原理101.3.2 SP

8、WM控制的根本原理11第二章系統(tǒng)原理及組成132.1 系統(tǒng)硬件框圖132.2 主要組成電路132.2.1 濾波整流電路132.2.2 逆變電路142.2.3 驅(qū)動電路16第三章電流有效值的檢測183.1 檢測的分類183.1.1 電阻檢測和磁檢測183.1.2 電流檢測元件203.2 電流有效值的檢測213.2.1 有效值213.2.2 檢測電路22第四章基于單片機的軟件設(shè)計254.1 AVR系列單片機簡介254.1.1 ATmega8特點254.1.2 ATmega8單片機的指令系統(tǒng)284.2 基于AVR單片機PWM逆變器電流有效值白檢測軟件設(shè)計284.2.1 主程序流程圖284.2.2 A

9、D轉(zhuǎn)換294.2.3 顯示314.2.4 SPWM波產(chǎn)生32第五章實驗與總結(jié)375.1 單片機發(fā)出兩路SPWM波形375.2 檢測的電流數(shù)據(jù)375.3 總結(jié)37參考文獻38致39附錄A40第一章前言1.1 逆變器開展史所謂逆變器，是指整流又稱順變器的逆向變換裝置。其作用是通過半導體功率開關(guān)器件例如SCR,GTO,GTR,IGBT和功率MOSFFET模塊等的開通和關(guān)斷作用，把直流電能變換成交流電能，因此是一種電能變換裝置。逆變器的應(yīng)用非常廣泛。在已有的各種電源中，蓄電池、干電池、太陽能電池等都是直流電源，當需要向交流負載供電時，就需要逆變電路。另外交流電機調(diào)速用變頻器、不連續(xù)電源、感應(yīng)加熱電源等

10、電力電子使用非常廣泛，其電路的核心都是逆變電路。逆變器的原理早在1931年就在文獻中提到過。1948年，美國西屋電器公司用汞弧整流器制成了3000Hz的感應(yīng)加熱用逆變器。1947年，第一只晶體管誕生，固態(tài)電力電子學隨之而誕生，1956年，第一只晶閘管問世，這標志著電力電子學的誕生，并開場進入傳統(tǒng)開展時代。在這個時代，逆變器繼整流器之后開場開展。首先出現(xiàn)的是SCR電壓型逆變器。1961年，W.McMurray與B.DBedford提出了改良型SCR強迫換向逆變器，為SCR逆變器的開展奠定了根底。1960年以后，人們注意到改善逆變器波形的重要性，并開場了進展研究。1962年，A.Kernick提出

11、了“諧波中和消除法'。1963年，F(xiàn).G.Turnbull提出了“消除特定諧波法，為后來的優(yōu)化PWM法奠定了根底，以實現(xiàn)特定的優(yōu)化目標，如諧波最小，效率最優(yōu)，轉(zhuǎn)矩脈動最小等。20世紀70年代后期，可關(guān)斷晶閘管GTO,電力晶體管GTR及其模塊相繼實用化，80年代以來，電力電子技術(shù)與微電子技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了各種高頻化的全控器件，并得到了迅速開展，如功率場效應(yīng)管PowerMOSFET、絕緣門極晶體管IGT或IGBT、靜電感應(yīng)晶體管SIT、靜電感應(yīng)晶閘管SITH、場控晶閘管MCT,以及MOS晶體管MGT等。這就是電力電子技術(shù)由傳統(tǒng)開展時代進入到高頻時代。在這個時代，具有小型化和高性能特點的新逆

12、變器技術(shù)層出不窮，特別是脈寬調(diào)制波形改善技術(shù)得到了飛速的開展。1964年，由A.Schonung和H。Stemmier提出的把通信系統(tǒng)調(diào)制技術(shù)應(yīng)用到逆變技術(shù)中的正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)SPWM，由于當時開關(guān)器件的速度慢而未的到推廣。直到1975年才有Bristol大學的S.R.Bowes等把spwm技術(shù)正式應(yīng)用到逆變技術(shù)中，使逆變器的性能大大提高，并得到了廣泛的應(yīng)用和開展。此后，各種不同的pwm技術(shù)相繼出現(xiàn)。一般認為，逆變技術(shù)的開展可以分成如下兩個階段：19561980年為傳統(tǒng)開展階段，這個階段的特點是，開關(guān)器件以低速器件為主，逆變器的開關(guān)頻率較低，波形改善以多重疊加法為主，體積重量較大，逆變效率低

13、，正弦波逆變器開場出現(xiàn)。1980年到現(xiàn)在為高頻化新技術(shù)階段，這個階段的特點是，開關(guān)器件以高速器件為主，逆變器的開關(guān)頻率較高，波形改善以pwm法為主，體積重量較小，逆變效率高，正弦波逆變技術(shù)開展日趨完善。1.2 逆變器的分類.目前，逆變器根據(jù)其構(gòu)造形式和工作原理，大致可以分為以下五類：1多重化逆變器。最初的多重化逆變器是用來將幾個方波逆變器的輸出通過變壓器按照一定的規(guī)律組合起來形成階梯波輸出，以削弱諧波含量，提高裝置容量。這種逆變器主要用于三相系統(tǒng)，具有器件開關(guān)頻率低、系統(tǒng)效率高、控制簡單等優(yōu)點。但其輸出波形較其后來開展起來的SPWM逆變器差的多，且難以通過閉環(huán)調(diào)節(jié)予以校正。目前，在大容量的SP

14、WM逆變器中，仍有采用多重化技術(shù)進一步提高容量、削弱諧波的例子。2PWM逆變器。PWM逆變器通過控制開關(guān)器件產(chǎn)生一系列等幅可正可負一、不等寬的恒頻脈沖來逼近標準正弦波，再采用濾波網(wǎng)絡(luò)濾除該脈沖列中的高頻成分，獲得正弦度較高的輸出。PWM技術(shù)大多基于傅立葉周期信號分解理論，預(yù)見性好，且原理直觀，便于實現(xiàn)。PWM逆變器具有系統(tǒng)簡潔、技術(shù)成熟、動態(tài)響應(yīng)快及適應(yīng)性強等顯著特點，因而應(yīng)用極為廣泛。隨著數(shù)字技術(shù)的開展，PWM技術(shù)還有著廣闊的開展空間。3三電平逆變器。所謂三電平逆變器，是指其逆變橋中每一橋臂的中點均能輸出三種電平的逆變器。假設(shè)以逆變橋輸入電壓的一半E/2為基準電壓，那么這三種電平分別是+E/

15、2、0、-E/2。對于單相逆變器，三電平逆變器與通常的二電平逆變器的主電路的構(gòu)造上并沒有什么區(qū)別，只是在控制上二電平逆變器采用雙極性SPWM,而三電平逆變器采用的是單極性SPWM。對于三相逆變器，三電平逆變器那么需要在普通的二電平逆變器的根底上添加假設(shè)干輔助開關(guān)管，并采用獨特的三電平PWM控制理論。此時，三電平逆變器可獲得降低開關(guān)管耐壓及開關(guān)頻率等優(yōu)點，因而適合于高電壓、大容量的GTO逆變電源。4諧振軟開關(guān)逆變器。為了進一步改善PWM逆變器的動態(tài)響應(yīng)性能，減小濾波器的尺寸，需要從根本上減小器件的開關(guān)損耗，提高開關(guān)頻率。這樣，就開展了各種類型的諧振軟開關(guān)逆變器。其中，由結(jié)實型諧振直流環(huán)RDCL和

16、零電壓轉(zhuǎn)換PWM逆變橋ZVT-PWM級連構(gòu)成的組合式逆變器，器件的開關(guān)應(yīng)力能得到有效的限制，而且接觸了諧振直流環(huán)節(jié)和后續(xù)逆變橋控制上的耦合關(guān)系，能充分發(fā)揮高頻PWM控制技術(shù)的有時。目前，該類逆變器在小容量、高性能逆變電源中已得到初步應(yīng)用。其缺點主要在于，附加功率器件較多，循環(huán)能量大。5高頻鏈逆變器。在輸入、輸出需要進展電氣隔離的逆變電源中，變壓器的設(shè)置是必不可少的。SPWM逆變器中采用的以輸出電壓頻率工作的工頻或中頻變壓器，體積龐大，往往是阻礙其向小型化、輕量化方向開展的主要障礙。因變壓器的體積同其工作頻率成近似反比的關(guān)系，故假設(shè)能采用高頻變壓器進展電氣隔離，就能顯著地減小裝置的體積和重量。高

17、頻鏈逆變器的根本原理就是通過設(shè)置中間高頻鏈逆變環(huán)節(jié)，采用高頻變壓器進展電氣隔離，再將此高頻交流電變換成所需頻率的交流輸出。目前已開展出多種拓撲構(gòu)造的高頻鏈逆變器13PWM控制技術(shù)1.3.1 PWM控制的根本原理在采樣控制理論中有一個重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性環(huán)節(jié)上時，其效果根本一樣。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說的效果根本一樣，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形根本一樣。如果把各輸出波形用傅立葉變換分析，那么其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。例如圖1.1所示的三個窄脈沖形狀不同，其中圖1.1a為矩形脈沖，b為三角形脈沖，c為正弦半波脈沖，但他們的面積即沖量都等于1,那么當它們分

18、別加在具有慣性的同一個環(huán)節(jié)上時，其輸出響應(yīng)根本一樣。當窄脈沖變?yōu)閳D1.1d的單位脈沖函數(shù)（t）時，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù)。f(t)圖1.1形狀不同而沖量相等的各種窄脈沖把圖1.2的正弦半波分成N等份，就可以把正弦半波看成是N個彼此相連的脈沖序列所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于”N，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列利用一樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，是矩形脈沖的鐘點和相應(yīng)正弦波局部的中點重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦局部面積相等，就得到圖1.2b所示的脈沖序列。這就是PWM波形?？梢钥闯觯髅}沖的幅值相等，而寬度

19、是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)面積等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對于正弦半波的負半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。想這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱SPWM波形。L正弦半波F"I11I-產(chǎn)JII.1-EMIW一rlLLlfM必以咨qInIrJw/rJ圖1.2用PWM波代替正弦半波1.3.2 SPWM控制的根本原理采用調(diào)制的方法，得到各脈沖的寬度和間隔。即把所希望的波形作為調(diào)制信號，把承受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。采用等腰三角波作為載波。因為等腰三角波上下寬度與高度成線性關(guān)系且左右對稱，當它與任何一個平緩變化的調(diào)制

20、信號相交時，如在交點時刻控制電路中開關(guān)器件的通斷，就可得到寬度正比于信號波幅值的脈沖。當調(diào)制信號為正弦波時，就可得到各寬度正比于相應(yīng)時刻的正弦波幅值的脈沖。當調(diào)制信號不是正弦波時，也可得到與調(diào)制信號等效的PWM波形。調(diào)制法可分為單極性PWM控制方式和雙極性控制方式。VIV37¥D3UdUr信號波載波調(diào)制電路V2圖1.3單相橋式PWM逆變電路單極性控制方式：在信號波的半個周期三角載波只在正極性或負極性一種圍變化,得到的PWM波形也只在單極性圍變化。如圖1.3是單相橋式逆變電路。負載為阻感負載,Vl和V2工作的通斷狀態(tài)互補，V3和V4的通斷狀態(tài)也互補?？刂芕3和V4的通斷狀態(tài)的方法如圖1

21、.4所示。調(diào)制信號Ur為正弦波，載波Uc在Ur的正半周為正極性的三角波，在Ur的負半周為負極性的三角波。在Ur和Uc的交點時刻控制IGBT的通斷，在Ur的正半周，Vl保持通態(tài)，V2保持斷態(tài)，當Ur>Uc時使V4導通，V3關(guān)斷，Uo=Ud；當Ur<Uc時使V4關(guān)斷，V3導通，Uo=0；在Ur的負半周，Vi保持斷態(tài)，V2保持通態(tài)，當Ur<Uc時使V3導通，V4關(guān)斷，U。=-Ud：當Ur>Uc時使V3關(guān)斷，V4導通，Uo=0。這樣就得到SPWM波形Uoo雙極性控制方式：在信號波的半個周期，三角載波不是單極性的，而是有正有負，所得到的PWM波也是有正有負。如圖1.5所示。U.C

22、W1圖1.5雙極性PWM控制方式第二章系統(tǒng)原理及組成2.1 系統(tǒng)硬件框圖圖2.1系統(tǒng)硬件框圖主電路從交流側(cè)電網(wǎng)輸入、逆變的全過程，包括：濾波整流電路：其作用是講電網(wǎng)存在的雜波濾除，并將電網(wǎng)的交流電直接整流為所需要的直流電。驅(qū)動電路：用于驅(qū)動MOSFET管，使逆變器工作顯示電路：顯示通過單片機把采樣AD轉(zhuǎn)換后并計算出的電流的有效值檢測電路：檢測逆變器的電流瞬時值，提供應(yīng)單片機微機機控制電路：通過單片機完成各個輸入、輸出數(shù)量之間的關(guān)系。將檢測電路送來的模擬電壓，進展模數(shù)轉(zhuǎn)換，計算出有效值，送給顯示電路。2.2 主要組成電路2.2.1 濾波整流電路其電路圖如下Input圖2.2整流電路圖整流、濾波環(huán)

23、節(jié)所使用的器件為：整流橋模塊B,型號為KBPC3510,其等為1000V/35A。電解電容Ci=C2,容量等級為470uf/500V。將220V交流電整流為直流電。2.2.2 逆變電路其電路圖如下：圖2.3逆變電路逆變主電路就是由逆變開關(guān)器件等組成的變換電路，主要有三種形式，即半橋式、全橋式、推挽式。下面對這三種形式的電路分別進展分析。1半橋式逆變電路。原理如圖2.4所示。當兩只開關(guān)管Si,S2都截止時，假設(shè)兩只電容相等，即Ci=C2,那么在兩電容中點A的電壓為輸入電壓的一半，即Vci=Vc2=VJ2。當§導通時，電容Ci將通過Si和負載放電，同時電源電壓Vd通過Si和負載放電為電容

24、C2充電，中點A的電位將有所上升；當S導通完畢時，兩只開關(guān)管S、&又都截止，它們的端電壓又都回到輸入電壓的一半，即Vd/2。當&導通時，§截止，電容Ci被充電，C2放電，A點的電位下降；S2導通完畢后，又回到Si,S2都截止的狀態(tài)。在半橋逆變電路中，當開關(guān)管由導通變?yōu)榻刂箷r，負載感性和引線電感上貯存的能量釋放會使開關(guān)管兩端除了承受電壓Vd/2之外，還要承受較高的尖峰電壓，但由于二極管的Di、D2的鉗位作用，開關(guān)管的端電壓最高為Vd圖2.4半橋逆變電路圖2.5全橋逆變電路2全橋逆變電路。原理如圖2.5所示。全橋逆變電路與半橋逆變電路的區(qū)別就是，用另外兩只同樣的開關(guān)管代替

25、兩只電容，全橋逆變電路的工作需要兩組相位相反的驅(qū)動脈沖分別控制兩對開關(guān)管，具體說就是S和&同時通斷，&和S3同時通斷。當S和S同時導通時，&和&截止，負載電壓為下正上負的Vd；反之，當S2和S3同時導通時，S和S4截止，負載電壓為上正下負的Vd。在4只開關(guān)管都截止的死區(qū)時間，開關(guān)管端電壓和電壓尖峰和半橋逆變電路類似。開關(guān)管剛剛導通時的電流尖峰也和半橋逆變電路類似。3推挽電路。原理如圖2.6所示。推挽電路的工作是由兩路相位相反的驅(qū)動脈沖分別加到逆變開關(guān)管Si、S2的基極，控制它們交替通斷，輸入直流電壓被變換成高頻的方波交流電壓經(jīng)變壓器車出。當Si導通時，&

26、截止，輸入電壓Vd加在變壓器T原邊繞組Ni上，由于變壓器有兩個Ni繞組，且匝數(shù)一樣，所以在白上將施加兩倍的電源電壓，即2Vd。當驅(qū)動脈沖完畢后（死區(qū)時間），兩只開關(guān)管都截止，端電壓都為Vd。當S2導通時，同理，Si截止，在Si上將施加兩倍的電源電壓。不難看出，推挽變換器是兩個正激變換器的組合，這兩個正激變換器的開關(guān)管輪流導通，故變壓器鐵心是交變磁通。圖2.6推挽逆變電路下面就以上三種逆變電路進展簡單比擬。半橋逆變的主電路所用的開關(guān)器件少，開關(guān)管的端電壓也不高，半橋式拓撲抗不平衡能力很強，但橋臂可能出現(xiàn)直通現(xiàn)象，功率管承受電源電壓，流過兩倍的輸入電流，在中小功率的逆變器中可以得到廣泛應(yīng)用。全橋式

27、電路開關(guān)管電壓不高，輸出功率大，功率管承受電源電壓，流過輸入電流。但全橋變換器功率器件較多，控制及驅(qū)動較復雜，并且橋臂也可能出現(xiàn)直通現(xiàn)象。比擬適合大功率場合。推挽式電路用的開關(guān)器件少，驅(qū)動電路簡單，變壓器一次側(cè)電流回路中只有一個開關(guān)通態(tài)損耗小。變壓器鐵芯雙向磁化，一樣鐵芯尺寸下，推挽電路能夠比正激式電路輸出更大的功率。但是開關(guān)管要承受兩倍輸入電壓，適用于原邊電壓比擬低的功率變換器。且電路必須有良好的對稱，否那么容易引起直流偏磁導致鐵芯飽和。另外，變壓器繞組必須嚴密耦合,減小漏感，從而降低功率管的關(guān)斷電壓尖峰，這提高了變壓器繞制工藝的要求以及對所用功率器件電壓定額的要求。實驗中可采用半橋式逆變電

28、路。2.2.3 驅(qū)動電路驅(qū)動電路可選用IR公司IRG4PC50U型IGBT作為開關(guān)電路的開關(guān)管，該開關(guān)管屬于電壓控制型器件。目前，市場上所常用的集成驅(qū)動電路很多。根據(jù)實際設(shè)計要求，驅(qū)動SPWM脈沖頻率為20KHz,并且要與單片機進展隔離，因此，可選用SHARP公司的PC923型高速光耦MOSFET/IGBT驅(qū)動芯片HighSpeedPhotocouplerForMOSFET/IGBTDrive。該型號芯片外觀及部構(gòu)造如圖2.7所示，單位：mm。PC923具體參數(shù)為：1工作電壓VCC:15V-30V;2輸出電流Io=0.4A;3最快響應(yīng)時間為0.5usoneldiBgram7版上33=口to13

29、"NC,AnodeOiThodvdN口NO®VCC其外部接線電路如圖腳與輸入工作電壓；圖2.7PC9232.7所示。腳與腳懸空；腳為輸入信號正端，腳為負端；腳為輸出端，輸出信號經(jīng)限流電阻后接到開關(guān)管的基極；腳接地。同時，電容C1、C2的作用是將工作電壓VCC進展分壓，兩電容中間端接到開關(guān)管的發(fā)射極，這樣就可以在開關(guān)管關(guān)斷過程中為其提供一個反向的電壓，從而保證開關(guān)管的可靠關(guān)斷。Vec懸空I二IBFUTRI懸空匚PC923十圖2.8外部接線圖綜上所述，PC923的主要作用就是為開關(guān)管提供可靠的驅(qū)動信號，并且實現(xiàn)了開關(guān)電路與控制電路的光電隔離，提高了系統(tǒng)的平安性。第三章電流有效值

30、的檢測3.1 檢測的分類3.1.1 電阻檢測和磁檢測隨著科技及信息技術(shù)的開展，人們對控制的要求越來越高，越來越準確，而對控制有著重要作用的就是：電流的檢測。通常電流檢測分為兩類：電阻檢測和磁檢測。電阻檢測其檢測原理如圖3.1所示在理想狀態(tài)下，被檢測電流I流過檢測電阻RS時,由歐姆定律可得V=IXRs。當電阻為固定值時，電壓V的變化就反映出電流的變化情況。-AIIRs圖3.1電阻檢測的電路原理圖但是由于各種寄生效應(yīng)的影響，實際的檢測電路可用圖3.然示。圖3.2實際的檢測電路原理圖圖3.2中，L為寄生電感，C為寄生電容，寄生元件形成的二階網(wǎng)絡(luò)，形成高頻振蕩，其中，寄生電感的影響尤為重要，在一樣電流

31、變化率的情況下，它直接決定振蕩幅度的大小。圖3是理想檢測波形與實際檢測波形的比擬。圖3.3理想檢測波形與實際檢測到的波形的比擬檢測電阻的引入對整個電路的影響是造成電路額外的功率損耗，因此，由它引起的功耗應(yīng)越小越好。電阻的功耗為P=I2R。為了減小功耗，在保證控制的情況下，應(yīng)盡量減小電阻的值。此外，為了減小檢測電阻的寄生效應(yīng)，在電阻選擇時應(yīng)注意選擇寄生電感小的電阻；幅員設(shè)計時，應(yīng)盡量縮短導帶的距離；導帶的走線應(yīng)該寬、直，并且最好用地線包圍。由歐姆定理可知，在電阻值一定時，電壓V反映了電流I,如何選擇適宜的檢測電阻十分重要。在選擇電阻時一定要慎重，主要考慮以下幾個方面:1）在滿足控制需要的前提下，

32、盡量減小電阻值，以減小電路的功耗；2）寄生電感要小，以減小電流變化率的影響；3）容差要小，以保證產(chǎn)品的一致性；4）溫度系數(shù)要低，使電阻阻值隨溫度白變化盡可能小；5）足夠的功率容量，保證電阻可以承受大電流脈沖的沖擊；6）足夠的溫度余量，以提高電路的可靠性。2磁檢測電阻檢測的缺點是損耗大，適用的場合有限。在電流較大的場合，大多采用磁性器件檢測以防止電阻檢測而造成的損耗。同時，磁性器件檢測還可以方便地獲得電氣隔離。最常用的電流磁檢測器件是電流互感器，它在開關(guān)電源的設(shè)計中得到廣泛的應(yīng)用。它的典型電路如以下圖：VccMD9S>RL圖3.4電流互感器的典型應(yīng)用圖3.4中,電阻為假負載，二極管的作用是

33、將脈沖信號整流。整流后的信號根據(jù)不同的應(yīng)用，可以同電阻檢測電路設(shè)計一樣，參加分壓電路進展電平調(diào)整，參加低通濾波器濾除高頻噪聲，或者引入直流偏置電壓改變起始電平，也可以用大電容將脈沖信號變?yōu)橹绷餍盘柺褂?。除了電流互感器外，磁檢測方式還有采用霍爾效應(yīng)制作的傳感器?；魻杺鞲衅髋c電流互感器相比檢測精度高，但卻存在價格高、體積大的缺點。霍爾傳感器主要應(yīng)用在有特殊要求的場合。3.1.2電流檢測元件電流信號檢測的關(guān)鍵是正確選擇和使用檢測元件。根據(jù)響應(yīng)速度的快慢，電流檢測元件可分為以下兩種：們慢速型電流檢測元件電流互感器是利用電磁感應(yīng)原理制作的，由于普通鐵芯的磁滯現(xiàn)象，它是慢速型電流檢測元件。常用的交流電流互

34、感器的原理如圖3.5所示，它的一次繞組串聯(lián)在電路中，并且匝數(shù)N1很少最少為1匝，電流互感器二次繞組匝數(shù)N2比擬多，如果一次繞組中的電流是I1,根據(jù)磁勢平衡原理，N1I1=N2I2,繞組N2上得到的檢測電壓U2=I2R1=(N1/N2)I1R1。應(yīng)該注意，電流互感器的采樣電阻不能過大，否那么繞組電壓過高，導致鐵芯的磁通飽和；特別注意的是，互感器的二次繞組不能開路。圖3.5交流互感器原理圖2快速型電流檢測元件在短路保護環(huán)節(jié)中，要求迅速檢測并判斷電流的大小，因而要求用快速所型電流檢測元件?；魻栯娏鱾鞲衅?、脈沖電流互感器以及無感電阻均屬這類電流檢測元件。無感電阻直接串入主電路會產(chǎn)生附加的壓降及功耗，檢

35、測電路與主電路間沒有電的隔離，因此只有在要求不高的小功率系統(tǒng)中才采用這種檢測方法?；魻杺鞲衅鲬?yīng)用比擬廣泛，下面介紹它的原理。1霍爾元件霍爾元件是霍爾電流傳感器的核心，圖3.6是它的示意圖?；魻栐帽倔w厚度為d的半導體基片，如果沿縱長方向通過引線1和2引入電流IC,同時垂至于基片的方向有磁感應(yīng)強度為B的磁場，那么在基片的兩個長邊之間會感應(yīng)出電壓，這就是霍爾效應(yīng)。電流引線稱為電流極，出電壓引線3和4稱為霍爾輸出極?；魻栯妷篣H大小為UH=KHBIC,式中KH,是與半導體材料和基片尺寸有關(guān)的霍爾常數(shù)。當IC的方向是由1到2時，UH的極性是4為正，3為負，如果IC或磁場方向反向，那么UH也反向圖3.

36、6霍爾兀件小意圖2霍爾電流傳感器模塊霍爾電流傳感器模塊，又稱為LEM模塊，它是利用磁場平衡式原理工作，工作原理如圖3.7。被檢測電流IP的磁場使得霍爾元件感應(yīng)電壓UH,通過PI放大器控制互補三極管電流Is,Is在副邊線圈產(chǎn)生的磁場抵抗主電流所產(chǎn)生的磁場，直到Np*Ip=Nsis,霍爾器件處于零磁通，感應(yīng)電壓Uh為0,PI放大器輸出不變。其中Np為被檢測電流的導線匝數(shù)，Ns為LEM部線圈匝數(shù)。Is流過檢測電阻Rm,在M點得到檢測電壓Um,它的值為Um=IsRm=NpIpRm/Ns測量電阻圖3.7LEM的工作原理Um能快速反映Ip的變化，跟隨時間一般在1成以，它能檢測交、直流和脈沖電流，具有與被測

37、電流絕緣、相應(yīng)快等優(yōu)點。3.2電流有效值的檢測3.2.1 有效值任何周期性電流的有效值等于流經(jīng)一個電阻器R并提供與該周期性電流相等的功率的一個直流電流值。換句話說，一個給定的周期性電流流經(jīng)同一電阻器，即有瞬時功率i2R;取一個周期的平均值即得出平均功率。再讓一個直流流經(jīng)同一個電阻器，調(diào)節(jié)電流的大小，以得到與前述相等的平均功率值，那么這個直流值就等于該周期性電流的有效值。現(xiàn)在可以得到i的有效值的表達式。周期性電流4）對電阻器提供的平均功率是1T2Pi2T0式中T是i的周期。一個直流電流提供的功率Pi2rT2i2dt01Ti2dtT0令這兩個功率表達式相等，解出I注意到求這個有效值時，首先是將函數(shù)

38、平方，然后取一個周期的平均值，最后取這個平方函數(shù)平均值的平方根，用簡單的語言說，這個步驟意味著所求的有效值為電流的平方、平均再開平方根，故此，通常把有效值稱為方均根值。這也是本次實驗的理論依據(jù)，即首先檢測出電流瞬時值，然后用單片機計算出有效值。3.2.2 檢測電路其電路圖如下：本次實驗采用CT03-5/2.5型精細電流互感器，額定輸入電流為5A,額定輸出電流為2.5mA,當要其輸出為電壓信號時，其典型電路如圖3.91和2。調(diào)整圖1中反應(yīng)電阻R和r的值可得到所需要的電壓輸出。電容C1及可調(diào)電阻r,是用來補償相移的。電容C2和C3是400至1000pF的小電容，用來去耦和濾波。兩個反接的二極管是起

39、保護運算放大器作用的。圖中反應(yīng)電阻R要求精度優(yōu)于1%,溫度系數(shù)優(yōu)于50PPM。圖3.92為其另一種方法。次級不加運算放大器而直接并聯(lián)一個電阻使輸出變換成電壓信號也是可以的，使用電路如圖2所示。前提是電阻要小于800Q,輸出電壓最大2伏，這時仍能得到非線性度優(yōu)于0.1%的輸出電壓信號。與電路1比擬，其影響如下：1.縮小了互感器的動態(tài)圍，2.使相移增大，電阻要求精度優(yōu)于1%,溫度系數(shù)優(yōu)于50PPM。圖3.9精細互感器典型電路本次實驗中采用了圖3.91，運算放大器采用LM324,由于檢測的電流值要送往單片機，而互感器輸出的電壓為交流電，所以在此后我們加上了精細整流電路，將正弦波的下半波翻上去。其中R

40、1=R2其原理為：當輸入Vi>0時，二極管D1、D2、D3、D4導通，VO=Vi,當Vi<0時，二極管D1、D2、D3、D4截至,VO=ViR2/R1,因為R1=R2,所以VO=Vi。當輸入如圖3.11所示的正弦波Vi時，其輸出波形如圖3.12所示Vo圖3.12輸出波形第四章基于單片機的軟件設(shè)計4.1 AVR系列單片機簡介4.1.1 ATmega8特點ATMEL公司于2002年第一季度推出了一款新型AVR高檔單片機，在AVR家族中，ATmega8是一個非常特殊的單片機，它的芯片部集成了較大容量的存儲器和豐富強大的硬件接口電路，具有AVR高檔單片機MEGA系列的全部性能和特點，但由于

41、采用了小引腳封裝為DIP28和TQEP/MLF32，所以其價格僅與低檔單片機相當，成為具有極高性價比、深受廣闊用戶喜愛的單片機，被廣泛應(yīng)用于電器、儀表、電源等行業(yè)。ATmega8是一款基于AVRRISC、低功耗CMOS的8位單片機，由于在一個時鐘周期執(zhí)行一條指令，ATmega8可以到達接近1MIPS/MHz。ATmega8具有以下特點：8K字節(jié)的在線編程/應(yīng)用編程ISP/IAPFlash程序存儲器，512字節(jié)E2PROM,1K字節(jié)SRAM,32個通用工作存放器，23個通用I/O口，3個帶有比擬模式靈活的定時器/計數(shù)器，18+2個外中斷源，1個可編程的SUART接口，1個8位I2C總線接口，46

42、通道的10位ADC,2通道8位ADC,可編程的看門狗定時器，1個SPI接口和5種可通過軟件選擇的節(jié)電模式。當單片機處于空閑模式時，CPU將停頓運行，而SRAM、定時器/計數(shù)器、SPI口和中斷系統(tǒng)那么繼續(xù)工作；處于掉電模式時，振蕩器停頓工作，所有其他功能都被制止，但存放器容得到保存，只有在外部中斷或硬件復位時才退出此狀態(tài)；處于省電模式時，芯片的所有功能被制止處于休眠，只有異步時鐘正常工作，以維持時間基準。當單片機處于ADC噪聲抑制模式時，CPU和其他的I/O模塊都停頓運行，只有ADC和異步時鐘正常工作，以減少ADC轉(zhuǎn)換過程中的開關(guān)噪聲；在待命模式時，CPU和其他的I/O模塊都停頓運行，但系統(tǒng)振蕩

43、器仍在運行，使得系統(tǒng)在低功耗時可以很快地啟動。ATmega8單片機采用ATMEL的高密度非易失性存技術(shù)，片F(xiàn)lash可以通過SPI接口、通用編程器及自引導BOOT程序進展編程和自編程。利用自引導BOOT程序，可以使用任一硬件接口下載應(yīng)用程序，并寫入到Flash的應(yīng)用程序區(qū)中。在更新Flash的應(yīng)用程序區(qū)數(shù)據(jù)時，處在Flash的BOOT區(qū)中的自引導程序繼續(xù)執(zhí)行，實現(xiàn)了同時讀寫的功能。由于將增強RISC8位CPU與在系統(tǒng)編程和在應(yīng)用編程的Flash存儲器集成在一個芯片，ATmega8成為一個功能強大的單片機，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低本錢的解決方案。ATmega8的主要功能如下：高性能，低

44、功耗的8位AVR微控制器；先進的RISC精簡指令集構(gòu)造；a.130條功能強大的指令，大多數(shù)為單時鐘周期指令b.32個8為通用工作存放器c.工作在16MHz時具有16MIPS的性能3片集成了較大容量的非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器以及工作存儲器；a.8K字節(jié)的在Flash程序存儲器，才翼寫次數(shù)：>10000次b.支持在線編程ISP、在應(yīng)用自編程IAPc.帶有獨立加密位的可選BOOT區(qū)，可通過BOOT區(qū)的引導程序區(qū)用戶自己寫入來實現(xiàn)IAP編程d.512個字節(jié)的E2PROM,擦寫次數(shù)：100000次e.1K字節(jié)部SRAMf.可編程的程序加密位4外部性能；a.2個具有比擬模式的帶預(yù)分頻器的8為定時/計

45、數(shù)器b.1個帶預(yù)分頻器，具有比擬和捕獲模式的16位定時/計數(shù)器c.1個具有獨立振蕩器的異步實時時鐘RTCd.3個PWM通道，可實現(xiàn)任意16位、相位和頻率可調(diào)的PWM脈寬調(diào)制輸出e.6通道A/D轉(zhuǎn)換PDIP封裝，4路10位A/D+2路8位A/Df.1個I2c的串行接口，支持主/從、收/發(fā)四種工作方式，支持自動總線仲裁g.1個可編程的串行USART接口，支持同步、異步及多機通信自動地址識別ATmega8單片機易失性E2PROM預(yù)分頻器定時/計數(shù)器h.1個主/從、收/發(fā)的SPI同步串行接口i.帶片RC振蕩器的可編程看門狗定時器j.片模擬比擬器5特殊的微控制器性能；a.上電復位和可編程的欠電壓檢測電路

46、b.部集成了可選擇頻率1/2/4/8/MHz、可校準的RC振蕩器c.外部和部的中斷源18個d.五中休眠模式：空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、待命模式6I/O和封裝；a.最多23個可編程I/O口，可任意定義I/O的輸入/輸出方向；輸出時為推挽輸出，驅(qū)動能力強，可直接驅(qū)動LED等大電流負載；輸入口可定義為三態(tài)輸入，可以設(shè)定帶部上拉電阻，省去外接上拉電阻b.28腳PDIP封裝，32腳TQFP封裝合32腳MLF封裝7工作電壓；a.2.7V-5.5VATmega8Lb.4.5V-5.5VATmega88運行速度；a.0-8MHzATmega8Lb.0-16MHzATmega89功耗4M

47、Hz,3V,25C。a.正常模式Active：2.6mAb.空閑模式IdleMode：1.0mAc.掉電模式Power-downMode：0.5uA本系統(tǒng)使用PDIP封裝的ATmega8型單片機，其管腳圖如圖4.1所示：(RESET)PCE匚(RXD)PDC匚匚(INTO)Ft>2匚(INTI)PMr(XCKfTa)PD4匚vccc麗匚XTALIfTOSGI)戶施匚：XTAL2frOSC2)PS7匚(11)PMC(AINO)PD6匚(AIN1)PD7E(1CF1)PBO匚12273選425524623722621920101911121713161415 PCS(ADC5/SCL) PC

48、4(ADC4/SDA) PC3(ADC3) PC2(ADC2)1PC1(ACC1) PCO(ADCO) OND1AREF AVCC FB5(SCK) PB4(MISO)口PB2(MO3I/0C2)1=E2(3S/OC1B)PEII(OClAj圖4.1Mega8型單片機管腳圖PDIPATmega8的外部引腳定義如下：1VCC電源正數(shù)字2GND電源地3PortBPB7-PB0/XTAL1/XTAL2/TOSC1/TOSC2PortB口是一個8為雙向I/O口，每個管腳都帶有獨立可控制的部上拉電阻。B口的輸出緩沖器具有雙向輸出和吸收大電流的驅(qū)動能力。當B為輸入方式，且部上拉電阻有效時，如果外部引腳被拉

49、低，B口將輸出電流。在復位過程中，即使是在系統(tǒng)時鐘還未起振的情況下，B仍呈現(xiàn)為三態(tài)。通過對系統(tǒng)時鐘選擇位的設(shè)定，PB6和PB7還可以作為振蕩放大器的輸入/輸出口使用外部晶體和外部時鐘脈沖信號輸入口PB6。當系統(tǒng)使用部的RC振蕩器時，通過設(shè)置ASSR存放器的AS2位，可以將PB6、PB7作為異步實時時鐘/計數(shù)器2的輸入口TOSC1、TOSC2使用。4PortCPC5-PC0PortC口是一個7位雙向I/O口，每個管腳都帶有獨立可控制的部上拉電阻。C口的輸出緩沖器具有雙向輸出和吸收大電流的驅(qū)動能力。當C口為輸入方式，且部上拉電阻有效時，如果外部引腳被拉低，C口將輸出電流。在復位過程中，即使是在系統(tǒng)

50、時鐘還未起振的情況下，C仍呈現(xiàn)為三態(tài)。5PC6/RESET當RSTDISBL位被編程時，可將PC6作為一個I/O使用，因此，PC6弓唧與PortC其他引腳的電特性是有區(qū)別的。當RSTDISBL位未被編程時，PC6將作為復位屬于引腳RESET。在該引腳上，一個超過兩個時鐘周期的低電平將產(chǎn)生復位信號，是系統(tǒng)復位。6PortDPD7-PD0PortD口是一個8位雙向I/O口，每個管腳都帶有獨立可控制的部上拉電阻。D口的輸出緩沖器具有雙向輸出和吸收大電流的驅(qū)動能力。當D為輸入方式，且部上拉電阻有效時，如果外部引腳被拉低，D口將輸出電流。在復位過程中，即使是在系統(tǒng)時鐘還未起振的情況下，D仍呈現(xiàn)為三態(tài)。P

51、ortD口是一個復用端口，還提供ATmega8單片機的許多特殊接口功能。7RESET復位輸入引腳在該引腳上的一個超過兩個時鐘周期的低電平將產(chǎn)生復位信號，是系統(tǒng)復位。8XTAL1部振蕩放大器的輸入端9XTAL2部振蕩放大器的輸出端10AVCCA/D轉(zhuǎn)換器的電源。當引腳PortC0-3和PortC6-7用于ADC時，AVCC應(yīng)通過一個低通濾波器與VCC連接。在不使用ADC時，該引腳應(yīng)直接與VCC連接。而PortC4-5的電源那么是有VCC提供的。11AREFA/D轉(zhuǎn)換器的參考電源輸入端4.1.2 ATmega8單片機的指令系統(tǒng)指令是指計算機所能執(zhí)行的命令，它是由生產(chǎn)廠商定義的。一臺計算機所能執(zhí)行的

52、指令集合就是它的指令集。由于指令系統(tǒng)并沒有通用性，不同類型的計算機都有不同類型的指令集，因此采用低級語言開發(fā)的程序也沒有通用型，不能直接移植。機器語言就是計算機指令的二進制代碼，它可以直接在計算機中運行；而匯編語言那么是機器語言的符合表示形式，它只是機器語言的助記符集合，因此由匯編語言編寫的程序必須經(jīng)專門的工具程序轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的二進制代碼后才能供計算機執(zhí)行。AVR單片機的指令系統(tǒng)屬于RISC構(gòu)造的精簡指令系統(tǒng)。ATmega8的RISC指令集共有118條指令，分為以下4個大類：算術(shù)運算和邏輯運算指令25條轉(zhuǎn)移指令31條數(shù)據(jù)傳送指令31條位和位測試指令31條尋址方式AVR單片機有以下幾種尋址方式：直

53、接單存放器尋址直接雙存放器尋址I/O存放器直接尋址數(shù)據(jù)存放器直接尋址帶偏移量的數(shù)據(jù)存放器間接尋址數(shù)據(jù)存放器間接尋址帶后增量的數(shù)據(jù)存放器間接尋址帶預(yù)減量的數(shù)據(jù)存放器間接尋址程序存儲器常量尋址程序存儲器間接尋址程序存儲器相關(guān)尋址4.2 基于AVR單片機PWM逆變器電流有效值的檢測軟件設(shè)計4.2.1 主程序流程圖圖4.2主程序流程圖本系統(tǒng)主要由單片機發(fā)出SPWM波，并啟動AD轉(zhuǎn)換，將檢測的瞬時值，進展模數(shù)轉(zhuǎn)換，并計算出有效值，通過數(shù)碼管顯示出電流值。4.2.2 AD轉(zhuǎn)換ATmega8有一個10位的逐次逼近型ADC°ADC與一個8通道的模擬多路復用器連接，能對來自端口C的8路單端輸入電壓進展

54、采樣。單端電壓輸入以0V(GND)為基準。ADC包括一個采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到ADC的電壓保持恒定.ADC由AVCC引腳單獨提供電源。AVCC與VCC之間的偏差不能超過土0.3V。標稱彳1為2.56V的基準電壓，以及AVCC,都位于器件之?；鶞孰妷嚎梢酝ㄟ^在AREF引腳上加一個電容進展解耦，以更好地抑制噪聲。ADC可以將輸入的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成一個10位的數(shù)字量。輸入模擬通道通過ADMUX存放器選擇。ADC模塊由ADSCRA存放器中的ADEN位使能。當ADEN為"1"時，ADC功能有效，并且輸入通道同模擬電壓的輸入引腳相連。此時，假設(shè)ADSC置“1，那么AD

55、C啟動一個模數(shù)轉(zhuǎn)換。ADC有兩種轉(zhuǎn)換模式，即自由轉(zhuǎn)換和單次轉(zhuǎn)換模式，可以通過ADFR位選擇。當ADC模塊被啟動后，假設(shè)ADFR為“0時，那么ADC工作在單次轉(zhuǎn)換模式，此時，每個轉(zhuǎn)換過程都需要置位ADSC;假設(shè)ADFR為“1時，那么ADC工作在自由轉(zhuǎn)換模式，此時，ADC連續(xù)采樣模擬輸入端，并將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)輸出至ADC的數(shù)據(jù)存放器。ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲在ADCH和ADCL兩個存放器中。為了確保數(shù)據(jù)讀取的正確性，ADCL存放器的容應(yīng)當首先被讀取，一旦用戶開場對ADCL讀取，ADC對數(shù)據(jù)存放器的寫操作就被制止，這就意味著，如果用戶讀取了ADCL,那么即便另一次ADC轉(zhuǎn)換過程在讀ADCH之前完畢了，兩個數(shù)據(jù)存放器中的容也不會被更新。當用戶對ADCH的讀操作完成后，ADC才可以更新ADCH和ADCL。當一次轉(zhuǎn)換過程完畢后，ADIF位被置位“1，此時，假設(shè)ADIE和全局中斷使能位都為“1，那么單片機產(chǎn)生一個ADC中斷。其流程圖如下：圖4.3AD轉(zhuǎn)