逆變器的研究與設(shè)計說明

........45/50逆變器的設(shè)計摘要本文中主要介紹了小功率逆變器的設(shè)計，其主要包括兩部分電路，一是主電路，另一個是控制電路。主電路主要包括：三相全橋電路,驅(qū)動電路；控制電路主要包括：單片機控制回路，SPWM波形發(fā)生電路，死區(qū)保護(hù)電路等。在主電路中，全橋逆變電路采用快速MOS管6N60A；驅(qū)動電路采用集成芯片IR2130；控制回路中采用STC89C51單片機，數(shù)模轉(zhuǎn)換采用AD7528芯片。逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用三相全橋逆變，應(yīng)用電路仿真軟件Multisim對電路各部分進(jìn)行實驗仿真，對電路各部分參數(shù)選擇進(jìn)行理論分析，利用51系列單片機編寫程序。最終設(shè)計出頻率可調(diào)整，輸出電壓可以調(diào)整的逆變器。關(guān)鍵詞：SPWM，單片機，IR2130，AD7528ThedesignoftheinverterAbstractThisarticleintroducesasmallpowerinverterdesign,whichmainlyincludestwopartsofthecircuit.first,themaincircuit,andtheotheriscontrolcircuit.Themaincircuitinclude:three-phasefull-bridgecircuit,drivercircuit;controlcircuitincluding:MCUcontrolcircuitofSPWMwaveformgeneratingcircuit,thedeadzoneprotectioncircuit.Inthemaincircuit,thefull-bridgeinvertercircuitwithafastMOStransistor6N60A;drivercircuitusesintegratedchipIR2130;controlcircuitusedintheMCUSTC89C51.AD7528chip,digitaltoanalogconversion.Invertercircuittopologyofthree-phasefull-bridgeinverter,theapplicationcircuitsimulationsoftware,Multisimtoexperimentwiththevariouspartsofthecircuitsimulation,theoreticalanalysisofcircuitparametersselection,theuseof51seriesmicrocontrollerprogramming.Thefinaldesignoftheinverterfrequencytoadjusttheoutputvoltagecanbeadjusted.Keywords:SPWM，MCU，IR2130，AD7528目錄摘要………………………ⅠABSTRACT…………………Ⅱ1緒論…………………………11.1課題研究的目的與意義……………11.1.1課題研究的目的……………11.1.2課題研究的意義……………11.2逆變器在國外研究現(xiàn)狀…………21.2.1國逆變器研究現(xiàn)狀………21.2.2國外逆變器研究現(xiàn)狀………21.3逆變器的介紹………………………31.3.1逆變器的分類………………31.3.2逆變器與變頻器的區(qū)分……………………31.4主要研究容……………………32逆變器的組成………………………42.1逆變系統(tǒng)電路框圖………………42.2SPWM波的方案選取………………52.3逆變電路的控制方式論證…………62.4主電路結(jié)構(gòu)的方案選取…………93逆變器硬件電路分析與仿真……………………103.1系統(tǒng)硬件電路的分析……………103.1.1橋式電路分析………………103.1.2控制回路電路的設(shè)計……………………123.1.3SPWM波硬件電路…………153.1.4驅(qū)動電路的設(shè)計…………183.1.5延時保護(hù)電路的設(shè)計……………………193.1.6DC/DC模塊電路…………203.2控制電路的仿真…………………213.2.1MULTISIM仿真軟件介紹………………213.2.2SPWM波電路的仿真……………………21 3.2.3全橋逆變電路的仿真………233.2.4延時電路的仿真……………243.3濾波回路的參數(shù)計算……………254逆變器的軟件設(shè)計…………………274.1KEILC仿真軟件介紹…………274.1.1KEILC51的特點……………274.1.2KEILC51的數(shù)據(jù)類型………284.2控制系統(tǒng)程序流程圖…………295總結(jié)……………………32參考文獻(xiàn)……………………33致…………………………35附錄I-1:死區(qū)保護(hù)電路………………………36附錄I-2:主電路………………37附錄I-3:單片機控制電路……………………38附錄I-4:DA電路……………39附錄I-5:IR2130應(yīng)用電路…………………40附錄II:程序清單……………411緒論課題研究的目的與意義1.1.1課題研究的目的近年來，隨著電力電子技術(shù)、各行各業(yè)自動化水平與控制技術(shù)的發(fā)展和其對操作性能要求的提高，逆變技術(shù)在許多領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，對電源的要求越來越高，因此逆變電源在各個領(lǐng)域當(dāng)中也被廣泛的使用。逆變器是一種能將直流電轉(zhuǎn)化為可變交流電的電子裝置，使用適當(dāng)?shù)淖儔浩?、開關(guān)以與控制電路可以將轉(zhuǎn)化的交流電調(diào)整到需要的電壓以與頻率值上。逆變器沒有移動部件，其應(yīng)用圍極其廣泛，從小型計算機開關(guān)電源，到大型電力公司高壓直流電源應(yīng)用，運輸散貨。逆變器通常用于提供從諸如太陽能電池板或電池直流電源轉(zhuǎn)換的交流電源。逆變器有兩種主要類型。對修改后正弦波逆變器輸出是一個類似方波輸出，輸出去除了一時間為零伏特，然后才轉(zhuǎn)到正或負(fù)。它的電路簡單而且成本一般較低，并與大多數(shù)電子設(shè)備兼容。純正弦波逆變器產(chǎn)生一個近乎完美的正弦波輸出“（<3％的總諧波失真），它本質(zhì)上與公用事業(yè)電網(wǎng)提供的一樣。因此它與所有的交流電子設(shè)備兼容。這是網(wǎng)逆變器配合使用的類型,它的設(shè)計更為復(fù)雜。研究逆變器的目的由于用電設(shè)備對市電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的污染，反過來，被污染的市電電網(wǎng)也會使用電設(shè)備工作不正常，用電設(shè)備之間通過市電電網(wǎng)相互干擾。以逆變技術(shù)為基礎(chǔ)使其為用電設(shè)備提供高質(zhì)量電能。1.1.2課題研究的意義隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，逆變技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海等國防領(lǐng)域和電力系統(tǒng)，交通運輸、郵電通信、工業(yè)控制等民用領(lǐng)域。特別是隨著石油、煤和天然氣等主要能源日益緊，新能源的開發(fā)和利用越來越受到人們的重視。利用新能源的關(guān)鍵技術(shù)逆變技術(shù)，能將蓄電池、太陽能電池和燃料電池等其他新能源轉(zhuǎn)化的直流電能變換成交流電能與電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電。因此，逆變技術(shù)在新能源的開發(fā)和利用領(lǐng)域有著至關(guān)重要的地位此外，通過本次的設(shè)計，要達(dá)到提高我們綜合能力的目的，如綜合應(yīng)用所學(xué)知識能力、資料查詢能力、計算機應(yīng)用能力、語言表達(dá)能力、論文撰寫能力等。尤其是要提高我們對于電源逆變技術(shù)的理解和實踐運用和利用控制芯片進(jìn)行電源逆變技術(shù)的科技革新、開發(fā)和創(chuàng)新的基本能力，同時使我們初步掌握單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計、研制的方法。可以縮短我們在未來工作崗位上的適應(yīng)期，發(fā)揮我們的作用。1.2逆變器在國外研究現(xiàn)狀1.2.1國逆變器研究現(xiàn)狀目前國并網(wǎng)逆變器市場規(guī)模較小，國生產(chǎn)逆變器的廠商眾多，但具有國際競爭能力的逆變器制造商并不多，雖說不少國企業(yè)已經(jīng)在逆變器行業(yè)已經(jīng)研究多年，已經(jīng)具備一定的規(guī)模和競爭力，但在逆變器技術(shù)質(zhì)量、規(guī)模上與國外企業(yè)仍具有較大差距，目前具有較大規(guī)模的廠商有、科諾偉業(yè)、索英、志誠冠軍、冠亞、英偉力新能源科技等企業(yè)。目前這些企業(yè)的產(chǎn)量呈逐年上升的趨勢。國市場規(guī)模雖然較小，但未來逆變器的巨大發(fā)展空間和發(fā)展?jié)摿o國企業(yè)帶來發(fā)展的歷史機遇。目前國逆變器主要被電源、艾思瑪、KACO等品牌所占領(lǐng)，國外企業(yè)多數(shù)通過代理渠道進(jìn)入國市場，由于售后服務(wù)提供難度大整體市場占有率不高。2008年統(tǒng)計數(shù)字顯示，電源公司占據(jù)70%以上的逆變器市場份額，國重點逆變項目大功率產(chǎn)品幾乎全部選用國產(chǎn)品。從技術(shù)方面來看，國企業(yè)在轉(zhuǎn)換效率、結(jié)構(gòu)工藝、智能化程度、穩(wěn)定性等方面與國外先進(jìn)水平仍有一定差距，目前我國在小功率逆變器技術(shù)上與國外處于同一水平，在大功率并網(wǎng)逆變器上，大功率并網(wǎng)逆變器仍需進(jìn)一步發(fā)展。1.2.2國外逆變器研究現(xiàn)狀在國外，并網(wǎng)型逆變器已經(jīng)可以作為比較成熟的產(chǎn)品推向市場，像德國著名電氣企業(yè)西門子就推出了很多具有市場化的產(chǎn)品，而且除歐洲的科技強國外，美國、日本等國家已經(jīng)實現(xiàn)了并網(wǎng)逆變器的產(chǎn)品化?，F(xiàn)在逆變器的最大功率跟蹤以與逆變環(huán)集成的單級量變換，已經(jīng)成為研究的熱點問題。類似于小功率的逆變器開發(fā)已經(jīng)越來越受到人們的重視，而在這些小功率逆變器中，其控制電路主要采用數(shù)字控制系統(tǒng)的安全性、可靠性以與擴展性，同時將各個完善的保護(hù)電路考慮其中。目前逆變器行業(yè)領(lǐng)軍者是德國公司艾斯瑪(sma)，技術(shù)處在行業(yè)的頂點。1.3逆變器的介紹逆變電源的原理：利用晶閘管電路把直流電轉(zhuǎn)變成交流電,這種對應(yīng)于整流的逆向過程,定義為逆變。例如:應(yīng)用晶閘管的電力機車,當(dāng)下坡時使直流電動機作為發(fā)電機制動運行,機車的位能轉(zhuǎn)變成電能,反送到交流電網(wǎng)中去。又如運轉(zhuǎn)著的直流電動機,要使它迅速制動,也可讓電動機作發(fā)電機運行,把電動機的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?反送到電網(wǎng)中去。把直流電逆變成交流電的電路稱為逆變電路。在特定場合下,同一套晶閘管變流電路既可作整流,又能作逆變。1.3.1逆變器的分類變流器工作在逆變狀態(tài)時,如果把變流器的交流側(cè)接到交流電路簡單，但輸出電壓波形的諧波含量過大，亦既THD（電流諧波畸變率）過大；移相多重疊加逆變電源輸出電壓波形的諧波含量小，亦即THD小，但電路較復(fù)雜。逆變器的分類：按照源流性質(zhì)有源逆變器：是使電流電路中的電流，在交流側(cè)與電網(wǎng)連接而不直接接入負(fù)載的逆變器；無源逆變器：使電流電路中的電流，在交流側(cè)不與電網(wǎng)連接而直接接入負(fù)載(即把直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可調(diào)頻率的交流電供給負(fù)載)的逆變器。1.3.2逆變器與變頻器的區(qū)分變頻器是VFD/VVVF的中文譯名。變頻器集成了高壓大功率晶體管技術(shù)和電子控制技術(shù)，成為獨立的傳動元件。變頻器的作用是改變交流電機供電的頻率和幅值，因而改變其運動磁場的周期，達(dá)到控制電動機轉(zhuǎn)速的目的。變頻器的出現(xiàn)，使得復(fù)雜的調(diào)速控制簡單化，用變頻器+交流鼠籠異步電機組合替代了大部分原先只能用直流電機完成的工作，縮小了體積，降低了維修率,使傳動技術(shù)發(fā)展到新階段。變頻器不同于本條目所說的反用換流器、逆變器、換向器。變頻器不僅要將直流電源逆變?yōu)榻涣鞴╇?，更需要先將交流電源連續(xù)整流為直流電源。逆變器只是變頻器的輸出部分。1.4主要研究容本課題主要研究容是設(shè)計一個逆變器的硬件和軟件部分。根據(jù)技術(shù)要求設(shè)計DC/AC的逆變器。設(shè)計的逆變器系統(tǒng)，它主要由逆變電路和濾波電路、控制系統(tǒng)組成；1）本系統(tǒng)中逆變電路（DC-AC）模塊采用調(diào)制SPWM波電路，通過正弦波與三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波經(jīng)過比較以后可以得到調(diào)制SPWM波。軟件需要編寫正弦波程序。2）調(diào)制SPWM波要能直接驅(qū)動MOS管的導(dǎo)通，需要加驅(qū)動電路。本設(shè)計采用IR2130柵極驅(qū)動器將用來驅(qū)動MOS管。只需加上很少的分立元件和單路電源,IR2130即可基于自舉驅(qū)動原理構(gòu)成MOS管的驅(qū)動電路。主電路采用全橋式MOS管電路，系統(tǒng)的無功功率損耗小。此部分由硬件控制，掌握電路基本原理。3）濾波電路采用簡單電路設(shè)計：采用LC濾波電路，濾去高頻雜波，通過電感L和電容C適當(dāng)匹配，可以使得輸出電壓相位和輸入電壓相位一致，方便電壓相位的控制。4）電路設(shè)計、仿真和編程分別使用Protel、Multisim和Keil等軟件。2逆變器的組成2.1逆變器電路結(jié)構(gòu)逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示：圖2-1逆器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖由單片機產(chǎn)生的信號經(jīng)DA電路轉(zhuǎn)換后變?yōu)?至50HZ的正弦波信號，再和三角波發(fā)生電路產(chǎn)生的三角波進(jìn)行比較得到SPWM波，這是控制信號回路。三角波發(fā)生電路由模擬電子器件搭建。產(chǎn)生的SPWM波經(jīng)延時電路后得到的控制信號去由IR2130組成的驅(qū)動回路，驅(qū)動回路經(jīng)死區(qū)延時后將所得信號加至由MOS管組成的橋式逆變主回路。逆變系統(tǒng)是由以下幾部分組成，各分塊電路的功能如下：1)DA轉(zhuǎn)換電路：AD轉(zhuǎn)換電路是利用單片機結(jié)合AD7528進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生載波信號，AD7528和運放結(jié)合組成數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。2)逆變電路：逆變電路的功能是將直流電變換成交流電，通過控制逆變電路的工作頻率和輸出時間比例，使逆變器的輸出電壓或電流的頻率和幅值按照要求靈活地變化。3)控制電路：控制電路的功能是按要求產(chǎn)生和調(diào)節(jié)一系列的控制脈沖來控制逆變開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而配合逆變器主電路完成逆變功能。4)輔助電路：輔助電路的功能是將逆變器的輸入電壓變換成適合控制電路工作需要的直流電壓。對于交流電網(wǎng)輸入，可以采用工頻降壓、整流、線性穩(wěn)壓等方式，當(dāng)然也可以采用DC-DC變換器。5)驅(qū)動電路：由IR2130組成的驅(qū)動電路來驅(qū)動全橋模塊中的6N60A。2.2SPWM波的方案選取SPWM(SinusoidalPWM),目前使用較廣泛的PWM法。采樣控制理論中的一個重要結(jié)論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時,其效果基本一樣。例如圖2-2a為矩形脈沖，圖2-2b為三角形脈沖，圖2-2c為正弦半波脈沖，但它們的面積(即沖量)都等于1，那么，當(dāng)他們分別加在具有慣性的同一個環(huán)節(jié)上時，其輸出響應(yīng)基本一樣。脈沖越窄，其輸出的差異越小。當(dāng)窄脈沖變?yōu)閳D2-2d的單位脈沖函數(shù)δ(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)。圖2-2充量一樣的脈沖圖2-3等效正弦波自然法生成SPWM波又稱模擬電路法生成SPWM波，通常用模擬比較器比較生成SPWM波，如果用信號正弦波作為比較器的同相端輸入信號，三角載波作為比較器的反相端輸入信號，在交點時刻對功率開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，便實現(xiàn)了自然法生成SPWM波，如圖2-4所示，比較器輸出經(jīng)死區(qū)形成電路即可生成帶死區(qū)的SPWM波。這種方法是所有生成SPWM波方法中最精確的一種，其它方法都是與它近似等效，存在一定的等效誤差，正弦波在不同相位角時其值不同，因而與三角波相交所得到的脈沖寬度也不同。另外，當(dāng)正弦波頻率變化或幅值變化時，各脈沖的寬度也相應(yīng)變化。要準(zhǔn)確生成SPWM波形，就應(yīng)準(zhǔn)確地確定正弦波和三角波的交點。圖2-4規(guī)則采樣法生成SPWM波規(guī)則采樣法是從自然采樣法演變而來的，它由經(jīng)過采樣的正弦波(實際上是階梯波)與三角波相交，由交點得出脈沖寬度。這種方法只在三角波的頂點或底點位置對正弦波采樣而形成階梯波，其原理如圖2-5所示:圖2-5規(guī)則采樣法生成SPWM波2．3逆變電路的控制方式論證1)單極性SPWM控制與雙極性SPWM控制a)單極性SPWM控制三角波載波在半個周期的方向只在一個方向變化，所得到的SPWM波形也只在一個方向變化的控制方式成為單極性SPWM控制方式，如圖2-6所示。圖中的為正弦調(diào)制波，為三角形載波。載波在的正半周為正極性的三角波，在的負(fù)半周為負(fù)極性的三角波。通過和的比較，獲取SPWM控制信號來控制圖2-6主電路中開關(guān)元件的導(dǎo)通或關(guān)斷，IGBT的通/斷發(fā)生在和的交點時刻。從而在主電路的輸出端獲得SPWM輸出電壓。在的正半周期間，給T1始終施加開通控制信號，使其始終保持導(dǎo)通狀態(tài)，使T2、T3始終保持關(guān)斷狀態(tài)，只控制T4。當(dāng)>時，控制T4導(dǎo)通，此時輸出電壓為+Ud；當(dāng)＜時，控制T4關(guān)斷，則負(fù)載電流通過D3續(xù)流輸出電壓為0V。圖2-6單極性PWM控制原理在的負(fù)半周，使T3保持始終受控導(dǎo)通狀態(tài)，使T1、T4一直保持關(guān)斷，只控制T2。當(dāng)＜時，控制T2導(dǎo)通，輸出電壓為；在＞時，使T2關(guān)斷，則負(fù)載電流通過D4續(xù)流，輸出電壓為0V。這種調(diào)制方式中，在調(diào)制波的正、負(fù)半個周期，三角形載波只在一個方向變化，輸出電壓也只在一個方向變化。輸出電壓波形如圖2-6所示，輸出的電壓有、0V、三種電壓值。其中的為基波分量的波形，與正弦調(diào)制電壓的形狀一樣。圖中的虛線表示中的基波分量。像這種在的半個周期三角形載波只在單一的正極性或負(fù)極性圍變化，所得到的SPWM波形也只在單個極性圍變化的控制方式稱為單極性SPWM控制方式。b)雙極性SPWM控制和單極性SPWM控制方式相對應(yīng)的是雙極性控制方式，如果三角波載波在半個周期的方向是在正負(fù)兩個方向變化的，所得到的SPWM波形也是在兩個方向變化的，這時就成為雙極性SPWM控制方式，如圖2-7所示。其控制和輸出波形如圖2-7所示。其中為正弦調(diào)制波，為三角形載波。但的波形與單極性時有明顯的不同，在的半個周期，三角波載波不再是單極性的，而是有正有負(fù)的雙極性三角波。雙極性調(diào)制方式在的正、負(fù)半周控制規(guī)律一樣。當(dāng)時，同時給T1和T4導(dǎo)通信號，給T2和T3關(guān)斷信號，此時若，則T1和T4導(dǎo)通，若，則Dl和D4導(dǎo)通，兩種情況下輸出電壓均為；當(dāng)時，給T2和T3導(dǎo)通信號，給Tl和T4關(guān)斷信號，若此時，則T2和T3導(dǎo)通，若，則D2和D3導(dǎo)通，兩種情況下輸出電壓均為?？梢?，在的一個周期，輸出的PWM波只有兩種電平，而不再出現(xiàn)單極性控制時的零電平狀態(tài)。主電路的輸出電壓波形如圖2-7所示，其幅值只有、兩種。為輸出的基波波形，形狀與正弦調(diào)制波一樣。從以上的分析可見，單相橋式電路既可采取單極性調(diào)制，也可采用雙極性調(diào)制。當(dāng)對開關(guān)器件通/斷控制的規(guī)律不同時，它們的輸出PWM波形也會出現(xiàn)較大的差別。圖2-7雙極性PWM控制原理2)同步調(diào)制與異步調(diào)制在PWM逆變電路中，載波頻率fc與調(diào)制信號頻率fr之比N=fc/fr。根據(jù)載波和信號波是否同步與載波比的變化情況，PWM逆變電路可以有異步調(diào)制和同步調(diào)制兩種控制方式。a)異步調(diào)制載波信號和調(diào)制信號不保持同步關(guān)系的調(diào)制方式稱為異步方式。在異步調(diào)制方式中，調(diào)制信號頻率fr，變化時，通常保持載波頻率fc。固定不變，因而載波比N是變化的。這樣，在調(diào)制信號的半個周期，輸出脈沖的個數(shù)不固定，脈沖相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對稱，同時，半周期前后1/4周期的脈沖也不對稱。當(dāng)調(diào)制信號頻率較低時，載波比N較大，半周期的脈沖數(shù)較多，正負(fù)半周期脈沖不對稱和半周期前后1/4周期脈沖不對稱的影響都較小，輸出波形接近正弦波。當(dāng)調(diào)制信號頻率增高時，載波比N就減小，半周期的脈沖數(shù)減少，輸出脈沖的不對稱性影響就變大，還會出現(xiàn)脈沖的跳動，同時輸出波形和正弦波之間的差異就變大，電路輸出特性變壞。b)同步調(diào)制載波比N等于常數(shù)，并在變頻時使載波信號和調(diào)制信號保持同步的調(diào)制方式稱為同步調(diào)制。在基本同步調(diào)制方式中，調(diào)制信號頻率變化時載波比N不變。綜上比較選取了同步雙極型調(diào)制。2.4主電路結(jié)構(gòu)的方案選取逆變器的主電路結(jié)構(gòu)形式多種多樣，有全橋型、半橋型與推挽型等,逆變器主電路結(jié)構(gòu)的選取應(yīng)該遵循以下幾個原則：盡量減少逆變電源中的電容值、電感值和電容電感元件在逆變電源中的數(shù)量，這樣可以減小整個逆變電源設(shè)備的體積，提高其可靠性，同時也應(yīng)該降低設(shè)備的成本；電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)該有利于逆變電源最終輸出電壓中諧波的消除，輸出電壓頻率與幅值的調(diào)節(jié)。鑒于以上諸項要求，本文所設(shè)計的逆變器主電路采用的是三相全橋式結(jié)構(gòu)。全橋模型如圖2-8所示：圖2-8全橋模型其中所用開關(guān)器件可以是晶體管、MOS管，也可以是IGBT，而且不論P型或N型，P溝或N溝。3系統(tǒng)硬件電路分析與仿真3.1系統(tǒng)硬件電路的分析3.1.1三相全橋電路分析逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同可分為兩種:直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路。SPWM逆變器的主電路如圖3-1所示，圖中Vl—V6是逆變器的六個功率開關(guān)器件，各由一個續(xù)流二極管反并聯(lián)，整個逆變器由恒值直流電壓U供電。一組三相對稱的正弦參考電壓信號由參考信號發(fā)生器提供，其頻率決定逆變器輸出的基波頻率，應(yīng)在所要求的輸出頻率圍可調(diào)。參考信號的幅值也可在一定圍變化，決定輸出電壓的大小。三角載波信號Uc是共用的，分別與每相參考電壓比較后，給出“正”或“零”的飽和輸出，產(chǎn)生SPWM脈沖序列波Uda，Udb，Udc作為逆變器功率開關(guān)器件的驅(qū)動控制信號。圖3-1SPWM逆變器的主電路橋式逆變主電路的開關(guān)器件采用快速MOS管IR2130，采用全橋式逆變電路。當(dāng)Uru<Uun=-Ud/2時，給V4導(dǎo)通信號，給V1關(guān)斷信號Uun=-Ud/2,給V1(V4)加導(dǎo)通信號時，可能是V1(V4)導(dǎo)通，也可能是VD1(VD4)導(dǎo)通。Ud和Uwn’的PWM波形只有±Ud/2兩種電平。當(dāng)Uru>Uc時，給V1導(dǎo)通信號，給V4關(guān)斷信號，Uun’=-Ud/2。Uuv的波形可由Uun’-Uvn’得出，當(dāng)1和6通時，Uuv=Ud，當(dāng)3和4通時，Uuv=-Ud，當(dāng)1和3或4和6通時，Uuv=0。輸出線電壓PWM波由±Ud和0三種電平構(gòu)成負(fù)載相電壓PWM波由(±2/3)Ud,(±1/3)Ud和0共5種電平組成。圖3-2各橋臂波形3.1.2控制回路的設(shè)計控制模塊以單片機為控制核心，采用單片機STC89C52。STC89C52是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲器（FPEROM-FlashProgramableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能COMOS的微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL搞密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。圖3-3STC89C52單片機外部引腳圖ST89C52的特點：1)8位處理器；2)最高40M時鐘，4機器周期的指令執(zhí)行速度；3)與標(biāo)準(zhǔn)8051兼容的管腳；4)與8051兼容的指令；5)4個8位I/O口；6)擴展的4位I/O和等待信號線（44腳的PLCC或QFP封裝提供）；7)三個16位計數(shù)/時器；8)12級中斷；9)片上時鐘源；10)兩個增強的雙工串口；11)1K的片上外部存儲器；12)可編程看門狗；13)兩個全速16位數(shù)據(jù)指針DPTR。STC89C52部含有兩個16位數(shù)據(jù)指針(DPTR和DPTRI)，大大加快了程序?qū)?shù)據(jù)存儲區(qū)的訪問，可以使STC89C52更加靈活迅速的與RAM和外設(shè)交換數(shù)據(jù)。STC89C52還包含1KB只能用MOVX指令訪問的片SRAM，這樣一般情況下不需要外擴RAM，可以大大節(jié)約單片機的口線。STC89C52具有3個16位定時器，其功能和8052系列相似。在用作定時器時，每個計數(shù)周期可以設(shè)定為4個或12個時鐘周期。STC89C52同時還具有看門狗定時器，用來對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視。和80C52一樣，為了減少功耗，STC89C52提供了空閑IDLE和掉電POWERDOWN兩種節(jié)電模式。STC89C52與8052在管腳與指令集上兼容。它具有8052的資源如：4個雙向8位I/O口，3個16位定時器/計數(shù)器，全雙工串行和若干中斷源。STC89C52中有一個更加快速，性能更好的8位CPU，它的核經(jīng)過重新設(shè)計，提高了時鐘速度和存儲器訪問周期速度。性能的提高不僅僅在于使用高頻的振蕩器，還在于STC89C52將多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的8052指令的機器周期從12個時鐘減少至4個時鐘。這樣性能就提高了1.5～3倍。另外STC89C52還可調(diào)整MOVX指令的周期，圍為2個機器周期～9個機器周期。這種設(shè)計使得STC89C52能夠更有效的訪問慢速或快速外部RAM與外設(shè)。STC89C52含1KB用MOVX指令訪問的數(shù)據(jù)存儲器，地址圍為0000H～03FFH。它只能用MOVX指令來訪問，可由軟件來選擇是否使用這個片上SRAM。STC89C52是與8052兼容的，因此具有8052的特性；相比8052它的速度提高，耗電量減少。他的指令集基本與8051一樣；多了一條DECDPTR(操作碼A5H,DPTR減1)指令。8051每12個時鐘周期為一個機器周期，而STC89C52每4個時鐘周期為一個機器周期。這樣提高了STC89C52的指令執(zhí)行速度。因此與8052相比即使在時鐘頻率一樣的情況下STC89C52也可以以更高速度運行。由于采用全靜態(tài)CMOS設(shè)計，STC89C52能夠在低時鐘頻率下運行，在一樣指令吞吐量的情況下，電源消耗也降低。機器周期縮短至4個時鐘周期，是STC89C52速度提高的主要原因。STC89C52具有所有8052的特性，同時也具有一些新的外設(shè)與特性。1)I/O口STC89C52有4個8位I/O口，與一個附加的4位I/O口。當(dāng)處理器用MOVC或MOVX指令執(zhí)行外部程序、訪問外部設(shè)備/存儲器時，P0口可用作地址/數(shù)據(jù)總線。此時它部有強上拉或下拉功能，無須再使用外部上拉。否則它是帶有開漏輸出的通用I/O口。P2口主要提供16位地址的高8位。當(dāng)用作地址線時它同樣具有強上拉或下拉功能。P1、P3口是I/O口同時具有不同的功能。P4口（限PLCC/QFP封裝）是和P1、P3一樣的通用I/O口。P4.0有CP的復(fù)用功能是等待狀態(tài)中的控制信號。當(dāng)?shù)却隣顟B(tài)控制信號使能后，P4.0是輸入口。2)串行口STC89C52有2個增強型串行口，功能與標(biāo)準(zhǔn)8052串行口相似。STC89C52的串行口能以不同的方式運行，以獲得時序相似。注意串行口0可以用定時器1或2做波特率發(fā)生器，但串行口1只能用定時器1做波特率發(fā)生器。串行口有自動地址識別和幀錯誤檢測的增強功能。3)定時器STC89C52有3個16位定時器，其功能與8052體系中的定時器類似。當(dāng)作為定時器使用時，可將它們設(shè)置為每4個時鐘周期進(jìn)行一次計數(shù)，或者每12個時鐘周期進(jìn)行一次計數(shù)。這位用戶提供了模擬8052時鐘運行的一種方式。STC89C52具有特殊的功能，看門狗定時器。該定時器可用作系統(tǒng)監(jiān)控器，或超長周期定時器。4)STC89C52中斷STC89C52的中斷系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)8052之中斷系統(tǒng)有細(xì)微的差別。由于存在新增功能和外設(shè)，中斷源的數(shù)量和中斷向量都相應(yīng)得增加。STC89C52提供12個中斷源2級中斷能力，包括6個外部中斷，定時器中斷與串行I/O口中斷。5)數(shù)據(jù)指針在標(biāo)準(zhǔn)8052中只有一個16位數(shù)據(jù)指針（DPL，DPH）。在STC89C52中還有一個16位數(shù)據(jù)指針（DPL1，DPH1）。這個數(shù)據(jù)指針位于標(biāo)準(zhǔn)8052中未定義的SFR地址中。STC89C52中還有一條DECDPTR指令（操作碼A5H），用以提高程序的靈活性。6)片上數(shù)據(jù)SRAMSTC89C52有1K字節(jié)的數(shù)據(jù)SRAM空間，它是可讀寫的并且是存儲器映射的。這些片上MOVXSRAM用MOVX指令來訪問。這片區(qū)域不用于存放可執(zhí)行代碼。對于片256字節(jié)暫存RAM和這些1K字節(jié)數(shù)據(jù)SRAM來說，不存在數(shù)據(jù)的沖突和重疊，因為他們有不同的尋址方式和單獨的訪問指令。PMR寄存器中的DME0位來使能片上MOVXSRAM，在復(fù)位后DME0位為0，因此MOVXSRAM是被關(guān)閉的，所有對0000H-FFFFH地址空間的訪問均為對外部SRAM的訪問。7)存儲器組織STC89C52將存儲器分為2個獨立的區(qū)域：程序存儲器區(qū)和數(shù)據(jù)存儲器區(qū)。程序存儲器區(qū)用來存放程序代碼，數(shù)據(jù)存儲器區(qū)用來存放數(shù)據(jù)與存儲器映射的設(shè)備需要用到的數(shù)據(jù)。8)程序存儲器STC89C52提供32KB大小的程序存儲器，這些ROM區(qū)與8052的ROM區(qū)功能類似，所有指令都從這些區(qū)域中取出執(zhí)行。MOVC指令同樣也訪問這些區(qū)域，超過片上ROM最址圍后，系統(tǒng)將訪問外部存儲器。9)數(shù)據(jù)存儲器STC89C52最多可以訪問64KB的外部數(shù)據(jù)存儲器。這個存儲器區(qū)域用MOVX指令來訪問。不同于其他8051的衍生產(chǎn)品，STC89C52還建一個1KB字節(jié)的MOVXSRAM數(shù)據(jù)存儲器。這1KB的數(shù)據(jù)存儲器的地址圍為0000H-03FFH。對該數(shù)據(jù)存儲器的訪問是受軟件控制的。當(dāng)軟件允許訪問該區(qū)域時，訪問地址圍為0000H-03FFH的MOVX指令將讀寫MOVXSRAM數(shù)據(jù)存儲器的容。當(dāng)?shù)刂穱^03FFH后，系統(tǒng)將自動訪問外部數(shù)據(jù)存儲器。當(dāng)軟件禁止訪問該區(qū)域時，該區(qū)域?qū)⒈挥成錇橥獠繑?shù)據(jù)存儲器。任何訪問地址為0000H-FFFFH的MOVX指令都將訪問到外部數(shù)據(jù)存儲器。這是STC89C52默認(rèn)的運行環(huán)境。另外STC89C52還有標(biāo)準(zhǔn)的256字節(jié)暫存數(shù)據(jù)存儲器。這片區(qū)域可以間接或直接訪問。由于這片區(qū)域STC89C52只有256字節(jié)，因此僅適用于數(shù)據(jù)量較小的場合。當(dāng)數(shù)據(jù)量較多時，可以考慮同時使用2個數(shù)據(jù)存儲器。片上MOVXSRAM，同外部RAM一樣只可由MOVX指令來訪問，但是片上MOVXSRAM擁有最快的訪問速度。控制回路的電路圖如圖3-4所示：圖3-4控制回路硬件圖3.1.3SPWM本設(shè)計中控制系統(tǒng)可以輸出三路正弦波。由單片機系統(tǒng)產(chǎn)生的正弦波，與三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波經(jīng)過比較器比較以后就可以得SPWM波。單片機可以通過設(shè)定電壓值，從而給其三路正弦波提供幅度的參考值。另單片機可以通過定時控制正弦波頻率，通過讀取正弦表的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)輸出正弦波的相位。單片機控制系統(tǒng)輸出三路相位相差120度的正弦波信號用于SPWM波的調(diào)制。該設(shè)計電路結(jié)構(gòu)簡潔，精度高，相位易于控制，波形幅值可以調(diào)節(jié)且成本比較低，功耗較小。滯回比較器輸出方波，方波經(jīng)過積分器，得到三角波。四個二極管和穩(wěn)壓二極管使方波在高電平和低電平都能穩(wěn)壓，避免畸變影響三角波穩(wěn)定可靠輸出。滯回比較器又稱施密特觸發(fā)器,遲滯比較器。這種比較器的特點是當(dāng)輸入信號逐漸增大或逐漸減小時，它有兩個閾值，且不相等，其傳輸特性具有“滯回”曲線的形狀。單片機生成正弦波數(shù)字信號，經(jīng)DA芯片AD7528得到正弦波模擬信號。AD7528是雙通道、8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器。數(shù)據(jù)通過一個共用的8位TTL/CMOS兼容輸入端口,傳輸至兩個DAC數(shù)據(jù)鎖存器中的一個。每個DAC均具有單獨的基準(zhǔn)電壓輸入和反饋電阻控制輸入DACA/DACB確定數(shù)據(jù)載入哪一個通道DAC。該器件采用+5V至+15V電源供電,功耗小。圖3-5三角波產(chǎn)生電路圖圖3-6DIP20封裝的AD7528引腳圖AD7528的兩DAC共用同一個8位輸入口，在工作過程中，通過控制信號來選擇其中一個DAC接受數(shù)據(jù)，然后通過信號和來選擇DAC的操作模式。當(dāng)和都處于低電平的時候，被選中的DAC就處于寫狀態(tài)，而當(dāng)或者處于高電平狀態(tài)，則被選中的DAC就出于數(shù)據(jù)保持狀態(tài)。AD7528工作時序圖如圖3-7所示：圖3-7AD7528工作時序圖當(dāng)CS和WR都為低電平時，AD7528的模擬輸出端OUTA對DB0～DB7數(shù)據(jù)總線輸入端的活動作出響應(yīng)。在此方式下，輸入鎖存器是透明的，輸入數(shù)據(jù)直接影響模擬輸出。當(dāng)CS或WR為高電平時，DB0～DB7輸入端上的數(shù)據(jù)被鎖存，直到CS和WR再次變?yōu)榈碗娖綖橹埂．?dāng)CS為高電平時，無論WR狀態(tài)如何，數(shù)據(jù)輸入被禁止。單片機控制AD7528必須嚴(yán)格按照其工作時序，同時滿足各信號的建立和保持時間要求。圖3-8DA轉(zhuǎn)換電路原理圖3.由于輸出的調(diào)制SPWM波驅(qū)動能力比較弱，不能用來直接驅(qū)動MOS管可靠的導(dǎo)通和關(guān)斷，所以需要另外加一部分驅(qū)動電路，以保障電路的可靠運行。采用先進(jìn)的集成驅(qū)動芯片IR2130驅(qū)動橋式電路。該類芯片因為其部有高端懸浮自舉電路，可以大大減少驅(qū)動供電電源的數(shù)量和種類。采用驅(qū)動芯片IR2130驅(qū)動，只需單電源供電，且工作電壓圍比較寬+10V～+20V，同時其靜態(tài)功耗較小在常溫下僅為40毫瓦。IR2130體積小巧，外部接線相對簡單，而且不需要對其進(jìn)行單獨供電，使得整個系統(tǒng)的可靠性大大提高。管腳的功能如表3-1所示：表3-1IR2130管腳的功能表Pin1Pin2Pin3Pin4Pin5Pin6Pin7低端輸出公共端低端固定電源電壓，輸出的電壓+10～+20V空端高端浮置電源偏移電壓高端浮置電源電壓高端輸出Pin8Pin9Pin10Pin11Pin12Pin13Pin14空端邏輯電源電壓5~9V邏輯高端輸入使能端：當(dāng)SD為高時，關(guān)斷兩輸出邏輯低端輸入邏輯電路地電位端，其值可以為0V空端另外IR2130還有較高信號響應(yīng)時間，完全滿足軟件系統(tǒng)的技術(shù)要求。圖3-9開關(guān)時間定義圖圖3-10輸入輸出信號時序圖圖3-11IR2130典型應(yīng)用電路圖集成驅(qū)動型芯片IR2130有以下優(yōu)點：體積小，驅(qū)動能力強，控制方便，電能利用效率高，最為突出的是IR2130芯片采用懸浮電源自舉電路，三相橋式變換器僅用一組電源即可，可充分簡化了驅(qū)動電路的電源設(shè)計。3.1.5延時保護(hù)電路的設(shè)計驅(qū)動橋式電路的MOS管選擇IR2130。IR2130是一種具有高耐壓值（600v）的MOSFET，常用于功率變換裝置中快速開通和關(guān)斷電力供應(yīng)，門極電壓,導(dǎo)通保持電壓低。導(dǎo)通阻抗小，只有0.75，通過最大電流為5A，門極和源極之門需要電壓低，只有10V。為了使得MOS管可靠的導(dǎo)通和安全關(guān)斷，必須保障一個橋臂不能出現(xiàn)同一時刻上下管同時導(dǎo)通的情況，以避免出現(xiàn)橋式軟件電路的損壞和發(fā)生危險，所以采用上下橋路脈沖時序延遲電路進(jìn)行保護(hù)[11]。經(jīng)由正弦波與三角波比較產(chǎn)生的SPWM波，其中每一路SPWM波都用來驅(qū)動一個橋臂的上下兩個MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷，為了使上下兩路信號互差導(dǎo)通和關(guān)斷，設(shè)置的延路要達(dá)到使上橋臂導(dǎo)通在下橋臂關(guān)斷后的一段時間之后，而上橋臂的關(guān)斷要在下橋臂開通之前的一段時間之前，即也就是下橋臂開通要在上橋臂關(guān)斷后的一段時間之后，如此反復(fù)。這樣得到的上下兩路SPWM波的波形如圖3-12所示：圖3-12SPWM波延驅(qū)動波形圖為了達(dá)到以上所說的功能，可以通過延時電路完成，將任何一路SPWM波用反向器分為兩路信號，用于一個橋臂上下兩個MOS管的驅(qū)動。將得到的兩路信號分別送入延時，放電電路，以C相為例，圖中TURN是單片機的控制信號，當(dāng)TURN為真時，SPWM波形可以順利輸出。當(dāng)欠壓保護(hù)時，單片機發(fā)送低電平可以封鎖信號輸出。SPWM波延時驅(qū)動電路如圖3-13所示，根據(jù)需要選擇不同的延時時間T,兩路信號有著同樣的電路結(jié)構(gòu)，由兩個電阻和一個電容構(gòu)成。按照其中一路進(jìn)行分析可知，電阻和電容構(gòu)成的RC電路，時間常數(shù)t=RC,則充電和放電的時間差=t1-t2，而我們要選擇的死區(qū)時間為T=(4~5)。圖3-13SPWM波延時驅(qū)動電路只要合理的選擇延遲時間，就可以使逆變觸發(fā)既要使得MOS可靠安全的導(dǎo)通，又要延時間隔相對較小，提高逆變效率。3.1.6DC/DC隔離電路的設(shè)計因為采用光電隔離，所以不能在光耦的兩邊使用同一組電源。另放大器、單片機和集成驅(qū)動芯片的電源要求也各有不同。DC/DC轉(zhuǎn)換器如圖3-14中所示，使用很方便。輸入只要在其圍，輸出就可得到需要恒定的直流電壓。管腳6和管腳7之間就是輸出，該系列DC/DC轉(zhuǎn)換器特點：寬電壓輸入圍、效率高達(dá)82%、隔離1500VDC、短路保護(hù)、工作溫度圍：-40℃～+85℃、部貼片化設(shè)計、阻燃封裝、MTBF＞1000000小時。圖3-14電源模塊的典型應(yīng)用電路通過采用模塊的分析方法，將整個電路分成各個小的部分從而化難為易，減小了電路的設(shè)計難度。同時模塊化的設(shè)計方法便于設(shè)計方案的選取。在上面的模塊中比較重要的是IGBT的延時保護(hù)，怎樣去選擇合理延遲保護(hù)時間同時又要兼顧效率，這是在設(shè)計中應(yīng)該注意的一個問題。3.2系統(tǒng)硬件電路的仿真3.2.1Multisim10仿真軟件介紹Multisim10是基于PC平臺的電子設(shè)計軟件，它提供了一個功能全面的SPICE系統(tǒng)，支持模擬和數(shù)字混合電路的分析與設(shè)計，創(chuàng)造了集成的一體化設(shè)計環(huán)境，把電路原理圖的輸入、仿真和分析緊密結(jié)合起來。系統(tǒng)將SPICE仿真器完全集成在原理圖輸入和測試儀器等工具之中。與其它Windows環(huán)境下的系統(tǒng)軟件類似，它具有圖形化界面，提供按鈕式工具欄，各個菜單中各個選項的物理意義一目了然。在輸入原理圖時，自動地將其編輯成網(wǎng)絡(luò)表送到仿真器，加快建立和管理的時間，在仿真過程中，若改變技術(shù)，則立刻獲得該變化所帶來的影響，實現(xiàn)了交互式的設(shè)計和仿真。3.2.2SPWM通過Multisim10這個仿真平臺來搭建仿真電路，其中正弦波由函數(shù)信號發(fā)生器給出，XFG1函數(shù)信號發(fā)生器輸入的為方波信號，XFG2輸入的為三角波信號仿真電路如圖3-15所示：圖3-15SPWM仿真電路原理圖得到的仿真波形.如圖3-16，圖3-17所示：圖3-16輸入波形對比圖圖3-17輸出SPWM仿真波形圖由圖3-17可以看出輸出的波形已變換為SPWM波形。3.2.3全橋逆變電路的仿真全橋逆變電路的的仿真在MATLAB里完成理論分析，取其中一項進(jìn)行分析，搭建的電路模型如圖3-18所示：圖3-18全橋逆變仿真電路圖直流電壓DC經(jīng)全橋模型VSC后接示波器，負(fù)載為三相RLC負(fù)載，控制信號由PWM產(chǎn)生。根據(jù)以上分析得出仿真電路模型如圖3所示。其中，直流輸入電壓取50V，為了使輸入電流平穩(wěn)化和諧波降低到允許值，設(shè)置濾波器。濾波器有雙重功能，既能用來抑制從直流電源來的瞬變量，又能抑制逆變器或直流變換器對直流電源產(chǎn)生的瞬變量和噪音。諧波次數(shù)越高，對應(yīng)的電源側(cè)諧波次數(shù)的分量就越小，并且可以通過如下方來降低電源側(cè)諧波電流：(1)增大脈動直流電流基波的角頻率，即逆變器或直流變換器的開關(guān)角頻率；(2)增大濾波電感L、濾波電容C即減小LC輸入濾波器的諧振角頻率；(3)一樣輸出功率時，提高逆變器或直流變換器的占空比，減小脈動直流電流的幅值。仿真在matatlab中完成，仿真模塊的提取方式如表3-1所示：表3-1仿真電路模塊的名稱與提取說明模塊名提取路徑PWM脈沖發(fā)生器SimPowerSystems/ExtraLibrary/ControlBlocks通用橋式電路模塊SimPowerSystems/PowerElectricnics直流電壓源DCSimPowerSystems/ElectricalSources電壓測量模塊UoSimPowerSystems/Measurements電流測量模塊iSimPowerSystems/Measurements示波器ScopeSimulink/Sinks串聯(lián)RLC支路SimPowerSystems/Elements接地模塊SimPowerSystems/Elements仿真結(jié)果圖如圖3-19所示：圖3-19全橋逆變仿真波形圖從以上仿真可得，全橋逆變將直流轉(zhuǎn)化為交流，其輸出電壓波形為高頻方波，其基波主要為正弦波[13]。3.2.4延時保護(hù)電路的仿真延時保護(hù)接在SPWM和驅(qū)動電路的中間，起著死區(qū)保護(hù)的作用，仿真電路圖如圖3-20所示：圖3-20死區(qū)保護(hù)電路仿真電路圖得到的仿真波形圖如圖3-21所示：A相為輸出PWM31端口輸出波形，B相為輸出PWM32端口輸出波形。AB圖3-21延時保護(hù)電路仿真波形圖3.3濾波回路的參數(shù)計算1)濾波電容C的選取濾波電容C的作用是和濾波電感一起來濾除輸出電壓中的高次諧波，保證輸出電壓的THD要求，從減小輸出電壓THD的角度考慮，C越大越好。但從另一個角度來看，在輸出電壓不變的情況下，濾波電容C增大意味著無功電流的增加，增加了逆變器的電流容量，同時也將導(dǎo)致體積重量增加，降低系統(tǒng)效率。因此，濾波電容的選取原則是在保證輸出電壓的THD滿足要求的情況下，取值盡量小。在濾波電容的選取中，一般取其無功電流,為輸出電流最大有效值。按單相輸出3300VA，則輸出電流最大有效值為：可得：由于：(4-1)可得：2)濾波電感的選取要保證電容兩端的諧波含量較低，濾波電感的高頻阻抗與濾波電容的高頻阻抗相比不能過低，即濾波電感的感量不能太小。此外濾波電感的增大，還會使電流變化變慢，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)時間變長。而減小濾波電感，則可以改善電路的動態(tài)性能，但是會增大電感電流的脈動量。故選取電感值，要綜合考慮。根據(jù)電路原理，若在電感兩端施加一時間為的電壓，則電感的電流變化量可表示為：當(dāng)正弦調(diào)制信號瞬時值為是，輸出脈沖寬度為：(4-2)在穩(wěn)定后的理想系統(tǒng)中，輸出電壓可表示為:(4-3)(4-4)在時間S1或D1導(dǎo)通，濾波電感的電流上升，其脈動量為(4-5)從上式可以看出當(dāng)時，電流脈動最大。最大電流脈動可以用下式算得：根據(jù)工程經(jīng)驗一般取電感的最大脈動量不超過電感電流最大值的20%，即：從上式可以看出，濾波電感上的最大諧波電流和電感L的值成反比。（4-6）綜合考慮以上各因素，最后選出的濾波電感和電容的值如下:濾波電感L=2mH，濾波電容C=24.7uf。濾波電感上最大電流脈動為：考慮極限情況，當(dāng)逆變器帶容性滿載時，在輸出電壓過零時刻，流過電感的點流瞬時值最大，該值為：電感電流最大脈動量占電流最大值的百分比為：可見，該值超過了20%（工程經(jīng)驗值），即電感的取值還應(yīng)稍微偏大。4系統(tǒng)硬件電路分析與仿真4.1KEILC51仿真軟件介紹4.1.1KeilC51的特點KeilC51是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。使用KeilC51進(jìn)行編譯主要有以下優(yōu)點：1)KeilC51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。2)與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。KeilC51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。4.1.2KeilC51的數(shù)據(jù)類型C51的編程語言常用的有二種：匯編語言；C語言。匯編語言的機器代碼生成效率很高但可讀性卻并不強，復(fù)雜一點的程序就更是難讀懂，而C語言在大多數(shù)情況下其機器代碼生成效率和匯編語言相當(dāng)，但可讀性和可移植性卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過匯編語言，而且C語言還可以嵌入?yún)R編來解決高時效性的代碼編寫問題。對于開發(fā)周期來說，型的軟件編寫用C語言的開發(fā)周期通常要小于匯編語言很多。KEIL開發(fā)軟件，建立C項目。常用的C語言數(shù)據(jù)類型如表4-1所示：表4-1數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)類型長度值域unsignedchar單字節(jié)0～255signedchar單字節(jié)-128～+127unsignedint雙字節(jié)0～65535signedint雙字節(jié)-32768～+32767unsignedlong四字節(jié)0～4294967295signedlong四字節(jié)-2147483648～+2147483647float四字節(jié)±1.175494E-38±3.402823E+38*1～3字節(jié)對象的地址bit位0或1sfr單字節(jié)0～255sfr16雙字節(jié)0～65535常用數(shù)據(jù)類型說明：1)char字符類型char類型的長度是一個字節(jié)，通常用于定義處理字符數(shù)據(jù)的變量或常量。分無符號字符類型unsignedchar和有符號字符類型signedchar，默認(rèn)值為signedchar類型。unsignedchar類型用字節(jié)中所有的位來表示數(shù)值，所可以表達(dá)的數(shù)值圍是0～255。signedchar類型用字節(jié)中最高位字節(jié)表示數(shù)據(jù)的符號，"0"表示正數(shù)，"1"表示負(fù)數(shù)，負(fù)數(shù)用補碼表示。所能表示的數(shù)值圍是-128～+127。unsignedchar常用于處理ASCII字符或用于處理小于或等于255的整型數(shù)。2)int整型int整型長度為兩個字節(jié)，用于存放一個雙字節(jié)數(shù)據(jù)。分有符號int整型數(shù)signedint和無符號整型數(shù)unsignedint，默認(rèn)值為signedint類型。signedint表示的數(shù)值圍是-32768～+32767，字節(jié)中最高位表示數(shù)據(jù)的符號，"0"表示正數(shù)，"1"表示負(fù)數(shù)。unsignedint表示的數(shù)值圍是0～65535。3)long長整型long長整型長度為四個字節(jié)，用于存放一個四字節(jié)數(shù)據(jù)。分有符號long長整型signedlong和無符號長整型unsignedlong，默認(rèn)值為signedlong類型。signedint表示的數(shù)值圍是-2147483648～+2147483647，字節(jié)中最高位表示數(shù)據(jù)的符號，"0"表示正數(shù)，"1"表示負(fù)數(shù)。unsignedlong表示的數(shù)值圍是0～4294967295。4)float浮點型float浮點型在十進(jìn)制中具有7位有效數(shù)字，占用四個字節(jié)。5)*指針型指針型本身就是一個變量，在這個變量中存放的指向另一個數(shù)據(jù)的地址。這個指針變量要占據(jù)一定的存單元，對不同的處理器長度也不盡一樣，在C51中它的長度一般為1～3個字節(jié)。指針變量也具有類型。6)bit位標(biāo)量bit位標(biāo)量是C51編譯器的一種擴充數(shù)據(jù)類型，利用它可定義一個位標(biāo)量，但不能定義位指針，也不能定義位數(shù)組。它的值是一個二進(jìn)制位，不是0就是1，類似一些高級語言中的Boolean類型中的True和False。7)sfr特殊功能寄存器sfr也是一種擴充數(shù)據(jù)類型，點用一個存單元，值域為0～255。利用它可以訪問51單片機部的所有特殊功能寄存器。如用sfrP1=0x90這一句定P1為P1端口在片的寄存器，在后面的語句中我們用以用P1=255（對P1端口的所有引腳置高電平）之類的語句來操作特殊功能寄存器。8)sfr1616位特殊功能寄存器sfr16占用兩個存單元，值域為0～65535。sfr16和sfr一樣用于操作特殊功能寄存器，所不同的是它用于操作占兩個字節(jié)的寄存器，好定時器T0和T1。9)Sbit尋址位Sbit同位是C51中的一種擴充數(shù)據(jù)類型，利用它可以訪問芯片部的RAM中的可尋址位或特殊功能寄存器中的可尋址位。如先前我們定義了sfrP1=0x90;//因P1端口的寄存器是可位尋址的，所以我們可以定義sbitP1_1=P1＾1;//P1_1為P1中的P1.1引腳//同樣我們可以用P1.1的地址去寫,如sbitP1_1=0x91整型常量可以表示為十進(jìn)制如123,0，－89等。十六進(jìn)制則以0x開頭如0x34,-0x3B等。長整型就在數(shù)字后面加字母L，如104L，034L，0xF340等。浮點型常量可分為十進(jìn)制和指數(shù)表示形式。十進(jìn)制由數(shù)字和小數(shù)點組成，如0.888,3345.345,0.0等，整數(shù)或小數(shù)部分為0，可以省略但必須有小數(shù)點。指數(shù)表示形式為[±]數(shù)字[.數(shù)字]e[±]數(shù)字，[]中的容為可選項，其中容根據(jù)具體情況可有可無，但其余部分必須有,如125e3,7e9,-3.0e-3。3）．字符型常量是單引號的字符，如'a','d'等，不可以顯示的控制字符，可以在該字符前面加一個反斜杠"\"組成專用轉(zhuǎn)義字符。常量可用在不必改變值的場合，如固定的數(shù)據(jù)表，字庫等。常量的定義方式有幾種,下面來加以說明。#defineFalse0x0;//用預(yù)定義語句可以定義常量；#defineTrue0x1;//這里定義False為0,True為1；unsignedintcodea=100;//這一句用code把a定義在程序存儲器中并賦值；constunsignedintc=100;//用const定義c為無符號int常量并賦值。4.2控制系統(tǒng)程序流程圖SPWM正弦脈寬調(diào)制法是采用調(diào)制波為正弦波、載波為三角波的一種脈寬調(diào)制方法，可廣泛應(yīng)用于逆變器電源上。SPWM的輸出波形控制算法有面積等效法、自然采樣法、對稱規(guī)則采樣法、不對稱規(guī)則采樣法等，本文采用脈寬調(diào)制波的自然采樣法法來實現(xiàn)SPWM波形控制。以正弦波為調(diào)制波,等腰三角波為載波進(jìn)行比較,在兩個波形的自然交點時刻控制開關(guān)器件的通斷,這就是自然采樣法。由于脈沖寬度是按照正弦波的規(guī)律變化，故可把這些脈沖寬度DK的值編制成數(shù)值表，再用單片機通過查表輸出脈沖序列。實驗時，可采用載波頻率fc=25kHz，交流頻率fs=50Hz，載波比N=fdfs來確定正弦波離散點的個數(shù)，即一個周期的脈沖個數(shù)(設(shè)N=500)。為了節(jié)省表的存儲空間，實際編程時，可保存半個周期的正弦波離散點，即保存N/2個點，然后用交替的方式輸出SPWM波形來控制逆變橋的工作。其優(yōu)點是所得SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波與正弦波交點有任意性,脈沖中心在一個周期不等距,從而脈寬表達(dá)式是一個超越方程,計算繁瑣,難以實時控制?？刂瞥绦蛄鞒虉D如圖4-1所示：圖4-1程序流程圖單片機輸出正弦波信號是設(shè)計的一個重點。其輸出依靠單片機讀取256個數(shù)據(jù)的正弦波數(shù)據(jù)表。三路正弦波電壓參考值由第二片DA的B通道輸出提供，該值可以由單片機設(shè)定，所以可以方便地調(diào)節(jié)三路正弦波的幅值。另通過調(diào)節(jié)定時t，由T=256*t可知，可以調(diào)節(jié)正弦波的頻率[31][32]。按照電網(wǎng)頻率為50Hz來計算，得到T為0.02s，也即是定時器可以設(shè)定定時為t為78.125us。正弦波頻率的變化可以由改變輸出點之間的延時來實現(xiàn)。因為每一相正弦波都互差120°，所以在每次輸出數(shù)據(jù)時每一相輸出的數(shù)據(jù)在正弦波數(shù)據(jù)表中次序互差85個。設(shè)計采用的S單片機是一個快速單片機，含32KB的EPROM和1KB的RAM，在一樣的時鐘頻率下，其指令執(zhí)行速度是標(biāo)準(zhǔn)8051的1.5～3倍；若采用40MHz晶振時，單條指令最快僅需0.1us。所以實際上定時延時最高可以設(shè)定為78.1us。5總結(jié)本設(shè)計將整個電路劃分為硬件電路設(shè)計，軟件電路設(shè)計，建立模型仿真，參數(shù)計算四大部分。整個電路的工作過程是：單片機產(chǎn)生正弦波數(shù)字信號，經(jīng)過處理后得到正弦波模擬信號。正弦波和三角波比較之后得到SPWM波。用SPWM波經(jīng)過延時電路，輸送到專用驅(qū)動芯片IR2130，驅(qū)動MOS管。為了使輸出電壓能接負(fù)載，必須對逆變輸出電壓進(jìn)行濾波處理。經(jīng)過以上處理，逆變輸出電壓可以接入日常使用負(fù)載。在輸入電壓不足的情況下，單片機可以控制輸出封鎖信號，不進(jìn)行逆變過程。本設(shè)計完成的工作有前期電路方案選取，電路參數(shù)計算，電路模型搭建與仿真。使用的軟件有keil，multisim。通過此次設(shè)計，對相關(guān)的軟件有了進(jìn)一步的掌握。通過對電路的仿真，對電路有了更深的認(rèn)識。通過畫電路圖，制版等過程，對該工藝流程已經(jīng)基本掌握。在設(shè)計中還有一些不可克服的問題，比如如何將理論與實際具體的相結(jié)合，運用與實際的生產(chǎn)中，由于所學(xué)知識的限制，這一點很難做到。致值此論文完成之際，衷心感我的畢業(yè)設(shè)計老師。老師以他嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，淵博的理論知識，謙虛的為人品質(zhì)和踏實的治學(xué)作風(fēng)影響和激勵我，這些對我以后的成長必將起著十分重要的作用。在課題設(shè)計期間，同組做畢業(yè)設(shè)計的同學(xué)也給了我莫大的幫助，通過與他們的討論與交流讓我意識到自己的不足。通過互相的學(xué)習(xí)，提高了我的能力。大學(xué)四年對我來說，是自己人生中最有意義和收獲的四年。非常感四年來教導(dǎo)過我的老師和輔導(dǎo)員，因為你們的耐心和敬業(yè)，才使得我掌握了生存的技能和做人的道理，沒有您們專業(yè)知識的講授，就沒有這篇文章的完成，真誠地感母校！衷心感我的室友和電氣專業(yè)的同學(xué)們，所有給予我?guī)椭呐笥押屯瑢W(xué)們，有你們的陪伴的日子我感受到了家的溫暖和關(guān)懷，在完成畢業(yè)設(shè)計過程中，你們給了我很多幫助，我再次深表意！感在百忙之中抽出時間參加我論文評閱和答辯的各位老師。感你們的指正和教誨。最后深深感我的家人給予我物質(zhì)和精神上最大的支持和幫助。你們默默無聞的支持和奉獻(xiàn)無以言表，你們永遠(yuǎn)是我堅強的后盾，你們的支持和奉獻(xiàn)我才能走到今天，也讓我幸福。最后謹(jǐn)以此文作為我豐富多彩的四年大學(xué)生活總結(jié)！參考文獻(xiàn)［1］華.MCS-51系列單片機實用接口技術(shù)[M].:北航.2003.［2］毅剛.單片機原理與應(yīng)用[M].：工業(yè)大學(xué).2004.［3］小林.計算機控制技術(shù)[M].:中國電力.2004.［4］康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分.高等教育.2006.1.［5］閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).高等教育.2006.5.［6］金琨.先進(jìn)PID控制與其MATLAB仿真[M].中國電力.2003.［7］徐建軍.MCS-51系列單片機應(yīng)用與接口[M].：人民郵電.2003.［8］薛鈞義.凌陽十六位單片機原理[M].：航空航天大學(xué).2003.［9］王剛.2007年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲獎作品選編[M].理工大學(xué).2003.［10］朱定華.單片機原理與接口技術(shù)[M].：電子工業(yè).2001.［11］詩程.光伏發(fā)電系統(tǒng)與其控制的研究[J].工業(yè)大學(xué).2004.18（7）：5-11.［12］杜秀麗，黃琦.基于微電網(wǎng)的并網(wǎng)逆變技術(shù)研究綜述[J].電力.2007.03（6）：11-16.［13］閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）.高等教育．1998.12．［14］新民，王燕芳.單片微型計算機實用系統(tǒng)設(shè)計[M]．．人民郵電．1993．［15］汝全.單片機實用技術(shù)[M]..電子工業(yè).1992.3．［16］瑾，偉，立寶.Protel99SE入門與提高.人民郵電.2007．［17］吳守箴．電氣傳動的脈寬調(diào)制控制技術(shù)(第2版)[M]．機械工業(yè).2004.［18］余運江.光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析與性能比較[N].市職業(yè)大學(xué)學(xué)報.2010.3.［19］郝媚美，應(yīng)文.基于鎖相環(huán)的單片機控制可控硅整流觸發(fā)器[N].東南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）.2003.9.［20］來立新，運祥．單片機控制的簡易單相逆變電源[J]．國外電子元器件.2001.8.（6）:55-59.［22］賓偉，黃念恙．單片機控制的正弦進(jìn)逆變電源[J]．電力電子技術(shù).2004.12.（9）：37-51.［21］為.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究[J].:工業(yè)大學(xué).2009.18（9）：29-35.［22］王兆安，進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].機械工業(yè).2009.［23］維波.MATLAB在電氣工程中的應(yīng)用[J].中國電力.2007.01（13）：44-46.［24］湯才剛，朱紅濤，莉，國橋.基于PWM的逆變電路分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù).2008.16（7）:21-37.［25］洪志全,等.現(xiàn)代計算機接口技術(shù)[M].:電子工業(yè).2008.［26］崇巍，興.PWM整流器與其控制[M].：機械工業(yè).2003.［27］易龍強，戴瑜興.SVPWM技術(shù)在單相逆變電源中的應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報.2007.22（9）：115-116.［28］熊健，康勇，凱,等.電壓空間矢量調(diào)制與常規(guī)SPWM的比較研究[J].電力電子技術(shù).1999.33（1）：25-28.附錄附錄I-1死區(qū)保護(hù)電路附錄I-2主電路附錄I-3單片機控制電路附錄I-4DA電路附錄I-5IR2130應(yīng)用電路附錄II控制程序ORG0000H;程序開始MOVSP,#60H;設(shè)置堆棧MOVDPTR,#7FFFH;7528的地址SJMPLOPTPL:MOVR6,#04H;切換頻率和幅度（手動調(diào)節(jié)）MOVR5,#04HSJMPSTARTLOP:JNBP1.5,TPL;選擇調(diào)頻MOVR6,#01H;設(shè)置步長MOVR5,#01HSTART:JNBP1.0,BX1;JNBP1.1,BX2;JNBP1.2,BX3;JNBP1.3,BX4 ;JNBP1.4,BX5;SJMPLOPBX1:MOVA,#00H;設(shè)置初值LOOP:MOVXDPTR,A;把數(shù)據(jù)送到端口ADDA,R6;通過步長改變上升波形CJNEA,#00H,LOOPSJMPSTART;返回檢測開關(guān)情況BX2:MOVA,#00H;設(shè)置初值LOOP3:MOVXDPTR,A;把