畢業(yè)設計(論文)-太陽能電池的逆變電路設計

緒論 11.1本課題研究的目的和意義 11.2太陽能電池逆變電路的主要應用 11.3太陽能電池的選擇 41.4本課題主要研究的內(nèi)容 42整體研究方案 52.1系統(tǒng)設計方案 52.2系統(tǒng)總體設計方案的確定 53逆變電路硬件設計 73.1逆變電路的整體結構和工作原理 73.2逆變電源主電路設計 83.3逆變控制系統(tǒng)的硬件架構 93.4逆變電路的抗干擾設計 154逆變電路軟件實現(xiàn) 164.1DSP系統(tǒng)軟件設計 164.2系統(tǒng)軟件設計流程圖 174.3SPWM信號的產(chǎn)生 184.4A/D采樣部分 204.5PI調(diào)節(jié)部分 215逆變電源的MATLAB仿真 235.1系統(tǒng)仿真模型的建立 235.2仿真結果 25結束語 28致謝 29參考文獻 30附錄 321緒論1.1本課題研究的目的和意義在我國，我們通過高壓輸電的方式來輸送電能，這使得大功率可控整流裝置、非線性負荷及電力電子器件的使用不斷增加。而這必然會讓公用電網(wǎng)的波形發(fā)生較大的改變。而這對于一些對敏感度要求較高的用戶來說，這對他們的安全生產(chǎn)會帶來的較大的影響。這就需要用戶能夠?qū)崟r掌握電力系統(tǒng)的各方面狀態(tài)以便在影響生產(chǎn)生活之前做出應變。要實時掌握電力系統(tǒng)的各方面的狀態(tài)，必然是需要對電力系統(tǒng)下各個環(huán)節(jié)進行檢測和監(jiān)控。一般采用的方法使用電流互感器來對電路的電流采樣，通過采樣電流來確定電路是否正常。而隨著科技的發(fā)展，一般的電流互感器已經(jīng)不能滿足要求，人們需要更小，更輕，更簡單，更方便，更強的抗干擾性的產(chǎn)品，而現(xiàn)在光纖通信技術的慢慢成熟正好可以滿足人們的需要，光纖電流互感器也就應運而生。擁有諸多優(yōu)點的光纖電流互感器必然會成為電網(wǎng)監(jiān)測的主要手段。光纖電流互感器有兩種。一種是全光纖型，它的雙折射效應會引文環(huán)境因素變化而產(chǎn)生變化，從而對整個系統(tǒng)精度都會產(chǎn)生影響。另外一種是混合型光纖電流互感器，混合型因為要把電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再轉(zhuǎn)為光信號，所以需要電源。但是因為它并不需要附帶的一些特殊光纖和光學元件。使得混合型電流互感器的實用程度超過了全光型。而如何解決混合型互感器高壓側(cè)的供電問題便成為了制約其發(fā)展的關鍵問題之一。而太陽能電池逆變電路就可以很好的解決混合型電流互感器需要有源的電子線路來提供電源的問題。1.2太陽能電池逆變電路的主要應用根據(jù)現(xiàn)有資料來看，太陽能電池逆變電路主要應用于為光電式電流互感器提供能量方面，因而太陽能電池逆變電路的設計中的太陽能電池逆變電路也就主要以混合式光纖電流互感器作為其負載來進行分析和研究。下面就對混合式光纖電流互感器進行簡單的介紹。1.2.1混合式光纖電流互感器的原理混合式光纖電流互感器是通過線圈對檢測對象的電流信號進行采樣，然后把采樣到的電流信號通過光纖傳送到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。因為空心線圈相對于鐵心線圈來說，不存在磁飽和的問題，這樣測量的范圍幾乎就不會受到限制，而且在實際應用中，使用空心線圈能讓傳感器的精確度達到0.1%。所以普遍采用空心線圈作為電流信號采樣的傳感器。圖1空心線圈如圖1所示，這是Rogowski空心線圈結構圖。它的結構很簡單，在一個非磁性材料的圓環(huán)上均勻地繞滿線圈，這些截面積為A的線圈就組成了有N匝的空心線圈。被測電流從線圈中穿過，通過電磁感應就會在空心線圈兩端產(chǎn)生電壓e，再在空心線圈兩端連接一個回路，回路中就會產(chǎn)生電流。由公式（1）可見感應電動勢和導體中流過電流的變化率成正比。(1)式中H為線圈的靈敏度,。如圖2所示，Rogowski線圈在被測電流通過會感應出電動勢e。Rogowski線圈兩端與積分器相連，所感應出的電動勢e會作為信號傳送給積分器，圖2混合式光纖電流互感器原理圖積分器把電壓信號傳輸?shù)桨l(fā)射電路，發(fā)射電路接收電壓信號后處理成接收電路能夠識別的頻率，通過LED把這個頻率信號發(fā)送給接收電路，再通過低壓側(cè)處理電路還原成所測量的電流信號。1.2.2混合式光纖電流互感器高壓側(cè)電源的解決方法從前面對混合式光纖電流互感器原理的簡要介紹中可以知道，這種互感器因為需要在高壓側(cè)提供有源的電子線路，而為電子線路提供一個可靠的電源就成了制約其發(fā)展的一個關鍵問題。下面我們對現(xiàn)在普遍采用的三種方式進行分析比較（1）采用懸浮互感器的供電方式這種方法跟普通電流互感器是一個原理，使用普通鐵磁式互感器通過電磁感應在高壓母線上感應出交流電壓，然后把感應產(chǎn)生的交流電壓通過整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路處理后為高壓側(cè)電路供電。該方法的缺點是母線電流會隨著電力系統(tǒng)負荷的變化而變化。因此雖然其價格低廉，結構簡單，但因為其存在死區(qū)，并且電力系統(tǒng)存在不穩(wěn)定因素會增加供電系統(tǒng)的復雜性。（2）采用高壓電容分壓器的供電方式這種方法是通過高壓電容分壓器連接在高壓母線與地之間，從而直接在高壓母線上獲取電能，經(jīng)過整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路處理后為高壓側(cè)電路供電。這種方案就地解決解決了電源供應的問題。但是缺點是當電力系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況的時候，線路電壓可能會出現(xiàn)很大的波動導致不能供電，該方案就必須考慮備用電源(電池)，顯然為了保證電源的穩(wěn)定供電必然會加大系統(tǒng)的復雜性。（3）在高壓側(cè)利用電池解決電源問題現(xiàn)在可以采用蓄電池和太陽能電池這兩種電池來解決這個問題。蓄電池因為本身壽命問題，加上蓄電池又不能長期連續(xù)工作。在單獨作為高壓側(cè)供電電源時還是有較大缺陷。太陽能電池需要太陽能來提供能量，而太陽能在一天中會因為光強、環(huán)境溫度等外界條件的變化而變化，使得太陽能電池并不能持續(xù)穩(wěn)定的輸出。而結合太陽能電池和二次充電電池，通過太陽能電池給二次充電電池充電，二次充電電池就能持續(xù)的提供穩(wěn)定的電源輸出。該方案的優(yōu)點就是能夠提供穩(wěn)定的電源，并且結構簡單，易于實現(xiàn)。綜合以上的情況，我們選擇使用太陽能電池結合二次充電電池進行供電。1.2.3混合式光纖電流互感器的關鍵技術問題混合式光纖電流互感器主要由高壓側(cè)供電電源系統(tǒng)、信號采樣系統(tǒng)、信號傳輸系統(tǒng)、信號處理和測量控制系統(tǒng)四大部分組成，有以下幾個關鍵技術問題需要解決：高壓側(cè)供電電源系統(tǒng)的設計，要求在提供系統(tǒng)所需的電源的同時也要不管在線路有什么狀況的情況下都能穩(wěn)定可靠的供電輸出；要保證裝置能夠安全的運行，這涉及到了高壓絕緣技術和保護技術；信號傳輸所需要的光纖通信技術，要求在傳輸采樣信號的同時也要能傳輸同步時鐘信號。1.3太陽能電池的選擇通過光電效應把光能轉(zhuǎn)化為電能的一種半導體薄膜叫太陽能電池或者光電池，只要被光照到就會內(nèi)部形成一個電場，從而產(chǎn)生輸出電壓。太陽能電池有很多種，其中發(fā)展最為成熟是硅太陽能電池，在實際應用中使用比較多的也是硅太陽能電池。而硅太陽能電池又根據(jù)太陽能電池中所用的硅不同分為三種：單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜。其中單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術也最為成熟。在實驗室里最高的轉(zhuǎn)換效率為24.7%，規(guī)模生產(chǎn)時的效率為15%。在大規(guī)模應用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導地位，太陽能電池逆變電路的設計主要研究的是太陽能電池逆變電路的穩(wěn)壓控制方法，所以我們選擇技術最為成熟的單晶硅太陽能電池。1.4本課題主要研究的內(nèi)容太陽能電池逆變電路的主要用途是為混合式光纖互感器提供高壓側(cè)的有源電子線路的工作電壓，但混合式光纖互感器和電子器件工作電壓都是一定的，能否提供穩(wěn)定的電壓就成為了衡量太陽能電池逆變電路性能的關鍵問題?，F(xiàn)在一般的穩(wěn)壓方式有兩種：數(shù)字法和模擬法。模擬法是通過模擬的電路來達到系統(tǒng)的要求，但是模擬電路有設計復雜，抗干擾性差，適應用性差等問題，而且一種條件就需要一個模擬電路，這些缺點就大大限制了模擬法的應用。而現(xiàn)在集成電子技術的以及電子計算機技術的不斷成熟，在實際的系統(tǒng)應用中數(shù)字法的使用越來越多。數(shù)字電路相比于模擬電路來說，設計更加簡單，抗干擾性能也有大大的提高。通過程序進行控制的數(shù)字電路，不僅可以很方便的實現(xiàn)模擬電路的功能也能大多數(shù)達到模擬控制的效果。而且數(shù)字法適應性更強，對于不同的工業(yè)條件不需要改變電路結構，要達到不同的效果只需要改變相應的參數(shù)值就行。本課題主要研究的是將太陽能電池逆變電路所輸出的電壓值轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的數(shù)字量之后通過光纖傳輸回控制室，在控制室通過數(shù)字控制來實現(xiàn)太陽能電池逆變電路的穩(wěn)壓控制，使得在工業(yè)檢測中太陽能電池逆變電路可以有更好的應用前景。2整體研究方案和硬件設計本章針對太陽能電池逆變電路所需要達到的目標，以混合式光纖互感器在實際工作中所需要的環(huán)境為準則，通過數(shù)字控制的方法設計出一個操作性強、穩(wěn)定性強的逆變電路。不同的逆變電路對相關性能的要求也不盡相同，通過查閱相關的技術資料，進行匯總分析，設計出以下太陽能電池逆變電路的設計方案。2.1系統(tǒng)設計方案太陽能電池逆變電路的主要用途是為混合式光纖互感器提供高壓側(cè)的有源電子線路的工作電壓，我們將以混合式光纖電流互感器作為太陽能電池逆變電路的負載來說明光電轉(zhuǎn)換電源數(shù)字穩(wěn)壓控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)方法。太陽能電池逆變電路的設計將設計以下功能，來滿足太陽能電池逆變電路給混合式光纖電路互感器提供提供的穩(wěn)定的供電電源的要求。（1）具有對太陽能電池逆變電路輸出電壓的實時檢測功能；（2）具有對整個電路起保護作用的過流保護和過壓保護功能；（3）具有對數(shù)字信號邏輯運算和操作的功能；（4）具有對整體電路數(shù)據(jù)實時顯示的功能；（5）具有對電流、電壓采樣的功能；（6）具有對參數(shù)，數(shù)據(jù)等傳輸?shù)耐酵ㄓ嵐δ堋?.2元器件的選擇為了太陽能電池逆變電路的輸出電壓能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)壓控制，必然需要一個控制系統(tǒng)。而控制系統(tǒng)的核心就是單片機。太陽能逆變電路的設計將在使用比較普遍的80C51單片機和DSP芯片TMS320LF2407作出選擇。

80C51單片機是大學學習中接觸比較多的一類單片機，它的基本組成是CPU系統(tǒng)，時鐘系統(tǒng)，總線控制單元，外圍單元有程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，輸入/輸出口（I/O口，）特殊功能寄存器。80C51的工作電壓4V～5.5V，擁有8K字節(jié)FLASHROM,4個8位并行輸入口，兩個16位定時器。單片機有著體積小，重量輕，價格低，耗電少等優(yōu)點。TMS320LF2407采用的是哈佛結構，DSP采用了先進的哈佛結構,內(nèi)部采用多總線結構和流水線的工作方式,從而大大地提高了系統(tǒng)的運行速度和數(shù)字信號的處理能力,還在片內(nèi)集成了如A/D轉(zhuǎn)換器、PWM發(fā)生器、脈沖死區(qū)發(fā)生器等外設電路,使其可以方便的應用于逆變電源的控制。采用DSP作為逆變電源的控制核心,可用軟件實現(xiàn)逆變器靈活、精確的在線控制與全部故障監(jiān)測。對比以上兩種控制器，TMS320LF2407更加適合太陽能電池逆變電路的設計。2.3太陽能電池逆變電路的整體結構和工作原理整體結構框架如圖4所示太陽能電池逆變電路二次充電電池輸出太陽能電池逆變電路二次充電電池輸出濾波采樣調(diào)理TMS320LF2407單片機LCDD鍵盤SPWM信號產(chǎn)生隔離驅(qū)動整個電路有以下幾部分組成：（1）電源部分。由太陽能電池通過光電轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的直流電給二次充電電池充電，由二次充電電池來提供穩(wěn)定的直流電輸出。（2）驅(qū)動電路、保護電路以及采樣調(diào)理電路。（3）DSP（數(shù)字信號處理）控制板。該部分由TMS320LF2407主板芯片為核心加上串行通行，采樣電路等電路組成。能夠?qū)崿F(xiàn)單片機的通訊、輸出電壓采樣、變頻信號給定、SPWM信號輸出等功能。（4）人機界面。該部分通過串行通信模塊把單片機(SPCE061A)、鍵盤和LCD（液晶顯示模塊）連接在一起。鍵盤輸入設定參考電壓，單片機接收發(fā)出的指令并處理為電壓信號，傳輸給DSP芯片，同時還要接收DSP芯片傳輸過來的采樣所得的逆變電路輸出電壓信號，處理過后顯示在LCD上。不僅能夠直觀的獲得逆變電路的運行參數(shù)，也能讓逆變電路按照設定的頻率和波形運行。太陽能經(jīng)過太陽能電池轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娭蠼o二次充電電池充電，然后由二次充電電池供給IPM單相全橋逆變。驅(qū)動電路給逆變電路一個驅(qū)動信號，二次充電電池提供的直流電就會經(jīng)過逆變電路之后變成一定電壓、一定頻率的交流電,在經(jīng)過隔離濾波處理后供給負載。電壓采樣電路會對輸出電壓進行采樣，把采樣到的電壓信號送到DSP進行處理，在DSP中通過和設定的參考電壓進行比較，如果與設定的參考電壓有所偏差，為了使輸出電壓穩(wěn)定在期望值，就要對SPWM（高頻正弦脈寬調(diào)制波）進行修正，使輸出的SPWM控制信號能夠使逆變電路輸出電壓穩(wěn)定。2.4逆變電源主電路設計2.4.1主電路結構選擇現(xiàn)在逆變主電路主要結構形式有兩種：半橋式和全橋式。如圖4所示：（a）半橋式（b）全橋式圖4兩種逆變電路拓撲結構全橋式逆變電路相比于半橋式逆變電路有電壓利用率高的優(yōu)點,所以本系統(tǒng)采用全橋式逆變電路。1μF2.4.2全橋式主電路設計1μF4:6圖5主電路結構圖4:6主電路結構圖如圖5所示,全橋式逆變電路輸出直流電壓Ui，當VT1和VT4導通而VT2和VT3關閉時，從正極開始經(jīng)過VT4再經(jīng)過N1和VT1到負極形成一個回路，此時相當與在N1兩端施加了一個電壓Un，并且Ui=UN，當VT2和VT3打開而VT1和VT4關閉時，從正極開始經(jīng)過VT2再經(jīng)過N1和VT3到負極形成一個回路，此時Ui=-Un。當逆變電路中各臂輪流通斷時，在Uo就會輸出一個交流方波。逆變控制系統(tǒng)的結構基于對太陽能電池逆變電路能夠保證在正常的電壓、電流、溫度、絕緣性能等方面的具體指標要求，我們設計了此電路。逆變電路的控制系統(tǒng)如圖6所示，邏輯控制電路,檢測電路,保護電路,顯示電路,通訊接口電路等電路以TMS320LF2407數(shù)字信號處理器為核心來達到對逆變電路實現(xiàn)數(shù)字控制的目標。圖6控制系統(tǒng)結構圖2.6逆變控制系統(tǒng)的硬件架構2.6.1電平轉(zhuǎn)換電路GNDVoutVin0.1μF0.1μF0.1μF0.1μF0.1μF0.1μF0.1μFGNDVoutVin0.1μF0.1μF0.1μF0.1μF0.1μF0.1μF0.1μF530Ω100μF100μF圖6電平轉(zhuǎn)換電路TMS320LF2407的管腳電平是3.3V,但AD、D/A、與計算機的接口管腳電平都是5V。為了不讓DSP損壞或者出現(xiàn)工作異常，在與AD、D/A、與計算機的接口管腳電平都是5V的器件連接時應先作電平轉(zhuǎn)換。所以我們需要一個電平轉(zhuǎn)換電路，如圖6所示。2.6.2時鐘電路在選擇時鐘電路時我們需要考慮逆變電路工作的頻率，信號電平，時鐘的沿特性，驅(qū)動能力，晶振的有源或者無源。TMS320LF2407XIN芯片提供了兩個時鐘引腳XTAL1/CLKIN和XTAL2。其中XTAL1/CLKIN是PLL振蕩器輸入引腳;XTALZ是晶振、PLL振蕩器輸出引腳。如圖7、8所示，是兩個經(jīng)典的時鐘電路。10Ω圖7外部振蕩器時鐘電路圖810Ω0.015μF0.68μF0.015μF0.68μF圖7是外部振蕩器時鐘電路,為DPS產(chǎn)生并提供時鐘的是外部時鐘頻率為10MHz的有源晶體振蕩器,并且其供電電源為3.3V。因此,時鐘輸入端XTALI可以直接與震蕩器的輸出端的相連接,使DSP的XTALZ腳懸空。圖8是片內(nèi)振蕩器時鐘電路,它是通過在TMS320LF2407的兩個引腳之間連接一個10MHz的石英晶體，來達到提供時鐘的功能,因為DSP的工作頻率是40M，使得內(nèi)部鎖相環(huán)最大可以達到4倍頻率。這樣做的好處是外部只需要使用較低頻率的晶振,避免了外部電路干擾時鐘,同時也避免了高頻時鐘干擾板上其他電路。這對整個電路的電磁兼容性都是有好處的。圖中兩個電容取20PF。如圖9所示。圖中右側(cè)部分為TMS320LF2407的PLL模塊。為了使干擾影響和信號抖動最小，可以使用外部濾波器回路來抑制電磁干擾和信號的抖動。因為太陽能電池逆變電路的設計使用的是10M晶振,2.6.3復位電路3.3V復位電路的功能是把電路回復到初始狀態(tài)，類似于計算器上面的清零按鈕。一般在實際的工作生產(chǎn)中，有兩種復位。一種是上電復位，它的工作原理是當給電路上電時，C14開始充電，R13出現(xiàn)電壓，使得單片機復位，當C充滿之后，電阻兩端的電壓降為0，也沒有電流流過電阻，這個時候單片機開始工作。一種是工作中的復位，當電路處在工作中的時候，按下S1，C開始放電，在電阻上又出現(xiàn)電壓，也產(chǎn)生電流從而讓單片機復位。松開S1，C開始充電，當充滿之后，電阻兩端電壓降為0，電阻沒有電流通過，單片機就進入了工作狀態(tài)。如圖10所示。3.3VC13C140.1μFR1820KΩ330ΩC13C140.1μFR1820KΩ330Ω圖10復位電路2.6.4SCI接口電路通訊電路可以把電路中的各種參數(shù)在進過處理后變?yōu)閿?shù)字信號從而可以直接的在LCD顯示屏上顯示，這更加有利于對工作電路的運行狀態(tài)的了解。TMS320LF2407自身攜帶的SCI(串行通信接口)模塊有兩個外部引腳SCIRXD和SCITXD，引腳SCIRXD用于接收數(shù)據(jù)，引腳SCITXD用于發(fā)送數(shù)據(jù)。太陽能電池逆變電路采用串行通信接口標準RS232通訊協(xié)議來實現(xiàn)TMS320LF2407和MAX232的通訊。RS232有兩種型態(tài)，DB-9或是DB-25。太陽能電池逆變電路的設計采用的是DB-9。RS232對邏輯電平的規(guī)定是當信號無效時的電平是-3～-15V,信號有效時的電平是+3～+15V,由于TMS320LF2407采用3.3V供電，因而在使用過程中會有一個電平轉(zhuǎn)換的問題。所以在MAX232和TMS320LF2407之間加了TI公司提供的典型電平匹配電路,整個接口電路更加精簡、穩(wěn)定性更高。如圖11所示。10KΩ1μFC251μFR2322KΩR121μF1μ10KΩ1μFC251μFR2322KΩR121μF1μFR1110kΩ圖11SCI接口電路2.6.5采樣及信號調(diào)理電路R121kΩR15R14270Ω3.9kΩ為了實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)字閉環(huán)控制，需要對信號電源的輸出電壓進行采樣。通過VSM025A霍爾式電壓傳感器得到一個交流信號，因為AD轉(zhuǎn)換器的輸入信號必須是0～3.3V的信號，所以要把通過電壓傳感器獲得的交流信號在經(jīng)過調(diào)理電路后變?yōu)镈SP的AD轉(zhuǎn)換器可以接收的直流信號。采樣調(diào)理電路如圖14所示R121kΩR15R14270Ω3.9kΩR111kΩR153.9kΩ圖12R111kΩR153.9kΩ設電壓傳感器的輸出電壓Vsout,調(diào)理電路的輸出電壓為VADC,從圖12有:VADC=(Vsout+VD)/2=1.65+Vsout/2（2）由公式（2）可見，為了滿足輸入到AD口的直流信號在0～3.3V之間，電壓傳感器的輸出電壓幅值必須在-3.3V～3.3V的范圍以內(nèi)。3.3.8驅(qū)動電路20Ω4.7kΩ80Ω100Ω因為DSP控制單元輸出的PWM電壓信號遠遠不夠開啟IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）,并且DSP控制單元的輸出電流也無法驅(qū)動功率管。所以必須在經(jīng)過驅(qū)動電路處理過后把信號放大到能夠驅(qū)動IGBT。按照安全規(guī)程，控制電路和主電路之間要加強絕緣，所以驅(qū)動電路要采取隔離措施。本系統(tǒng)采用的光耦隔離驅(qū)動電路可實現(xiàn)主電路和控制電路之間的信號連接,并且使主電路和控制電路之間電氣隔離。如圖13所示。20Ω4.7kΩ80Ω100ΩC11μF3kΩC11μF3kΩ圖13光耦隔離驅(qū)動電路2.6.7保護電路鑒于在數(shù)字控制的信號電源會存在一些不穩(wěn)定因素可能導致輸出過壓而對負載造成損壞,需要添加過壓保護系統(tǒng)來防止此類不穩(wěn)定因素對電路效果的影響。過壓保護可以使用硬件保護，也可以使用軟件保護。硬件保護能在過壓的瞬間馬上關斷功率管。而軟件因為程序相應需要一定的時間，會有一定的延時。所以為了安全起見，要以硬件保護電路為主，軟件電路為輔。太陽能電池逆變電路的設計的過壓保護電路如圖14所示。R1R2C4C310KΩ10KΩ1μFR1R2C4C310KΩ10KΩ1μF1μF1μF1μFC1C2R3R41kΩ1kΩ因為信號電源的輸出電壓為交流電,過壓可能是正過壓，也可能是負過壓。因為有兩種情況，所以需要兩個比較器，一個將信號電源輸出電壓和正的過壓限定值進行比較，一個將信號電源輸出電壓和負的過壓限定值進行比較。當輸出電壓不在負的過壓限定值和正的過壓限定值之間時，就會給DSP一個輸出信號，在輸出信號的驅(qū)動下，硬件會立即將事件管理器的輸出置為高阻態(tài)，封鎖PWM信號的輸出。從而實現(xiàn)對電路的保護。2.7逆變電路的抗干擾設計因為高頻PWM會產(chǎn)生非常嚴重的電磁干擾，會影響檢測和控制電路的檢測精度和控制的準度。為了高頻PWM產(chǎn)生的強電磁干擾不影響到以DSP為核心的數(shù)字檢測和控制電路,采取了以下措施來減小干擾產(chǎn)生的影響。(l)從源頭上控制，提高電源的精密度，使其輸出控制電壓盡可能穩(wěn)定；(2)把DSP芯片的電源上與一個0.1uF的電容并聯(lián)會有效降低干擾;(3)使電路在電路板上布局合理，盡量降低電路之間的互相干擾;(4)在DSP芯片的功率保護引腳PDPlNT上并接10nF的電容,防止因受干擾使得保護誤動作而封閉PWM輸出。(5)盡量減小主電路的接線量，這樣環(huán)線面積也會隨著減小，線路中漏感的影響也會降低。3逆變電路軟件設計3.1DSP系統(tǒng)軟件設計為了讓逆變系統(tǒng)的控制策略的選擇與復用更加方便，采用控制算法軟件化方法滿足需求。在實際的應用中，需要對下位機的狀態(tài)能夠?qū)崟r掌握，并且可以對程序?qū)崟r調(diào)試，這就要求DSP芯片能把處理的信息實時傳輸給上位機，在上位機獲取信息后能在上位機進行簡單的控制。而單靠硬件電路是不能實現(xiàn)這些目標的，還需要進行相應的軟件設計。在應用中，電路中的參數(shù)會隨時變化，那么為了逆變電路能過穩(wěn)定的輸出，相應的要對參數(shù)做出修改和調(diào)整。通過串行通信實現(xiàn)上位機和下位機之間的即時通訊，就可以通過上位機軟件和DSP控制軟件對相關參數(shù)進行修改。接收模塊接收模塊發(fā)送模塊系統(tǒng)初始化模塊等待中斷外部模塊中斷輸出電流采樣更新顯示模塊SPWM運算器重復控制器定時器中斷串行中斷模塊輸出電壓采樣圖15DSP系統(tǒng)軟件框圖對逆變系統(tǒng)的控制電路的核心DSP來說，它要對接收到的數(shù)據(jù)進行大量的運算和處理工作，還要對控制電路各個環(huán)節(jié)的工作進行管理協(xié)調(diào)和監(jiān)督。控制系統(tǒng)的任務包括系統(tǒng)初始化，根據(jù)上位機的指令對各個參數(shù)進行更新，實時更新數(shù)據(jù)在液晶顯示，在線計算正弦函數(shù)值，對DSP軟件保護等諸多任務。龐大的任務量，逆變電路中的狀態(tài)信息變化很快，系統(tǒng)對快速性要求又極高。為了能夠及時控制被控制量，應該盡量縮短系統(tǒng)的采樣周期。在設計過程中，要安排好各種模塊的結構和相互間的時序配合，以及中斷的優(yōu)先級設置，從而滿足系統(tǒng)的實時性要求。3.2系統(tǒng)軟件設計流程圖3.2.1初始化模塊如圖16所示。通過流程圖實現(xiàn)系統(tǒng)初始化各個變量參數(shù)和控制寄存器，也檢驗是否通過R232和上位機握手成功。YYN復位禁止看門狗設置時鐘模塊設置事件管理設置通訊模塊握手成功？設置AD模塊設置I/O模塊開中斷初始化變量中斷寄存器設置主程序循環(huán) 圖16系統(tǒng)初始化3.2.2定時器中斷服務模塊為了實現(xiàn)系統(tǒng)的重復控制，需要采集電壓反饋信號，定時器的中斷服務模塊可以通過芯片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換器采樣得到電壓反饋信號,上位機與定時器中斷服務模塊保持通信,以保證重復控制器運行參數(shù)及時更新和修正。再通過重復控制器得到相應的控制量,對PWM脈寬的調(diào)制進行控制。流程控制如圖17所示。中斷中斷現(xiàn)場保護設置AD寄存器電壓采樣調(diào)用電流采樣子程序讀取正弦參考量誤差值調(diào)用重復控制算法求重復控制器產(chǎn)生的控制量疊加前饋正弦參考指令控制量調(diào)用二階數(shù)字濾波程序查表獲得正弦值計算SPWM的控制量恢復現(xiàn)場中斷返回調(diào)用脈寬限幅子程序正弦表指針處理圖17定時器中斷服務子程序3.3SPWM信號的產(chǎn)生3.3.1事件管理模塊事件管理模塊包括通用定時器(GP)、比較單元、捕獲單元以及正交編碼脈沖電路。每個240x器件都有兩個事件管理模塊EVA和EVB，EVA和EVB功能相同只是定時器和單元名稱不同。基準正弦波發(fā)生,三角波生成及正弦脈寬調(diào)制波SPWM產(chǎn)生就由事件管理模塊來實現(xiàn)。3.3.2三角波載波的生成三角波載波的生成步驟：首先通過事件管理模塊給定時器賦初值，然后給定時器周期寄存器賦值，再設置定時器技術方式為連續(xù)計數(shù)方式。三角波周期，定時器周期寄存器的值，DSP指令周期之間的關系由公式（3）可見Ta=2NTs（3）其中三角波周期為Ta，定時器周期寄存器的值為N，DSP指令周期為Ts。由事件管理模塊產(chǎn)生SPWM的原理可知,定時器周期寄存器的值不能小于比較單元的比較寄存器里的值,當三角波周期為20KHZ時,通過公式（3）得到定時器周期寄存器的值為1000，則比較寄存器裝載的值必須小于1000;當三角波周期為10kHz,通過公式（3）得到定時器周期寄存器的值為1000，則比較寄存器裝載的值必須小于2000。通過實驗證明，選擇使用頻率為10kHz的載波三角波，能返回YN返回YNY禁止全局中斷使能INT中斷使能TICNT中斷TICNT,TIPR,CMPR1GPTCON1，T1CONCOMCON1賦初值使能全局中斷定時器1周期中斷？標志位1？查表調(diào)用周期中斷子程序，置標志位啟動定時器N圖18驅(qū)動信號產(chǎn)生程序流程圖3.3.3基準正弦信號生成基準正弦信號生成首先要在正弦值中采樣K個點，再將K個點的值生成一個正弦數(shù)據(jù)表格存放在地址是8000H-87FFH的片外數(shù)據(jù)存儲器以供調(diào)用，基準正弦信號就是通過這個正弦數(shù)據(jù)表格來實現(xiàn)。其中點數(shù)K必須不小于功率開關管的開關頻率與信號電源輸出頻率的比值，在本系統(tǒng)中輸出頻率不得小于25Hz，選定的功率開關管開關頻率為25kHz，由此可得點數(shù)K必須不小于1000，在保證精確的前提下，選擇K為1024。3.3.4PWM信號生成PWM信號生成需要能夠不斷提供與PWM周期相同數(shù)值的定時器以及保存調(diào)制值的比較寄存器，在PWM信號生成的過程中，定時器提供的計數(shù)周期和調(diào)制值進行比較，當計數(shù)周期和調(diào)制值相匹配時，SPWM輸出引腳的電平就會跳變，輸出的脈沖就會有一個轉(zhuǎn)換，這樣直到一個定時周期結束，因為比較寄存器里的調(diào)制值可以通過控制軟件根據(jù)所得到的反饋量計算得出，輸出脈沖的時間就可以根據(jù)逆變電路輸出電壓的改變來自行做出相應的調(diào)整。3.4A/D采樣部分在本系統(tǒng)中需要采樣的有輸出電壓值和濾波電感電流值,采樣取得這兩個值后，首先通過比例環(huán)節(jié),然后再經(jīng)過DSP1的第一路通道ADCINO和第二路通道ADCIN1通道進行A/D轉(zhuǎn)換。由ADCINO取樣電壓信號，ADCIN取樣電流信號，設置采樣頻率為10KHz。通過事件管理模塊中的定時器1中斷啟動ADC轉(zhuǎn)換。因為DSP的供電電壓是0.3V，所取得的采樣信號不能高于這個值，所以需要再另外添加一個電壓提升電路使采樣信號電壓提升到1.65V。A/D采樣流程圖如圖19所示。NNYNY開始禁止INTM終端使能INT中斷對T1CNT,T1CON,T1PR,GPTCONA寄存器賦值給EVAIFRA,EVAIMRA寄存器賦值對ADCTRL1,MAXCIONV,CHESLSEQ1AD轉(zhuǎn)換控制寄存器賦值使能全局中斷啟動定時器調(diào)用AD中斷子程序啟動AD轉(zhuǎn)換定時周期到否AD轉(zhuǎn)換結束 圖19AD采樣程序流程圖3.5PI調(diào)節(jié)部分3.5.1采用通用的數(shù)字PI算法設送出與三角波進行比較的信號為U,比例系數(shù)為Kp，給定基準信號為Xref，反饋信號為V，誤差信號e(n)=Xrcf-V，積分系數(shù)為Kf。有公式（3）可見U(n+1)=KP*[e(n)一e(n一1)]+Kl*e(n)+U(n)=(Kp+Kl)*e(n)一Kp*e(n一1)+U(n)(4)3.5.2參數(shù)選擇離散PI控制算法主要是對Kp、KI和采樣周期T這些參數(shù)進行選擇。采樣周期的大小確定了是否能真實的反映系統(tǒng)的過渡過程，按照需求，采樣時間一定要比控制對象的最小時間常數(shù)還要小，并且采樣頻率選擇范圍也要是有效信號最高頻率的4到6倍之間。為了有效的降低干擾，盡量要求采樣頻率和主要干擾的頻譜有整數(shù)倍的關系。比例系數(shù)KP影響控制精度,當Kp增大時，會提高控制精度，系統(tǒng)反應更加靈敏。但并不是Kp的值越大越好，當Kp的值超過一定的數(shù)值的時候，這個時候系統(tǒng)就會容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。積分控制系數(shù)KI的選擇需要考慮到對穩(wěn)態(tài)誤差的消除但同時也要不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。合適的Kp和KI值需要在實驗中去確定。3.5.3程序?qū)崿F(xiàn)流程圖如圖22所示。YY誤差初始化Kp，Ki采樣確定參數(shù)值Xref控制信號輸出超限輸出給定值（上下限值）返回N開始 圖22PI調(diào)節(jié)算法程序流程圖4逆變電源的MATLAB仿真本設計使用的是Mathworks公司研發(fā)的MATLAB軟件，主要有矩陣運算，繪制函數(shù)/數(shù)據(jù)圖像等主要功能。MATLAB有著很多的附加工具箱，以及一個配套軟件包Simulink。這使得MATLAB的應用范圍相當廣泛。本系統(tǒng)的仿真建模中,主要使用了Simulink和電氣系統(tǒng)工具箱(PowerSystemBlockset,以下簡稱為PSB)。SIMULINK作為MATLAB的一個配套的軟件包,讓MATLABDE功能更加強大，使其擁有了一個可視化的開發(fā)環(huán)境可以用于動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真動態(tài)/嵌入式系統(tǒng)開發(fā)等方面。而系統(tǒng)中所需要的常用的基本元件和系統(tǒng)的仿真模型就由PSB提供。PSB提供電壓、電流測量模塊和受控電壓源、電流源來實現(xiàn)PSB和Simulink之間的信號傳遞。其中電壓、電流測量模塊的作用是將PSB中電壓、電流信號轉(zhuǎn)換為simulink信號，受控電壓源、電流源的作用是將Simulink信號轉(zhuǎn)換為PSB中的電路信號。4.1系統(tǒng)仿真模型的建立如圖21所示，根據(jù)設計要求建立了一個系統(tǒng)仿真模型。輸出電壓輸出電壓SPWM波電感電流in2out1in1主電路模塊圖21系統(tǒng)仿真模型控制電路仿真模型如圖22所示。其中Quantizer模塊分別把模擬量電流反饋系數(shù)和電壓反饋系數(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，這樣可以讓實際的運行狀態(tài)和仿真結果更加接近。為了讓離散化的信號變?yōu)檫B續(xù)信號，加入了零階保持器。加入了限幅模塊模型，它的作用是限定調(diào)制波使其在一定范圍內(nèi)。圖22控制電路仿真模型圖23SPWM驅(qū)動發(fā)生器模型如圖23所示，根據(jù)設計要求建立了SPWM驅(qū)動發(fā)生器模型。根據(jù)雙極性三角波和調(diào)制波加在比較器的方法不同，雙極性三角波和調(diào)制波瞬時值的比較可以產(chǎn)生4個SPWM波。比較器的運行機制是把“1”端接收到的電壓值和“2”端接收的電壓值進行比較，當“1”接收到的波形瞬時值小于小于“2”端接收的瞬時值時，就會輸出一個高電平，在這個模型中，就會輸出一個正脈沖，否則的話輸出就為零，這樣就形成了一個SPWM波。根據(jù)在圖24中位置不同，從上到下把輸出的波形SPWM波分別設為SPWM1、SPWM2、SPWM3、SPWM4，由圖24可得，波形SPWM1和SPWM3為互為反相.波形SPWM2、SPWM4因為調(diào)制器的波形初相的位置為180°會得到兩個與SPWM1和SPWM3不相同的互為反相的波形。4.2仿真結果通過上面這些模型，對不同輸出頻率情況下信號電源進行了仿真，如圖24所示在頻率為50Hz時PWM波形能夠穩(wěn)定輸出。圖2450HzPWM波形圖25l00HzPWM波形如圖25所示在頻率為100Hz時PWM波形能夠穩(wěn)定輸出。圖26200HzPWM波形如圖26所示在頻率為200Hz時PWM波形能夠穩(wěn)定輸出。圖27400HzPWM波形如圖27所示在頻率為400Hz時PWM波形能夠穩(wěn)定輸出。綜上所述，在不同頻率下，太陽能電池逆變電路都可以穩(wěn)定輸出，說明太陽能電池逆變電路能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)壓控制。結束語太陽能電池逆變電路的設計從實際應用出發(fā),以混合式光纖互感器為負載，對太陽能電池逆變電路設計做了詳細分析。對逆變主電路的選擇以及控制電路進行了詳細的說明。為了更好的實現(xiàn)對逆變電路的監(jiān)控和控制，還添加了上位機部分，工作狀態(tài)和參數(shù)數(shù)據(jù)可以在液晶顯示屏上一目了然。還通過一系列的抗干擾措施讓整個電路更加穩(wěn)定。對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差進行了分析，從而建立了起抽象的數(shù)學模型，再根據(jù)數(shù)學模型建立了相應的仿真模型，并用MATLAB進行了系統(tǒng)仿真。該設計完成了包括硬件保護電路、復位電路、外部存儲空間擴展、電平轉(zhuǎn)換電路、信號采樣調(diào)理電路、時鐘電路等逆變控制電路的硬件電路。還以這些電路為基礎，完成了與之相關的軟件設計。致謝在太陽能電池逆變電路的設計中，遇到了不少問題和困難，我能夠克服這些問題和困難，完成該設計，最應該感謝的是帶我們這次畢業(yè)論文的導師龍卓珉老師，在選課題的時候就對我們將選擇的課題做了詳細的解釋，讓我們有的放矢能夠選擇自己比較擅長的課題去做。在為畢業(yè)設計準備資料的時候，也是龍老師給我提意見讓我有目的的去找相關的書籍來充實自己的資料庫。在遇到不懂的地方，龍老師很有耐心的幫我分析，解答問題。沒有龍老師的幫助不知道要走多少彎路。其次要感謝在整個大學期間對我有授業(yè)之恩的老師，平時的日積月累才能夠讓我在該設計中不至于兩眼一抹黑，以平時所學為基礎，加上這幾個月來的對癥下藥的學習，才能把這篇論文寫出來。最后要感謝我的同學和朋友，在論文設計的過程中，總是會有遇到困難氣餒的時候，是他們的陪伴讓我一次次走出情緒的低谷。在我實在遇到解決不了的問題的時候也會抽出自己做畢業(yè)設計的時間來幫我度過難關。參考文獻［1］許揚，陸于平，卜強生，袁宇波.光纖電流互感器對保護精度和可靠性的影響分析[J];電力系統(tǒng)自動化,2013,16XuYang,luYuping,Boqiangsheng,YuanYubo.Opticalfibercurrenttransformertoprotecttheinfluenceoftheaccuracyandreliabilityanalysis[J];Automationofelectricpowersystems,2013［2］師宇騰.太陽能光伏陣列模擬器綜述.電源技術.2012.2ShiYuteng.Photovoltaicsolararraysimulatorwerereviewed.Powersupplytechnology.2012.2［3］閔曉勇.DSP與單片機串口通信的設計與實現(xiàn)［J］.電子科技，2005MinXiaoyongDesignandImplementation.DSPserialcommunicationwiththemicrocontroller[J].ElectronicScienceandTechnology,2005［4］李愛文,張承慧.現(xiàn)代逆變技術及其應用.科學出版社,2012,p260～263LiAiwen,ZhangChenghuimoderninvertertechnologyanditsapplications.SciencePress,2012,p260～263［5］劉文峰.單片機復位電路的設計[J].黑龍江科學,2014,11:283LiuWenfengMCUresetcircuitdesign[J]HeilongjiangScience,2014,11:283［6］劉凌,王珉.DSP芯片TMS320LF2407在數(shù)控測井儀的應用[J].石油工業(yè)計算機應用,2014,01:40～43LiuLing,WangMinDSPchipTMS320LF2407incomputerizedlogginginstrumentapplication[J]PetroleumIndustryComputerApplications,2014,01:40～43［7］劉海波,王紅艷,李愛寧,何洪.基于TMS320LF2407A的CAN總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器,2014,01:100～102LiuHaibo,WangHongyan,LiAining,Hong-basedTMS320LF2407AofCANbusdataacquisitionsystem[J]InstrumentTechniqueandSensor,2014,01:100～102［8］何華鋒,高精度A/D采樣電路的干擾分析與電路設計[J].電光與控制,2005,05:73～75HeHuafeng,high-precisionA/Dsamplingcircuitinterferenceanalysisandcircuitdesign[J]electroandcontrol,2005,05:73～75［9］劉教民,李建文,崔玉龍,韓明.高頻諧振逆變器的功率MOS管驅(qū)動電路[J].電工技術學報,2011,05:113-118LiuJiaomin,LiJianwen,CuiYulong,HanMing.HighfrequencyresonantinverterpowerMOSdrivercircuit[J]ElectricalTechnology,2011,05:113～118［10］劉鳳君，正弦波逆變器.北京:科學出版社,2002LiuFengjun,sinewaveinverter.Beijing:SciencePress,2002［11］鄭玉珍.DSP原理及應用.北京:機械工程出版社,2012Yu-zhenzheng.TheprincipleandapplicationofDSP.Beijing:mechanicalengineeringpress,2012［12］田秀玲.DSP應用教學的探索和實踐[J].中國電力教育,2010,28:76～77TianXiuling.ResearchandPracticeTeachingDSPapplications[J]ChinaElectricPowerEducation,2010,28:76～77［13］李清.PC機定時器中斷透析及應用[J].安徽職業(yè)技術學院學報,2005,04:12～14LiQing.PCtimerinterruptdialysismachineandapplication[J]AnhuiVocationalandTechnicalCollege,2005,04:12～14［14］何中一,SPWM逆變器控制技術研究.[M].南京航空航天大學，2013HeZhongYi,theSPWMinvertercontroltechnologyresearchdegree[M]Nanjing［15］戴朝波.電壓源型逆變器三角載波電流控制新方法[J].中國電機工程學報,2002,02:100～103DaiZhaobo.VoltagesourceinverterTriangularCarrierCurrentControlMethod[J].ChineseCSEE,2002,02:100～103［16］馮煦，鐘衛(wèi),胡亮,盧偉聰.基于DDS的多調(diào)制功能正弦信號發(fā)生器[J].國外電子測量技術,2010,01:39～41FengXu,ZhongWei,HuLiang,LuWeicongDDS-basedmulti-modulatedsinusoidalsignalgeneratorfunction[J]ForeignElectronicMeasurementTechnology,2010,01:39～41［17］彭剛,秦志強.基于ARM

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