逆變器的研究與設計.doc

逆變器的設計 摘 要 本文中主要介紹了小功率逆變器的設計 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)保護電路等 在主電路中 全橋逆變電 路采用快速 MOS 管 6N60A 驅動電路采用集成芯片 IR2130 控制回路中采用 STC89C51 單片機 數(shù)模轉換采用 AD7528 芯片 逆變電路拓撲結構采用三相全橋逆變 應用電路仿真軟件 Multisim 對電路各部分進行實驗仿真 對電路各部分參數(shù)選擇進行 理論分析 利用 51 系列單片機編寫程序 最終設計出頻率可調整 輸出電壓可以調整 的逆變器 關鍵詞 SPWM 單片機 IR2130 AD7528 The design of the inverter ABSTRACT This article introduces a small power inverter design which mainly includes two parts of the circuit first the main circuit and the other is control circuit The main circuit include three phase full bridge circuit driver circuit control circuit including MCU control circuit of SPWM waveform generating circuit the dead zone protection circuit In the main circuit the full bridge inverter circuit with a fast MOS transistor 6N60A driver circuit uses integrated chip IR2130 control circuit used in the MCU STC89C51 AD7528 chip digital to analog conversion Inverter circuit topology of three phase full bridge inverter the application circuit simulation software Multisim to experiment with the various parts of the circuit simulation theoretical analysis of circuit parameters selection the use of 51 series microcontroller programming The final design of the inverter frequency to adjust the output voltage can be adjusted KEY WORDS SPWM MCU IR2130 AD7528 目 錄 摘要 ABSTRACT 1 緒論 1 1 1 課題研究的目的及意義 1 1 1 1 課題研究的目的 1 1 1 2 課題研究的意義 1 1 2 逆變器在國內外研究現(xiàn)狀 2 1 2 1 國內逆變器研究現(xiàn)狀 2 1 2 2 國外逆變器研究現(xiàn)狀 2 1 3 逆變器的介紹 3 1 3 1 逆變器的分類 3 1 3 2 逆變器與變頻器的區(qū)分 3 1 4 主要研究內容 3 2 逆變器的組成 4 2 1 逆變系統(tǒng)電路框圖 4 2 2 SPWM 波的方案選取 5 2 3 逆變電路的控制方式論證 6 2 4 主電路結構的方案選取 9 3 逆變器硬件電路分析與仿真 10 3 1 系統(tǒng)硬件電路的分析 10 3 1 1 橋式電路分析 10 3 1 2 控制回路電路的設計 12 3 1 3 SPWM 波硬件電路 15 3 1 4 驅動電路的設計 18 3 1 5 延時保護電路的設計 19 3 1 6 DC DC 模塊電路 20 3 2 控制電路的仿真 21 3 2 1 MULTISIM 仿真軟件介紹 21 3 2 2 SPWM 波電路的仿真 21 3 2 3 全橋逆變電路的仿真 23 3 2 4 延時電路的仿真 24 3 3 濾波回路的參數(shù)計算 25 4 逆變器的軟件設計 27 4 1 KEIL C 仿真軟件介紹 27 4 1 1 KEIL C51 的特點 27 4 1 2 KEIL C51 的數(shù)據類型 28 4 2 控制系統(tǒng)程序流程圖 29 5 總結 32 參考文獻 33 致謝 35 附錄 I 1 死區(qū)保護電路 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 應用電路 40 附錄 II 程序清單 41 1 緒 論 1 1 課題研究的目的及意義 1 1 1 課題研究的目的 近年來 隨著電力電子技術 各行各業(yè)自動化水平及控制技術的發(fā)展和其對操作性 能要求的提高 逆變技術在許多領域的應用也越來越廣泛 對電源的要求越來越高 因此逆變電源在各個領域當中也被廣泛的使用 逆變器是一種能將直流電轉化為可變 交流電的電子裝置 使用適當?shù)淖儔浩?開關以及控制電路可以將轉化的交流電調整 到需要的電壓以及頻率值上 逆變器沒有移動部件 其應用范圍極其廣泛 從小型計算機開關電源 到大型電 力公司高壓直流電源應用 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 然后才轉到正或負 它的電路簡單 而且成本一般較低 并與大多數(shù)電子設備兼容 純正弦波逆變器產生一個近乎完美的正弦波輸出 時 控制T4導通 此時輸出 r u c u 電壓為 Ud 當 時 控制T4關斷 則負載電流通過D3續(xù)流輸出電壓為0V o u r u c u o u 圖 2 6 單極性 PWM 控制原理 在的負半周 使T3保持始終受控導通狀態(tài) 使T1 T4一直保持關斷 只控制 r u T2 當 時 控制T2導通 輸出電壓為 在 時 使T2關斷 則負載 r u c u o u d u r u c u 電流通過D4續(xù)流 輸出電壓為0V o u 這種調制方式中 在調制波的正 負半個周期內 三角形載波只在一個方向變 r u 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 d u 0V 三種電壓值 其中的為基波分量的波形 與正弦調制電壓的形狀相同 d u 1o u r u 圖中的虛線表示中的基波分量 像這種在的半個周期內三角形載波只在單一的 1o u o u r u 正極性或負極性范圍內變化 所得到的SPWM 波形也只在單個極性范圍變化的控制方式 稱為單極性SPWM 控制方式 b 雙極性 SPWM 控制 和單極性SPWM 控制方式相對應的是雙極性控制方式 如果三角波載波在半個周期 內的方向是在正負兩個方向變化的 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 r u c u c u r u 個周期內 三角波載波不再是單極性的 而是有正有負的雙極性三角波 雙極性調制 方式在的正 負半周控制規(guī)律相同 當時 同時給T1和T4導通信號 給T2和 r u cr uu T3關斷信號 此時若 則T1和T4導通 若 則Dl和D4導通 兩種情況下輸 0 0 i0 0 i 出電壓均為 當時 給T2和T3導通信號 給Tl和T4關斷信號 d u cr uu 若此時 則T2和T3導通 若 則D2和D3導通 兩種情況下輸出電壓均 0 0 i0 0 i o u 為 可見 在的一個周期內 輸出的PWM 波只有兩種電平 而不再出現(xiàn)單 d u r u d u 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 o u d u 兩種 為輸出的基波波形 形狀與正弦調制波相同 從以上的分析可見 單相 d u 1o u 橋式電路既可采取單極性調制 也可采用雙極性調制 當對開關器件通 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 同步調制與異步調制 在PWM逆變電路中 載波頻率fc與調制信號頻率fr之比N fc fr 根據載波和信號 波是否同步及載波比的變化情況 PWM逆變電路可以有異步調制和同步調制兩種控制方 式 a 異步調制 載波信號和調制信號不保持同步關系的調制方式稱為異步方式 在異步調制方式 中 調制信號頻率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 在調制信號的半個周期內 輸出脈沖的個數(shù)不固定 脈沖相位也不固定 正負半周期的脈沖不對稱 同時 半周期內前后1 4周期的脈沖也不對稱 當調制信號 頻率較低時 載波比N較大 半周期內的脈沖數(shù)較多 正負半周期脈沖不對稱和半周期 內前后1 4周期脈沖不對稱的影響都較小 輸出波形接近正弦波 當調制信號頻率增高 時 載波比N就減小 半周期內的脈沖數(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 同步調制 載波比N等于常數(shù) 并在變頻時使載波信號和調制信號保持同步的調制方式稱為同 步調制 在基本同步調制方式中 調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制 2 4 主電路結構的方案選取 逆變器的主電路結構形式多種多樣 有全橋型 半橋型及推挽型等 逆變器主電路 結構的選取應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備的體積 提高其可靠性 同時也應該降低設備的成本 電路拓撲結構應該有利于逆變電源最終輸出電壓中諧波 的消除 輸出電壓頻率及幅值的調節(jié) 鑒于以上諸項要求 本文所設計的逆變器主電 路采用的是三相全橋式結構 全橋模型如圖 2 8 所示 圖 2 8 全橋模型 其中所用開關器件可以是晶體管 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 逆變電路根據直流側電源性質的不同可分為兩種 直流側是電壓源的稱為電壓型逆 變電路 直流側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 應在所要求 的輸出頻率范圍內可調 參考信號的幅值也可在一定范圍內變化 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 產生SPWM脈沖序列波 Uda Udb Udc作為逆變器功率開關器件的驅動控制 信號 圖 3 1 SPWM 逆變器的主電路 橋式逆變主電路的開關器件采用快速MOS管IR2130 采用全橋式逆變電路 當 UruUc時 給V1導通信號 給V4關斷信號 Uun Ud 2 Uuv的波形可由 Uun Uvn 得出 當1和6通時 Uuv Ud 當3和4通時 Uuv Ud 當1和3或4和6通時 Uuv 0 輸出線電壓PWM波由 Ud和0三種電平構成負載相電壓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 Flash Programable and Erasable Read Only Memory 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制造 與工業(yè)標準的MCS 51指令集和輸出管腳相兼容 圖 3 3 STC89C52 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 與標準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)據指針DPTR STC89C52內部含有兩個16位數(shù)據指針 DPTR和DPTRI 大大加快了程序對數(shù)據存儲 區(qū)的訪問 可以使STC89C52更加靈活迅速的與RAM和外設交換數(shù)據 STC89C52還包含 1KB只能用MOVX指令訪問的片內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在管腳及指令集上兼容 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 它的內核經過重新設計 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)標準的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還可調整MOVX指令的周期 范圍為2個機器周期 9個 機器周期 這種設計使得STC89C52能夠更有效的訪問慢速或快速外部RAM及外設 STC89C52內含1KB用MOVX 指令訪問的數(shù)據存儲器 地址范圍為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相同 多了一條DEC DPTR 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相同的情況下 STC89C52也可以以更高速度運行 由于采用全靜態(tài)CMOS設計 STC89C52能夠在低時鐘 頻率下運行 在相同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及特性 1 I O口 STC89C52有4個8位I O口 及一個附加的4位I O口 當處理器用MOVC或MOVX指令執(zhí) 行外部程序 訪問外部設備 存儲器時 P0口可用作地址 數(shù)據總線 此時它內部有強 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相同的通用I O口 P4 0有CP的復用功能是等待狀態(tài)中的控制信號 當?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 功能與標準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 當作為定時器使 用時 可將它們設置為每4個時鐘周期進行一次計數(shù) 或者每12個時鐘周期進行一次計 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)與標準8052之中斷系統(tǒng)有細微的差別 由于存在新增功能和 外設 中斷源的數(shù)量和中斷向量都相應得增加 STC89C52提供12個中斷源2級中斷能力 包括6個外部中斷 定時器中斷及串行I O口中斷 5 數(shù)據指針 在標準8052中只有一個16位數(shù)據指針 DPL DPH 在STC89C52中還有一個16位數(shù) 據指針 DPL1 DPH1 這個數(shù)據指針位于標準8052中未定義的SFR地址中 STC89C52 中還有一條DEC DPTR指令 操作碼 A5H 用以提高程序的靈活性 6 片上數(shù)據SRAM STC89C52有1K字節(jié)的數(shù)據SRAM空間 它是可讀寫的并且是存儲器映射的 這些片 上MOVX SRAM用MOVX指令來訪問 這片區(qū)域不用于存放可執(zhí)行代碼 對于片內256字節(jié) 暫存RAM和這些1K字節(jié)數(shù)據SRAM來說 不存在數(shù)據的沖突和重疊 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MOVX SRAM 在復位后 DME0位為0 因此MOVX SRAM是被關閉的 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)據存儲器區(qū) 程序存儲 器區(qū)用來存放程序代碼 數(shù)據存儲器區(qū)用來存放數(shù)據及存儲器映射的設備需要用到的 數(shù)據 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最大地址 范圍后 系統(tǒng)將訪問外部存儲器 9 數(shù)據存儲器 STC89C52最多可以訪問64KB的外部數(shù)據存儲器 這個存儲器區(qū)域用MOVX指令來訪 問 不同于其他8051的衍生產品 STC89C52還內建一個1KB字節(jié)的MOVX SRAM數(shù)據存儲 器 這1KB的數(shù)據存儲器的地址范圍為0000H 03FFH 對該數(shù)據存儲器的訪問是受軟件 控制的 當軟件允許訪問該區(qū)域時 訪問地址范圍為0000H 03FFH的MOVX指令將讀寫 MOVX SRAM數(shù)據存儲器的內容 當?shù)刂贩秶^03FFH后 系統(tǒng)將自動訪問外部數(shù)據存 儲器 當軟件禁止訪問該區(qū)域時 該區(qū)域將被映射為外部數(shù)據存儲器 任何訪問地址 為0000H FFFFH的MOVX指令都將訪問到外部數(shù)據存儲器 這是STC89C52默認的運行環(huán)境 另外STC89C52還有標準的256字節(jié)暫存數(shù)據存儲器 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)據量較小的場合 當數(shù)據量較多時 可以考慮同時使用2個數(shù)據存儲器 片上MOVX SRAM 同外部RAM一樣只可由MOVX指令來 訪問 但是片上MOVX SRAM擁有最快的訪問速度 控制回路的電路圖如圖3 4所示 EA V P 31 X 1 19 X 2 18 RESET 9 IN T0 12 IN T1 13 T 0 14 T 1 15 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P0 0 39 P0 1 38 P0 2 37 P0 3 36 P0 4 35 P0 5 34 P0 6 33 P0 7 32 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 RD 17 WR 16 PSEN 29 ALE P 30 T X D 11 RX D 10 U ST C89C51 C 22UF C130P C230P CRY 12M V CC R 10K V CC R 10K S SW PB S1SW PB S2SW PB S3SW PB S4SW PB S 10K S 10K S 10K S 10K V CC OC 1 C 11 1D 3 1Q 2 2D 4 2Q 5 3D 7 3Q 6 4D 8 4Q 9 5D 13 5Q 12 6D 14 6Q 15 7D 17 7Q 16 8D 18 8Q 19 U SN74LS373 D0 D1 D3 D2 D4 D5 D6 D7 DCA WR DCB CS 圖 3 4 控制回路硬件圖 3 1 3 SPWM 波硬件電路 本設計中控制系統(tǒng)可以輸出三路正弦波 由單片機系統(tǒng)產生的正弦波 與三角波 發(fā)生器產生的三角波經過比較器比較以后就可以得SPWM波 單片機可以通過設定電壓 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)據調節(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波的調制 該設計電路結構簡潔 精度高 相位易于控制 波形幅值可以調節(jié)且成本比較低 功耗較小 滯回比較器輸出方波 方波經過積分器 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DA芯片AD7528得到正弦波模擬信號 AD7528是雙 通道 8位數(shù)模轉換器 數(shù)據通過一個共用的8位TTL CMOS兼容輸入端口 傳輸至兩個 DAC數(shù)據鎖存器中的一個 每個DAC均具有單獨的基準電壓輸入和反饋電阻控制輸入DAC A DAC B確定數(shù)據載入哪一個通道DAC 該器件采用 5V至 15V電源供電 功耗小 圖 3 5 三角波產生電路圖 圖 3 6 DIP20 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 然后通過信號和來選擇 DAC 的操DACBDACA CSRD 作模式 當和都處于低電平的時候 被選中的 DAC 就處于寫狀態(tài) 而當或CSRDCS 者處于高電平狀態(tài) 則被選中的 DAC 就出于數(shù)據保持狀態(tài) RD AD7528 工作時序圖如圖 3 7 所示 圖 3 7 AD7528 工作時序圖 當CS和WR都為低電平時 AD7528的模擬輸出端OUTA對DB0 DB7數(shù)據總線輸入端的 活動作出響應 在此方式下 輸入鎖存器是透明的 輸入數(shù)據直接影響模擬輸出 當 CS或WR為高電平時 DB0 DB7輸入端上的數(shù)據被鎖存 直到CS和WR再次變?yōu)榈碗娖綖?止 當CS為高電平時 無論WR狀態(tài)如何 數(shù)據輸入被禁止 單片機控制AD7528必須嚴 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 D7 D6 D5 D3 D4 D2 D1 D0 V CC V CC WR CS2 DAB DAA CS1 Vdd 17 OUT A 2 lsbDB0 14 RfbA 3 DB1 13 DB2 12 DB3 11 OUT B 20 DB4 10 DB5 9 RfbB 19 DB6 8 m sbD B7 7 AN GND 1 CS 15 WR 16 V refA 4 DACA B 6 V refB 18 U1 AD7528T Vdd 17 OUT A 2 lsbDB0 14 RfbA 3 DB1 13 DB2 12 DB3 11 OUT B 20 DB4 10 DB5 9 RfbB 19 DB6 8 m sbD B7 7 AN GND 1 CS 15 WR 16 V refA 4 DACA B 6 V refB 18 U2 AD7528T 3 2 1 411 U4 T L084 3 2 1 411 U3 T L084 3 2 1 411 U5 T L084 3 2 1 411 U6 T L084 R13 10K R18 10K R1910K R23 20K 3 2 1 411 U10 T L084 3 2 1 411 U9 T L084 C4471 R16 10K R1420K R15 20K U4471 R17 10K 3 2 1 411 U11 T L084 C6471 R21 10K C3103 3 2 1 411 U12 T L084 R22 20K D61N4004 R2020K RP2 10K D7 11V R30 510 V CC 圖 3 8 DA 轉換電路原理圖 3 1 4 驅動回路的設計 由于輸出的調制 SPWM 波驅動能力比較弱 不能用來直接驅動 MOS 管可靠的導通和 關斷 所以需要另外加一部分驅動電路 以保障電路的可靠運行 采用先進的集成驅 動芯片 IR2130 驅動橋式電路 該類芯片因為其內部有高端懸浮自舉電路 可以大大減 少驅動供電電源的數(shù)量和種類 采用驅動芯片 IR2130 驅動 只需單電源供電 且工作 電壓范圍比較寬 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 1 IR2130 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 SD 為高時 關斷兩輸出 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還有較高信號響應時間 完全滿足軟件系統(tǒng)的技術要求 圖 3 9 開關時間定義圖 圖 3 10 輸入輸出信號時序圖 圖 3 11 IR2130 典型應用電路圖 集成驅動型芯片 IR2130 有以下優(yōu)點 體積小 驅動能力強 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 可充分簡化了驅動電路的電源設計 3 1 5 延時保護電路的設計 驅動橋式電路的 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斷電力供應 門極電壓 導通保持電壓低 導通阻抗小 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 管可靠的導通和安全關斷 必須保障一個橋臂不能出現(xiàn)同一時刻上 下管同時導通的情況 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行保護 11 經由正弦波與三角波比較產生的 SPWM 波 其中每一路 SPWM 波都用來驅動一個橋 臂的上下兩個 MOS 管的導通和關斷 為了使上下兩路信號互差導通和關斷 設置的延 路要達到使上橋臂導通在下橋臂關斷后的一段時間之后 而上橋臂的關斷要在下橋臂 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斷后的一段時間之后 如此反復 這樣得到的上下兩路 SPWM 波的波形如圖 3 12 所示 圖 3 12 SPWM 波延驅動波形圖 為了達到以上所說的功能 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 TURN 為真時 SPWM 波形可以順利輸出 當欠壓保護時 單片機發(fā)送低電平可以封鎖信號輸出 SPWM 波延時驅動電路如圖 3 13 所示 根據需要選擇不同的延時時間 T 兩路信號 有著同樣的電路結構 由兩個電阻和一個電容構成 按照其中一路進行分析可知 電 阻和電容構成的 RC 電路 時間常數(shù) t R C 則充電和放電的時間差 t1 t2 而我們 t 要選擇的死區(qū)時間為 T 4 5 t 圖 3 13 SPWM 波延時驅動電路 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 可靠安全的導通 又 要延時間隔相對較小 提高逆變效率 3 1 6 DC DC 隔離電路的設計 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 和集成驅動芯片的電源要求也各有不同 DC DC 轉換器如圖 3 14 中所示 使用很方便 輸入只要在其范圍 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 轉換器特點 寬電壓輸入范圍 效率高達 82 隔離 1500VDC 短路 保護 工作溫度范圍 40 85 內部貼片化設計 阻燃封裝 MTBF 1000000 小時 圖 3 14 電源模塊的典型應用電路 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 電路的設計難度 同時模塊化的設計方法便于設計方案的選取 在上面的模塊中比較 重要的是 IGBT 的延時保護 怎樣去選擇合理延遲保護時間同時又要兼顧效率 這是在 設計中應該注意的一個問題 3 2 系統(tǒng)硬件電路的仿真 3 2 1 Multisim 10 仿真軟件介紹 Multisim 10 是基于 PC 平臺的電子設計軟件 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計 創(chuàng)造了集成的一體化設計環(huán)境 把電路 原理圖的輸入 仿真和分析緊密結合起來 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絡表送到仿真器 加快建立和管理的時間 在仿真過程中 若改 變技術 則立刻獲得該變化所帶來的影響 實現(xiàn)了交互式的設計和仿真 3 2 2 SPWM 波電路的仿真 通過 Multisim 10 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 15 SPWM 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 經全橋模型 VSC 后接示波器 負載為三相 RLC 負載 控制信號由 PWM 產生 根據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生的瞬變量 和噪音 諧波次數(shù)越高 對應的電源側諧波次數(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 相同輸出功率時 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及提取說明 模塊名提取路徑 PWM 脈沖發(fā)生器SimPowerSystems Extra Library Control Blocks 通用橋式電路模塊SimPowerSystems Power Electricnics 直流電壓源 DCSimPowerSystems Electrical Sources 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 延時保護電路的仿真 延時保護接在 SPWM 和驅動電路的中間 起著死區(qū)保護的作用 仿真電路圖如圖 3 20 所示 圖 3 20 死區(qū)保護電路仿真電路圖 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 A B 圖 3 21 延時保護電路仿真波形圖 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 max5 0 IoIc maxIo 效值 按單相輸出 3300VA 則輸出電流最大有效值為 可得 Ac5 7I 由于 4 1 CfVoIc 1 2 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 CfVo Ic C 1 2 A Vo Po o15 220 3300 maxI L v iL 3 25 100 2 22 625 5 max max L L i i A fL i s L 625 5 160001022 360 2 E 3 max 會增大電感電流的脈動量 故選取電感值 要綜合考慮 根據電路原理 若在電感兩端施加一時間為的電壓 則電感的電流變化量 v 可表示為 1 i 當正弦調制信號瞬時值為是 輸出脈沖寬度為 m v 4 2 1 2 T tri Ms V v 在穩(wěn)定后的理想系統(tǒng)中 輸出電壓可表示為 vo 4 3 E V v tri M o v 4 4 2 22 2 1 2 tri mtris tri mso L LV vVET V vT l vE L v i 在時間內 S1 或 D1 導通 濾波電感的電流上升 其脈動量為 L i 4 5 s L fL E i 2 max 從上式可以看出當時 電流脈動最大 最大電流脈動可以用下式算得 0 m V maxL i 根據工程經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 maxL i 4 maxmax 20 LL ii 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 maxL i max1 22222 2 o LCoo o P iIIVf CA V 考慮極限情況 當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 工程經驗值 即電感的取值還應稍微偏大 4 系統(tǒng)硬件電路分析與仿真 4 1 KEIL C51 仿真軟件介紹 4 1 1 Keil C51 的特點 Keil C51 是美國Keil Software 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 結構性 可讀性 可維護性上有明顯的優(yōu)勢 因而 易學易用 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 真調試器等在內的完整開發(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 Keil C51 進行編譯主要有以下優(yōu)點 1 Keil C51 生成的目標代碼效率非常之高 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 結構性 可讀性 可維護性上有明顯的優(yōu)勢 因而 易學易用 用過匯編語言后再使用 C 來開發(fā) 體會更加深刻 Keil C51 軟件提供豐富 的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調試工具 全 Windows 界面 4 1 2 KeilC51 的數(shù)據類型 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 但可讀性和可移植性卻遠遠超過匯編語言 而且 C 語言還可以嵌入匯編來解決高時效性的代碼編寫問題 對于開發(fā)周期來說 中大型的 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)據類型如表 4 1 所示 表 4 1 數(shù)據類型 數(shù)據類型長 度值 域 unsigned char單字節(jié)0 255 signed char單字節(jié) 128 127 unsigned int雙字節(jié)0 65535 signed int雙字節(jié) 32768 32767 unsigned long四字節(jié)0 4294967295 signed long四字節(jié) 2147483648 2147483647 float四字節(jié) 1 175494E 38 3 402823E 38 1 3 字節(jié)對象的地址 bit位0 或 1 sfr單字節(jié)0 255 sfr16雙字節(jié)0 65535 常用數(shù)據類型說明 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)據的變量或常量 分無符 號字符類型 unsigned char 和有符號字符類型 signed char 默認值為 signed char 類 型 unsigned char 類型用字節(jié)中所有的位來表示數(shù)值 所可以表達的數(shù)值范圍是 0 255 signed char 類型用字節(jié)中最高位字節(jié)表示數(shù)據的符號 0 表示正數(shù) 1 表 示負數(shù) 負數(shù)用補碼表示 所能表示的數(shù)值范圍是 128 127 unsigned char 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 分有符號 int 整型數(shù) signed int 和無符號整型數(shù) unsigned int 默認值為 signed int 類型 signed int 表示的數(shù)值范圍是 32768 32767 字節(jié)中最高位表示數(shù)據的符號 0 表示正數(shù) 1 表示負數(shù) unsigned int 表示的數(shù)值范圍是 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 分有符號 long 長整型 signed long 和無符號長整型 unsigned long 默認值為 signed long 類型 signed int 表示的數(shù)值范圍是 2147483648 2147483647 字節(jié)中最高位表示數(shù)據的符號 0 表示正數(shù) 1 表示負數(shù) unsigned long 表示的數(shù)值范圍是 0 4294967295 4 float 浮點型 float 浮點型在十進制中具有 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)據的地址 這個指 針變量要占據一定的內存單元 對不同的處理器長度也不盡相同 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 位標量 bit 位標量是 C51 編譯器的一種擴充數(shù)據類型 利用它可定義一個位標量 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)據類型 點用一個內存單元 值域為 0 255 利用它可以訪 問 51 單片機內部的所有特殊功能寄存器 如用 sfr P1 0 x90 這一句定 P1 為 P1 端口 在片內的寄存器 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 sfr16 16 位特殊功能寄存器 sfr16 占用兩個內存單元 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)據類型 利用它可以訪問芯片內部的 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 sfr P1 0 x90 因 P1 端 口的寄存器是可位尋址的 所以我們可以定義 sbit P1 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 sbit P1 1 0 x91 整型常量可以表示為十進制如 123 0 89 等 十六進制則以 0 x 開頭如 0 x34 0 x3B 等 長整型就在數(shù)字后面加字母 L 如 104L 034L 0 xF340 等 浮點型常量可分 為十進制和指數(shù)表示形式 十進制由數(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 中的內容為可選項 其中內容根據具體情況可有可無 但其余部分必須 有 如 125e3 7e9 3 0e 3 3 字符型常量是單引號內的字符 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 組成專用轉義字符 常量可用在不必改變值的場合 如固定的數(shù)據表 字庫等 常量的定義方式有幾 種 下面來加以說明 define False 0 x0 用預定義語句可以定義常量 define True 0 x1 這里定義 False 為 0 True 為 1 unsigned int code a 100 這一句用 code 把 a 定義在程序存儲器中并賦值 const unsigned int c 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 正弦脈寬調制