光伏并網發(fā)電畢業(yè)設計

1、i逆變并網模擬系統軟件設計ii摘 要隨著社會的發(fā)展，人類對電能的需求已經不可或缺，人類使用各種能源轉化成電能。太陽能光伏以其清潔，取之不竭而受到各國能源專家的追捧，尤其是光伏發(fā)電的并網運行是各國研究的熱門技術。在此，設計一個逆變并網模擬系統的軟件部分。逆變并網模擬系統主要由直流穩(wěn)壓電源、逆變電路、濾波電路、檢測及保護電路、控制系統組成。系統由主控 w77e58 單片機產生正弦波與三角波比較得到 spwm 波來驅動橋式逆變電路,將直流電逆變?yōu)榉喜⒕W要求的電壓，經濾波送入市電電網；另一方面，檢測回路的檢測信號經 max197 模數轉換后輸入 w77e58 單片機控制核心，經數據處理后實現并網運行

2、，過流欠壓保護等功能；此外，通過采集逆變交流側電壓的頻率與模擬并網側標準頻率信號送入主控單片機，比較后實現頻率相位跟蹤。所以軟件包括正弦波產生程序、頻率相位跟蹤程序和過流欠壓保護等部分。關鍵詞：脈寬調制，逆變電路，頻率相位跟蹤，w77e58 單片機，max197 iii the software design of grid-connected inverter power-producing emulation system abstractalong with the social development, the mankinds need to the energy is indisp

3、ensable. humans turn various energy resources into electric power. as one of the green renewable and limitless energy, the solar has been appreciated by expert from energy in all countries. and the research for the net movement of the grid-connected photovoltaic inverter generating electricity is a

4、popular technique in all countries. in this article, the software part of grid-connected inverter power-producing emulation system is introduced. the system has direct current of battery , inverter circuits and filter circuit, testing and protection circuit and control system. w77e58 is the control

5、chip of the system. w77e58 creates the sine wave. comparing the sine wave and triangle wave gets spwm wave. spwm wave drives bridge type inverter circuit which changes the direct current of battery into electric voltage that meets nets request. and going through filter ,the electric voltage is sent

6、into utility grid; on the other hand, the examination signal of feedback back tracks through max197.max197 puts the signal to w77e58.after data processing , the system carry out parallel operation, over-current and owe voltage protection. in addition, according to the acquisition of ac voltage inver

7、ter frequency and simulation grid side standard frequency signals, the system carry out frequency and phase tracking. the software includes the part of sine wave, frequency phase tracking and over-current voltage protection parts.key words:spwm,inverter,frenquncy and phase tracking,parallel grid wor

8、king, w77e58 single chip, max197iii目 錄摘要.iabstact.ii1 前言.11.1 課題研究的意義.11.2 國內外發(fā)展狀況.11.3 課題研究的主要內容及方法.21.4 論文的主要內容.22 系統設計方案.32.1 直流逆變模塊（dc-ac） .32.2 spwm 波合成模塊.42.3 驅動模塊.62.4 濾波電路模塊.72.5 檢測及保護模塊.82.5.1 a/d 轉換模塊.82.5.2 頻率相位跟蹤.92.5.3 過流檢測.112.5.4 欠壓檢測.112.5.5 spwm 波延時驅動電路.122.6 控制模塊.132.7 dc/dc 電源模塊.1

9、73 原理推導與計算.183.1 spwm 波產生原理.183.2 頻率相位檢測.203.3 過流檢測.213.4 欠壓檢測.214 系統電路及程序設計.224.1 系統總體結構.224.2 橋式逆變主電路.224.3 主控單片機電路.234.4 檢測及保護電路.244.5 控制系統程序流程圖.254.5.1 總體程序流程設計.25iv4.5.2 頻率相位跟蹤設計.254.5.3 正弦波程序設計.265 總結.29致謝.30參考文獻.31逆變并網模擬系統軟件設計11 前言1.1 課題研究的意義隨著人類社會的進步，經濟的不斷發(fā)展，人們對電能的需求越來越大，而且對電能質量提出了越來越高的要求。由于

10、煤和石油等傳統能源日益減少，尋找新能源己經是當前人們面臨的迫切課題。太陽能作為一種巨量的可再生能源，每天到達地球表面的輻射能量相當于數億萬桶石油燃燒的能量1。太陽能以其清潔、無污染等優(yōu)點越來越得到人們的關注。并網發(fā)電是光伏利用的發(fā)展趨勢，是太陽能發(fā)電規(guī)?；l(fā)展的必然方向。太陽能發(fā)電及相應的系統將通過大規(guī)模并網發(fā)電迅速發(fā)展并現已成為全球重要的能源產業(yè)。本課題通過對逆變并網模擬裝置的研究設計，為進一步研究并網發(fā)電課題奠定堅實的基礎；此次課題設計也將對我的系統綜合設計能力和專業(yè)技術水平有一定的提高。此外，通過本次的設計，要達到提高我們綜合能力的目的，如綜合應用所學知識能力、資料查詢能力、計算機應用能

11、力、語言表達能力、論文撰寫能力等，尤其是要提高我們對于電源逆變技術的理解和實踐運用和利用控制芯片進行電源逆變技術的科技革新、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用系統設計、研制的方法?？梢钥s短我們在未來工作崗位上的適應期，發(fā)揮我們的作用。1.2 國內外發(fā)展狀況新能源發(fā)電技術已經涉及到人類社會的方方面面，其中太陽能利用技術發(fā)展快速。逆變器是可再生能源并網發(fā)電系統的核心組成部分。并網用逆變器除了能將可再生能源產生的電能輸送給公用電網外，還應該具有很高的可靠性、完善的保護功能以及較高的效率。目前，可再生能源并網發(fā)電系統的主要研究熱點也集中在逆變器這部分。近 30 年來，太陽能利用技術在研

12、究開發(fā)、商業(yè)化生產、市場開拓方面都獲得了長足發(fā)展，成為世界范圍內快速、穩(wěn)定發(fā)展的新興產業(yè)之一。據專家預測，到本世紀中期，可再生能源將占到總一次能源 50%以上的份額。近幾年，全球光伏發(fā)電逆變器的銷售額逐年遞增，逆變器進入了一個快速增長的階段。但目前全球光伏逆變器市場基本被國際幾大巨頭瓜分，歐洲式全球光伏市場的先驅，具備完善的光伏產業(yè)鏈，光伏逆變器技術處于世界領先地位。我國的光伏產業(yè)雖然在近年取得了一定的發(fā)展，但由于某些因素的制約，總體上我國的太陽能光伏技術仍處于初級發(fā)展階段：規(guī)模小、技術落后、產品單一。但是不少國內企業(yè)已經在逆變器行業(yè)已經研究多年，已經具備一定的規(guī)模和競爭力。近年來隨著我國相關

13、發(fā)展政策的出臺和市場的發(fā)展，我國的新能源利用技術快步向前。陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書）21.3 課題研究的主要內容及方法本課題主要研究內容是設計一個逆變并網模擬裝置的軟件部分。根據技術要求設計 dc/ac 的逆變器。設計的逆變并網模擬裝置，它主要由逆變電路和濾波電路、檢測回路、控制系統組成；其中,檢測回路的檢測信號經模數轉換后輸入控制系統，通過以單片機為控制核心的控制系統數據處理后以實現頻率相位跟蹤、并網運行、過流欠壓保護等功能。（1）本系統中逆變電路（dc-ac）模塊采用調制 spwm 波電路，通過正弦波與三角波發(fā)生器產生的三角波經過比較以后可以得到調制 spwm 波。軟件需要編寫正弦

14、波程序。（2）調制 spwm 波要能直接驅動 mos 管的導通，需要加驅動電路。本設計采用ir2110 柵極驅動器將用來驅動 mos 管。只需加上很少的分立元件和單路電源,ir2110 即可基于自舉驅動原理構成 mos 管的驅動電路。主電路采用全橋式 mos 管電路，系統的無功功率損耗小。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）在欠壓過流保護模塊中，采用霍爾傳感器檢測電流電壓，將檢測的信號經過 ad轉換后輸入單片機，單片機處理之后

15、發(fā)出封鎖信號進行欠壓保護或進行限流。需要編寫欠壓過流保護程序。（5）頻率相位跟蹤模塊：檢測模擬電網信號和輸出信號，以模擬電網信號為標準，根據兩路信號檢測結果，經單片機分析處理，就可以實現頻率跟蹤；將模擬電網和反饋信號相位接入單片機以后，單片機可以檢測到兩路信號的相位差，以模擬電網的相位為標準，經過相應的數據處理，經過反復比較和逐次逼近實現相位跟蹤。需要編寫頻率跟蹤和相位跟蹤程序。（6）電路設計、仿真和編程分別使用 protel、multisim 和 keil 等軟件。1.4 論文的主要內容設計一個逆變并網模擬系統的軟件部分，逆變并網模擬系統裝置硬件主要由以直流電源、逆變電路、濾波電路、檢測及保

16、護電路、控制系統等部分組成。系統由主控w77e58 單片機產生正弦波與三角波比較得到 spwm 波，經過觸發(fā)器和光耦，專用的驅動芯片來驅動橋式逆變電路將直流電逆變?yōu)榉喜⒕W的電壓，再經 lc 濾波送入市電電網；另一方面，檢測回路的檢測信號經 max197 模數轉換后輸入單片機控制核心，經數據處理后實現并網運行，過流欠壓保護功能；此外，通過采集逆變交流側電壓的信號與模擬并網信號送入主控單片機，比較后實現頻率相位跟蹤2。所以軟件部分主要逆變并網模擬系統軟件設計3包括三路正弦波程序；處理檢測回路輸入的電壓電流信號，實現過流欠壓保護功能；處理兩路頻率信號，實現頻率相位跟蹤。陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說

17、明書）42 系統設計方案設計整個硬件系統有：直流逆變模塊，濾波電路模塊，檢測保護模塊，控制模塊，顯示模塊，spwm 波合成模塊，驅動模塊等。對軟件設計而言正弦波產生、對電壓電流信號處理、對電網模擬信號頻率相位跟蹤是整個軟件系統設計和研究的關鍵所在。整個硬件系統的大體框架如圖 2-1 所示：直流電壓驅動spwm波合成ad轉換器max197單片機直流電壓檢測輸出電流檢測dc/ac濾波電路輸出圖 2-1 硬件系統的總體框架圖2.1 直流逆變模塊（dc-ac）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。橋式逆變主電路的開關器件采用

18、快速 mos 管 6n60a，采用全橋式逆變電路。采用六個 mos 管 6n60a 組成全橋式主電路。兩個半橋上兩個快速 mos 管 6n60a 不能同時導通，以免發(fā)生短路故障燒壞電路和 mos 管，驅動部分還需要加入延時電路，采用的是先斷后導通的方法。即是先給應關斷的器件關斷信號，待其關斷后留一定的時間裕量，然后再給相應導通的器件發(fā)出開通信號，即是在兩者之間留一個短暫的死區(qū)時間。死區(qū)時間的長短視器件的開關速度而定，器件的開關速度越快，所留的死區(qū)時間就可以越短3。圖 2-2 為全橋逆變電路。此全橋逆變電路的電路結構清晰明了，且輸出電壓有效值大大增加，為半橋式電路的兩倍，輸出電流大，整個電路的功

19、耗較小。同一橋臂的上管導通時，下管一定處于關閉狀態(tài)，經過延時之后保證上管關斷后才讓下管導通。同樣下管導通時，上管一定處于關閉狀態(tài)，延時之后保證下管關斷后才讓上管導通。導通順序:上橋臂vt1，vt3，vt5，下橋臂 vt2，vt4，vt6。也即是說同一橋臂的導電角度是 180，逆變并網模擬系統軟件設計5同一相上下兩個橋臂交替導電，各相開始導電的角度依次相差 120。這樣，在任意一瞬間，將有三個橋臂同時導通?？赡苁巧厦嬉粋€橋臂和下面兩個橋臂，也可能上面兩個橋臂和上面一個橋臂同時導通。圖 2-2 全橋式逆變主電路2.2spwm 波合成模塊spwm(sinusoidal pwm),目前使用較廣泛的 p

20、wm 法。采樣控制理論中的一個重要結論: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,其效果基本相同。spwm 法就是以該結論為理論基礎,用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的pwm 波形即 spwm 波形控制逆變電路中開關器件的通斷,使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區(qū)間內的面積相等,通過改變調制波的頻率和幅值則可調節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。本設計中控制系統可以輸出三路正弦波。由單片機系統產生的正弦波，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，

21、通過讀取正弦表的數據調節(jié)輸出正弦波的相位4。單片機控制系統輸出三路相位相差 120o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陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書）6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字信號，經 da 芯片 ad7528 得到正弦波模擬信號。a

22、d7528是雙通道、8 位數模轉換器。數據通過一個共用的 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 2-3 為三角波產生電路。圖 2-3 三角波產生電路圖圖 2-4 為 ad7528 外部引腳圖：圖 2-4 dip20 封裝的 ad7528 引腳圖逆變并網模擬系統軟件設計7圖 2-5 ad7528 工作時序圖圖 2-5 為 ad7528 工作時序圖。當 cs 和 wr 都為低電平時，ad752

23、8 的模擬輸出端 outa 對 db0db7 數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，輸入數據直接影響模擬輸出。當 cs 或 wr 為高電平時，db0db7 輸入端上的數據被鎖存，直到 cs 和 wr 再次變?yōu)榈碗娖綖橹?。?cs 為高電平時，無論 wr狀態(tài)如何，數據輸入被禁止。ad7528 工作時序圖如上圖所示，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5。2.3 驅動模塊由于輸出的調制 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

24、動芯片 ir2110 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量和種類。采用驅動芯片 ir2110 驅動，只需單電源供電，且工作電壓范圍比較寬+10v+20v。ir2110 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，使得整個系統的可靠性大大提高。表 2-1 是其管腳的功能表：表 2-1 ir2110 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

25、輯電源電壓 59v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空端陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書）8另外 ir2110 還有較高信號響應時間，完全滿足軟件系統的技術要求。圖 2-6 輸入輸出信號時序圖圖 2-7 開關時間定義圖圖 2-8 ir2110 典型應用電路圖圖 2-6 為輸入輸出時序圖。圖 2-7 為開關時間定義圖。圖 2-8 為 ir2110 典型應用電路圖。集成驅動型芯片 ir2110 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 ir2110 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6?？沙?/p>

26、分簡化了驅動電路的電源設計。2.4 濾波電路模塊經由橋式逆變主電路的輸出電流，會含有大量的高頻雜波，如果直接并網運行則會對電網的電源質量造成嚴重干擾，導致電網無功量的增加，效率下降。所以需要在逆變輸出端外加濾波電路，以濾除雜波。采用 lc 濾波電路。圖 2-9 所示為 lc 濾波電路。利用儲能元件電感器 l 的電流不能突變的特點，使輸出電流波形較為平滑。能夠很好的實現濾波功能；電感 l 和電容逆變并網模擬系統軟件設計9c 的適當匹配還可以使輸出的電壓相位和輸入的電壓相位保持一致，非常方便地實現電壓相位的控制；此外 l 和 c 的合理搭配還可以降低電源的無功功率，有效地抑制電壓和電流的脈動，該方

27、案的缺點是實際中確定電感參數比較繁瑣，而且電感體積大,成本高。cuo1uol圖 2-9 lc 濾波電路模型2.5 檢測及保護模塊檢測及保護模塊包括：a/d 轉換電路，頻率相位跟蹤，過流保護，欠壓保護，spwm 波延時驅動電路。在硬件上要求使系統可靠安全工作。此軟件系統的設計中，檢測及保護模塊也是設計的重點部分。2.5.1 a/d 轉換模塊在數據采集系統中， a/d 轉換的速度和精度又決定了采集系統的速度和精度。采用快速模數轉換芯片 max197。max197 是 maxim 公司推出的具有 12 位測量精度的高速 a/d 轉換芯片，只需單一電源供電，且轉換時間很短(6ms)，具有 8 路輸入通

28、道，還提供了標準的并行接口：8 位三態(tài)數據 i/o 口，可以和大部分單片機直接接口，使用十分方便。對于模擬到數字量的轉換，時序要求非常嚴格，由于 max197 的數字信號輸出引腳是復用的，要正確讀出轉換結果，時序要求尤其重要。在一次采樣開始前，可以通過單片機的 8 位數據線把這些控制字寫入 max197 來初始化相應的參數。然后按照一定的時序進行采樣和轉換。max197 無需外接元器件就可獨立完成 a/d 轉換功能。它可分為內部采樣模式和外部采樣模式，采樣模式由控制寄存器的 d5 位決定。在內部采樣控制模式(控制位置0)中，由寫脈沖啟動采樣間隔，經過瞬間的采樣間隔(芯片時鐘為 2mhz 時，采

29、樣間隔為 3ms)，即開始 a/d 轉換。在外部采樣模式(d5=1)中，由兩個寫脈沖分別控制采樣和a/d 轉換。在第一個寫脈沖出現時，寫入 acqmod 為 1，開始采樣間隔。在第二個寫脈沖出現時，寫入控制字 acqmod 為 0，max197 停止采樣，開始/轉換。這兩個寫脈沖之間的時間間隔為一次采樣時間。當一次轉換結束后，max197 相應的 int引腳置低電平，通知處理器可以讀取轉換結果。內部采樣模式的數據轉換時序對于模擬到數字量的轉換，時序要求非常嚴格，由于 max197 的數字信號輸出引腳是復用的，要正確讀出轉換結果，時序要求尤其重要。在一次采樣開始前，可以通過單片機的 8陜西科技大

30、學畢業(yè)論文（設計說明書）10位數據線把這些控制字寫入 max197 來初始化相應的參數。然后按照一定的時序進行采樣和轉換。max197 與其它 a/d 芯片不同之處在于它的很多軟件功能都是利用內部控制字來實現的，如通道選擇、模擬信號量程、極性等。max197 的輸出數據采用無符號二進制模式(單極性輸入方式)或二進制補碼形式(雙極性輸入方式)。當 cs 和 rd 都有效時，hben 為低電平，低 8 位數據被讀出，hben 為高電平,復用的高 4 位被讀出，另外 4位保持低電平(在單極性方式下)，或另外 4 位為符號位(在雙極性方式下)。以 max197為核心的數據采集/轉換電路具有外圍電路簡單

31、、與處理器并口兼容性好、時序控制簡單易懂的特點，其變換時間短(6ms)，可靠性和性價比高，并且編程簡單，比較適合實時性要求較高的大數據量數據采集與高速 a/d 轉換使用。有 8 個模擬信號輸入端口，可通過程序選擇輸入通道，而且轉換速度快，轉換時間最短僅需 6us，完全能夠滿足單片機每隔 90.9us 采樣一次的要求，微秒級的轉換速度完全滿足設計的要求。max197 的控制字功能如表 2-2：表 2-2 max197 的控制字功能表max197 的控制字d7(msb)d6d5d4d3d2d1d0(lsb)pd1pd0acqmodrngbipa2a1a0工作模式選擇控制字 pd1&pd0

32、為“00、01、10、11”時分別對應以下四種工作模式：外部時鐘模式、內部時鐘模式、等待模式、掉電模式。捕獲方式控制字。此位置“0”為內部控制捕獲方式，置“1”為外部控制捕獲方式。量程選擇控制字。rng&bip 為“00、01、10、11”時對應的量程分別為：0v5v、-5v+5v、0v10v、-10v+10v。模擬信號輸入通道選擇控制字。a2&a1&a0 的二進制碼值即為所選模擬信號輸入通道。如“110”即表示選擇模擬信號輸入通道“ch6”。max197 有 8 位控制字，分別控制著此芯片的工作模式、捕獲方式、量程選擇、模擬輸入通道選擇，其中內部采集和外部采集模式較為

33、常用。內部采集模式：通過寫入清零 acqmod 位(acqmod=0)的控制字選擇內部采集模式。在這種模式下，一個寫脈沖將觸發(fā)一個內部捕獲周期，并且此捕獲周期是內部定時的，為 6 個時鐘周期。當這六時鐘周期的捕獲間隔結束時轉換開始。轉換時間是 12 個時鐘周期，不論內部或外部采集模式。外部采集模式：用兩個獨立的寫脈沖控制捕獲和轉換的開始。第一脈沖，與 acqmod=1 一起，開始一個不確定長度的捕獲間隔；第二個寫脈沖與 acqmod=0 一起終止捕獲并在寫逆變并網模擬系統軟件設計11脈沖的上升沿開啟一次轉換。然而，如果第二個控制字包含 acqmod=1，一個不確定的捕獲間隔時間將被重新觸發(fā)。外

34、部采集模式可以更加精確的控制采樣間隔并可獨立控制捕獲和轉換時間。2.5.2 頻率相位跟蹤頻率和相位的信號采集原理：頻率相位跟蹤的實質就是鎖相環(huán)。鎖相環(huán)路是一種反饋電路，鎖相環(huán)的英文全稱是 phase-locked loop,簡稱 pll。其作用是使得電路上的時鐘和某一外部時鐘的相位同步。因鎖相環(huán)可以實現輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤，所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路7。鎖相環(huán)在工作的過程中，當輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等時，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是鎖相環(huán)名稱的由來。由在交流輸出側互感產生的正弦信號變換為方波脈沖，這時的方波脈沖還不

35、是標準的方波，再通過反向器進行整形，即可得到標準方波脈沖用于頻率的檢測，將此方波脈沖通過單穩(wěn)態(tài)電路，這樣以來可以使交流側采集的信號與標準公網信號進行同時采集送入單片機的外部中斷，這樣可以用來進行相位跟蹤。圖 2-10 為頻率相位檢測電路原理圖。圖 2-10 頻率相位檢測電路原理圖由模擬電網電壓的參考電壓信號接入比較器 lm339 的同相端，lm339 的反相端接地以實現過零比較，經過比較的輸出信號為方波信號，將該方波信號接入反相器，經整形后再接入主控單片機的計數器 0，通過主控單片機的計數器 0，測出模擬電網信號的頻率；同時通過另一檢測回路，反饋信號的頻率也能夠輕松測得。以模擬電網信號的頻率為

36、標準，通過主控單片機的數據處理后，輸出相位的控制信號即可實現頻率跟蹤檢測。相位跟蹤原理與頻率跟蹤原理較為類似，不同的是從反相器 lm339 輸出的信號接入主控單片機的外部中斷 int0 端口，通過中斷服務檢測到信號的下降沿，即就是模擬陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書）12電網的正向過零點，這樣以來模擬電網的相位輕松測出。同理，反饋信號的相位也可以通過該檢測電路檢測實現。將模擬電網和反饋信號與相位信號接入主控單片機，主控單片機檢測到兩路信號的相位差，并記錄相位差的變化情況。主控單片機以模擬電網的相位為標準，經過數據處理控制輸出的電壓的頻率，經過反復比較和逐次逼近，以實現相位跟蹤8。此方案中的比較

37、器選擇 lm339，該電壓比較器的特點是：（a）失調電壓小，典型值為 2mv； （b）電源電壓范圍寬，單電源為 236v，雙電源電壓為1v18v； （c）對比較信號源的內阻限制較寬； （d）共模范圍很大，為 0（ucc-1.5v）vo； （e）差動輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓； （f）輸出端電位可靈活方便地選用。lm339 外部管腳功能如表 2-3 所示：表 2-3 lm339 管腳的功能表pin1pin2pin3pin4pin5pin6pin7輸出 1輸出 2vcc輸入 2 反相端輸入 2 同相端輸入 1 反相端輸入 1 同相端pin8pin9pin10pin11pin12pin1

38、3pin14輸入 3 反相端輸入 3 同相端輸入 4 反相端輸入 4 同相端gnd輸出 4輸出 3lm339 類似于增益不可調的運算放大器。lm339 含有四個比較器。每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端分別是同相端和反相端。當同相端的輸入電壓高于反相端的輸入電壓，則輸出端輸出高電平。當同相端的輸入電壓低于反相端的輸入電壓，則輸出端輸出低電平。兩個輸入端電壓差別大于10mv 就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉換到另一種狀態(tài)，因此，把 lm339 用在弱信號檢測等場合是比較理想的9。lm339 的輸出端必須接一個上拉電阻，否則無法正常工作。上拉電阻阻值一般取 3k15k。2.5.3 過流

39、檢測此系統需要檢測電流的地方有：逆變輸出交流側過電流檢測；這部分的電流檢測均采用霍爾電流傳感器，霍爾傳感器能夠間接地測量電流信號；將霍爾傳感器加在并網變壓器上，用于逆變輸出交流過流檢測，當變壓器中流過的電流增加時，霍爾元件兩端的電壓就會上升，將此電壓信號經 max197 進行模數轉換后送給主控單片機，由主控單片機處理之后進行限流處理10。逆變并網模擬系統軟件設計13霍爾電流傳感器是按照安培定律原理做成，即在載流導體周圍產生一正比于該電流的磁場，而霍爾器件則用來測量這一磁場。因此，使電流的非接觸測量成為可能。通過測量霍爾電勢的大小間接測量載流導體電流的大小。因此，電流傳感器經過了電磁電的絕緣隔離

40、轉換。2.5.4 欠壓檢測欠壓檢測部分，這一部分就是檢測直流電源輸出的直流電壓，采集的信號用于采用電阻分壓，輸出 05v 電壓信號，此電壓信號經 max197 a/d 轉換后送入主控單片機進行數據處理；當檢測到直流電源供電的電壓低于要求的欠壓保護的電壓時，由主控單片機輸出封鎖信號，立刻封鎖 spwm 波的輸出，使得 dc-ac 模塊輸出電壓為零，實現欠壓保護功能；當電壓恢復正常后，主控單片機再重新開啟 spwm 波輸出，橋式逆變主電路又恢復正常逆變工作狀態(tài)。2.5.5 spwm 波延時驅動電路驅動橋式電路的 mos 管選擇 6n60a。6n60a 是一種具有高耐壓值（600v）的mosfet，

41、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同一時刻上下管同時導通的情況，以避免出現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

42、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。這樣以來得到的上下兩路 spwm 波的波形就如圖 2-11：圖 2-11 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 波用反向陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書）14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。由下圖可知，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

43、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 t=r c,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=(45)t。tspwm 波延時驅動電路圖如圖 2-12 所示：圖 2-12 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。2.6 控制模塊控制模塊以單片機為控制核心，采用快速單片機 w77e58。w77e58 單片機是一款快速而且與 8051 兼容的微控制器，其內核經過重新設計，提高了時鐘速度和存儲器訪問周期速度，在相同的時鐘頻率下，其指令執(zhí)行速

44、度是標準 8051 的 1.53 倍12；此外，在相同的吞吐量及低頻時鐘情況下，電源功耗也降低；另外，w77e58 單片機內含 32kb 的 eprom，具有 1kb 隨機數據存儲器。其外部引腳如圖 2-13：逆變并網模擬系統軟件設計15圖 2-13 w77e58 單片機外部引腳圖特點：(a)8 位處理器；(b)最高 40m 時鐘，4 機器周期的指令執(zhí)行速度；(c)與標準 8051 兼容的管腳；(d)與 8051 兼容的指令；(e)4 個 8 位 i/o 口；(f)擴展的 4 位 i/o 和等待信號線（44 腳的 plcc 或 qfp 封裝提供） ；(g)三個 16 位計數/時器；(h)12

45、級中斷；(i)片上時鐘源；(k)兩個增強的雙工串口；(l)1k 的片上外部存儲器；(m)可編程看門狗；(n)兩個全速 16 位數據指針 dptr。w77e58 內部含有兩個 16 位數據指針(dptr 和 dptri)，大大加快了程序對數據存儲區(qū)的訪問，可以使 w77e58 更加靈活迅速的與 ram 和外設交換數據。w77e58 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。w77e58 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，每個計數周期可以設定為 4 個或 12 個時鐘周期。w77

46、e58 同時還具有看門狗定時器，用來對系統進行監(jiān)視。和 80c52 一樣，為了減少功耗，w77e58提供了空閑 idle 和掉電 powerdown 兩種節(jié)電模式。w77e58 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 位陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書）16i/o 口，3 個 16 位定時器/計數器，全雙工串行和若干中斷源。w77e58 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 w77e58 將多數標準的 8052 指令的機器周期從 12 個時鐘減

47、少至 4 個時鐘。這樣性能就提高了 1.53 倍。另外 w77e58 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 w77e58 能夠更有效的訪問慢速或快速外部ram 及外設。w77e58 內含 1kb 用 movx 指令訪問的數據存儲器，地址范圍為0000h03ffh。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。w77e58 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。805

48、1 每 12 個時鐘周期為一個機器周期，而 w77e58 每 4 個時鐘周期為一個機器周期。這樣提高了 w77e58 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 w77e58 也可以以更高速度運行。由于采用全靜態(tài) cmos 設計，w77e58 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 w77e58 速度提高的主要原因。w77e58 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w77e58 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mov

49、x 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。當等待狀態(tài)控制信號使能后，p4.0 是輸入口。(2)串行口w77e58 有 2 個增強型串行口，功能與標準 8052 串行口相似。w77e58 的串行口能以不同的方式運行

50、，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w77e58 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，或者每 12 個時鐘周期進行一次計數。這位用戶提供了模擬 8052 時鐘運行的一種方式。w77e58 具有特殊的功能，看門狗定時器。該定時器可用作系統監(jiān)控器，或超長周期定時器。逆變并網模擬系統軟件設計17(4)w77e58 中斷w77e58 的中斷系統與標準 8052 之

51、中斷系統有細微的差別。由于存在新增功能和外設，中斷源的數量和中斷向量都相應得增加。w77e58 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)數據指針在標準 8052 中只有一個 16 位數據指針（dpl，dph） 。在 w77e58 中還有一個 16位數據指針（dpl1，dph1） 。這個數據指針位于標準 8052 中未定義的 sfr 地址中。w77e58 中還有一條 dec dptr 指令（操作碼 a5h） ，用以提高程序的靈活性。(6)片上數據 sramw77e58 有 1k 字節(jié)的數據 sram 空間，它是可讀寫的并且是存儲器映射的

52、。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)數據 sram 來說，不存在數據的沖突和重疊，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w77e58 將存儲器分為 2 個獨立的區(qū)域：程序存儲器區(qū)和數據存儲器區(qū)。程序存儲器區(qū)用來存放程序代碼，數據存儲器區(qū)用來存放數據及存儲器映射的設備需要

53、用到的數據。(8)程序存儲器w77e58 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，系統將訪問外部存儲器。(9)數據存儲器w77e58 最多可以訪問 64kb 的外部數據存儲器。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，w77e58 還內建一個 1kb 字節(jié)的 movx sram 數據存儲器。這 1kb 的數據存儲器的地址范圍為 0000h-03ffh。對該數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

54、范圍為 0000h-03ffh的 movx 指令將讀寫 movx sram 數據存儲器的內容。當地址范圍超過 03ffh 后，系統將自動訪問外部數據存儲器。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據存儲器。這是 w77e58 默認的運行環(huán)境。另外 w77e58 還有標準的 256 字節(jié)暫存數據存儲器。這片區(qū)域可以間接或直接訪問。由于這片區(qū)域 w77e58 只有 256 字節(jié)，因此僅適用于數據量較小的場合。當數據量較多時，可以考慮同時使用 2 個數據存儲器。片上movx sram，同外部 ram 一樣只可由

55、 movx 指令來訪問，但是片上 movx 陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書）18sram 擁有最快的訪問速度。圖 2-14 max197 與處理器之間的硬件接口圖 2-14 為 max197 與處理器之間的硬件接口。使單片機的 p0.0p0.7 與 max197的 d0d7 相連。以 p22 作片選信號。選擇 max197 為軟件設置低功耗工作方式, 所以置 shdn 腳為高電平,本例采用內部基準電壓, 所以 ref、refdj 均通過電容接地。用 p21 腳用做判讀高、低位數據的選擇線,直接與 hben 腳相連, 因而讀低 8 位時, max197 的地址為 ofcffh,讀高 4 位時,

56、 max197 的地址為 ofdffh。max197 的int 腳與用戶接口中的 xint 相連, 作為轉換識別信號, 當數據轉換完畢時,max197的 int 腳產生中斷信號,從而使處理器進入 into 中斷處理程序進行一路轉換數據的讀入操作13。2.7 dc/dc 電源模塊因為采用光電隔離，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。電路圖中所示 dc/dc 轉換器，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，加電容是為了濾波。該系列 dc/dc 轉換器特點：寬電壓輸入范圍、效率高達82%、隔

57、離 1500vdc、短路保護（自恢復） 、工作溫度范圍：-40+85、內部貼片化設計、 阻燃封裝、mtbf1000000 小時。圖 2-15 是該系列的電源模塊的典型應用電路14。 逆變并網模擬系統軟件設計19圖 2-15 dc/dc 電路圖3 原理推導與計算3.1 spwm 波產生原理由主控快速單片機 w77e58 通過程序實現輸出數字量正弦波信號，經由 d/a 轉換芯片 ad7528 轉換后輸出標準模擬正弦波信號，ad7528 內部集成了兩片 d/a,而且數模轉換的精度可以達到 1%以內，工作電壓 5v15v 方便使用，輸出驅動能力兼容 ttl和 cmos 電平。此時正弦波信號幅值小，驅動

58、能力弱，需要經過進一步放大。另一路為三角波產生電路：滯回比較器的輸出經過積分之后，得到三角波。三角波和正弦波經過過零比較后得到 spwm 波。為保證輸出的 spwm 波準確可靠，在產生三角波的同時采用同頻率和周期的方波信號，通過鎖存觸發(fā)器 4044 后可對輸出的 spwm 波進行實時監(jiān)測和封鎖信號的保護。pwm 的全稱是 pulse width modulation，也即是脈寬調制， 通過改變輸出方波的占空比來改變等效的輸出電壓， 廣泛地用于電動機調速和閥門控制，比如我們現在的電動車電機調速就是使用這種方式。spwm(sinusoidal pwm)法是一種比較成熟的，目前使用較廣泛的 pwm

59、法。采樣控制理論中的有一個重要結論: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，其效果基本相同。spwm 法就是以該結論為理論基礎。用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 pwm 波形即 spwm 波形控制逆變電路中開關器件的通斷。使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區(qū)間內的面積相等，通過改變調制波的頻率和幅值則可調節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值15。在進行脈寬調制時，使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來安排。當正弦值為最大值時，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔則最小，反之，當正弦值較小時，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，這樣的電壓脈沖系列可以使負載電流中的高次諧波成分大

60、為減小，稱為正弦波脈寬調制。由于微機技術的發(fā)展使得用軟件生成spwm 波形變得比較容易 ,因此,軟件生成法也就應運而生 。軟件生成法其實就是用軟件來實現調制的方法。 通常工業(yè)上使用 dsp 等直接生成 spwm 波形。但是由于本人掌握程度不夠，所以本設計采用軟件產生正弦波，利用硬件產生三角波，二者比較得到spwm。圖 3-1 波形稱為單極性 spwm 波形，根據面積等效原理，正弦波還可等效為圖 3-2的 pwm 波，即雙極性 spwm 波形，而且這種方式在實際應用中更為廣泛。陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書）20o圖 3-1 單極性 pwm 控制方式波形o t圖 3-2 雙極性 pwm 控制方式波形圖 3-3 調制波正弦波