光伏并网发电毕业设计.doc

i 逆变并网模拟系统软件设计 ii 摘 要 随着社会的发展，人类对电能的需求已经不可或缺，人类使用各种能源转化成电 能。太阳能光伏以其清洁，取之不竭而受到各国能源专家的追捧，尤其是光伏发电的 并网运行是各国研究的热门技术。在此，设计一个逆变并网模拟系统的软件部分。逆 变并网模拟系统主要由直流稳压电源、逆变电路、滤波电路、检测及保护电路、控制 系统组成。系统由主控 w77e58 单片机产生正弦波与三角波比较得到 spwm 波来驱动 桥式逆变电路,将直流电逆变为符合并网要求的电压，经滤波送入市电电网；另一方面， 检测回路的检测信号经 max197 模数转换后输入 w77e58 单片机控制核心，经数据处 理后实现并网运行，过流欠压保护等功能；此外，通过采集逆变交流侧电压的频率与 模拟并网侧标准频率信号送入主控单片机，比较后实现频率相位跟踪。所以软件包括 正弦波产生程序、频率相位跟踪程序和过流欠压保护等部分。 关键词：脉宽调制，逆变电路，频率相位跟踪，w77e58 单片机，max197 iii the software design of grid-connected inverter power- producing emulation system abstract along with the social development, the mankinds need to the energy is indispensable. 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 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 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 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 inverter 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 working, w77e58 single chip, max197 iii 目 录 摘要.i abstact.ii 1 前言.1 1.1 课题研究的意义.1 1.2 国内外发展状况.1 1.3 课题研究的主要内容及方法.2 1.4 论文的主要内容.2 2 系统设计方案.3 2.1 直流逆变模块（dc-ac） .3 2.2 spwm 波合成模块4 2.3 驱动模块6 2.4 滤波电路模块7 2.5 检测及保护模块8 2.5.1 a/d 转换模块8 2.5.2 频率相位跟踪9 2.5.3 过流检测11 2.5.4 欠压检测11 2.5.5 spwm 波延时驱动电路12 2.6 控制模块13 2.7 dc/dc 电源模块17 3 原理推导与计算18 3.1 spwm 波产生原理.18 3.2 频率相位检测20 3.3 过流检测21 3.4 欠压检测21 4 系统电路及程序设计22 4.1 系统总体结构22 4.2 桥式逆变主电路22 4.3 主控单片机电路23 4.4 检测及保护电路24 4.5 控制系统程序流程图25 4.5.1 总体程序流程设计25 iv 4.5.2 频率相位跟踪设计25 4.5.3 正弦波程序设计26 5 总结29 致谢30 参考文献31 逆变并网模拟系统软件设计1 1 前言 1.1 课题研究的意义 随着人类社会的进步，经济的不断发展，人们对电能的需求越来越大，而且对电 能质量提出了越来越高的要求。由于煤和石油等传统能源日益减少，寻找新能源己经 是当前人们面临的迫切课题。太阳能作为一种巨量的可再生能源，每天到达地球表面 的辐射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量1。太阳能以其清洁、无污染等优点越来越 得到人们的关注。并网发电是光伏利用的发展趋势，是太阳能发电规模化发展的必然 方向。太阳能发电及相应的系统将通过大规模并网发电迅速发展并现已成为全球重要 的能源产业。本课题通过对逆变并网模拟装置的研究设计，为进一步研究并网发电课 题奠定坚实的基础；此次课题设计也将对我的系统综合设计能力和专业技术水平有一 定的提高。 此外，通过本次的设计，要达到提高我们综合能力的目的，如综合应用所学知识 能力、资料查询能力、计算机应用能力、语言表达能力、论文撰写能力等，尤其是要 提高我们对于电源逆变技术的理解和实践运用和利用控制芯片进行电源逆变技术的科 技革新、开发和创新的基本能力，同时使我们初步掌握单片机应用系统设计、研制的 方法。可以缩短我们在未来工作岗位上的适应期，发挥我们的作用。 1.2 国内外发展状况 新能源发电技术已经涉及到人类社会的方方面面，其中太阳能利用技术发展快速。 逆变器是可再生能源并网发电系统的核心组成部分。并网用逆变器除了能将可再生能 源产生的电能输送给公用电网外，还应该具有很高的可靠性、完善的保护功能以及较 高的效率。目前，可再生能源并网发电系统的主要研究热点也集中在逆变器这部分。 近 30 年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长 足发展，成为世界范围内快速、稳定发展的新兴产业之一。据专家预测，到本世纪中 期，可再生能源将占到总一次能源 50%以上的份额。 近几年，全球光伏发电逆变器的销售额逐年递增，逆变器进入了一个快速增长的阶 段。但目前全球光伏逆变器市场基本被国际几大巨头瓜分，欧洲式全球光伏市场的先 驱，具备完善的光伏产业链，光伏逆变器技术处于世界领先地位。我国的光伏产业虽 然在近年取得了一定的发展，但由于某些因素的制约，总体上我国的太阳能光伏技术 仍处于初级发展阶段：规模小、技术落后、产品单一。但是不少国内企业已经在逆变 器行业已经研究多年，已经具备一定的规模和竞争力。近年来随着我国相关发展政策 的出台和市场的发展，我国的新能源利用技术快步向前。 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）2 1.3 课题研究的主要内容及方法 本课题主要研究内容是设计一个逆变并网模拟装置的软件部分。根据技术要求设 计 dc/ac 的逆变器。设计的逆变并网模拟装置，它主要由逆变电路和滤波电路、检测 回路、控制系统组成；其中,检测回路的检测信号经模数转换后输入控制系统，通过以 单片机为控制核心的控制系统数据处理后以实现频率相位跟踪、并网运行、过流欠压 保护等功能。 （1）本系统中逆变电路（dc-ac）模块采用调制 spwm 波电路，通过正弦波与三角 波发生器产生的三角波经过比较以后可以得到调制 spwm 波。软件需要编写正弦波程 序。 （2）调制 spwm 波要能直接驱动 mos 管的导通，需要加驱动电路。本设计采用 ir2110 栅极驱动器将用来驱动 mos 管。只需加上很少的分立元件和单路电源,ir2110 即可基于自举驱动原理构成 mos 管的驱动电路。主电路采用全桥式 mos 管电路，系 统的无功功率损耗小。此部分由硬件控制，掌握电路基本原理。 （3）滤波电路采用简单电路设计：采用 lc 滤波电路，滤去高频杂波，通过电感 l 和 电容 c 适当匹配，可以使得输出电压相位和输入电压相位一致，方便电压相位的控制。 （4）在欠压过流保护模块中，采用霍尔传感器检测电流电压，将检测的信号经过 ad 转换后输入单片机，单片机处理之后发出封锁信号进行欠压保护或进行限流。需要编 写欠压过流保护程序。 （5）频率相位跟踪模块：检测模拟电网信号和输出信号，以模拟电网信号为标准，根 据两路信号检测结果，经单片机分析处理，就可以实现频率跟踪；将模拟电网和反馈 信号相位接入单片机以后，单片机可以检测到两路信号的相位差，以模拟电网的相位 为标准，经过相应的数据处理，经过反复比较和逐次逼近实现相位跟踪。需要编写频 率跟踪和相位跟踪程序。 （6）电路设计、仿真和编程分别使用 protel、multisim 和 keil 等软件。 1.4 论文的主要内容 设计一个逆变并网模拟系统的软件部分，逆变并网模拟系统装置硬件主要由以直 流电源、逆变电路、滤波电路、检测及保护电路、控制系统等部分组成。系统由主控 w77e58 单片机产生正弦波与三角波比较得到 spwm 波，经过触发器和光耦，专用的 驱动芯片来驱动桥式逆变电路将直流电逆变为符合并网的电压，再经 lc 滤波送入市电 电网；另一方面，检测回路的检测信号经 max197 模数转换后输入单片机控制核心， 经数据处理后实现并网运行，过流欠压保护功能；此外，通过采集逆变交流侧电压的 信号与模拟并网信号送入主控单片机，比较后实现频率相位跟踪2。所以软件部分主要 逆变并网模拟系统软件设计3 包括三路正弦波程序；处理检测回路输入的电压电流信号，实现过流欠压保护功能； 处理两路频率信号，实现频率相位跟踪。 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）4 2 系统设计方案 设计整个硬件系统有：直流逆变模块，滤波电路模块，检测保护模块，控制模块， 显示模块，spwm 波合成模块，驱动模块等。对软件设计而言正弦波产生、对电压电 流信号处理、对电网模拟信号频率相位跟踪是整个软件系统设计和研究的关键所在。 整个硬件系统的大体框架如图 2-1 所示： 直流电压 驱动 spwm波合成 ad转换器 max197 单片机 直 流 电 压 检 测 输 出 电 流 检 测 dc/ac滤波电路输出 图 2-1 硬件系统的总体框架图 2.1 直流逆变模块（dc-ac） 逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种:直流侧是电压源的称为电压型逆 变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。桥式逆变主电路的开关器件采用快 速 mos 管 6n60a，采用全桥式逆变电路。采用六个 mos 管 6n60a 组成全桥式主电 路。两个半桥上两个快速 mos 管 6n60a 不能同时导通，以免发生短路故障烧坏电路 和 mos 管，驱动部分还需要加入延时电路，采用的是先断后导通的方法。即是先给应 关断的器件关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，然后再给相应导通的器件发出 开通信号，即是在两者之间留一个短暂的死区时间。死区时间的长短视器件的开关速 度而定，器件的开关速度越快，所留的死区时间就可以越短3。图 2-2 为全桥逆变电路。 此全桥逆变电路的电路结构清晰明了，且输出电压有效值大大增加，为半桥式电路的 两倍，输出电流大，整个电路的功耗较小。同一桥臂的上管导通时，下管一定处于关 闭状态，经过延时之后保证上管关断后才让下管导通。同样下管导通时，上管一定处 于关闭状态，延时之后保证下管关断后才让上管导通。导通顺序:上桥臂 vt1，vt3，vt5，下桥臂 vt2，vt4，vt6。也即是说同一桥臂的导电角度是 180， 逆变并网模拟系统软件设计5 同一相上下两个桥臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差 120。这样，在任意一 瞬间，将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个桥臂和下面两个桥臂，也可能上面两 个桥臂和上面一个桥臂同时导通。 图 2-2 全桥式逆变主电路 2.2 spwm 波合成模块 spwm(sinusoidal pwm),目前使用较广泛的 pwm 法。采样控制理论中的一个重 要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。 spwm 法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 pwm 波形即 spwm 波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积 与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调 节逆变电路输出电压的频率和幅值。本设计中控制系统可以输出三路正弦波。由单片 机系统产生的正弦波，与三角波发生器产生的三角波经过比较器比较以后就可以得 spwm 波。单片机可以通过设定电压值，从而给其三路正弦波提供幅度的参考值。另 单片机可以通过定时控制正弦波频率，通过读取正弦表的数据调节输出正弦波的相位4。 单片机控制系统输出三路相位相差 120o的正弦波信号用于 spwm 波的调制。该设计电 路结构简洁，精度高，相位易于控制，波形幅值可以调节且成本比较低，功耗较小。 滞回比较器输出方波，方波经过积分器，得到三角波。四个二极管和稳压二极管 使方波在高电平和低电平都能稳压，避免畸变影响三角波稳定可靠输出。滞回比较器 又称施密特触发器,迟滞比较器。这种比较器的特点是当输入信号逐渐增大或逐渐减小 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）6 时，它有两个阈值，且不相等，其传输特性具有“滞回”曲线的形状。 单片机生成正弦波数字信号，经 da 芯片 ad7528 得到正弦波模拟信号。ad7528 是双通道、8 位数模转换器。数据通过一个共用的 8 位 ttl/cmos 兼容输入端口,传输 至两个 dac 数据锁存器中的一个。每个 dac 均具有单独的基准电压输入和反馈电阻 控制输入 dac a/dac b 确定数据载入哪一个通道 dac。该器件采用+5v 至+15v 电 源供电,功耗小。 图 2-3 为三角波产生电路。 图 2-3 三角波产生电路图 图 2-4 为 ad7528 外部引脚图： 图 2-4 dip20 封装的 ad7528 引脚图 逆变并网模拟系统软件设计7 图 2-5 ad7528 工作时序图 图 2-5 为 ad7528 工作时序图。当 cs 和 wr 都为低电平时，ad7528 的模拟输出 端 outa 对 db0db7 数据总线输入端的活动作出响应。在此方式下，输入锁存器是 透明的，输入数据直接影响模拟输出。当 cs 或 wr 为高电平时，db0db7 输入端 上的数据被锁存，直到 cs 和 wr 再次变为低电平为止。当 cs 为高电平时，无论 wr 状态如何，数据输入被禁止。ad7528 工作时序图如上图所示，单片机控制 ad7528 必 须严格按照其工作时序，同时满足各信号的建立和保持时间要求5。 2.3 驱动模块 由于输出的调制 spwm 波驱动能力比较弱，不能用来直接驱动 mos 管可靠的导 通和关断，所以需要另外加一部分驱动电路，以保障电路的可靠运行。采用先进的集 成驱动芯片 ir2110 驱动桥式电路。该类芯片因为其内部有高端悬浮自举电路，可以大 大减少驱动供电电源的数量和种类。采用驱动芯片 ir2110 驱动，只需单电源供电，且 工作电压范围比较宽+10v+20v。ir2110 体积小巧，外部接线相对简单，而且不需 要对其进行单独供电，使得整个系统的可靠性大大提高。表 2-1 是其管脚的功能表： 表 2-1 ir2110 管脚的功能表 pin1pin2pin3pin4pin5pin6pin7 低端输出公共端低端固定电 源电压，输 出的电压 +10+20v 空端高端浮置电 源偏移电压 高端浮置电 源电压 高端输出 pin8pin9pin10pin11pin12pin13pin14 空端逻辑电源电 压 59v 逻辑高端输 入 使能端：当 sd 为高时， 关断两输出 逻辑低端输 入 逻辑电路地 电位端，其 值可以为 0v 空端 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）8 另外 ir2110 还有较高信号响应时间，完全满足软件系统的技术要求。 图 2-6 输入输出信号时序图 图 2-7 开关时间定义图 图 2-8 ir2110 典型应用电路图 图 2-6 为输入输出时序图。图 2-7 为开关时间定义图。图 2-8 为 ir2110 典型应用 电路图。集成驱动型芯片 ir2110 有以下优点：体积小，驱动能力强，控制方便，电能 利用效率高，最为突出的是 ir2110 芯片采用悬浮电源自举电路，三相桥式变换器仅用 一组电源即可6。可充分简化了驱动电路的电源设计。 2.4 滤波电路模块 经由桥式逆变主电路的输出电流，会含有大量的高频杂波，如果直接并网运行则 会对电网的电源质量造成严重干扰，导致电网无功量的增加，效率下降。所以需要在 逆变输出端外加滤波电路，以滤除杂波。 采用 lc 滤波电路。图 2-9 所示为 lc 滤波电路。利用储能元件电感器 l 的电流不 能突变的特点，使输出电流波形较为平滑。能够很好的实现滤波功能；电感 l 和电容 逆变并网模拟系统软件设计9 c 的适当匹配还可以使输出的电压相位和输入的电压相位保持一致，非常方便地实现 电压相位的控制；此外 l 和 c 的合理搭配还可以降低电源的无功功率，有效地抑制电 压和电流的脉动，该方案的缺点是实际中确定电感参数比较繁琐，而且电感体积大,成 本高。 c uo1 uo l 图 2-9 lc 滤波电路模型 2.5 检测及保护模块 检测及保护模块包括：a/d 转换电路，频率相位跟踪，过流保护，欠压保护， spwm 波延时驱动电路。在硬件上要求使系统可靠安全工作。此软件系统的设计中， 检测及保护模块也是设计的重点部分。 2.5.1 a/d 转换模块 在数据采集系统中， a/d 转换的速度和精度又决定了采集系统的速度和精度。 采用快速模数转换芯片 max197。max197 是 maxim 公司推出的具有 12 位测量精度 的高速 a/d 转换芯片，只需单一电源供电，且转换时间很短(6ms)，具有 8 路输入通道， 还提供了标准的并行接口：8 位三态数据 i/o 口，可以和大部分单片机直接接口，使用 十分方便。 对于模拟到数字量的转换，时序要求非常严格，由于 max197 的数字信号输出引 脚是复用的，要正确读出转换结果，时序要求尤其重要。在一次采样开始前，可以通 过单片机的 8 位数据线把这些控制字写入 max197 来初始化相应的参数。然后按照一 定的时序进行采样和转换。 max197 无需外接元器件就可独立完成 a/d 转换功能。它可分为内部采样模式和 外部采样模式，采样模式由控制寄存器的 d5 位决定。在内部采样控制模式(控制位置 0)中，由写脉冲启动采样间隔，经过瞬间的采样间隔(芯片时钟为 2mhz 时，采样间隔 为 3ms)，即开始 a/d 转换。在外部采样模式(d5=1)中，由两个写脉冲分别控制采样和 a/d 转换。在第一个写脉冲出现时，写入 acqmod 为 1，开始采样间隔。在第二个写 脉冲出现时，写入控制字 acqmod 为 0，max197 停止采样，开始/转换。这两 个写脉冲之间的时间间隔为一次采样时间。当一次转换结束后，max197 相应的 int 引脚置低电平，通知处理器可以读取转换结果。内部采样模式的数据转换时序对于模 拟到数字量的转换，时序要求非常严格，由于 max197 的数字信号输出引脚是复用的， 要正确读出转换结果，时序要求尤其重要。在一次采样开始前，可以通过单片机的 8 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）10 位数据线把这些控制字写入 max197 来初始化相应的参数。然后按照一定的时序进行 采样和转换。 max197 与其它 a/d 芯片不同之处在于它的很多软件功能都是利用内部控制字来 实现的，如通道选择、模拟信号量程、极性等。max197 的输出数据采用无符号二进 制模式(单极性输入方式)或二进制补码形式(双极性输入方式)。当 cs 和 rd 都有效时， hben 为低电平，低 8 位数据被读出，hben 为高电平,复用的高 4 位被读出，另外 4 位保持低电平(在单极性方式下)，或另外 4 位为符号位(在双极性方式下)。以 max197 为核心的数据采集/转换电路具有外围电路简单、与处理器并口兼容性好、时序控 制简单易懂的特点，其变换时间短(6ms)，可靠性和性价比高，并且编程简单，比较适 合实时性要求较高的大数据量数据采集与高速 a/d 转换使用。有 8 个模拟信号输入端 口，可通过程序选择输入通道，而且转换速度快，转换时间最短仅需 6us，完全能够满 足单片机每隔 90.9us 采样一次的要求，微秒级的转换速度完全满足设计的要求。 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 工作模式选择控制 字 pd1&pd0 为 “00、01、10、11”时分 别对应以下四种工作模 式：外部时钟模式、内 部时钟模式、等待模式、 掉电模式。 捕获方式控 制字。此位 置“0”为内部 控制捕获方 式，置“1”为 外部控制捕 获方式。 量程选择控制字。 rng&bip 为 “00、01、10、11”时 对应的量程分别为： 0v5v、- 5v+5v、0v10v、- 10v+10v。 模拟信号输入通道选择 控制字。a2&a1&a0 的二 进制码值即为所选模拟信号 输入通道。如“110”即表示选 择模拟信号输入通道“ch6”。 max197 有 8 位控制字，分别控制着此芯片的工作模式、捕获方式、量程选择、 模拟输入通道选择，其中内部采集和外部采集模式较为常用。 内部采集模式： 通过写入清零 acqmod 位(acqmod=0)的控制字选择内部采集模式。在这种模 式下，一个写脉冲将触发一个内部捕获周期，并且此捕获周期是内部定时的，为 6 个 时钟周期。当这六时钟周期的捕获间隔结束时转换开始。转换时间是 12 个时钟周期， 不论内部或外部采集模式。 外部采集模式： 用两个独立的写脉冲控制捕获和转换的开始。第一脉冲，与 acqmod=1 一起， 开始一个不确定长度的捕获间隔；第二个写脉冲与 acqmod=0 一起终止捕获并在写 逆变并网模拟系统软件设计11 脉冲的上升沿开启一次转换。然而，如果第二个控制字包含 acqmod=1，一个不确定 的捕获间隔时间将被重新触发。外部采集模式可以更加精确的控制采样间隔并可独立 控制捕获和转换时间。 2.5.2 频率相位跟踪 频率和相位的信号采集原理：频率相位跟踪的实质就是锁相环。锁相环路是一种 反馈电路，锁相环的英文全称是 phase-locked loop,简称 pll。其作用是使得电路上 的时钟和某一外部时钟的相位同步。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率 的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路7。锁相环在工作的过程中，当输出信 号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输 出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。由在交流输出侧互感产 生的正弦信号变换为方波脉冲，这时的方波脉冲还不是标准的方波，再通过反向器进 行整形，即可得到标准方波脉冲用于频率的检测，将此方波脉冲通过单稳态电路，这 样以来可以使交流侧采集的信号与标准公网信号进行同时采集送入单片机的外部中断， 这样可以用来进行相位跟踪。图 2-10 为频率相位检测电路原理图。 图 2-10 频率相位检测电路原理图 由模拟电网电压的参考电压信号接入比较器 lm339 的同相端，lm339 的反相端接 地以实现过零比较，经过比较的输出信号为方波信号，将该方波信号接入反相器，经 整形后再接入主控单片机的计数器 0，通过主控单片机的计数器 0，测出模拟电网信号 的频率；同时通过另一检测回路，反馈信号的频率也能够轻松测得。以模拟电网信号 的频率为标准，通过主控单片机的数据处理后，输出相位的控制信号即可实现频率跟 踪检测。 相位跟踪原理与频率跟踪原理较为类似，不同的是从反相器 lm339 输出的信号接 入主控单片机的外部中断 int0 端口，通过中断服务检测到信号的下降沿，即就是模拟 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）12 电网的正向过零点，这样以来模拟电网的相位轻松测出。同理，反馈信号的相位也可 以通过该检测电路检测实现。将模拟电网和反馈信号与相位信号接入主控单片机，主 控单片机检测到两路信号的相位差，并记录相位差的变化情况。主控单片机以模拟电 网的相位为标准，经过数据处理控制输出的电压的频率，经过反复比较和逐次逼近， 以实现相位跟踪8。 此方案中的比较器选择 lm339，该电压比较器的特点是： （a）失调电压小，典型值为 2mv； （b）电源电压范围宽，单电源为 236v，双电源电压为1v18v； （c）对比较信号源的内阻限制较宽； （d）共模范围很大，为 0（ucc-1.5v）vo； （e）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压； （f）输出端电位可灵活方便地选用。 lm339 外部管脚功能如表 2-3 所示： 表 2-3 lm339 管脚的功能表 pin1pin2pin3pin4pin5pin6pin7 输出 1输出 2vcc输入 2 反相 端 输入 2 同相 端 输入 1 反相 端 输入 1 同相 端 pin8pin9pin10pin11pin12pin13pin14 输入 3 反相 端 输入 3 同相 端 输入 4 反相 端 输入 4 同相 端 gnd输出 4输出 3 lm339 类似于增益不可调的运算放大器。lm339 含有四个比较器。每个比较器有 两个输入端和一个输出端。两个输入端分别是同相端和反相端。 当同相端的输入电压高于反相端的输入电压，则输出端输出高电平。当同相端的 输入电压低于反相端的输入电压，则输出端输出低电平。两个输入端电压差别大于 10mv 就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把 lm339 用在弱 信号检测等场合是比较理想的9。lm339 的输出端必须接一个上拉电阻，否则无法正 常工作。上拉电阻阻值一般取 3k15k。 2.5.3 过流检测 此系统需要检测电流的地方有：逆变输出交流侧过电流检测；这部分的电流检测 均采用霍尔电流传感器，霍尔传感器能够间接地测量电流信号；将霍尔传感器加在并 网变压器上，用于逆变输出交流过流检测，当变压器中流过的电流增加时，霍尔元件 两端的电压就会上升，将此电压信号经 max197 进行模数转换后送给主控单片机，由 主控单片机处理之后进行限流处理10。 逆变并网模拟系统软件设计13 霍尔电流传感器是按照安培定律原理做成，即在载流导体周围产生一正比于该电 流的磁场，而霍尔器件则用来测量这一磁场。因此，使电流的非接触测量成为可能。 通过测量霍尔电势的大小间接测量载流导体电流的大小。因此，电流传感器经过了电 磁电的绝缘隔离转换。 2.5.4 欠压检测 欠压检测部分，这一部分就是检测直流电源输出的直流电压，采集的信号用于采 用电阻分压，输出 05v 电压信号，此电压信号经 max197 a/d 转换后送入主控单片 机进行数据处理；当检测到直流电源供电的电压低于要求的欠压保护的电压时，由主 控单片机输出封锁信号，立刻封锁 spwm 波的输出，使得 dc-ac 模块输出电压为零， 实现欠压保护功能；当电压恢复正常后，主控单片机再重新开启 spwm 波输出，桥式 逆变主电路又恢复正常逆变工作状态。 2.5.5 spwm 波延时驱动电路 驱动桥式电路的 mos 管选择 6n60a。6n60a 是一种具有高耐压值（600v）的 mosfet，常用于功率变换装置中快速开通和关断电力供应，门极电压,导通保持电压 低。导通阻抗小，只有 0.75，通过最大电流为 5a ，门极和源极之门需要电压低， 只有 10v。为了使得 mos 管可靠的导通和安全关断，必须保障一个桥臂不能出现同一 时刻上下管同时导通的情况，以避免出现桥式软件电路的损坏和发生危险，所以采用 上下桥路脉冲时序延迟电路进行保护11。 经由正弦波与三角波比较产生的 spwm 波，其中每一路 spwm 波都用来驱动一个 桥臂的上下两个 mos 管的导通和关断，为了使上下两路信号互差导通和关断，设置的 延路要达到使上桥臂导通在下桥臂关断后的一段时间之后，而上桥臂的关断要在下桥 臂开通之前的一段时间之前，即也就是下桥臂开通要在上桥臂关断后的一段时间之后， 如此反复。 这样以来得到的上下两路 spwm 波的波形就如图 2-11： 图 2-11 spwm 波延驱动波形图 为了达到以上所说的功能，可以通过延时电路完成，将任何一路 spwm 波用反向 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）14 器分为两路信号，用于一个桥臂上下两个 mos 管的驱动。将得到的两路信号分别送入 延时，放电电路，以 c 相为例，图中 turn 是单片机的控制信号，当 turn 为真时， spwm 波形可以顺利输出。当欠压保护时，单片机发送低电平可以封锁信号输出。 由下图可知，根据需要选择不同的延时时间 t,两路信号有着同样的电路结构，由 两个电阻和一个电容构成。按照其中一路进行分析可知，电阻和电容构成的 rc 电路， 时间常数 t=r c,则充电和放电的时间差=t1-t2，而我们要选择的死区时间为 t=(45)t 。t spwm 波延时驱动电路图如图 2-12 所示： 图 2-12 spwm 波延时驱动电路 只要合理的选择延迟时间，就可以使逆变触发既要使得 mos 可靠安全的导通，又 要延时间隔相对较小，提高逆变效率。 2.6 控制模块 控制模块以单片机为控制核心，采用快速单片机 w77e58。 w77e58 单片机是一款快速而且与 8051 兼容的微控制器，其内核经过重新设计， 提高了时钟速度和存储器访问周期速度，在相同的时钟频率下，其指令执行速度是标 准 8051 的 1.53 倍12；此外，在相同的吞吐量及低频时钟情况下，电源功耗也降低； 另外，w77e58 单片机内含 32kb 的 eprom，具有 1kb 随机数据存储器。其外部引脚 如图 2-13： 逆变并网模拟系统软件设计15 图 2-13 w77e58 单片机外部引脚图 特点： (a)8 位处理器； (b)最高 40m 时钟，4 机器周期的指令执行速度； (c)与标准 8051 兼容的管脚； (d)与 8051 兼容的指令； (e)4 个 8 位 i/o 口； (f)扩展的 4 位 i/o 和等待信号线（44 脚的 plcc 或 qfp 封装提供） ； (g)三个 16 位计数/时器； (h)12 级中断； (i)片上时钟源； (k)两个增强的双工串口； (l)1k 的片上外部存储器； (m)可编程看门狗； (n)两个全速 16 位数据指针 dptr。 w77e58 内部含有两个 16 位数据指针(dptr 和 dptri)，大大加快了程序对数据 存储区的访问，可以使 w77e58 更加灵活迅速的与 ram 和外设交换数据。w77e58 还 包含 1kb 只能用 movx 指令访问的片内 sram，这样一般情况下不需要外扩 ram， 可以大大节约单片机的口线。w77e58 具有 3 个 16 位定时器，其功能和 8052 系列相 似。在用作定时器时，每个计数周期可以设定为 4 个或 12 个时钟周期。w77e58 同时 还具有看门狗定时器，用来对系统进行监视。和 80c52 一样，为了减少功耗，w77e58 提供了空闲 idle 和掉电 powerdown 两种节电模式。 w77e58 与 8052 在管脚及指令集上兼容。它具有 8052 的资源如：4 个双向 8 位 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）16 i/o 口，3 个 16 位定时器/计数器，全双工串行和若干中断源。 w77e58 中有一个更加快速，性能更好的 8 位 cpu，它的内核经过重新设计，提 高了时钟速度和存储器访问周期速度。性能的提高不仅仅在于使用高频的振荡器，还 在于 w77e58 将多数标准的 8052 指令的机器周期从 12 个时钟减少至 4 个时钟。这样 性能就提高了 1.53 倍。另外 w77e58 还可调整 movx 指令的周期，范围为 2 个机 器周期9 个机器周期。这种设计使得 w77e58 能够更有效的访问慢速或快速外部 ram 及外设。w77e58 内含 1kb 用 movx 指令访问的数据存储器，地址范围为 0000h03ffh。它只能用 movx 指令来访问，可由软件来选择是否使用这个片上 sram。 w77e58 是与 8052 兼容的，因此具有 8052 的特性；相比 8052 它的速度提高，耗 电量减少。他的指令集基本与 8051 相同；多了一条 dec dptr (操作码 a5h, dptr 减 1)指令。8051 每 12 个时钟周期为一个机器周期，而 w77e58 每 4 个时钟周期为一 个机器周期。这样提高了 w77e58 的指令执行速度。因此与 8052 相比即使在时钟频率 相同的情况下 w77e58 也可以以更高速度运行。由于采用全静态 cmos 设计， w77e58 能够在低时钟频率下运行，在相同指令吞吐量的情况下，电源消耗也降低。 机器周期缩短至 4 个时钟周期，是 w77e58 速度提高的主要原因。w77e58 具有 所有 8052 的特性，同时也具有一些新的外设及特性。 (1)i/o 口 w77e58 有 4 个 8 位 i/o 口，及一个附加的 4 位 i/o 口。当处理器用 movc 或 movx 指令执行外部程序、访问外部设备/存储器时，p0 口可用作地址/数据总线。此 时它内部有强上拉或下拉功能，无须再使用外部上拉。否则它是带有开漏输出的通用 i/o 口。p2 口主要提供 16 位地址的高 8 位。当用作地址线时它同样具有强上拉或下拉 功能。p1、p3 口是 i/o 口同时具有不同的功能。p4 口（限 plcc/qfp 封装）是和 p1、p3 相同的通用 i/o 口。p4.0 有 cp 的复用功能是等待状态中的控制信号。当等待 状态控制信号使能后，p4.0 是输入口。 (2)串行口 w77e58 有 2 个增强型串行口，功能与标准 8052 串行口相似。w77e58 的串行口 能以不同的方式运行，以获得时序相似。注意串行口 0 可以用定时器 1 或 2 做波特率 发生器，但串行口 1 只能用定时器 1 做波特率发生器。串行口有自动地址识别和帧错 误检测的增强功能。 (3)定时器 w77e58 有 3 个 16 位定时器，其功能与 8052 体系中的定时器类似。当作为定时 器使用时，可将它们设置为每 4 个时钟周期进行一次计数，或者每 12 个时钟周期进行 一次计数。这位用户提供了模拟 8052 时钟运行的一种方式。w77e58 具有特殊的功能， 看门狗定时器。该定时器可用作系统监控器，或超长周期定时器。 逆变并网模拟系统软件设计17 (4)w77e58 中断 w77e58 的中断系统与标准 8052 之中断系统有细微的差别。由于存在新增功能和 外设，中断源的数量和中断向量都相应得增加。w77e58 提供 12 个中断源 2 级中断能 力，包括 6 个外部中断，定时器中断及串行 i/o 口中断。 (5)数据指针 在标准 8052 中只有一个 16 位数据指针（dpl，dph） 。在 w77e58 中还有一个 16 位数据指针（dpl1，dph1） 。这个数据指针位于标准 8052 中未定义的 sfr 地址中。 w77e58 中还有一条 dec dptr 指令（操作码 a5h） ，用以提高程序的灵活性。 (6)片上数据 sram w77e58 有 1k 字节的数据 sram 空间，它是可读写的并且是存储器映射的。这 些片上 movx sram 用 movx 指令来访问。这片区域不用于存放可执行代码。对于 片内 256 字节暂存 ram 和这些 1k 字节数据 sram 来说，不存在数据的冲突和重叠， 因为他们有不同的寻址方式和单独的访问指令。pmr 寄存器中的 dme0 位来使能片上 movx sram，在复位后 dme0 位为 0，因此 movx sram 是被关闭的，所有对 0000h-ffffh 地址空间的访问均为对外部 sram 的访问。 (7)存储器组织 w77e58 将存储器分为 2 个独立的区域：程序存储器区和数据存储器区。程序存 储器区用来存放程序代码，数据存储器区用来存放数据及存储器映射的设备需要用到 的数据。 (8)程序存储器 w77e58 提供 32kb 大小的程序存储器，这些 rom 区与 8052 的 rom 区功能类似， 所有指令都从这些区域中取出执行。movc 指令同样也访问这些区域，超过片上 rom 最大地址范围后，系统将访问外部存储器。 (9)数据存储器 w77e58 最多可以访问 64kb 的外部数据存储器。这个存储器区域用 movx 指令 来访问。不同于其他 8051 的衍生产品，w77e58 还内建一个 1kb 字节的 movx sram 数据存储器。这 1kb 的数据存储器的地址范围为 0000h-03ffh。对该数据存储 器的访问是受软件控制的。当软件允许访问该区域时，访问地址范围为 0000h-03ffh 的 movx 指令将读写 movx sram 数据存储器的内容。当地址范围超过 03ffh 后， 系统将自动访问外部数据存储器。当软件禁止访问该区域时，该区域将被映射为外部 数据存储器。任何访问地址为 0000h-ffffh 的 movx 指令都将访问到外部数据存储 器。这是 w77e58 默认的运行环境。另外 w77e58 还有标准的 256 字节暂存数据存储 器。这片区域可以间接或直接访问。由于这片区域 w77e58 只有 256 字节，因此仅适 用于数据量较小的场合。当数据量较多时，可以考虑同时使用 2 个数据存储器。片上 movx sram，同外部 ram 一样只可由 movx 指令来访问，但是片上 movx 陕西科技大学毕业论文（设计说明书）18 sram 拥有最快的访问速度。 图 2-14 max197 与处理器之间的硬件接口 图 2-14 为 max197 与处理器之间的硬件接口。使单片机的 p0.0p0.7 与 max197 的 d0d7 相连。以 p22 作片选信号。选择 max197 为软件设置低功耗工作方式, 所 以置 shdn 脚为高电平,本例采用内部基准电压, 所以 ref、refdj 均通过电容接地。 用 p21 脚用做判读高、低位数据的选择线,直接与 hben 脚相连, 因而读低 8 位时, max197 的地址为 ofcffh,读高 4 位时, max197 的地址为 ofdffh。max197 的 int 脚与用户接口中的 xint 相连, 作为转换识别信号, 当数据转换完毕时,max197 的 int 脚产生中断信号,从而使处理器进入 into 中断处理程序进行一路转换数据的读 入操作13。 2.7 dc/dc 电源模块 因为采用光电隔离，所以不能在光耦的两边使用同一组电源。另放大器、单片机 和集成驱动芯片的电源要求也各有不同。电路图中所示 dc/dc 转换器，使用很方便。 输入只要在其范围，输出就可得到需要恒定的直流电压。管脚 6 和管脚 7 之间就是输 出，加电容是为了滤波。该系列 dc/dc 转换器特点：宽电压输入范围、效率高达 82%、隔离 1500vdc、短路保护（自恢复） 、工作温度范围：-40+85、内部贴片 化设计、 阻燃封装、mtbf1000000 小时。图 2-15 是该系列的电源模块的典型应用 电路14。 逆变并网模拟系统软件设计19 图 2-15 dc/dc 电路图 3 原理推导与计算 3.1 spwm 波产生原理 由主控快速单片机 w77e58 通过程序实现输出数字量正弦波信号，经由 d/a 转换 芯片 ad7528 转换后输出标准模拟正弦波信号，ad7528 内部集成了两片 d/a,而且数 模转换的精度可以达到 1%以内，工作电压 5v15v 方便使用，输出驱动能力兼容 ttl 和 cmos 电平。 此时正弦波信号幅值小，驱动能力弱，需要经过进一步放大。另一路为三角波产 生电路：滞回比较器的输出经过积分之后，得到三角波。三角波和正弦波经过过零比 较后得到 spwm 波。为保证输出的 spwm 波准确可靠，在产生三角波的同时采用同 频率和周期的方波信号，通过锁存触发器 4044 后可对输出的 spwm 波进行实时监测 和封锁信号的保护。 pwm 的全称是 pulse width modulation，也即是脉宽调制， 通过改变输出方波 的占空比来改变等效的输出电压， 广泛地用于电动机调速和阀门控制，比如我们现 在的电动车电机调速就是使用这种方式。 spwm(sinusoida