CN2013100116982A 一种基于STC单片机的逆变器SPWM控制方法 1-10

(10)申请公布号 CN 103051240 A (43)申请公布日 2013.04.17 CN 103051240 A *CN103051240A* (21)申请号 201310011698.2 (22)申请日 2013.01.11 H02M 7/5387(2007.01) (71)申请人 天津理工大学 地址 300384 天津市西青区宾水西道 391 号 天津理工大学主校区 (72)发明人 袁其平 李称鑫 (74)专利代理机构 天津佳盟知识产权代理有限 公司 12002 代理人 侯力 (54) 发明名称 一种基于STC单片机的逆变器SPWM控制方法 (57) 摘要 一种基于 STC 单片机的逆变器 SPWM 控制方 法。用于实现对太阳能发电系统的交流电并网 ； 该控制器包括基于 STC 单片机的 SPWM 波形产生 单元、 三相逆变电路单元、 三相变压器以及低通滤 波器四部分。SPWM 波形产生单元利用 STC 单片 机产生所需要的 SPWM 波形对逆变器开关进行控 制， 三相逆变电路单元采用电压型三相桥式逆变 电路， 将直流电转换为与电网同相、 同频率的交流 电， 变压器采用三相隔离式变压器， 主要起到对交 流电进行隔离， 提高安全稳定性能的作用， 然后采 用 LCR 低通滤波器进行滤波。整个控制系统有效 的抑制了谐波的产生， 减少了因为逆变器开关关 断时引起的通态损耗， 提高了整个系统的效率， 同 时用单片机简化了电路结构， 降低了成本， 提高了 安全可靠性。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 4 页 1/1 页 2 1.一种基于STC单片机的逆变器SPWM控制方法， 用于实现对太阳能发电系统的交流电 并网， 该方法的实现由四部分组成， 基于 STC 单片机的 SPWM 波形产生单元、 IGBT 三相逆变 单元、 三相变压器以及滤波电路单元 ； 其中， 基于 STC 单片机的 SPWM 波形产生单元， 是在 KeilC51 上进行编程， 把程序烧写到单片 机中产生 SPWM 波形对三相逆变电路单元进行控制 ； 三相逆变单元， 采用电压型三相桥式逆变电路， 逆变开关器件采用 IGBT， 并用 TLP250 来进行驱动 ； 三相变压器， 采用型号为 SG-150VA 的三相隔离变压器， 对交流电进行隔离， 提高安全 性能 ； 滤波电路单元， 采用型号DL-10D36的LCR低通滤波器， 抑制谐波的产生， 提高系统的效 率。 2.根据权利要求1所述的基于STC单片机的逆变器SPWM控制方法， 其特征在于所述的 基于 STC 单片机的 SPWM 波形产生单元选择双极性 SPWM 波形调制方案， 在选用软件方法的 时候用面积等效原理， 减少因为逆变器开关关断时引起的通态损耗。 权 利 要 求 书 CN 103051240 A 2 1/4 页 3 一种基于 STC 单片机的逆变器 SPWM 控制方法 技术领域 0001 本发明涉及一种基于STC单片机产生SPWM波形来控制逆变电路， 使直流电转换为 与电网电压同步的交流电的电子技术领域， 具体地说涉及到一种基于单片机的三电平 SPWM 波形控制技术， 主要运用于逆变器中。 背景技术 0002 近年来， 随着逆变电源在各行各业中的广泛应用， 特别是在光伏并网发电中起到 了不可替代的作用， 采用正弦波脉冲宽度调制技术 （SPWM） 来控制逆变电源提高整个发电系 统的效率一直是热点问题。 所谓SPWM， 就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式， 让脉冲宽 度时间占空比按正弦规率排列， 这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出， 对逆 变器的开关器件进行控制。三相 SPWM 是使用 SPWM 模拟市电的三相输出， 在变频器领域被 广泛采用。脉冲宽度调制波形产生的方法大体有三种 ： 一种是采用模拟电路产生 ； 一种是 采用专用集成电路产生 ； 另一种是由微型计算机直接产生。 0003 采用模拟电路生成 SPWM 波形的方法实时性好， 但是其电路复杂， 可靠性低， 灵活 性差， 输出波形优化困难。 为增加该方法的灵活性和可靠性， 可以利用单片机的计算及存储 功能和 D/A 转换器参与三角波和正弦波的生成或直接生成 SPWM 波形。 0004 直接采用集成电路产生 SPWM 波的方法简单可靠， 方便易行， 目前市场上有多种类 型的集成电路， 如单相 PWM 发生器集成电路 TL494 和 SG3524， 以及用于三相 SPWM 的专业集 成电路 HEF4752 和 SLE4520。 0005 采用微处理器的 SPWM 控制是最近发展的最迅速的方法， 是借助单片机， DSP 等微 控制器来实现SPWM的数字控制方法， 由于内部集成了多个控制电路， 如PWM电路， 可编程计 数器阵列等， 使这种方法具有控制电路简单， 运行速度快， 抗干扰能力强等优点。 发明内容 0006 本发明的目的是为了削减传统 SPWM 波形中的谐波成分， 减小逆变器输出的电 流和电压对逆变器或负载以至于电网产生的影响， 提高系统的安全稳定性和效率， 提出 了一种基于 STC 单片机 （STC12C5628AD）的逆变器 SPWM 控制技术。该系统采用单片机 STC12C5628AD 产生双极性 SPWM 波形来控制逆变电路开关， 应用于三相逆变电源。 0007 本发明提供的一种基于STC单片机的逆变器SPWM控制方法， 用于实现对太阳能发 电系统的交流电并网， 该方法的实现由四部分组成， 基于STC单片机的SPWM波形产生单元、 IGBT 三相逆变单元、 三相变压器以及滤波电路单元 ； 其中， 0008 基于 STC 单片机的 SPWM 波形产生单元， 是在 KeilC51 上进行编程， 把程序烧写到 单片机中产生 SPWM 波形对三相逆变电路单元进行控制 ； 0009 三相逆变单元， 采用电压型三相桥式逆变电路， 逆变开关器件采用 IGBT， 并用 TLP250 来进行驱动 ； 0010 三相变压器， 采用型号为 SG-150VA 的三相隔离变压器， 对交流电进行隔离， 提高 说 明 书 CN 103051240 A 3 2/4 页 4 安全性能 ； 0011 滤波电路单元， 采用型号DL-10D36的LCR低通滤波器， 抑制谐波的产生， 提高系统 的效率。 0012 本发明的技术原理 ： 0013 1） 利用 STC12C5628AD 系列单片机来产生 SPWM 波形， 有 A/D 转换， 32-pin， 有 27 个 I/O 口， 如图 2 所示。考虑到 SPWM 控制的两种方案， 即单极性调制和双极性调制， 这里选 择双极性 SPWM 波形调制方案。在选用软件方法的时候考虑到面积等效方法相对于其它方 案具有谐波小， 抑制谐波能力较强的优点， 而且实时控制简单， 软件容易实现， 所以采用面 积等效原理实现 SPWM 控制。同时将用 STC 单片机组成的逆变控制模块用于控制三相逆变 器。单片机还具有 8 路 10 位 A/D 转换， 可以方便的对输入、 输出的电压、 电流进行监控和显 示。信号经单片机自带 A/D 转换器传至单片机进行处理， 这种结构能根据外面的实际电压 自动选用相应的量程检测电压， 使电压越小时， 检测到的电压精度越高， 有助于更精确地控 制充电过程中的充电电压的变化。霍尔式电流传感器检测充电电流信号， 并将检测到的电 流信号经过一定的换算处理从单片机自带的 A/D 转换器传至单片机进行处理， 该传感器精 度高， 能精确的检测到充电电流 0.1A 的变化。 0014 2） 逆变单元采用电压型三相桥式逆变电路， 如图 3 所示。采用 IGBT 作为开关器 件， 因为 IGBT 的输入极为绝缘栅极， 对电荷的累积比较敏感， 所以这里采用 TLP250 来进行 驱动， 如图 4 所示为 TLP250 的驱动电路。使 IGBT 能快速的开通和关断， 并减少开关损耗。 这种逆变电路是 180导电方式， 是指每个开关元件在每个周期连续导通 180， 关断时间 也是 180， 同一相即同一半桥的上， 下两个桥臂交替着导电， 各相开始导电的角度依次相 差 120， 同一桥臂的上， 下两个开关之间进行换相， 称之为纵向换相或者纵向换流。每隔 60便有一个元件进行换相， 在任一瞬间都有三个桥臂参加导电， 其中包括每一相的一个 上桥臂或者下桥臂。 0015 3)三相变压器是3个相同的容量单相变压器的组合.它有三个铁芯柱,每个铁芯 柱都绕着同一相的 2 个线圈 , 一个是高压线圈 , 另一个是低压线圈 . 它的基本工作原理是 电磁感应原理， 当交流电压加到一次侧绕组后， 交流电流入该绕组就产生励磁作用， 在铁芯 中产生交变的磁通， 这个交变磁通不仅穿过一次侧绕组， 同时也穿过二次侧绕组， 它分别在 两个绕组中引起感应电动势。 这时如果二次侧与外电路的负载接通， 便有交流电流流出， 于 是输出电能。本发明使用三相隔离变压器 SG-150VA， 其输入额定电压为三相 380V 或单相 220V， 工作频率为 50Hz-60Hz。 0016 4) 滤波器采用 LCR 低通滤波器， 如图 5。主要作用是滤去谐波， 获得负载所需的三 相正弦交流电。电感 L 的作用是抑制高次谐波通过 ； 电容 C 为逆变器产生的高次谐波提供 旁路 ； 电阻 R 起阻尼作用， 可防止或抑制谐波的产生。 0017 本发明的优点和有益效果 ： 0018 1） ： 有效的抑制了谐波的产生， 减少了因为逆变器开关在关断时引起的通态损耗， 提高了整个系统的效率。 0019 2） ： 利用 STC 单片机来产生 SPWM 波形来构成逆变器的控制系统， 设计简单， 简化了 电路结构， 减少了所使用的电器元件， 降低了成本， 提高了可靠性。 说 明 书 CN 103051240 A 4 3/4 页 5 附图说明 0020 图 1 为逆变电路的结构系统图 ； 0021 图 2 为 STC12C5628AD 单片机示意图 ； 0022 图 3 为电压型三相桥式逆变电路 ； 0023 图 4 为 TLP250 驱动电路 ； 0024 图 5 为 LCR 低通滤波器基本电路图 ； 0025 图 6 为 PCA 中断子程序流程图。 具体实施方式 ： 0026 以下结合附图和具体实施方式对本发明基于 STC 单片机的逆变器 SPWM 控制系统 进行详细的说明。 0027 本发明提供的基于 STC 单片机的逆变器 SPWM 产生方法， 主要由四部分组成， 如图 1 所示， 基于 STC 单片机的 SPWM 波形产生单元、 IGBT 三相逆变单元、 三相变压器以及滤波电 路单元 ； 其中， 0028 1、 基于 STC 单片机的 SPWM 波形产生单元 0029 所述的 STC 单片机采用 STC12C5628AD， 如图 2 所示。STC12C5628AD 系列单片机是 宏晶科技生产的单时钟 / 机器周期 （1T） 的单片机， 是高速 / 低功耗 / 超强抗干扰的新一代 8051 单片机， 指令代码完全兼容传统 8051， 但速度快 8-12 倍， 内部集成 MAX810 专用复位电 路。单片机内部有 4 路可编程计数器阵列 PCA/PWM。PCA 含有一个特殊的 16 位定时器， 有 4 个 16 位的捕获 / 比较模块与之相连， 每个模块可编程工作在 4 种模式下 ： 上升 / 下降沿捕 获， 软件定时器、 高速输出或可调制脉冲输出。其中模块 0 连接到 P3.7(CEX0/PCA0/PWM0), 模块 1 连接到 P3.5(CEX1/PCA1/PWM1), 模块 2 连接到 P2.0(CEX2/PCA2/PWM2), 模块 3 连接 到 P2.4(CEX3/PCA3/PWM3)。与此同时， 该单片机还具有 8 路 10 位 A/D 转换， 可以方便的对 输入、 输出的电压、 电流进行监控和显示。且具有在系统可编程 （ISP） 特性， 单片机在用户 系统上即可下载/烧录用户程序， 配合PC端控制程序即可将用户的程序代码下载到单片机 内部。SPWM 波生成的方法是将载波周期数值赋给 PCA 模块 1 的 16 位捕获 / 比较模块寄存 器 CCAP1H 和 CCAP1L， PCA 定时器的值 CH 高八位、 CL 低八位与模块捕获寄存器的值相比较， 当两者相等时， 产生 PCA 中断。在中断中用模块 0 的 PWM 脉宽调节模式， 将下一个 SPWM 波 的脉宽通过 CCAP0H 装载到 CCAP0L 中， 这样就可以实现无干扰的更新 PWM。此外选择双极 性 SPWM 波形调制方案， 在选用软件方法部分的时候用面积等效方法。在编写程序时候采用 KeilC51 软件进行编程， PCA 的中断子程序流程图如图 6 所示。主程序在系统初始化后进入 SPWM 脉宽计算程序， 计算相应的脉冲宽度， 形成正弦表格， 等待中断标志位以响应不同的中 断， 考虑到 SPWM 波形是不断输出的， 必须将 PCA 中断级别设置为最高。一旦有 PCA 中断标 志位就马上执行中断子程序， 其中 CCF1 位和 CF 标志位由硬件置位。 0030 2、 三相逆变电路单元 0031 逆变电路单元采用电压型三相桥式逆变电路， 如图 3 所示。采用 IGBT 作为开关器 件， 因为 IGBT 的输入极为绝缘栅极， 对电荷的累积比较敏感， 所以这里采用 TLP250 来进行 驱动， 如图 3 所示。使 IGBT 能快速的开通和关断， 并减少开关损耗。这种逆变电路是 180 导电方式， 是指每个开关元件在每个周期连续导通 180， 关断时间也是 180， 同一相即 说 明 书 CN 103051240 A 5 4/4 页 6 同一半桥的上， 下两个桥臂交替着导电， 也就是同一桥臂的上， 下两个开关之间进行换相， 称之为纵向换相或者纵向换流。每个 60变有一个元件进行换相， 在任一瞬间都有三个桥 臂参加导电， 其中包括每一相的一个上桥臂或者下桥臂。用 STC 单片机产生的 SPWM 波形对 逆变开关进行控制， 得到与电网同相位， 同频率的电能才能安全的并入电网， 进行供电。 0032 3、 三相变压器 0033 变压器单元采用三相变压器，