逆变器的研究与设计.doc

逆变器的设计 摘 要 本文中主要介绍了小功率逆变器的设计 其主要包括两部分电路 一是主电路 另一个是控制电路 主电路主要包括 三相全桥电路 驱动电路 控制电路主要包括 单片机控制回路 SPWM 波形发生电路 死区保护电路等 在主电路中 全桥逆变电 路采用快速 MOS 管 6N60A 驱动电路采用集成芯片 IR2130 控制回路中采用 STC89C51 单片机 数模转换采用 AD7528 芯片 逆变电路拓扑结构采用三相全桥逆变 应用电路仿真软件 Multisim 对电路各部分进行实验仿真 对电路各部分参数选择进行 理论分析 利用 51 系列单片机编写程序 最终设计出频率可调整 输出电压可以调整 的逆变器 关键词 SPWM 单片机 IR2130 AD7528 II 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 III 目 录 摘要 ABSTRACT 1 绪论 1 1 1 课题研究的目的及意义 1 1 1 1 课题研究的目的 1 1 1 2 课题研究的意义 1 1 2 逆变器在国内外研究现状 2 1 2 1 国内逆变器研究现状 2 1 2 2 国外逆变器研究现状 2 1 3 逆变器的介绍 3 1 3 1 逆变器的分类 3 1 3 2 逆变器与变频器的区分 3 1 4 主要研究内容 3 2 逆变器的组成 4 2 1 逆变系统电路框图 4 2 2 SPWM 波的方案选取 5 2 3 逆变电路的控制方式论证 6 2 4 主电路结构的方案选取 9 3 逆变器硬件电路分析与仿真 10 3 1 系统硬件电路的分析 10 3 1 1 桥式电路分析 10 3 1 2 控制回路电路的设计 12 3 1 3 SPWM 波硬件电路 15 3 1 4 驱动电路的设计 18 3 1 5 延时保护电路的设计 19 3 1 6 DC DC 模块电路 20 3 2 控制电路的仿真 21 3 2 1 MULTISIM 仿真软件介绍 21 3 2 2 SPWM 波电路的仿真 21 3 2 3 全桥逆变电路的仿真 23 IV 3 2 4 延时电路的仿真 24 3 3 滤波回路的参数计算 25 4 逆变器的软件设计 27 4 1 KEIL C 仿真软件介绍 27 4 1 1 KEIL C51 的特点 27 4 1 2 KEIL C51 的数据类型 28 4 2 控制系统程序流程图 29 5 总结 32 参考文献 33 致谢 35 附录 I 1 死区保护电路 36 附录 I 2 主电路 37 附录 I 3 单片机控制电路 38 附录 I 4 DA 电路 39 附录 I 5 IR2130 应用电路 40 附录 II 程序清单 41 V 1 绪 论 1 1 课题研究的目的及意义 1 1 1 课题研究的目的 近年来 随着电力电子技术 各行各业自动化水平及控制技术的发展和其对操作性 能要求的提高 逆变技术在许多领域的应用也越来越广泛 对电源的要求越来越高 因此逆变电源在各个领域当中也被广泛的使用 逆变器是一种能将直流电转化为可变 交流电的电子装置 使用适当的变压器 开关以及控制电路可以将转化的交流电调整 到需要的电压以及频率值上 逆变器没有移动部件 其应用范围极其广泛 从小型计算机开关电源 到大型电 力公司高压直流电源应用 运输散货 逆变器通常用于提供从诸如太阳能电池板或电 池直流电源转换的交流电源 逆变器有两种主要类型 对修改后正弦波逆变器输出是 一个类似方波输出 输出去除了一时间为零伏特 然后才转到正或负 它的电路简单 而且成本一般较低 并与大多数电子设备兼容 纯正弦波逆变器产生一个近乎完美的正弦波输出 时 控制T4导通 此时输出 r u c u 电压为 Ud 当 时 控制T4关断 则负载电流通过D3续流输出电压为0V o u r u c u o u 图 2 6 单极性 PWM 控制原理 在的负半周 使T3保持始终受控导通状态 使T1 T4一直保持关断 只控制 r u T2 当 时 控制T2导通 输出电压为 在 时 使T2关断 则负载 r u c u o u d u r u c u 电流通过D4续流 输出电压为0V o u 这种调制方式中 在调制波的正 负半个周期内 三角形载波只在一个方向变 r u 化 输出电压也只在一个方向变化 输出电压波形如图2 6所示 输出的电压有 d u 0V 三种电压值 其中的为基波分量的波形 与正弦调制电压的形状相同 d u 1o u r u 图中的虚线表示中的基波分量 像这种在的半个周期内三角形载波只在单一的 1o u o u r u 正极性或负极性范围内变化 所得到的SPWM 波形也只在单个极性范围变化的控制方式 称为单极性SPWM 控制方式 设计说明书8 b 双极性 SPWM 控制 和单极性SPWM 控制方式相对应的是双极性控制方式 如果三角波载波在半个周期 内的方向是在正负两个方向变化的 所得到的SPWM波形也是在两个方向变化的 这时 就成为双极性SPWM控制方式 如图2 7所示 其控制和输出波形如图2 7所示 其中 为正弦调制波 为三角形载波 但的波形与单极性时有明显的不同 在的半 r u c u c u r u 个周期内 三角波载波不再是单极性的 而是有正有负的双极性三角波 双极性调制 方式在的正 负半周控制规律相同 当时 同时给T1和T4导通信号 给T2和 r u cr uu T3关断信号 此时若 则T1和T4导通 若 则Dl和D4导通 两种情况下输 0 0 i0 0 i 出电压均为 当时 给T2和T3导通信号 给Tl和T4关断信号 d u cr uu 若此时 则T2和T3导通 若 则D2和D3导通 两种情况下输出电压均 0 0 i0 0 i o u 为 可见 在的一个周期内 输出的PWM 波只有两种电平 而不再出现单 d u r u d u 极性控制时的零电平状态 主电路的输出电压波形如图2 7所示 其幅值只有 o u d u 两种 为输出的基波波形 形状与正弦调制波相同 从以上的分析可见 单相 d u 1o u 桥式电路既可采取单极性调制 也可采用双极性调制 当对开关器件通 断控制的规律 不同时 它们的输出PWM 波形也会出现较大的差别 图 2 7 双极性 PWM 控制原理 2 同步调制与异步调制 在PWM逆变电路中 载波频率fc与调制信号频率fr之比N fc fr 根据载波和信号 波是否同步及载波比的变化情况 PWM逆变电路可以有异步调制和同步调制两种控制方 式 a 异步调制 载波信号和调制信号不保持同步关系的调制方式称为异步方式 在异步调制方式 中 调制信号频率fr 变化时 通常保持载波频率fc 固定不变 因而载波比N是变化 逆变器的设计9 的 这样 在调制信号的半个周期内 输出脉冲的个数不固定 脉冲相位也不固定 正负半周期的脉冲不对称 同时 半周期内前后1 4周期的脉冲也不对称 当调制信号 频率较低时 载波比N较大 半周期内的脉冲数较多 正负半周期脉冲不对称和半周期 内前后1 4周期脉冲不对称的影响都较小 输出波形接近正弦波 当调制信号频率增高 时 载波比N就减小 半周期内的脉冲数减少 输出脉冲的不对称性影响就变大 还会 出现脉冲的跳动 同时输出波形和正弦波之间的差异就变大 电路输出特性变坏 b 同步调制 载波比N等于常数 并在变频时使载波信号和调制信号保持同步的调制方式称为同 步调制 在基本同步调制方式中 调制信号频率变化时载波比N不变 综上比较选取了同步双极型调制 2 4 主电路结构的方案选取 逆变器的主电路结构形式多种多样 有全桥型 半桥型及推挽型等 逆变器主电路 结构的选取应该遵循以下几个原则 尽量减少逆变电源中的电容值 电感值和电容电 感元件在逆变电源中的数量 这样可以减小整个逆变电源设备的体积 提高其可靠性 同时也应该降低设备的成本 电路拓扑结构应该有利于逆变电源最终输出电压中谐波 的消除 输出电压频率及幅值的调节 鉴于以上诸项要求 本文所设计的逆变器主电 路采用的是三相全桥式结构 全桥模型如图 2 8 所示 图 2 8 全桥模型 其中所用开关器件可以是晶体管 MOS管 也可以是IGBT 而且不论P型或N型 P 设计说明书10 沟或N沟 3 系统硬件电路分析与仿真 3 1 系统硬件电路的分析 3 1 1 三相全桥电路分析 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 SPWM逆变器的主电路如图3 1所示 图中Vl V6是逆变器的六个功率开关器件 各 由一个续流二极管反并联 整个逆变器由恒值直流电压U供电 一组三相对称的正弦参 考电压信号 由参考信号发生器提供 其频率决定逆变器输出的基波频率 应在所要求 的输出频率范围内可调 参考信号的幅值也可在一定范围内变化 决定输出电压的大 小 三角载波信号Uc是共用的 分别与每相参考电压比较后 给出 正 或 零 的 饱和输出 产生SPWM脉冲序列波 Uda Udb Udc作为逆变器功率开关器件的驱动控制 信号 逆变器的设计11 图 3 1 SPWM 逆变器的主电路 桥式逆变主电路的开关器件采用快速MOS管IR2130 采用全桥式逆变电路 当 UruUc时 给V1导通信号 给V4关断信号 Uun Ud 2 Uuv的波形可由 Uun Uvn 得出 当1和6通时 Uuv Ud 当3和4通时 Uuv Ud 当1和3或4和6通时 Uuv 0 输出线电压PWM波由 Ud和0三种电平构成负载相电压PWM波由 2 3 Ud 1 3 Ud和0共5种电平组成 设计说明书12 图 3 2 各桥臂波形 逆变器的设计13 3 1 2 控制回路的设计 控制模块以单片机为控制核心 采用单片机STC89C52 STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器 FPEROM Flash Programable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能COMOS的微处理器 俗称单片机 该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造 与工业标准的MCS 51指令集和输出管脚相兼容 图 3 3 STC89C52 单片机外部引脚图 ST89C52的特点 1 8位处理器 2 最高40M时钟 4机器周期的指令执行速度 3 与标准8051兼容的管脚 4 与8051兼容的指令 5 4个8位I O口 6 扩展的4位I O和等待信号线 44脚的PLCC或QFP封装提供 7 三个16位计数 时器 8 12级中断 9 片上时钟源 10 两个增强的双工串口 11 1K的片上外部存储器 12 可编程看门狗 13 两个全速16位数据指针DPTR STC89C52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 设计说明书14 区的访问 可以使STC89C52更加灵活迅速的与RAM和外设交换数据 STC89C52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 STC89C52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 STC89C52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 STC89C52提供了空闲IDLE和掉电 POWERDOWN两种节电模式 STC89C52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I O口 3个16位定时器 计数器 全双工串行和若干中断源 STC89C52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STC89C52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 5 3倍 另外STC89C52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STC89C52能够更有效的访问慢速或快速外部RAM及外设 STC89C52内含1KB用MOVX 指令访问的数据存储器 地址范围为0000H 03FFH 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 STC89C52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STC89C52每4个时钟周期为一个机器周期 这样提高了STC89C52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 STC89C52也可以以更高速度运行 由于采用全静态CMOS设计 STC89C52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 STC89C52 速度提高的主要原因 STC89C52 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 STC89C52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 STC89C52有2个增强型串行口 功能与标准8052串行口相似 STC89C52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 逆变器的设计15 强功能 3 定时器 STC89C52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 STC89C52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 4 STC89C52中断 STC89C52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 STC89C52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STC89C52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 STC89C52 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 STC89C52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 STC89C52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 STC89C52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 STC89C52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 STC89C52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 设计说明书16 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STC89C52默认的运行环境 另外STC89C52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STC89C52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 SRAM拥有最快的访问速度 控制回路的电路图如图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 图 3 4 控制回路硬件图 3 1 3 SPWM 波硬件电路 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 单片机控制系统输出三路相位相差120 逆变器的设计17 度的正弦波信号用于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 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 3 5 三角波产生电路图 图 3 6 DIP20 封装的 AD7528 引脚图 AD7528 的两 DAC 共用同一个 8 位输入口 在工作过程中 通过控制信号 来选择其中一个 DAC 接受数据 然后通过信号和来选择 DAC 的操DACBDACA CSRD 设计说明书18 作模式 当和都处于低电平的时候 被选中的 DAC 就处于写状态 而当或CSRDCS 者处于高电平状态 则被选中的 DAC 就出于数据保持状态 RD AD7528 工作时序图如图 3 7 所示 图 3 7 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DB0 DB7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 DB0 DB7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 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 逆变器的设计19 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 图 3 8 DA 转换电路原理图 3 1 4 驱动回路的设计 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 IR2130 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 IR2130 驱动 只需单电源供电 且工作 电压范围比较宽 10V 20V 同时其静态功耗较小在常温下仅为 40 毫瓦 IR2130 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 管脚的功能如表 3 1 所示 表 3 1 IR2130 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 设计说明书20 Pin8Pin9Pin10Pin11Pin12Pin13Pin14 空端逻辑电源电 压 5 9V 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 另外IR2130还有较高信号响应时间 完全满足软件系统的技术要求 图 3 9 开关时间定义图 图 3 10 输入输出信号时序图 图 3 11 IR2130 典型应用电路图 集成驱动型芯片 IR2130 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 IR2130 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 可充分简化了驱动电路的电源设计 3 1 5 延时保护电路的设计 逆变器的设计21 驱动桥式电路的 MOS 管选择 IR2130 IR2130 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 这样得到的上下两路 SPWM 波的波形如图 3 12 所示 图 3 12 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 SPWM 波延时驱动电路如图 3 13 所示 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 t 要选择的死区时间为 T 4 5 t 设计说明书22 图 3 13 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 3 1 6 DC DC 隔离电路的设计 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 DC DC 转换器如图 3 14 中所示 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 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 工作温度范围 40 85 内部贴片化设计 阻燃封装 MTBF 1000000 小时 图 3 14 电源模块的典型应用电路 通过采用模块的分析方法 将整个电路分成各个小的部分从而化难为易 减小了 电路的设计难度 同时模块化的设计方法便于设计方案的选取 在上面的模块中比较 重要的是 IGBT 的延时保护 怎样去选择合理延迟保护时间同时又要兼顾效率 这是在 设计中应该注意的一个问题 3 2 系统硬件电路的仿真 逆变器的设计23 3 2 1 Multisim 10 仿真软件介绍 Multisim 10 是基于 PC 平台的电子设计软件 它提供了一个功能全面的 SPICE 系 统 支持模拟和数字混合电路的分析与设计 创造了集成的一体化设计环境 把电路 原理图的输入 仿真和分析紧密结合起来 系统将 SPICE 仿真器完全集成在原理图输 入和测试仪器等工具之中 与其它 Windows 环境下的系统软件类似 它具有图形化界 面 提供按钮式工具栏 各个菜单中各个选项的物理意义一目了然 在输入原理图时 自动地将其编辑成网络表送到仿真器 加快建立和管理的时间 在仿真过程中 若改 变技术 则立刻获得该变化所带来的影响 实现了交互式的设计和仿真 3 2 2 SPWM 波电路的仿真 通过 Multisim 10 这个仿真平台来搭建仿真电路 其中正弦波由函数信号发生器 给 出 XFG1 函数信号发生器输入的为方波信号 XFG2 输入的为三角波信号仿真电路如图 3 15 所示 图 3 15 SPWM 仿真电路原理图 得到的仿真波形 如图 3 16 图 3 17 所示 设计说明书24 图 3 16 输入波形对比图 图 3 17 输出 SPWM 仿真波形图 由图 3 17 可以看出输出的波形已变换为 SPWM 波形 逆变器的设计25 3 2 3 全桥逆变电路的仿真 全桥逆变电路的的仿真在 MATLAB 里完成理论分析 取其中一项进行分析 搭建的 电路模型如图 3 18 所示 图 3 18 全桥逆变仿真电路图 直流电压 DC 经全桥模型 VSC 后接示波器 负载为三相 RLC 负载 控制信号由 PWM 产生 根据以上分析得出仿真电路模型如图 3 所示 其中 直流输入电压取 50V 为了 使输入电流平稳化和谐波降低到允许值 设置滤波器 滤波器有双重功能 既能用来 抑制从直流电源来的瞬变量 又能抑制逆变器或直流变换器对直流电源产生的瞬变量 和噪音 谐波次数越高 对应的电源侧谐波次数的分量就越小 并且可以通过如下方 来降低电源侧谐波电流 1 增大脉动直流电流基波的角频率 即逆变器或直流变换器 的开关角频率 2 增大滤波电感 L 滤波电容 C 即减小 LC 输入滤波器的谐振角频率 3 相同输出功率时 提高逆变器或直流变换器的占空比 减小脉动直流电流的幅值 仿真在 matatlab 中完成 仿真模块的提取方式如表 3 1 所示 表 3 1 仿真电路模块的名称及提取说明 模块名提取路径 PWM 脉冲发生器SimPowerSystems Extra Library Control Blocks 通用桥式电路模块SimPowerSystems Power Electricnics 直流电压源 DCSimPowerSystems Electrical Sources 电压测量模块 UoSimPowerSystems Measurements 电流测量模块 iSimPowerSystems Measurements 示波器 ScopeSimulink Sinks 串联 RLC 支路SimPowerSystems Elements 接地模块SimPowerSystems Elements 设计说明书26 仿真结果图如图 3 19 所示 图 3 19 全桥逆变仿真波形图 从以上仿真可得 全桥逆变将直流转化为交流 其输出电压波形为高频方波 其 基波主要为正弦波 13 3 2 4 延时保护电路的仿真 延时保护接在 SPWM 和驱动电路的中间 起着死区保护的作用 仿真电路图如图 3 20 所示 图 3 20 死区保护电路仿真电路图 得到的仿真波形图如图 3 21 所示 A 相为输出 PWM31 端口输出波形 B 相为输出 PWM32 端口输出波形 逆变器的设计27 A B 图 3 21 延时保护电路仿真波形图 3 3 滤波回路的参数计算 1 滤波电容 C 的选取 滤波电容 C 的作用是和滤波电感一起来滤除输出电压中的高次谐波 保证输出电 压的 THD 要求 从减小输出电压 THD 的角度考虑 C 越大越好 但从另一个角度来看 在输出电压不变的情况下 滤波电容 C 增大意味着无功电流的增加 增加了逆变器的 电流容量 同时也将导致体积重量增加 降低系统效率 因此 滤波电容的选取原则 是在保证输出电压的 THD 满足要求的情况下 取值尽量小 在滤波电容的选取中 一般取其无功电流 为输出电流最大有 max5 0 IoIc maxIo 效值 按单相输出 3300VA 则输出电流最大有效值为 可得 Ac5 7I 由于 4 1 CfVoIc 1 2 可得 2 滤波电感的选取 要保证电容两端的谐波含量较低 滤波电感的高频阻抗与滤波电容的高频阻抗相 比不能过低 即滤波电感的感量不能太小 此外滤波电感的增大 还会使电流变化变 慢 系统的动态响应时间变长 而减小滤波电感 则可以改善电路的动态性能 但是 会增大电感电流的脉动量 故选取电感值 要综合考虑 根据电路原理 若在电感两端施加一时间为的电压 则电感的电流变化量 v 可表示为 1 i CfVo Ic C 1 2 A Vo Po o15 220 3300 maxI 设计说明书28 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 当正弦调制信号瞬时值为是 输出脉冲宽度为 m v 4 2 1 2 T tri Ms V v 在稳定后的理想系统中 输出电压可表示为 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 在时间内 S1 或 D1 导通 滤波电感的电流上升 其脉动量为 L i 4 5 s L fL E i 2 max 从上式可以看出当时 电流脉动最大 最大电流脉动可以用下式算得 0 m V maxL i 根据工程经验一般取电感的最大脉动量不超过电感电流最大值的 20 即 从上式可以 看出 滤波电感上的最大谐波电流和电感 L 的值成反比 maxL i 4 maxmax 20 LL ii 6 综合考虑以上各因素 最后选出的滤波电感和电容的值如下 滤波电感 L 2mH 滤波电容 C 24 7uf 滤波电感上最大电流脉动为 maxL i max1 22222 2 o LCoo o P iIIVf CA V 考虑极限情况 当逆变器带容性满载时 在输出电压过零时刻 流过电感的点流 瞬时值最大 该值为 电感电流最大脉动量占电流最大值的百分比为 可见 该值超过了 20 工程经验值 即电感的取值还应稍微偏大 逆变器的设计29 4 系统硬件电路分析与仿真 4 1 KEIL C51 仿真软件介绍 4 1 1 Keil C51 的特点 Keil C51 是美国Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件开发系 统 与汇编相比 C 语言在功能上 结构性 可读性 可维护性上有明显的优势 因而 易学易用 Keil 提供了包括 C 编译器 宏汇编 连接器 库管理和一个功能强大的仿 真调试器等在内的完整开发方案 通过一个集成开发环境 uVision 将这些部分组合 在一起 使用 Keil C51 进行编译主要有以下优点 1 Keil C51 生成的目标代码效率非常之高 多数语句生成的汇编代码很紧凑 容易 理解 在开发大型软件时更能体现高级语言的优势 2 与汇编相比 C 语言在功能上 结构性 可读性 可维护性上有明显的优势 因而 易学易用 用过汇编语言后再使用 C 来开发 体会更加深刻 Keil C51 软件提供丰富 的库函数和功能强大的集成开发调试工具 全 Windows 界面 4 1 2 KeilC51 的数据类型 C51 的编程语言常用的有二种 汇编语言 C 语言 汇编语言的机器代码生成效率 很高但可读性却并不强 复杂一点的程序就更是难读懂 而 C 语言在大多数情况下其 机器代码生成效率和汇编语言相当 但可读性和可移植性却远远超过汇编语言 而且 C 语言还可以嵌入汇编来解决高时效性的代码编写问题 对于开发周期来说 中大型的 软件编写用 C 语言的开发周期通常要小于汇编语言很多 KEIL 开发软件 建立 C 项目 常用的 C 语言数据类型如表 4 1 所示 表 4 1 数据类型 数据类型长 度值 域 unsigned char单字节0 255 signed char单字节 128 127 unsigned int双字节0 65535 signed int双字节 32768 32767 unsigned long四字节0 4294967295 signed long四字节 2147483648 2147483647 float四字节 1 175494E 38 3 402823E 38 设计说明书30 1 3 字节对象的地址 bit位0 或 1 sfr单字节0 255 sfr16双字节0 65535 常用数据类型说明 1 char 字符类型 char 类型的长度是一个字节 通常用于定义处理字符数据的变量或常量 分无符 号字符类型 unsigned char 和有符号字符类型 signed char 默认值为 signed char 类 型 unsigned char 类型用字节中所有的位来表示数值 所可以表达的数值范围是 0 255 signed char 类型用字节中最高位字节表示数据的符号 0 表示正数 1 表 示负数 负数用补码表示 所能表示的数值范围是 128 127 unsigned char 常用于 处理 ASCII 字符或用于处理小于或等于 255 的整型数 2 int 整型 int 整型长度为两个字节 用于存放一个双字节数据 分有符号 int 整型数 signed int 和无符号整型数 unsigned int 默认值为 signed int 类型 signed int 表示的数值范围是 32768 32767 字节中最高位表示数据的符号 0 表示正数 1 表示负数 unsigned int 表示的数值范围是 0 65535 3 long 长整型 long 长整型长度为四个字节 用于存放一个四字节数据 分有符号 long 长整型 signed long 和无符号长整型 unsigned long 默认值为 signed long 类型 signed int 表示的数值范围是 2147483648 2147483647 字节中最高位表示数据的符号 0 表示正数 1 表示负数 unsigned long 表示的数值范围是 0 4294967295 4 float 浮点型 float 浮点型在十进制中具有 7 位有效数字 占用四个字节 5 指针型 指针型本身就是一个变量 在这个变量中存放的指向另一个数据的地址 这个指 针变量要占据一定的内存单元 对不同的处理器长度也不尽相同 在 C51 中它的长度 一般为 1 3 个字节 指针变量也具有类型 6 bit 位标量 bit 位标量是 C51 编译器的一种扩充数据类型 利用它可定义一个位标量 但不能 定义位指针 也不能定义位数组 它的值是一个二进制位 不是 0 就是 1 类似一些高 级语言中的 Boolean 类型中的 True 和 False 7 sfr 特殊功能寄存器 sfr 也是一种扩充数据类型 点用一个内存单元 值域为 0 255 利用它可以访 逆变器的设计31 问 51 单片机内部的所有特殊功能寄存器 如用 sfr P1 0 x90 这一句定 P1 为 P1 端口 在片内的寄存器 在后面的语句中我们用以用 P1 255 对 P1 端口的所有引脚置高电 平 之类的语句来操作特殊功能寄存器 8 sfr16 16 位特殊功能寄存器 sfr16 占用两个内存单元 值域为 0 65535 sfr16 和 sfr 一样用于操作特殊功能 寄存器 所不同的是它用于操作占两个字节的寄存器 好定时器 T0 和 T1 9 Sbit 寻址位 Sbit 同位是 C51 中的一种扩充数据类型 利用它可以访问芯片内部的 RAM 中的可 寻址位或特殊功能寄存器中的可寻址位 如先前我们定义了 sfr P1 0 x90 因 P1 端 口的寄存器是可位寻址的 所以我们可以定义 sbit P1 1 P1 1 P1 1 为 P1 中的 P1 1 引脚 同样我们可以用 P1 1 的地址去写 如 sbit P1 1 0 x91 整型常量可以表示为十进制如 123 0 89 等 十六进制则以 0 x 开头如 0 x34 0 x3B 等 长整型就在数字后面加字母 L 如 104L 034L 0 xF340 等 浮点型常量可分 为十进制和指数表示形式 十进制由数字和小数点组成 如 0 888 3345 345 0 0 等 整数或小数部分为 0 可以省略但必须有小数点 指数表示形式为 数字 数字 e 数字 中的内容为可选项 其中内容根据具体情况可有可无 但其余部分必须 有 如 125e3 7e9 3 0e 3 3 字符型常量是单引号内的字符 如 a d 等 不可以 显示的控制字符 可以在该字符前面加一个反斜杠 组成专用转义字符 常量可用在不必改变值的场合 如固定的数据表 字库等 常量的定义方式