光伏并網(wǎng)發(fā)電畢業(yè)設(shè)計(jì)---逆變并網(wǎng)模擬系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1、<p>　　逆變并網(wǎng)模擬系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著社會(huì)的發(fā)展，人類對(duì)電能的需求已經(jīng)不可或缺，人類使用各種能源轉(zhuǎn)化成電能。太陽能光伏以其清潔，取之不竭而受到各國(guó)能源專家的追捧，尤其是光伏發(fā)電的并網(wǎng)運(yùn)行是各國(guó)研究的熱門技術(shù)。在此，設(shè)計(jì)一個(gè)逆變并網(wǎng)模擬系統(tǒng)的軟件部分。逆變并網(wǎng)模擬系統(tǒng)主要由直流穩(wěn)壓電源、逆變電

2、路、濾波電路、檢測(cè)及保護(hù)電路、控制系統(tǒng)組成。系統(tǒng)由主控W77E58單片機(jī)產(chǎn)生正弦波與三角波比較得到SPWM波來驅(qū)動(dòng)橋式逆變電路,將直流電逆變?yōu)榉喜⒕W(wǎng)要求的電壓，經(jīng)濾波送入市電電網(wǎng)；另一方面，檢測(cè)回路的檢測(cè)信號(hào)經(jīng)MAX197模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入W77E58單片機(jī)控制核心，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行，過流欠壓保護(hù)等功能；此外，通過采集逆變交流側(cè)電壓的頻率與模擬并網(wǎng)側(cè)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)送入主控單片機(jī)，比較后實(shí)現(xiàn)頻率相位跟蹤。所以軟件包括正弦波產(chǎn)生程序、頻

3、率相位跟蹤程序和過流欠壓保護(hù)等部分。</p><p>　　關(guān)鍵詞：脈寬調(diào)制，逆變電路，頻率相位跟蹤，W77E58單片機(jī)，MAX197 </p><p>　　the Software Design of Grid-connected Inverter Power-producing Emulation System </p><p><b>　　Abstra

4、ct</b></p><p>　　Along with the social development, the mankind's need to the energy is indispensable. Humans turn various energy resources into electric power. As one of the green renewable and lim

5、itless 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

6、 countries. In this article, the software part of grid-connected inverter power-producing emulation</p><p>　　Key words:SPWM,inverter,frenquncy and phase tracking,parallel grid working, W77E58 single chip, MA

7、X197</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　ABSTACTII</p><p><b>　　1前言1</b></p><p>　　1.1課題研究的意義1</p>

8、<p>　　1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r1</p><p>　　1.3課題研究的主要內(nèi)容及方法2</p><p>　　1.4論文的主要內(nèi)容2</p><p><b>　　2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案3</b></p><p>　　2.1 直流逆變模塊（DC-AC）3</p><p>　　2.2

9、SPWM波合成模塊4</p><p>　　2.3 驅(qū)動(dòng)模塊6</p><p>　　2.4 濾波電路模塊7</p><p>　　2.5 檢測(cè)及保護(hù)模塊8</p><p>　　2.5.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊8</p><p>　　2.5.2 頻率相位跟蹤9</p><p>　　2.5.3 過

10、流檢測(cè)11</p><p>　　2.5.4 欠壓檢測(cè)11</p><p>　　2.5.5 SPWM波延時(shí)驅(qū)動(dòng)電路12</p><p>　　2.6 控制模塊13</p><p>　　2.7 DC/DC電源模塊17</p><p>　　3 原理推導(dǎo)與計(jì)算18</p><p>　　3.1

11、SPWM波產(chǎn)生原理18</p><p>　　3.2 頻率相位檢測(cè)20</p><p>　　3.3 過流檢測(cè)21</p><p>　　3.4 欠壓檢測(cè)21</p><p>　　4 系統(tǒng)電路及程序設(shè)計(jì)22</p><p>　　4.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)22</p><p>　　4.2 橋式逆變

12、主電路22</p><p>　　4.3 主控單片機(jī)電路23</p><p>　　4.4 檢測(cè)及保護(hù)電路24</p><p>　　4.5 控制系統(tǒng)程序流程圖25</p><p>　　4.5.1 總體程序流程設(shè)計(jì)25</p><p>　　4.5.2 頻率相位跟蹤設(shè)計(jì)25</p><p>

13、　　4.5.3 正弦波程序設(shè)計(jì)26</p><p><b>　　5 總結(jié)29</b></p><p><b>　　致謝30</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)31</b></p><p><b>　　1前言</b></p>

14、<p>　　1.1課題研究的意義</p><p>　　隨著人類社會(huì)的進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)電能的需求越來越大，而且對(duì)電能質(zhì)量提出了越來越高的要求。由于煤和石油等傳統(tǒng)能源日益減少，尋找新能源己經(jīng)是當(dāng)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(dá)地球表面的輻射能量相當(dāng)于數(shù)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(diǎn)越來越得到人們的關(guān)注。并網(wǎng)發(fā)電是光伏利用的發(fā)展趨勢(shì)，是太陽能

15、發(fā)電規(guī)模化發(fā)展的必然方向。太陽能發(fā)電及相應(yīng)的系統(tǒng)將通過大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電迅速發(fā)展并現(xiàn)已成為全球重要的能源產(chǎn)業(yè)。本課題通過對(duì)逆變并網(wǎng)模擬裝置的研究設(shè)計(jì)，為進(jìn)一步研究并網(wǎng)發(fā)電課題奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；此次課題設(shè)計(jì)也將對(duì)我的系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)能力和專業(yè)技術(shù)水平有一定的提高。</p><p>　　此外，通過本次的設(shè)計(jì)，要達(dá)到提高我們綜合能力的目的，如綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)能力、資料查詢能力、計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力、語言表達(dá)能力、論文撰寫能力等，尤其是

16、要提高我們對(duì)于電源逆變技術(shù)的理解和實(shí)踐運(yùn)用和利用控制芯片進(jìn)行電源逆變技術(shù)的科技革新、開發(fā)和創(chuàng)新的基本能力，同時(shí)使我們初步掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研制的方法。可以縮短我們?cè)谖磥砉ぷ鲘徫簧系倪m應(yīng)期，發(fā)揮我們的作用。</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　新能源發(fā)電技術(shù)已經(jīng)涉及到人類社會(huì)的方方面面，其中太陽能利用技術(shù)發(fā)展快速。逆變器是可再生能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心組成部分。

17、并網(wǎng)用逆變器除了能將可再生能源產(chǎn)生的電能輸送給公用電網(wǎng)外，還應(yīng)該具有很高的可靠性、完善的保護(hù)功能以及較高的效率。目前，可再生能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的主要研究熱點(diǎn)也集中在逆變器這部分。</p><p>　　近30年來，太陽能利用技術(shù)在研究開發(fā)、商業(yè)化生產(chǎn)、市場(chǎng)開拓方面都獲得了長(zhǎng)足發(fā)展，成為世界范圍內(nèi)快速、穩(wěn)定發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)之一。據(jù)專家預(yù)測(cè)，到本世紀(jì)中期，可再生能源將占到總一次能源50%以上的份額。</p>

18、<p>　　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(jìn)入了一個(gè)快速增長(zhǎng)的階段。但目前全球光伏逆變器市場(chǎng)基本被國(guó)際幾大巨頭瓜分，歐洲式全球光伏市場(chǎng)的先驅(qū)，具備完善的光伏產(chǎn)業(yè)鏈，光伏逆變器技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位。我國(guó)的光伏產(chǎn)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(guó)的太陽能光伏技術(shù)仍處于初級(jí)發(fā)展階段：規(guī)模小、技術(shù)落后、產(chǎn)品單一。但是不少國(guó)內(nèi)企業(yè)已經(jīng)在逆變器行業(yè)已經(jīng)研究多年，已經(jīng)具備一定的規(guī)模和競(jìng)爭(zhēng)力。近

19、年來隨著我國(guó)相關(guān)發(fā)展政策的出臺(tái)和市場(chǎng)的發(fā)展，我國(guó)的新能源利用技術(shù)快步向前。</p><p>　　1.3課題研究的主要內(nèi)容及方法</p><p>　　本課題主要研究?jī)?nèi)容是設(shè)計(jì)一個(gè)逆變并網(wǎng)模擬裝置的軟件部分。根據(jù)技術(shù)要求設(shè)計(jì)DC/AC的逆變器。設(shè)計(jì)的逆變并網(wǎng)模擬裝置，它主要由逆變電路和濾波電路、檢測(cè)回路、控制系統(tǒng)組成；其中,檢測(cè)回路的檢測(cè)信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入控制系統(tǒng)，通過以單片機(jī)為控制核心的控

20、制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理后以實(shí)現(xiàn)頻率相位跟蹤、并網(wǎng)運(yùn)行、過流欠壓保護(hù)等功能。</p><p>　　（1）本系統(tǒng)中逆變電路（DC-AC）模塊采用調(diào)制SPWM波電路，通過正弦波與三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波經(jīng)過比較以后可以得到調(diào)制SPWM波。軟件需要編寫正弦波程序。</p><p>　?。?）調(diào)制SPWM波要能直接驅(qū)動(dòng)MOS管的導(dǎo)通，需要加驅(qū)動(dòng)電路。本設(shè)計(jì)采用IR2110柵極驅(qū)動(dòng)器將用來驅(qū)動(dòng)MOS管。只需加

21、上很少的分立元件和單路電源,IR2110 即可基于自舉驅(qū)動(dòng)原理構(gòu)成MOS管的驅(qū)動(dòng)電路。主電路采用全橋式MOS管電路，系統(tǒng)的無功功率損耗小。此部分由硬件控制，掌握電路基本原理。</p><p>　?。?）濾波電路采用簡(jiǎn)單電路設(shè)計(jì)：采用LC濾波電路，濾去高頻雜波，通過電感L和電容C適當(dāng)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。</p><p>　　（4）在欠壓過流保護(hù)模

22、塊中，采用霍爾傳感器檢測(cè)電流電壓，將檢測(cè)的信號(hào)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)，單片機(jī)處理之后發(fā)出封鎖信號(hào)進(jìn)行欠壓保護(hù)或進(jìn)行限流。需要編寫欠壓過流保護(hù)程序。</p><p>　?。?）頻率相位跟蹤模塊：檢測(cè)模擬電網(wǎng)信號(hào)和輸出信號(hào)，以模擬電網(wǎng)信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)兩路信號(hào)檢測(cè)結(jié)果，經(jīng)單片機(jī)分析處理，就可以實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤；將模擬電網(wǎng)和反饋信號(hào)相位接入單片機(jī)以后，單片機(jī)可以檢測(cè)到兩路信號(hào)的相位差，以模擬電網(wǎng)的相位為標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)據(jù)

23、處理，經(jīng)過反復(fù)比較和逐次逼近實(shí)現(xiàn)相位跟蹤。需要編寫頻率跟蹤和相位跟蹤程序。</p><p>　?。?）電路設(shè)計(jì)、仿真和編程分別使用Protel、Multisim和Keil等軟件。</p><p>　　1.4論文的主要內(nèi)容</p><p>　　設(shè)計(jì)一個(gè)逆變并網(wǎng)模擬系統(tǒng)的軟件部分，逆變并網(wǎng)模擬系統(tǒng)裝置硬件主要由以直流電源、逆變電路、濾波電路、檢測(cè)及保護(hù)電路、控制系統(tǒng)等部

24、分組成。系統(tǒng)由主控W77E58單片機(jī)產(chǎn)生正弦波與三角波比較得到SPWM波，經(jīng)過觸發(fā)器和光耦，專用的驅(qū)動(dòng)芯片來驅(qū)動(dòng)橋式逆變電路將直流電逆變?yōu)榉喜⒕W(wǎng)的電壓，再經(jīng)LC濾波送入市電電網(wǎng)；另一方面，檢測(cè)回路的檢測(cè)信號(hào)經(jīng)MAX197模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)控制核心，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行，過流欠壓保護(hù)功能；此外，通過采集逆變交流側(cè)電壓的信號(hào)與模擬并網(wǎng)信號(hào)送入主控單片機(jī)，比較后實(shí)現(xiàn)頻率相位跟蹤[2]。所以軟件部分主要包括三路正弦波程序；處理檢測(cè)回路輸

25、入的電壓電流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)過流欠壓保護(hù)功能；處理兩路頻率信號(hào)，實(shí)現(xiàn)頻率相位跟蹤。</p><p><b>　　2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　設(shè)計(jì)整個(gè)硬件系統(tǒng)有：直流逆變模塊，濾波電路模塊，檢測(cè)保護(hù)模塊，控制模塊，顯示模塊，SPWM波合成模塊，驅(qū)動(dòng)模塊等。對(duì)軟件設(shè)計(jì)而言正弦波產(chǎn)生、對(duì)電壓電流信號(hào)處理、對(duì)電網(wǎng)模擬信號(hào)頻率相位跟蹤是整個(gè)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究的關(guān)鍵所在

26、。整個(gè)硬件系統(tǒng)的大體框架如圖2-1所示：</p><p>　　圖2-1 硬件系統(tǒng)的總體框架圖</p><p>　　2.1 直流逆變模塊（DC-AC）</p><p>　　逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同可分為兩種:直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路。橋式逆變主電路的開關(guān)器件采用快速M(fèi)OS管6N60A，采用全橋式逆變電路。采用六個(gè)M

27、OS管6N60A組成全橋式主電路。兩個(gè)半橋上兩個(gè)快速M(fèi)OS管6N60A不能同時(shí)導(dǎo)通，以免發(fā)生短路故障燒壞電路和MOS管，驅(qū)動(dòng)部分還需要加入延時(shí)電路，采用的是先斷后導(dǎo)通的方法。即是先給應(yīng)關(guān)斷的器件關(guān)斷信號(hào)，待其關(guān)斷后留一定的時(shí)間裕量，然后再給相應(yīng)導(dǎo)通的器件發(fā)出開通信號(hào)，即是在兩者之間留一個(gè)短暫的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短視器件的開關(guān)速度而定，器件的開關(guān)速度越快，所留的死區(qū)時(shí)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(jié)構(gòu)

28、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(gè)電路的功耗較小。同一橋臂的上管導(dǎo)通時(shí)，下管一定處于關(guān)閉狀態(tài)，經(jīng)過延時(shí)之后保證上管關(guān)斷后才讓下管導(dǎo)通。同樣下管導(dǎo)通時(shí)，上管一定處于關(guān)閉狀態(tài)，延時(shí)之后保證下管關(guān)斷后才讓上管導(dǎo)通。導(dǎo)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(dǎo)電角度是180°，同一相上</p><p>　　圖2-2 全橋式逆變主

29、電路</p><p>　　2.2　SPWM波合成模塊</p><p>　　SPWM(Sinusoidal PWM),目前使用較廣泛的PWM法。采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)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(shí),其效果基本相同。SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ),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(guān)器件的通斷,使其輸出的脈沖電壓的面積與

30、所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等,通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。本設(shè)計(jì)中控制系統(tǒng)可以輸出三路正弦波。由單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的正弦波，與三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波經(jīng)過比較器比較以后就可以得SPWM波。單片機(jī)可以通過設(shè)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(jī)可以通過定時(shí)控制正弦波頻率，通過讀取正弦表的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)輸出正弦波的相位[4]。單片機(jī)控制系統(tǒng)輸出三路相位相差120o的正弦波信號(hào)用于SPWM

31、波的調(diào)制。該設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，精度高，相位易于控制，波形幅值可以調(diào)節(jié)且成本比較低，功耗較小。</p><p>　　滯回比較器輸出方波，方波經(jīng)過積分器，得到三角波。四個(gè)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(diǎn)是當(dāng)輸入信號(hào)逐漸增大或逐漸減小時(shí)，它有兩個(gè)閾值，且不相等，其傳輸特性具有“滯回”曲線的形狀。</p>

32、<p>　　單片機(jī)生成正弦波數(shù)字信號(hào)，經(jīng)DA芯片AD7528得到正弦波模擬信號(hào)。AD7528是雙通道、8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器。數(shù)據(jù)通過一個(gè)共用的8位TTL/CMOS兼容輸入端口,傳輸至兩個(gè)DAC數(shù)據(jù)鎖存器中的一個(gè)。每個(gè)DAC均具有單獨(dú)的基準(zhǔn)電壓輸入和反饋電阻控制輸入DAC A/DAC B確定數(shù)據(jù)載入哪一個(gè)通道DAC。該器件采用+5V至+15V電源供電,功耗小。</p><p>　　圖2-3為三角波產(chǎn)生電路。

33、</p><p>　　圖2-3 三角波產(chǎn)生電路圖</p><p>　　圖2-4為AD7528外部引腳圖：</p><p>　　圖2-4 DIP20封裝的AD7528引腳圖</p><p>　　圖2-5 AD7528工作時(shí)序圖</p><p>　　圖2-5為AD7528工作時(shí)序圖。當(dāng)CS和WR都為低電平時(shí)，AD7528的

34、模擬輸出端OUTA對(duì)DB0～DB7數(shù)據(jù)總線輸入端的活動(dòng)作出響應(yīng)。在此方式下，輸入鎖存器是透明的，輸入數(shù)據(jù)直接影響模擬輸出。當(dāng)CS或WR為高電平時(shí)，DB0～DB7輸入端上的數(shù)據(jù)被鎖存，直到CS和WR再次變?yōu)榈碗娖綖橹埂．?dāng)CS為高電平時(shí)，無論WR狀態(tài)如何，數(shù)據(jù)輸入被禁止。AD7528工作時(shí)序圖如上圖所示，單片機(jī)控制AD7528必須嚴(yán)格按照其工作時(shí)序，同時(shí)滿足各信號(hào)的建立和保持時(shí)間要求[5]。</p><p><

35、b>　　2.3 驅(qū)動(dòng)模塊</b></p><p>　　由于輸出的調(diào)制SPWM波驅(qū)動(dòng)能力比較弱，不能用來直接驅(qū)動(dòng)MOS管可靠的導(dǎo)通和關(guān)斷，所以需要另外加一部分驅(qū)動(dòng)電路，以保障電路的可靠運(yùn)行。采用先進(jìn)的集成驅(qū)動(dòng)芯片IR2110驅(qū)動(dòng)橋式電路。該類芯片因?yàn)槠鋬?nèi)部有高端懸浮自舉電路，可以大大減少驅(qū)動(dòng)供電電源的數(shù)量和種類。采用驅(qū)動(dòng)芯片IR2110驅(qū)動(dòng)，只需單電源供電，且工作電壓范圍比較寬+10V～+20V。

36、IR2110體積小巧，外部接線相對(duì)簡(jiǎn)單，而且不需要對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)供電，使得整個(gè)系統(tǒng)的可靠性大大提高。表2-1是其管腳的功能表：</p><p>　　表2-1 IR2110管腳的功能表</p><p>　　另外IR2110還有較高信號(hào)響應(yīng)時(shí)間，完全滿足軟件系統(tǒng)的技術(shù)要求。</p><p>　　圖2-6 輸入輸出信號(hào)時(shí)序圖</p><p>　　圖2

37、-7 開關(guān)時(shí)間定義圖</p><p>　　圖2-8 IR2110典型應(yīng)用電路圖</p><p>　　圖2-6為輸入輸出時(shí)序圖。圖2-7為開關(guān)時(shí)間定義圖。圖2-8為IR2110典型應(yīng)用電路圖。集成驅(qū)動(dòng)型芯片IR2110有以下優(yōu)點(diǎn)：體積小，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，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]?？沙浞趾?jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路的電源設(shè)計(jì)

38、。</p><p>　　2.4 濾波電路模塊</p><p>　　經(jīng)由橋式逆變主電路的輸出電流，會(huì)含有大量的高頻雜波，如果直接并網(wǎng)運(yùn)行則會(huì)對(duì)電網(wǎng)的電源質(zhì)量造成嚴(yán)重干擾，導(dǎo)致電網(wǎng)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。</p><p>　　采用LC濾波電路。圖2-9所示為L(zhǎng)C濾波電路。利用儲(chǔ)能元件電感器L的電流不能突變的特點(diǎn)，使輸出電流波

39、形較為平滑。能夠很好的實(shí)現(xiàn)濾波功能；電感L和電容C的適當(dāng)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(shí)現(xiàn)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(dòng)，該方案的缺點(diǎn)是實(shí)際中確定電感參數(shù)比較繁瑣，而且電感體積大,成本高。</p><p>　　圖2-9 LC濾波電路模型</p><p>　　2.5 檢測(cè)及保護(hù)模塊</p>

40、<p>　　檢測(cè)及保護(hù)模塊包括：A/D轉(zhuǎn)換電路，頻率相位跟蹤，過流保護(hù)，欠壓保護(hù)，SPWM波延時(shí)驅(qū)動(dòng)電路。在硬件上要求使系統(tǒng)可靠安全工作。此軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，檢測(cè)及保護(hù)模塊也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)部分。</p><p>　　2.5.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊</p><p>　　在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換的速度和精度又決定了采集系統(tǒng)的速度和精度。采用快速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAX197。MAX197

41、是Maxim公司推出的具有12位測(cè)量精度的高速A/D轉(zhuǎn)換芯片，只需單一電源供電，且轉(zhuǎn)換時(shí)間很短(6ms)，具有8路輸入通道，還提供了標(biāo)準(zhǔn)的并行接口：8位三態(tài)數(shù)據(jù)I/O口，可以和大部分單片機(jī)直接接口，使用十分方便。</p><p>　　對(duì)于模擬到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，時(shí)序要求非常嚴(yán)格，由于MAX197的數(shù)字信號(hào)輸出引腳是復(fù)用的，要正確讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果，時(shí)序要求尤其重要。在一次采樣開始前，可以通過單片機(jī)的8位數(shù)據(jù)線把這些控制字寫

42、入MAX197來初始化相應(yīng)的參數(shù)。然后按照一定的時(shí)序進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換。</p><p>　　MAX197無需外接元器件就可獨(dú)立完成A/D轉(zhuǎn)換功能。它可分為內(nèi)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(nèi)部采樣控制模式(控制位置0)中，由寫脈沖啟動(dòng)采樣間隔，經(jīng)過瞬間的采樣間隔(芯片時(shí)鐘為2MHz時(shí)，采樣間隔為3ms)，即開始A/D轉(zhuǎn)換。在外部采樣模式(D5=1)中，由兩個(gè)寫脈沖分別控制采樣和A/D轉(zhuǎn)

43、換。在第一個(gè)寫脈沖出現(xiàn)時(shí)，寫入ACQMOD為1，開始采樣間隔。在第二個(gè)寫脈沖出現(xiàn)時(shí)，寫入控制字ACQMOD為0，MAX197停止采樣，開始Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換。這兩個(gè)寫脈沖之間的時(shí)間間隔為一次采樣時(shí)間。當(dāng)一次轉(zhuǎn)換結(jié)束后，MAX197相應(yīng)的INT引腳置低電平，通知處理器可以讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。內(nèi)部采樣模式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)序?qū)τ谀M到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，時(shí)序要求非常嚴(yán)格，由于MAX197的數(shù)字信號(hào)輸出引腳是復(fù)用的，要正確讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果，時(shí)序要求尤其重要。在一次采樣開始

44、前，可以通過單片機(jī)的8位數(shù)據(jù)線把這些控制字寫入MAX197來初始化相應(yīng)的參數(shù)。然后按照一定的時(shí)序進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換。</p><p>　　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(nèi)部控制字來實(shí)現(xiàn)的，如通道選擇、模擬信號(hào)量程、極性等。MAX197的輸出數(shù)據(jù)采用無符號(hào)二進(jìn)制模式(單極性輸入方式)或二進(jìn)制補(bǔ)碼形式(雙極性輸入方式)。當(dāng)CS和RD都有效時(shí)，HBEN為低電平，低8位數(shù)據(jù)被讀出，HBEN為

45、高電平,復(fù)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(hào)位(在雙極性方式下)。以MAX197為核心的數(shù)據(jù)采集Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換電路具有外圍電路簡(jiǎn)單、與處理器并口兼容性好、時(shí)序控制簡(jiǎn)單易懂的特點(diǎn)，其變換時(shí)間短(6ms)，可靠性和性價(jià)比高，并且編程簡(jiǎn)單，比較適合實(shí)時(shí)性要求較高的大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)采集與高速A/D轉(zhuǎn)換使用。有8個(gè)模擬信號(hào)輸入端口，可通過程序選擇輸入通道，而且轉(zhuǎn)換速度快，轉(zhuǎn)換時(shí)間最短僅需6us，完全能夠滿足單片機(jī)每隔

46、90.9us采樣一次的要求，微秒級(jí)的轉(zhuǎn)換速度完全滿足設(shè)計(jì)的要求。MAX197的控制字功能如表2-2：</p><p>　　表2-2 MAX197的控制字功能表</p><p>　　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(nèi)部采集和外部采集模式較為常用。</p><p><b>　　內(nèi)部采集模式：<

47、;/b></p><p>　　通過寫入清零ACQMOD位(ACQMOD=0)的控制字選擇內(nèi)部采集模式。在這種模式下，一個(gè)寫脈沖將觸發(fā)一個(gè)內(nèi)部捕獲周期，并且此捕獲周期是內(nèi)部定時(shí)的，為6個(gè)時(shí)鐘周期。當(dāng)這六時(shí)鐘周期的捕獲間隔結(jié)束時(shí)轉(zhuǎn)換開始。轉(zhuǎn)換時(shí)間是12個(gè)時(shí)鐘周期，不論內(nèi)部或外部采集模式。</p><p><b>　　外部采集模式：</b></p>&l

48、t;p>　　用兩個(gè)獨(dú)立的寫脈沖控制捕獲和轉(zhuǎn)換的開始。第一脈沖，與ACQMOD=1一起，開始一個(gè)不確定長(zhǎng)度的捕獲間隔；第二個(gè)寫脈沖與ACQMOD=0一起終止捕獲并在寫脈沖的上升沿開啟一次轉(zhuǎn)換。然而，如果第二個(gè)控制字包含ACQMOD=1，一個(gè)不確定的捕獲間隔時(shí)間將被重新觸發(fā)。外部采集模式可以更加精確的控制采樣間隔并可獨(dú)立控制捕獲和轉(zhuǎn)換時(shí)間。</p><p>　　2.5.2 頻率相位跟蹤</p>&

49、lt;p>　　頻率和相位的信號(hào)采集原理：頻率相位跟蹤的實(shí)質(zhì)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(jiǎn)稱PLL。其作用是使得電路上的時(shí)鐘和某一外部時(shí)鐘的相位同步。因鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率對(duì)輸入信號(hào)頻率的自動(dòng)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(dāng)輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)的頻率相等時(shí)，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

50、，這就是鎖相環(huán)名稱的由來。由在交流輸出側(cè)互感產(chǎn)生的正弦信號(hào)變換為方波脈沖，這時(shí)的方波脈沖還不是標(biāo)準(zhǔn)的方波，再通過反向器進(jìn)行整形，即可得到標(biāo)準(zhǔn)方波脈沖用于頻率的檢測(cè)，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(cè)采集的信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)公網(wǎng)信號(hào)進(jìn)行同時(shí)采集送入單片機(jī)的外部中斷，這樣可以用來進(jìn)行相位跟蹤。圖2-10為頻率相位檢測(cè)電路原理圖。</p><p>　　圖2-10 頻率相位檢測(cè)電路原理圖</p>&l

51、t;p>　　由模擬電網(wǎng)電壓的參考電壓信號(hào)接入比較器LM339的同相端，LM339的反相端接地以實(shí)現(xiàn)過零比較，經(jīng)過比較的輸出信號(hào)為方波信號(hào)，將該方波信號(hào)接入反相器，經(jīng)整形后再接入主控單片機(jī)的計(jì)數(shù)器0，通過主控單片機(jī)的計(jì)數(shù)器0，測(cè)出模擬電網(wǎng)信號(hào)的頻率；同時(shí)通過另一檢測(cè)回路，反饋信號(hào)的頻率也能夠輕松測(cè)得。以模擬電網(wǎng)信號(hào)的頻率為標(biāo)準(zhǔn)，通過主控單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理后，輸出相位的控制信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤檢測(cè)。</p><p&g

52、t;　　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(hào)接入主控單片機(jī)的外部中斷INT0端口，通過中斷服務(wù)檢測(cè)到信號(hào)的下降沿，即就是模擬電網(wǎng)的正向過零點(diǎn)，這樣以來模擬電網(wǎng)的相位輕松測(cè)出。同理，反饋信號(hào)的相位也可以通過該檢測(cè)電路檢測(cè)實(shí)現(xiàn)。將模擬電網(wǎng)和反饋信號(hào)與相位信號(hào)接入主控單片機(jī)，主控單片機(jī)檢測(cè)到兩路信號(hào)的相位差，并記錄相位差的變化情況。主控單片機(jī)以模擬電網(wǎng)的相位為標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理控制輸出的電壓的頻率，經(jīng)過反復(fù)

53、比較和逐次逼近，以實(shí)現(xiàn)相位跟蹤[8]。</p><p>　　此方案中的比較器選擇LM339，該電壓比較器的特點(diǎn)是：</p><p>　?。╝）失調(diào)電壓小，典型值為2mV； </p><p>　?。╞）電源電壓范圍寬，單電源為2～36V，雙電源電壓為±1V～±18V； </p><p>　　（c）對(duì)比較信號(hào)源的內(nèi)阻限制較寬；

54、 </p><p>　?。╠）共模范圍很大，為0~（Ucc-1.5V）Vo； </p><p>　?。╡）差動(dòng)輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓； </p><p>　　（f）輸出端電位可靈活方便地選用。</p><p>　　LM339外部管腳功能如表2-3所示：</p><p>　　表2-3 LM339管腳的功能

55、表</p><p>　　LM339類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。LM339含有四個(gè)比較器。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端分別是同相端和反相端。</p><p>　　當(dāng)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(dāng)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(gè)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(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把LM3

56、39用在弱信號(hào)檢測(cè)等場(chǎng)合是比較理想的[9]。LM339的輸出端必須接一個(gè)上拉電阻，否則無法正常工作。上拉電阻阻值一般取3K～15K。</p><p>　　2.5.3 過流檢測(cè)</p><p>　　此系統(tǒng)需要檢測(cè)電流的地方有：逆變輸出交流側(cè)過電流檢測(cè)；這部分的電流檢測(cè)均采用霍爾電流傳感器，霍爾傳感器能夠間接地測(cè)量電流信號(hào)；將霍爾傳感器加在并網(wǎng)變壓器上，用于逆變輸出交流過流檢測(cè)，當(dāng)變壓器中流過

57、的電流增加時(shí)，霍爾元件兩端的電壓就會(huì)上升，將此電壓信號(hào)經(jīng)MAX197進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后送給主控單片機(jī)，由主控單片機(jī)處理之后進(jìn)行限流處理[10]。</p><p>　　霍爾電流傳感器是按照安培定律原理做成，即在載流導(dǎo)體周圍產(chǎn)生一正比于該電流的磁場(chǎng)，而霍爾器件則用來測(cè)量這一磁場(chǎng)。因此，使電流的非接觸測(cè)量成為可能。通過測(cè)量霍爾電勢(shì)的大小間接測(cè)量載流導(dǎo)體電流的大小。因此，電流傳感器經(jīng)過了電－磁－電的絕緣隔離轉(zhuǎn)換。</p

58、><p>　　2.5.4 欠壓檢測(cè)</p><p>　　欠壓檢測(cè)部分，這一部分就是檢測(cè)直流電源輸出的直流電壓，采集的信號(hào)用于采用電阻分壓，輸出0~5V電壓信號(hào)，此電壓信號(hào)經(jīng)MAX197 A/D轉(zhuǎn)換后送入主控單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；當(dāng)檢測(cè)到直流電源供電的電壓低于要求的欠壓保護(hù)的電壓時(shí)，由主控單片機(jī)輸出封鎖信號(hào)，立刻封鎖SPWM波的輸出，使得DC-AC模塊輸出電壓為零，實(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù)功能；當(dāng)電壓恢復(fù)正常

59、后，主控單片機(jī)再重新開啟SPWM波輸出，橋式逆變主電路又恢復(fù)正常逆變工作狀態(tài)。</p><p>　　2.5.5 SPWM波延時(shí)驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　驅(qū)動(dòng)橋式電路的MOS管選擇6N60A。6N60A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(guān)斷電力供應(yīng)，門極電壓,導(dǎo)通保持電壓低。導(dǎo)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

60、，只有10V。為了使得MOS管可靠的導(dǎo)通和安全關(guān)斷，必須保障一個(gè)橋臂不能出現(xiàn)同一時(shí)刻上下管同時(shí)導(dǎo)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(xiǎn)，所以采用上下橋路脈沖時(shí)序延遲電路進(jìn)行保護(hù)[11]。</p><p>　　經(jīng)由正弦波與三角波比較產(chǎn)生的SPWM波，其中每一路SPWM波都用來驅(qū)動(dòng)一個(gè)橋臂的上下兩個(gè)MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷，為了使上下兩路信號(hào)互差導(dǎo)通和關(guān)斷，設(shè)置的延路要達(dá)到使上橋臂導(dǎo)通在下橋臂關(guān)斷后的一段時(shí)間之

61、后，而上橋臂的關(guān)斷要在下橋臂開通之前的一段時(shí)間之前，即也就是下橋臂開通要在上橋臂關(guān)斷后的一段時(shí)間之后，如此反復(fù)。</p><p>　　這樣以來得到的上下兩路SPWM波的波形就如圖2-11：</p><p>　　圖2-11 SPWM波延驅(qū)動(dòng)波形圖</p><p>　　為了達(dá)到以上所說的功能，可以通過延時(shí)電路完成，將任何一路SPWM波用反向器分為兩路信號(hào)，用于一個(gè)橋臂上

62、下兩個(gè)MOS管的驅(qū)動(dòng)。將得到的兩路信號(hào)分別送入延時(shí)，放電電路，以C相為例，圖中TURN是單片機(jī)的控制信號(hào)，當(dāng)TURN為真時(shí)，SPWM波形可以順利輸出。當(dāng)欠壓保護(hù)時(shí)，單片機(jī)發(fā)送低電平可以封鎖信號(hào)輸出。</p><p>　　由下圖可知，根據(jù)需要選擇不同的延時(shí)時(shí)間T,兩路信號(hào)有著同樣的電路結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)電阻和一個(gè)電容構(gòu)成。按照其中一路進(jìn)行分析可知，電阻和電容構(gòu)成的RC電路，時(shí)間常數(shù)t=RC,則充電和放電的時(shí)間差=t1-t

63、2，而我們要選擇的死區(qū)時(shí)間為T=(4~5)。</p><p>　　SPWM波延時(shí)驅(qū)動(dòng)電路圖如圖2-12所示：</p><p>　　圖2-12 SPWM波延時(shí)驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　只要合理的選擇延遲時(shí)間，就可以使逆變觸發(fā)既要使得MOS可靠安全的導(dǎo)通，又要延時(shí)間隔相對(duì)較小，提高逆變效率。</p><p><b>　　2.6 控制

64、模塊</b></p><p>　　控制模塊以單片機(jī)為控制核心，采用快速單片機(jī)W77E58。</p><p>　　W77E58單片機(jī)是一款快速而且與8051兼容的微控制器，其內(nèi)核經(jīng)過重新設(shè)計(jì)，提高了時(shí)鐘速度和存儲(chǔ)器訪問周期速度，在相同的時(shí)鐘頻率下，其指令執(zhí)行速度是標(biāo)準(zhǔn)8051的1.5~3倍[12]；此外，在相同的吞吐量及低頻時(shí)鐘情況下，電源功耗也降低；另外，W77E58單片機(jī)內(nèi)含

65、32KB的EPROM，具有1KB隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。其外部引腳如圖2-13：</p><p>　　圖2-13 W77E58單片機(jī)外部引腳圖</p><p><b>　　特點(diǎn)：</b></p><p><b>　　(a)8位處理器；</b></p><p>　　(b)最高40M時(shí)鐘，4機(jī)器周期的指令執(zhí)行速

66、度；</p><p>　　(c)與標(biāo)準(zhǔn)8051兼容的管腳；</p><p>　　(d)與8051兼容的指令；</p><p>　　(e)4個(gè)8位I/O口；</p><p>　　(f)擴(kuò)展的4位I/O和等待信號(hào)線（44腳的PLCC或QFP封裝提供）；</p><p>　　(g)三個(gè)16位計(jì)數(shù)/時(shí)器；</p>

67、<p><b>　　(h)12級(jí)中斷；</b></p><p><b>　　(i)片上時(shí)鐘源；</b></p><p>　　(k)兩個(gè)增強(qiáng)的雙工串口；</p><p>　　(l)1K的片上外部存儲(chǔ)器；</p><p>　　(m)可編程看門狗；</p><p>　　

68、(n)兩個(gè)全速16位數(shù)據(jù)指針DPTR。</p><p>　　W77E58內(nèi)部含有兩個(gè)16位數(shù)據(jù)指針(DPTR和DPTRI)，大大加快了程序?qū)?shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的訪問，可以使W77E58更加靈活迅速的與RAM和外設(shè)交換數(shù)據(jù)。W77E58還包含1KB只能用MOVX指令訪問的片內(nèi)SRAM，這樣一般情況下不需要外擴(kuò)RAM，可以大大節(jié)約單片機(jī)的口線。W77E58具有3個(gè)16位定時(shí)器，其功能和8052系列相似。在用作定時(shí)器時(shí)，每個(gè)計(jì)

69、數(shù)周期可以設(shè)定為4個(gè)或12個(gè)時(shí)鐘周期。W77E58同時(shí)還具有看門狗定時(shí)器，用來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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。</p><p>　　W77E58與8052在管腳及指令集上兼容。它具有8052的資源如：4個(gè)雙向8位I/O口，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，全雙工串行和若干中斷源。</p><p>　　W77E58中

70、有一個(gè)更加快速，性能更好的8位CPU，它的內(nèi)核經(jīng)過重新設(shè)計(jì)，提高了時(shí)鐘速度和存儲(chǔ)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)的8052指令的機(jī)器周期從12個(gè)時(shí)鐘減少至4個(gè)時(shí)鐘。這樣性能就提高了1.5～3倍。另外W77E58還可調(diào)整MOVX指令的周期，范圍為2個(gè)機(jī)器周期～9個(gè)機(jī)器周期。這種設(shè)計(jì)使得W77E58能夠更有效的訪問慢速或快速外部RAM及外設(shè)。W77E58內(nèi)含1KB用MOVX 指令訪問的數(shù)據(jù)存

71、儲(chǔ)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(gè)片上SRAM。</p><p>　　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。8051每12個(gè)時(shí)鐘周期為一個(gè)機(jī)器周期，而W77E58每4個(gè)時(shí)鐘周期為一個(gè)機(jī)器周期。這樣提高了

72、W77E58的指令執(zhí)行速度。因此與8052相比即使在時(shí)鐘頻率相同的情況下W77E58也可以以更高速度運(yùn)行。由于采用全靜態(tài)CMOS設(shè)計(jì)，W77E58能夠在低時(shí)鐘頻率下運(yùn)行，在相同指令吞吐量的情況下，電源消耗也降低。</p><p>　　機(jī)器周期縮短至4個(gè)時(shí)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(shí)也具有一些新的外設(shè)及特性。</p><p><b&

73、gt;　　(1)I/O口</b></p><p>　　W77E58有4個(gè)8位I/O口，及一個(gè)附加的4位I/O口。當(dāng)處理器用MOVC或MOVX指令執(zhí)行外部程序、訪問外部設(shè)備/存儲(chǔ)器時(shí)，P0口可用作地址/數(shù)據(jù)總線。此時(shí)它內(nèi)部有強(qiáng)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(dāng)用作地址線時(shí)它同樣具有強(qiáng)上拉或下拉功能。P1、P3口是I/O口同時(shí)具有不

74、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(fù)用功能是等待狀態(tài)中的控制信號(hào)。當(dāng)?shù)却隣顟B(tài)控制信號(hào)使能后，P4.0是輸入口。</p><p><b>　　(2)串行口</b></p><p>　　W77E58有2個(gè)增強(qiáng)型串行口，功能與標(biāo)準(zhǔn)8052串行口相似。W77E58的串行口能以不同的方式運(yùn)行，以獲得時(shí)序相似。注意串行口0

75、可以用定時(shí)器1或2做波特率發(fā)生器，但串行口1只能用定時(shí)器1做波特率發(fā)生器。串行口有自動(dòng)地址識(shí)別和幀錯(cuò)誤檢測(cè)的增強(qiáng)功能。</p><p><b>　　(3)定時(shí)器</b></p><p>　　W77E58有3個(gè)16位定時(shí)器，其功能與8052體系中的定時(shí)器類似。當(dāng)作為定時(shí)器使用時(shí)，可將它們?cè)O(shè)置為每4個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行一次計(jì)數(shù)，或者每12個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行一次計(jì)數(shù)。這位用戶提供了模

76、擬8052時(shí)鐘運(yùn)行的一種方式。W77E58具有特殊的功能，看門狗定時(shí)器。該定時(shí)器可用作系統(tǒng)監(jiān)控器，或超長(zhǎng)周期定時(shí)器。</p><p>　　(4)W77E58中斷</p><p>　　W77E58的中斷系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)8052之中斷系統(tǒng)有細(xì)微的差別。由于存在新增功能和外設(shè)，中斷源的數(shù)量和中斷向量都相應(yīng)得增加。W77E58提供12個(gè)中斷源2級(jí)中斷能力，包括6個(gè)外部中斷，定時(shí)器中斷及串行I/O口中斷。

77、</p><p><b>　　(5)數(shù)據(jù)指針</b></p><p>　　在標(biāo)準(zhǔn)8052中只有一個(gè)16位數(shù)據(jù)指針（DPL，DPH）。在W77E58中還有一個(gè)16位數(shù)據(jù)指針（DPL1，DPH1）。這個(gè)數(shù)據(jù)指針位于標(biāo)準(zhǔn)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。</p><p>

78、;　　(6)片上數(shù)據(jù)SRAM</p><p>　　W77E58有1K字節(jié)的數(shù)據(jù)SRAM空間，它是可讀寫的并且是存儲(chǔ)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(duì)于片內(nèi)256字節(jié)暫存RAM和這些1K字節(jié)數(shù)據(jù)SRAM來說，不存在數(shù)據(jù)的沖突和重疊，因?yàn)樗麄冇胁煌膶ぶ贩绞胶蛦为?dú)的訪問指令。PMR寄存器中的DME0位來使能片上MOVX SRAM，在復(fù)位后DME0位為0，因此MO

79、VX SRAM是被關(guān)閉的，所有對(duì)0000H-FFFFH地址空間的訪問均為對(duì)外部SRAM的訪問。</p><p><b>　　(7)存儲(chǔ)器組織</b></p><p>　　W77E58將存儲(chǔ)器分為2個(gè)獨(dú)立的區(qū)域：程序存儲(chǔ)器區(qū)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器區(qū)。程序存儲(chǔ)器區(qū)用來存放程序代碼，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器區(qū)用來存放數(shù)據(jù)及存儲(chǔ)器映射的設(shè)備需要用到的數(shù)據(jù)。</p><p>&

80、lt;b>　　(8)程序存儲(chǔ)器</b></p><p>　　W77E58提供32KB大小的程序存儲(chǔ)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(chǔ)器。</p><p><b>　　(9)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器</b></p><p&g

81、t;　　W77E58最多可以訪問64KB的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。這個(gè)存儲(chǔ)器區(qū)域用MOVX指令來訪問。不同于其他8051的衍生產(chǎn)品，W77E58還內(nèi)建一個(gè)1KB字節(jié)的MOVX SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。這1KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址范圍為0000H-03FFH。對(duì)該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的訪問是受軟件控制的。當(dāng)軟件允許訪問該區(qū)域時(shí)，訪問地址范圍為0000H-03FFH的MOVX指令將讀寫MOVX SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的內(nèi)容。當(dāng)?shù)刂贩秶^03FFH后，系統(tǒng)將自動(dòng)訪問外

82、部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。當(dāng)軟件禁止訪問該區(qū)域時(shí)，該區(qū)域?qū)⒈挥成錇橥獠繑?shù)據(jù)存儲(chǔ)器。任何訪問地址為0000H-FFFFH的MOVX指令都將訪問到外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。這是W77E58默認(rèn)的運(yùn)行環(huán)境。另外W77E58還有標(biāo)準(zhǔn)的256字節(jié)暫存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shù)據(jù)量較小的場(chǎng)合。當(dāng)數(shù)據(jù)量較多時(shí)，可以考慮同時(shí)使用2個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。片上MOVX SRAM，同外部RAM一樣只可由MOVX指令來訪問

83、，但是片上MOVX SRAM擁有最快的訪問速度。</p><p>　　圖2-14 MAX197與處理器之間的硬件接口</p><p>　　圖2-14為MAX197與處理器之間的硬件接口。使單片機(jī)的P0.0～P0.7與MAX197的D0～D7相連。以P22作片選信號(hào)。選擇MAX197為軟件設(shè)置低功耗工作方式, 所以置 SHDN腳為高電平,本例采用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓, 所以REF、REFDJ均通過電

84、容接地。用P21腳用做判讀高、低位數(shù)據(jù)的選擇線,直接與HBEN腳相連, 因而讀低8位時(shí), MAX197的地址為OFCFFH,讀高4位時(shí), MAX197 的地址為OFDFFH。MAX197的INT腳與用戶接口中的XINT相連, 作為轉(zhuǎn)換識(shí)別信號(hào), 當(dāng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完畢時(shí),MAX197的INT腳產(chǎn)生中斷信號(hào),從而使處理器進(jìn)入INTO中斷處理程序進(jìn)行一路轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀入操作[13]。</p><p>　　2.7 DC/DC電源

85、模塊</p><p>　　因?yàn)椴捎霉怆姼綦x，所以不能在光耦的兩邊使用同一組電源。另放大器、單片機(jī)和集成驅(qū)動(dòng)芯片的電源要求也各有不同。電路圖中所示DC/DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器特點(diǎn)：寬電壓輸入范圍、效率高達(dá)82%、隔離1500VDC、短路保護(hù)（自恢復(fù)）、工作溫度范圍：-40℃～+85℃、內(nèi)部貼片化設(shè)

86、計(jì)、 阻燃封裝、MTBF＞1000000小時(shí)。圖2-15是該系列的電源模塊的典型應(yīng)用電路[14]。 </p><p>　　圖2-15 DC/DC電路圖</p><p><b>　　3 原理推導(dǎo)與計(jì)算</b></p><p>　　3.1 SPWM波產(chǎn)生原理</p><p>　　由主控快速單片機(jī)W77E58通過程

87、序?qū)崿F(xiàn)輸出數(shù)字量正弦波信號(hào)，經(jīng)由D/A轉(zhuǎn)換芯片AD7528轉(zhuǎn)換后輸出標(biāo)準(zhǔn)模擬正弦波信號(hào)，AD7528內(nèi)部集成了兩片D/A,而且數(shù)模轉(zhuǎn)換的精度可以達(dá)到1%以內(nèi)，工作電壓5V~15V方便使用，輸出驅(qū)動(dòng)能力兼容TTL和CMOS電平。</p><p>　　此時(shí)正弦波信號(hào)幅值小，驅(qū)動(dòng)能力弱，需要經(jīng)過進(jìn)一步放大。另一路為三角波產(chǎn)生電路：滯回比較器的輸出經(jīng)過積分之后，得到三角波。三角波和正弦波經(jīng)過過零比較后得到SPWM波。為保

88、證輸出的SPWM波準(zhǔn)確可靠，在產(chǎn)生三角波的同時(shí)采用同頻率和周期的方波信號(hào)，通過鎖存觸發(fā)器4044后可對(duì)輸出的SPWM波進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和封鎖信號(hào)的保護(hù)。</p><p>　　PWM的全稱是Pulse Width Modulation，也即是脈寬調(diào)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(dòng)機(jī)調(diào)速和閥門控制，比如我們現(xiàn)在的電動(dòng)車電機(jī)調(diào)速就是使用這種方式。</p><p>　　

89、SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的，目前使用較廣泛的PWM法。采樣控制理論中的有一個(gè)重要結(jié)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(shí)，其效果基本相同。SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)。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(guān)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(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅

90、值[15]。</p><p>　　在進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí)，使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來安排。當(dāng)正弦值為最大值時(shí)，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔則最小，反之，當(dāng)正弦值較小時(shí)，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(fù)載電流中的高次諧波成分大為減小，稱為正弦波脈寬調(diào)制。</p><p>　　由于微機(jī)技術(shù)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(yīng)運(yùn)而

91、生。軟件生成法其實(shí)就是用軟件來實(shí)現(xiàn)調(diào)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(shè)計(jì)采用軟件產(chǎn)生正弦波，利用硬件產(chǎn)生三角波，二者比較得到SPWM。</p><p>　　圖3-1波形稱為單極性SPWM波形，根據(jù)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(shí)際應(yīng)用中更為廣泛。</p><p>　　圖3-1 單極

92、性PWM控制方式波形</p><p>　　圖3-2 雙極性PWM控制方式波形</p><p>　　圖3-3 調(diào)制波正弦波和載波三角波</p><p>　　圖3-4 合成的SPWM波形</p><p>　　從圖3-3和圖3-4，可以很清楚地看出來，當(dāng)正弦波電平高于三角波時(shí)，SPWM波形輸出高電平。反之，當(dāng)正弦波電平低于三角波時(shí)，SPWM波形輸出

93、低電平。</p><p>　　3.2 頻率相位檢測(cè)</p><p>　　將檢測(cè)的信號(hào)經(jīng)LM339正相過零比較得到方波信號(hào)，經(jīng)過比較以后，LM339輸出端的信號(hào)為方波信號(hào)，將該信號(hào)接入反相器反相整形后分別接入連接單片機(jī)P3.4（T0）端和P3.5（T1）端，考慮到正弦波的頻率較低，采用“T”法測(cè)量，當(dāng)P3.4檢測(cè)到一個(gè)上升沿跳變時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器0，采用方式1計(jì)數(shù)，考慮到正弦波的周期為在18

94、.2ms～22.2ms之間，方式1計(jì)數(shù)溢出需要65.5ms，故無需打開計(jì)數(shù)器0中斷；當(dāng)下一個(gè)上升沿跳變來臨時(shí)，停止計(jì)數(shù)器0，由于計(jì)數(shù)器每計(jì)數(shù)一次耗時(shí)1us，將計(jì)數(shù)器0的寄存器TH0和寄存器TL0數(shù)據(jù)取出后就可以算出頻率，公式如下：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　當(dāng)將模擬電網(wǎng)和反饋信號(hào) .. 的頻率測(cè)出以后，以模擬電網(wǎng)信號(hào)的頻率為標(biāo)

95、準(zhǔn)，通過單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理后，調(diào)節(jié)單片機(jī)輸出控制的正弦波頻率，就可以實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤。</p><p>　　相位跟蹤原理與頻率跟蹤原理比較類似，不同的是需要將兩路輸出信號(hào)分別接入一個(gè)單穩(wěn)態(tài)電路，出來后進(jìn)入或門，再將或門的輸出接入主控單片機(jī)的外部中斷0；相位檢測(cè)需要將得到的方波脈沖經(jīng)觸發(fā)器得到有效的上升沿信號(hào)，接入主控單片機(jī)W77E58的外部中斷INT0進(jìn)行相位檢測(cè)。其中，限幅電路采用兩個(gè)二極管1N4148，反相整形器件

96、選擇兩個(gè)74LS14進(jìn)行信號(hào)整形處理。</p><p>　　兩路信號(hào)的信號(hào)相位不同，或門輸出高電平,使單片機(jī)產(chǎn)生中斷。此時(shí)，P3.4和P3.5作為檢測(cè)模擬電網(wǎng)的正向過零點(diǎn)和反饋信號(hào)的正向過零點(diǎn)，這樣模擬電網(wǎng)和反饋信號(hào)的相位都可以測(cè)出，并且可以計(jì)算出兩路信號(hào)的相位差，以模擬電網(wǎng)的相位為標(biāo)準(zhǔn)，分兩種情況實(shí)現(xiàn)相位跟蹤：1.調(diào)相位，實(shí)際相位差與標(biāo)準(zhǔn)相位差進(jìn)行比較，如果實(shí)際相位差大，調(diào)節(jié)輸出正弦波相位；2.逐步調(diào)頻率，如果

97、比較后發(fā)現(xiàn)，兩者的相位差距不大，通過主控單片機(jī)程序控制進(jìn)行正弦波頻率控制。</p><p>　　在相位檢測(cè)跟蹤過程中要實(shí)現(xiàn)不斷的與電網(wǎng)參考相位進(jìn)行比較，判斷兩者相位之差是超前還是滯后，將根據(jù)差異大小來判斷是否要進(jìn)行正弦波相位調(diào)整。所以在檢測(cè)是否有過零脈沖的同時(shí)還需要將兩路比較信號(hào)分別送入主控單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)比較，以實(shí)現(xiàn)真正的相位檢測(cè)和跟蹤。</p><p>　　兩個(gè)信號(hào)頻率不同時(shí)，沒有固定相

98、位差。 一般要計(jì)算相位差的，都是相同頻率的。不同頻率的振動(dòng)，算出來的相位差也沒有什么意義。由以下的推導(dǎo)可以看出：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　以上為兩個(gè)不同的正弦波信號(hào)，我們假設(shè)一個(gè)為逆變輸出信號(hào)，一個(gè)是電網(wǎng)信號(hào)。所以可以看出兩信號(hào)的相

99、位差為</p><p><b>　　（3-4）</b></p><p>　　由此可以得到以下結(jié)論：只有當(dāng)兩個(gè)信號(hào)的角頻率相等時(shí)，兩信號(hào)的相位差才是恒值。計(jì)算出超前或滯后的時(shí)間t，就可以通過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，調(diào)節(jié)輸出正弦波的頻率和相位，實(shí)現(xiàn)相位跟蹤。</p><p><b>　　3.3 過流檢測(cè)</b></p>

100、;<p>　　過流大多數(shù)是指某種原因引起的負(fù)載過載。通過互感變壓器連接到電網(wǎng)時(shí)，用霍爾電流檢測(cè)元件檢測(cè)電網(wǎng)側(cè)電流的變化，以實(shí)現(xiàn)過電流檢測(cè)和保護(hù)功能。由于檢測(cè)單相信號(hào)，所以選擇單相半波整流電路整流輸出直流信號(hào)，便于通過A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX197轉(zhuǎn)換后送入主控單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。霍爾電流檢測(cè)元件采集到的變化的電壓信號(hào)，經(jīng)由1N4148進(jìn)行單相半波整流，信號(hào)濾波后送入TL084進(jìn)行信號(hào)的穩(wěn)定，將輸出信號(hào)送入MAX197經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換

101、后進(jìn)入主控單片機(jī)，通過程序處理完成過流檢測(cè)[20]。</p><p><b>　　3.4 欠壓檢測(cè)</b></p><p>　　直流電源輸出電壓的檢測(cè)，由電阻分壓采集到的直流電壓信號(hào)送入快速A/D轉(zhuǎn)換器MAX197，經(jīng)轉(zhuǎn)換后將信號(hào)送入主控單片機(jī)，單片機(jī)實(shí)時(shí)將采集回來的信號(hào)與片內(nèi)程序給定的電壓低限值進(jìn)行比較，當(dāng)檢測(cè)值低于程序設(shè)定最低電壓值時(shí)，單片機(jī)立刻送出信號(hào)封鎖逆變橋

102、的輸出保護(hù)電路。</p><p>　　4 系統(tǒng)電路及程序設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)</p><p>　　該系統(tǒng)主要由主控制模塊，DC-AC逆變模塊，SPWM波合成模塊，驅(qū)動(dòng)模塊，濾波模塊，檢測(cè)模塊組成。</p><p>　　DC-AC逆變模塊實(shí)現(xiàn)過程：主控快速單片機(jī)輸出正弦波信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)兩個(gè)D/A轉(zhuǎn)換芯片AD7528的轉(zhuǎn)

103、換成模擬量的正弦波信號(hào)。該模擬信號(hào)幅值和功率很小，而且不夠平滑，經(jīng)放大電路處理之后幅值和功率得到放大而且波形更加平滑；由兩片TL084組成的滯回比較器和積分器產(chǎn)生的三角波信號(hào)。正弦信號(hào)和三角波信號(hào)在LM339進(jìn)行疊加和過零比較后得到SPWM波脈沖。如果將此SPWM波直接用來驅(qū)動(dòng)橋式電路，可能出現(xiàn)同一橋臂的開關(guān)元件同時(shí)導(dǎo)通，造成短路，元件損壞，故在輸出的SPWM波驅(qū)動(dòng)橋式電路之前先進(jìn)行上下橋脈沖延時(shí)。而且為了進(jìn)一步保護(hù)電路有必要用光耦實(shí)現(xiàn)

104、強(qiáng)電和弱點(diǎn)隔離。也即是SPWM波經(jīng)過延時(shí)保護(hù)電路，經(jīng)過光耦，輸入驅(qū)動(dòng)芯片IR2110，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)MOS管，從而實(shí)現(xiàn)將直流逆變?yōu)楣W(wǎng)頻率的交流。</p><p>　　檢測(cè)模塊要實(shí)現(xiàn)過程：頻率相位檢測(cè)與跟蹤，交流側(cè)過電流檢測(cè)。</p><p>　　頻率相位檢測(cè)實(shí)現(xiàn)過程：是檢測(cè)模擬并網(wǎng)側(cè)的電壓的相位和頻率，將檢測(cè)到的電壓信號(hào)送入LM339進(jìn)行過零比較，再通過反相器進(jìn)行整形即可得到同頻率的脈沖信號(hào)，

105、將此脈沖信號(hào)送入主控單片機(jī)計(jì)數(shù)器T0，通過采集和程序處理即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)側(cè)頻率的檢測(cè)[17]。</p><p>　　4.2 橋式逆變主電路</p><p>　　根據(jù)前文分析和綜合資料，得到橋式逆變電路的主回路的結(jié)構(gòu)圖，可以設(shè)計(jì)為圖4-1形式。</p><p>　　圖4-1 （a）橋式逆變主電路圖</p><p>　　其中所用開關(guān)器件可以是晶體管

106、、MOS管，也可以是IGBT，而且不論P(yáng)型或N型，P溝或N溝。應(yīng)用中也可以采用圖4-2所示電路形式：</p><p>　　圖4-2 （b）橋式逆變主電路圖</p><p>　　4.3 主控單片機(jī)電路</p><p>　　控制方案中由于考慮到信號(hào)的采集和反饋的響應(yīng)電間，采用了快速單片機(jī)W77E58。該單片機(jī)不僅處理快速而且與8051兼容的微控制器，此外，在相同的吞吐量

107、及低頻時(shí)鐘情況下，電源功耗也降低。這也就為整個(gè)系統(tǒng)的快速性和準(zhǔn)確性提供了可靠的保障，圖4-3和圖4-4為W77E58單片機(jī)與其它外圍設(shè)備的連接。</p><p>　　圖4-3 W77E58外圍接線圖</p><p>　　圖4-4 MAX外圍接線圖</p><p>　　4.4 檢測(cè)及保護(hù)電路</p><p>　　這一部分共有四個(gè)部分，分別為：直