太阳能电池系统逆变电源的设计.doc

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1、太阳能电池系统逆变电源的设计Solar cell system of inverter power supply design摘 要随着传统的三大化石能源日渐枯竭，绿色能源的开发和利用将会得到空前的发展，太阳能作为世界上最清洁的绿色能源之一，起并网发电备受世界各国普遍关注。而光伏并网发电系统的核心部件，如何可靠的高质量地向电网输送功率尤为重要，因此在可再生能源并网发电系统中起点能变换作用的逆变器成为了研究的一个热点。为此本文仍然采用“全桥逆变+LC滤波”的逆变电源设计方案。整个系统设计分为直流升压电路、SPWM波形产生电路、H桥驱动及逆变电路、欠压过流保护电路。在SPWM波形产生环节，本文采用

2、脉宽调制芯片SG3525的为核心。产生50Hz的正弦波基准信号。然后经过精密整流、放大等处理输入到SG3525的补偿信号端，从而输出SPWM波。最后进行死区延时，输入到驱动电路中。在驱动电路设计环节中，本文采用两片IR2111半桥驱动芯片构成全桥驱动电路。输出侧逆变电路中开关管选用耐压值高的MOSFET。用MSP430F169单片机对输入、输出进行采样，实时监控是否欠压、过流，进行保护动作。最后，给出额定功率为300W（输入电压12V输出交流220V）的单相逆变器样机的试验波形。关键词：光伏电源；SG3525；IR2111；逆变器；SPWM- I -AbstractIn recent year

3、s, photovoltaic technology has broad application. As our countrys new energy law enacted, the photovoltaic power system in our country will have a broader space for development. Inverter is an important component in PV system. Its performance has great influence on the application of photovoltaic sy

4、stem. Currently, the domestic pure sine wave output inverter mainly uses 50Hz transformer for raising the output voltage, this paper is still developed an inverter by using the “Full-bridge circuit + LC filter” design proposal. The whole system is divided into SPWM waveform generator circuit, H brid

5、ge driver circuit and the inverter circuit, low voltage and over-current protection circuit.In SPWM waveform generation part, this paper uses SG3525 PWM chip core. The bridge oscillation circuit generates 50Hz sine reference signal. After this signal precision rectification, amplification and other

6、processing of the compensation signal input to the SG3525-side, so this part output the SPWM wave. Finally, the SPWM signals enter into the driving circuit after dead-time delay.In the design of drive circuit part, using two IR2111 half-bridge driver chips constitute a full-bridge driver circuit. Th

7、e output side of inverter switch circuit selects high voltage value MOSFET. Then through MSP430F169 microcontrller to the mains for household appliances. Testing the samples of the input and output voltage, real-time monitoring is under-voltage, over current, protection action.Finally, rated power f

8、or 300W (Input voltage 12V, Output communication 220V) single-phase ac inverter prototype test waveforms have been given.Key Words：photovoltalc power；SG3525；IR2111； Inverter；Sinusoidal pulse-width modulation- 33 -目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1能源现状11.2太阳能及太阳能发电11.2.1光伏发电基本原理11.2.2 光伏发电系统的分类21.3逆变电源的基本工作

9、原理31.3.1太阳能光伏发电系统对逆变电源的要求41.4课题内容4第2章 总体设计方案52.1独立光伏发电的组成52.2光伏发电系统容量的设计52.2.1蓄电池的特性52.3方案论证比较62.3.1 DC-DC变换器的方案论证选择62.3.2 DC-AC变换器的方案论证选择82.3.3逆变电源的系统结构9第3章 DC-DC变换器硬件设计113.1直流升压电路设计113.1.1升压环节113.1.2控制电路设计113.1.3 PWM控制芯片123.2输出滤波电路的设计133.3保护电路143.3.1过流保护电路143.3.2隔离反馈电路143.4电路参数153.4.1整流器件选择153.4.2

10、功率管MOSFET选取163.4.3其它参数16第4章 DC-AC逆变电路硬件设计174.1正弦脉宽调制SPWM的原理与实现174.1.1规则采样法及死区时间184.2 SPWM控制电路的设计204.1.1 IR2111芯片介绍204.2.2逆变电路的设计214.3单片机采集与控制电路设计224.3.1 MSP430系列单片机的特点224.3.2 MSP430单片机结构概述224.3.3 PIO端口234.3.4 MSP430F169单片机介绍234.3.5单片机主系统电路244.3.6 12864LCM显示电路254.3.7按键电路264.3.8单片机定时器264.4交流电压测量电路28第5

11、章 软件设计305.1主程序设计305.2 SPWM软件实现305.3单片机控制程序31结 论32参考文献33附录A 电路图34致 谢35第1章 绪论1.1能源现状随着社会生产的日益发展，人类步入了21世纪，社会发展对能源的需求大幅度提高，全球范围内的能源危机也日益突出。传统的能源，尤其是煤炭、石油、天然气三大化石燃料更是有限，不合理地使用传统能源，它们在21世纪内就会濒临枯竭，产生能源危机，还会造成全球的环境问题。这类常规能源不仅枯竭有期，不能再生，它的利用还带来了温室效应和环境污染等问题。能源危机已经成为制约社会发展的重要问题。目前，开发利用可再生绿色能源是解决能源问题的一个重要途径。开发

12、和利用新能源己成为迫在眉睫的重要课题。随着化石能源的减少，其价格也会提高，将会严重制约生产的发展和人民生活水平的提高。在矿物资源有限，并且污染愈演愈烈阻碍人类发展的情况下，发展清洁、高效、有再生循环能力的环保新能源己成为科学发展的必然。因此自然能发电技术的应用受到越来越普遍的重视，洁净廉价的太阳能正适合作为可再生的替代能源。1.2太阳能及太阳能发电1.2.1光伏发电基本原理太阳能电池的原理是基于半导体的光生伏特效应。当适当波长的光照射到半导体系统上，系统吸收光能后两端产生电动势，这种现象就称为光生伏特效应。如图1-l所示，当光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的PN结上时，

13、在一定条件下，光能被半导体吸收后，产生电子一空穴对。由于PN结势垒区存在较强的内建静电场，在内建电场的作用下光生的电子和空穴被分离，各向相反方向作漂移运动，于是PN结两端出现正负电荷的积累，形成“光生电压”，这就是PN结的光生伏特效应。如果在内建电场的两侧引出电极，再接上负载，则负载就有“光生电流”流过，只要光照不停止，就会不断有电流流过电路。图1-1光生伏特效应原理图1.2.2 光伏发电系统的分类从结构特征上看，太阳能光伏发电系统可分为三种基本类型：独立运行、并网型和混合型光伏发电系统。(1)独立运行光伏发电系统 独立运行光伏发电系统的结构如图l-2所示，在独立运行系统中，蓄电池作为储能单元

14、一般是不可以少的，它将由日照时发出的剩余的电能储存起来供日照不足或没有日照时使用。为了延长蓄电池的寿命，直流控制中应具有一个调节和保护环节来控制蓄电池的充放电过程的速率和深度。图1-2独立运行光伏发电系统(2)并网型光伏发电系统在有公用电网的地区，光伏发电系统可以同电网连接，这要求逆变器具有同电网连接的功能，系统组成如图1-3所示，并网型光伏系统的优点是系统可以省去蓄电池而将电网作为自己的储能单元。当日照很强时，系统将所发的多余电能经并网逆变器变为符合所接电网电能质量要求的交流电回馈入电网，而当需要用电时再从电网输出电能。省去蓄电池后光伏发电系统的造价可以大幅度降低。图1-3并网型光伏发电系统

15、(3)混合型光伏发电系统混合型光伏发电系统是在系统中增加一台备用发电机组，当光伏阵列发电不足或蓄电池容量不足时，可以启动备用发电机组，它既可以直接给交流负载供电，又可以经整流后给蓄电池补充充电，如图1-4所示。在混合系统中，还可以由两种可再生能源发电技术构成混合系统。最常见的是风/光互补系统。图1-4混合型光伏发电系统1.3逆变电源的基本工作原理逆变电源的拓扑结构很多，各自的工作过程不完全相同，不过最基本的逆变过程是相同的。下面以最基本的单相桥式逆变电路为例，说明逆变器的“逆变”过程。单相桥式逆变电路如图2-2所示，T1，T2，T3，T4是桥式逆变器电路的4个功率管，由电力电子器件及辅助电路组

16、成。输入直流电压为Vcc，Z代表逆变器负载。当开关T1、T4接通时，电流流过Tl、Z和T4，负载上的电压极性是左正右负；当开关Tl、T4断开，T2、T3接通时，电流流过T2、Z和T3，负载上的电压极性反向，把直流电变成了交流电。改变两组开关的切换频率就可以改变输出交流电频率，得到正负半周对称的交流方波电压。负载为纯阻性时，负载电流电压波形相同，相位相同；负载为感性时，电流滞后于电压，波形也不尽相同。图1-5桥式逆变原理图1.3.1太阳能光伏发电系统对逆变电源的要求逆变电源将太阳能电池的直流输出电能或蓄电池的放电电能转化为交流电能供用户使用。它是光伏系统的关键部件之一，通常对逆变电源要求较高:1

17、要求具有较高的转换效率；2要求具有较高的可靠性；3要求直流输入电压有较宽的适应范围；4在中大容量的光伏发电系统中，逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波。1.4课题内容在国内光伏逆变器行业，户用光伏发电系统具有标准化和兼容性等优点，市场潜力非常大。然而市场上专用于光伏发电的逆变电源产品却不胜理想。很多价格便宜的产品均是方波输出，或者修正的正弦波输出，应用场合受到很大限制。而纯正弦波输出的逆变电源产品中，很多生产厂家仍然在推广工频变压器形式输出，体积大且价格较贵。所以，本文围绕光伏发电系统的组建展开，重点研究了如何通过电力电子技术开发一个高性能、纯正弦波输出的独立光伏发电系统逆变电源。本论文具体研

18、究内容如下：1研究了组建独立光伏发电系统所做的工作，对系统容量设计进行了讨论 2独立光伏发电系统逆变电源整体架构，拓扑结构和控制方案分析。3根据系统设计目标，设计了300W纯正弦波输出逆变电源。对主电路、控制电路、滤波电路及器件参数选择几个设计中的主要环节做了详细介绍。4运用软件设计完成系统的大部分功能，在产生SPWM波形的同时，实现对系统的监控和各种保护，使得系统安全可靠运行。第2章 总体设计方案2.1独立光伏发电的组成太阳能光伏发电系统的典型结构框图如图1-2所示，主要由太阳能电池方阵，蓄电池组，控制器和逆变器四部分构成。2.2光伏发电系统容量的设计光伏系统容量设计的目的是要计算出系统在全

19、年内能可靠工作所需要的太阳电池组件和蓄电池的数量，同时在满足系统工作最大可靠性的基础上尽量减少系统成本。本论文设计目标是要组建一 个300W的光伏发电系统。2.2.1蓄电池的特性为了量化评估太阳光连续低于平均值的情况，需要引进一个参数：自给天数，即系统在没有任何外来能源的情况下负载仍然能正常工作的天数。一般来说，自给天数由两个因素决定：负载对电源的要求程度和光伏系统安装处的最大连续阴雨天数。通常，负载对电源要求不是很严格的应用场合，自给天数取3-5天；负载要求很严格的府用场合取7-14天。A最大允许放电深度：一般来说，浅循环蓄电池的最大允许放电深度为50，而深循环蓄电池的最大循环放电深度为80

20、。如果在严寒地区，考虑到防冻问题，设计时要适当减小这个值，扩大蓄电池容量，以延长蓄电池的使用寿命。如图2-1为铅酸蓄电池最低温度-最大放电深度曲线。图2-1蓄电池最低温度-最大放电深度曲线图B温度修正因子：当温度降低时，蓄电池容量会减小。温度修正是为了保证蓄电池容量大于按照25标准情况算出来的容量，从而满足实际负载的用电需求。温度修正因子要在指定放电率下根据供应商提供的数据来选择。C指定放电率是考虑到慢的放电率将会从蓄电池得到更多的容量。蓄电池容量随着放电率改变而改变，放电率降低时容量会相应增加，一般取平均放电率。以一个小型光伏发电系统为例，负载每天耗电为5KWh天，负载平均工作时间l0h。系

21、统所处地平均最低温度为-10，选择自给天数为5天，蓄电池选用深度循环电池，放电深度为80。设逆变器效率为90，输入直流电压为24V。则计算的日平均负载需求为5000Wh(9024V)=231.48Ah。系统所在地平均最低温度-10，则根据图2-1铅酸蓄电池最大放电深度-温度曲线，选放电深度为70。则由2-2式得平均发电率= (5d10h)0.7=71.4小时率。典型温度-放电率-容量变化图，与平均放电率接近的为50小时率，-10时在该放电率下温度修正因子为0.8，因此蓄电池容量为：蓄电池容量=(5231.48)（0.70.8）Ah=2066.79Ah如果选用12V，200Ah的蓄电池，则串联蓄

22、电池数=24V12V=2，并联蓄电池数=2066.79Ah200Ah=10.3，取整数11。2.3方案论证比较2.3.1 DC-DC变换器的方案论证选择方案一：推挽式DC-DC变换器。推挽电路是两不同极性晶体管输出电路无输出变压器，是两个参数相同的功率BJT管或MOSFET管，以推挽方式存在于电路中，各负责正负半周的波形放大任务。电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小效率高。推挽输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。推挽式拓扑电路结构简单，如图2-2所示，可以看成两个完全对称的单端正激式变换器的组合。因此变压器铁芯是双向磁化的，相同铁芯尺寸下，推挽电路比正激式

23、电路输出更大的功率。但电路必须有良好的对称，否则铁芯容易引起直流偏磁饱和，另外，由于变压器原边漏感的存在，使主功率管必须承受超过两倍电源电压，因此功率管电压尖峰很大，承受较大电压应力，适合低压大电流场合。图2-2推挽式DC-DC隔离变换拓扑图推挽电路需要采用高频变压器形式：即三级结构(DC-AC-DC-AC)如图2-3所示。主电路分为高频升压和工频逆变，系统相对复杂。DC-AC-DC部分：首先将直流电压逆变成高频方波，经高频变压器升压，再整流滤波得到一个稳定的315V高压直流电。DC-AC部分：高压直流通过工频逆变电路实现逆变得到220V交流电。系统逆变效率可以达到80以上，由于这种电路形式采

24、用了高频变压器，体积、重量、噪音等均明显减小。该电路的缺点是电路相对复杂。 图2-3高频变压器形式主电路升压环节实际上是DC-DC开关电源，DC-DC变换器的拓扑很多，这里的DC-DC变换器是作为逆变电源的直流升压环节，需要有电气隔离。因此这里采用推挽式隔离DC-DC电路。方案二：Boost升压式DC-DC变换器。拓扑结构如图2-4所示。开关的开通和关断受外部PWM信号控制，电感L将交替地存储和释放能量，电感储能后使电压泵升，而电容C可将输出电压保持平稳，通过改变PWM控制信号的占空比可以相应实现输出电压的变化。该电路采取直接直流升压，电路结构较为简单，损耗较小，效率较高。图2-4 Boost

25、升压电路拓扑结构方案比较：方案一和方案二都适用于升压电路，推挽式DC-DC变换器可由高频变压器将电压升至任何值。Boost升压式DC-DC变换器不使用高频变压器，会使得升压环节电路设计比较简单，符合自身的实际。所以采用方案二。2.3.2 DC-AC变换器的方案论证选择方案一：半桥式DC-AC变换器。在驱动电压的轮流开关作用下，半桥电路两只晶体管交替导通和截止，它们在变压器T原边产生高压开关脉冲，从而在副边感应出交变的方波脉冲,实现功率转换。半桥电路输入电压只有一半加在变压器一次侧，这导致电流峰值增加，因此半桥电路只在500W或更低输出功率场合下使用，同时它具有抗不平衡能力，从而得到广泛应用。半

26、桥式拓扑结构原理图如图2-5所示。图2-5半桥式逆变拓扑结构图方案二：全桥DC-AC变换器。全桥电路中互为对角的两个开关同时导通，而同一侧半桥上下两开关交替导通，将直流电压成幅值为Vin的交流电压，加在变压器一次侧。改变开关的占空比，也就改变了输出电压Vout。全桥式电路如图2-6所示。图2-6全桥式逆变拓扑结构图方案比较：方案一和方案二都可以作为DC-AC变换器的逆变桥，由两者的工作原理可知，半桥需要两个开关管，全桥需要四个开关管。半桥和全桥的开关管的耐压都为VDC,而半桥输出的电压峰值是VDC的一半，全桥输出电压的峰值是VDC，所以在获得同样的输出电压的时候，全桥的供电电压可以比半桥的供电

27、电压低一半。出于这点的考虑，决定采用方案二。2.3.3逆变电源的系统结构如图2-7为逆变电源系统结构图。输入的直流信号经过直流升压后滤波，得到高压直流，再经过逆变电路输出交流。直流升压采用Boost电路，经过SG3525芯片进行PWM控制完成DC-DC变换，再经过整流滤波电路得到220V直流电。后级采用单相全桥逆变电路，采用SPWM控制，再通过滤波电路得到220V/50Hz交流输出。图2-7逆变电源系统结构图第3章 DC-DC变换器硬件设计3.1直流升压电路设计3.1.1升压环节本文采用的Boost升压电路是一种开关直流升压电路，它可以是输出电压比输入电压高。电路中电感的作用是将电能和磁场能相

28、互转换的能量转换器件，肖特基二极管主要起隔离作用，电路如图3-1所示。图3-1 Boost升压电路图3.1.2控制电路设计本系统的DC-DC变换器中选择电流型控制方案。图3-2为电流控制型变换器的原理框图。它增加了一个电流反馈环节，把电流信号作为PWM的载波信号。恒频时钟脉冲置位R-S锁存器，输出高电平，开关管导通。当电流在采样电阻Rs上的压降Vs达到Ve时，PWM比较器翻转，输出高电平，锁存器复位，驱动信号变低，开关管关断，直到下一个时钟脉冲使R-S锁存器置位。电路就是这样逐个地检测和调节电流脉冲的。图3-2电流反馈控制原理图3.1.3 PWM控制芯片本系统采用了SG3525作为DC-DC变

29、换器的控制芯片。SG3525是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。如图3-3为SG3525引脚排列图。图3-3 SG3525引脚排列图SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。图3-4为SG3525控制芯片结构框图。图3-4 SG3525控制芯片结构框图在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值

30、电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。图3-5为DC-DC变换器电路图。图3-5 DC-DC变换器电路图3.2输出滤波电路的设计本文采用巴特沃斯低通滤波电路，如图3-6所示。图3-6巴特沃斯低通滤波电路3.3保护电路3.3.1过流保护电路过流保护电路如图3-7所示。其中100k电阻用来限流，通过比较器LM311对电流互感器采样转化的电压进行比较，LM311的3脚接10k电位器来调比较基准电压，输出后接100的电阻限流它与后面的220F的电容形成保护时间控制。当电流过流时比较器

31、输出是高电平产生保护，使SPWM不输出，控制场效应管关闭，等故障消除，比较器输出低电平，逆变器又自动恢复工作。图3-7过流保护电路3.3.2隔离反馈电路推挽升压电路实现了输入与输出之间的隔离，因此输出是浮地的。由于输入与输出通过控制系统形成了另一个回路。因此在反馈环中也需要某种形式的隔离。否则，电源会由于主电路对控制电路的干扰而不能正常工作，甚至会危及人身安全。本文采用线性光藕HCNR200来进行隔离。光藕HCNR200的内部结构如图3-8所示。图3-8光耦HCNR200内部结构图光耦HCNR200的典型应用连接如图3-9所示。图3-9光耦HCNR200典型应用图电压采样隔离反馈电路如图3-1

32、0所示，在一定范围内，检测电路的输出电压与输入电压呈正比变化。输出与输入的比例系数几乎保持不变。这种方法实现了输入与输出之间的隔离，精度较高，线性度较好。图3-10线性隔离反馈电路图3.4电路参数3.4.1整流器件选择作为DC-DC变换其输出整流用二极管，要求具有正向压降小，反向漏电流小，反向恢复时间短等特点。通常使用的整流二极管有快恢复二极管和肖特基二极管。肖特基二极管的上正向通态压降很小，为0.3-0.8V，大电流肖特基二极管的导通压降也只有lV，而快恢复二极管的导通压降都在1V以上。因此，采用肖特基二极管可以减小通态损耗，但肖特基二极管的反向耐压较低而且反向漏电流较大。只适用于低压输出的

33、电源中(小于24V)，所以本文选用快恢复二极管。3.4.2功率管MOSFET选取电路中开关管承受的最高稳态电压为两倍的最大输入电压。VDsMmax=228=56V，考虑到电压尖峰的影响，一般要考虑一个系数k，这里取为1.3，即选择的MOSFET的电压必须大于1.356=72.8V。查资料选用IXYS公司的IXFN230N10，其参数如下：VDs=100V，ID=230A，RDs=0.006，t250ns。3.4.3其它参数1输出滤波电感设计时，滤波电感的电流容量应留育一定的裕量，以免在输出电流很大时导致电感磁芯饱和而损坏电感，这里取L=1.5mH。2输出滤波电容由于在高频工作条件下电解电容的容

34、量会有很大的降低，本电路工作频率50kHZ。根据试验电路，输出滤波电容选用2只330uF/450V电解电容并联。第4章 DC-AC逆变电路硬件设计4.1正弦脉宽调制SPWM的原理与实现在采样控制理论中有一个非常重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，效果基本相同。把各输出波形用傅立叶变换分析，其低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。如图4-1所示，将半个周期正弦波波形分成N等分，就可以把正弦波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲

35、序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦部分的面积（即冲量）相等，就得到图中相应的脉冲序列，这就是PWM波形。可以看出，各脉冲的宽度使按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形，像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM ( Sinusoidal PWM)波形。在SPWM波形中，各脉冲的幅值相等，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可。图4-1 SPWM原理波形为便于软件实现和死区时问的生成，本系统采用的SPWM单

36、极型调制方式如下：在正半周期，右桥的Q14一直导通，Q12、Q13一直关断，Q11受SPWM信号控制；在负半周期，右桥Q13一直导通，Q11、Q14一直关断，Q12受SPWM信号控制。Q11和Q12两路SPWM信号由ARM芯片的p0.7/PWM2和p0.9/PWM6脚产生，Q13和Q14互补的50Hz方波信号由芯片P0.8/PWM4脚和P0.21/PWM5产生。各功率管的开关状态和逆变器输出波形如图4-2所示。图4-2功率管工作状态及输出波形4.1.1规则采样法及死区时间规则采样的原则是，在三角波每一个周期内的固定时刻，找到正弦调制波上的对应电压值，用此值对三角波进行采样，决定功率开关元件的导

37、通与关断时刻，而不管在采样点上正弦波与三角波是否相交。规则采样法的原理如图4-3所示。图中Te为载波周期，Tc为正弦波周期。则根据相似三角形原理得脉宽时间： (4-1)间隙时间： （4-2）图4-3生成SPWM波的规则采样法在数字控制中MCU产生SPWM波形正是基于上述原理和计算公式的。通常先离线算出相应脉宽。并将这些值写入内存，由处理器通过查表取值和相应的加减运算求出各相脉宽时间和间隙时间，这就是所谓的查表法。也可在内存中存贮正弦函数值和Tc/2值，控制时先用调制度M与正弦值作乘法运算，再计算，然后运用加减运算求出各相脉宽时间和间隙时间，这是所谓的实时计算法。对于开环控制系统，其调制度M和频

38、率都是定值，宜采用查表法。对于闭环控制系统，在系统运行中调制度M须实时调节，常用实时计算法。由于功率管的开通和关断总需要一定时间，因此在同一桥臂功率省交替时有可能发生直通或短路事故。为了确保桥式逆变同一臂两个开关元件不致发生直通故障，控制信号中必须设置死区时间t，以保证同桥臂上的一个开关管可靠关断后，另一只开关管才能开通，要求t必须大于开关管的关断延时(包括脉冲的下降时间和存储时间)，由只需要在两功率管交替时设置死区时间即可。4.2 SPWM控制电路的设计4.1.1 IR2111芯片介绍本系统采用IR2111来驱动MOSFET管。IR2111是功率MOSFET和IGBT专用栅极驱动集成电路，可

39、用来驱动工作在母线电压高达600V的电路中的N沟道功率MOS器件。采用一片IR2111可完成两个功率元件的驱动任务，选用IR2111芯片能对前面送进的PWM波分成两路反相的讯号，从而进行后面元件的驱动。IR2111内部结构图如图4-4所示。IR2111的引脚图如图4-5所示。图4-4 IR2111内部结构图图4-5 IR2111引脚图引脚介绍：1脚：Vcc是给IR2111供电的电源，一般为15V。2脚：IN是控制信号的输入端，输入等效电阻很高，可直接连接来自前面触发电路的PWM波。3脚：COM是接地端。4，7脚：HO、LO 分别是上、下管控制逻辑输出端。6脚：Vs是高压侧悬浮地。8脚：Vb是为

40、高压侧悬浮电源端。IR2111基本特点：(1) 具有独立的低端和高端输入通道；(2) 悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V；(3) 输出的电源端(脚3)的电压范围为10-20V；(4) 逻辑电源的输入范围(脚9)5-15V，可方便的与TTL，CMOS电平相；(5) 匹配，而且逻辑电源地和功率电源地之间允许有1V的便移量；(6) 工作频率高，可达500KHz；(7) 开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns；(8) 图腾柱输出峰值电流2A。4.2.2逆变电路的设计如图4-6所示为单相桥式逆变电路。图中的C1、C2为加速电容，C5、C6为加速电容，两个C3对极性接，构成无极性电容，

41、Ch1、Ch2、Ch3、Ch4都是缓冲电路。输入端接两路互补的SPWM，当第一路输入的是高电平，第二路输入低电平，第一块IR2111信号由HO输出，而第二块IR2111信号由LO输出，Q1、Q4工作，构成一个回路；当第一路输入低电平，第二路输入高电平，第一块IR2111的信号由LO输出，第二块IR2111的信号由HO输出，Q3、Q2工作，构成一个回路。这样，在一个周期内，Vo+、Vo-两端的波形为大小相等方向相反的正弦波。图4-6单相桥式逆变电路4.3单片机采集与控制电路设计单片机基本时钟系统：一般来说，单片机的时钟系统必须满足下列要求：1高频率，用来系统硬件需求，运算和外部事件的快速响应。2

42、低频率，用于降低系统的电流消耗。3稳定的频率，以满足定时的需要。MSP430F169单片机的基本时钟系统由高速晶体振荡器，低速晶体振荡器，数字控制阵荡器等部件构成。各个振荡器产生的时钟信号可以通过软件的设置分配到ACLK辅助时钟，MCLK主系统时钟，SMCLK子系统时钟三路重要的时钟信号通道上。在此单片机系统中，时钟分为低速晶体振荡器（32768Hz）和高速晶体振荡器（8MHz）两种。ACLK时钟信号通道接入32768Hz的时钟，MCLK和SMCLK两路时钟信号通道接入8MHz的时钟。4.3.1 MSP430系列单片机的特点MSP430系列单片机是德州仪器公司于上世纪九十年代开发出的产品，已在

43、许多领域得到了广泛应用。MSP430系列单片机具有以下主要特点：1超低功耗。2强大的处理能力。3高性能模拟技术及丰富的片上外围模块。4方便高效的开发环境。5系列化产品。4.3.2 MSP430单片机结构概述116位CPU通过总线连接到存储器和外围模块。2直接嵌入仿真处理，具有JTAG接口。MSP430系列单片机包含以下主要功能部件： 1CPU：MSP430系列单片机的CPU和通用微处理器基本相同，只是在设计上采用了面向控制的结构和指令系统。具有较高的执行速度和效率，增强了说明书中的插图不得采用复印件。对于复杂的引用图，可采用数字化仪表输入计算机打印出来的图稿。MSP430系列单片机的实时处理能

44、力。功能：（1）内部：执行指令译码、数据处理；（2）外部：通过三总线（地址总线、数据总线和命令总线）控制片内所含外设模块。2存储器：存储程序、数据以及外围模块的运行控制信息。分为程序存储器和数据存储器。MSP430F413的F是指该单片机采用FLASH型程序存储器。4.3.3 PIO端口PIO端口是并行输入输出端口，8位。MSP430单片机PIO端口特点：1类型丰富：P1，P2，P3，P4，P5，P6，S和COM。2功能丰富：I/O，中断能力，其它片内外设功能，驱动液晶。3寄存器丰富：P1与P2各有7个寄存器，P3、P4、P5、P6有四个寄存器。具有中断功能的数据输入、输出端口P1和P2各寄存

45、器符号和功能如下所述（以P1口为例）：（1）P1IN：输入寄存器；（2）P1OUT：输出寄存器；（3）P1DIR：方向选择寄存器，为1位输出，为0位输入；（4）P1IFG：中断标志寄存器；（5）P1IES：中断触发沿选择寄存器；（6）P1IE：中断使能寄存器；（7）P1SEL：功能选择寄存器。没有中断功能的数据输入、输出端口P3、P4、P5和P6各寄存器符号和功能如下所述（以P3口为例）：（1）P3IN：输入寄存器；（2）P3OUT：输出寄存器；（3）P3DIR：方向选择寄存器；（4）P3SEL：功能选择寄存器。4.3.4 MSP430F169单片机介绍MSP430F169是TI公司进入中国市

46、场的MSP430F系列单片机中功能最强的芯片。具有60K程序存储区、2K的数据存储区、8路快速12位A/D转换器、双路12位D/A转换器，两个通用连续同步/异步通信接口(USART)、I2C、DMA数据传送模块和48个I/O口等外围模块。结构框图如图4-7所示。MSP430F169单片机为64引脚封装，其中大部分引脚有复用功能。在波形发生器设计中使用两路DAC通道产生任意波形。在使用高速时钟和端口时要根据需要将其初始化。图4-8 MSP430F169单片机结构框图4.3.5单片机主系统电路MSP430F169主系统电路由169芯片、复位电路、低速时钟电路（32768Hz）和高速时钟电路（8MHz）构成。主系统电路如图4-9所示。图4-9单片机主系统电路图单片机系统的复位电路分为上电复位和手动按键复位，其中MSP430F169单片机复位方式为低电平复位。4.3.6 12864LCM显示电路LCM12864液晶显示模块是由128列64行液晶显示点阵和其控制电路组成。该显示模块不仅可以显示数字，还可以显示汉字和图形。模块电路板下端有20个接线引脚，其中VDD与VSS引脚是LCM12864液晶模块电源与地接入端，VOUT是LCM12864液晶模块自生成负电压输出端。VO需要一个