逆变器的研究与设计

1、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，

2、IR2130，AD7528The design of the inverter ABSTRACTThis 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

3、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

4、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 programmi

5、ng. The final design of the inverter frequency to adjust the output voltage can be adjusted.KEY WORDS: SPWM，MCU，IR2130，AD7528目 录摘要 ABSTRACT 1绪论 11.1 课题研究的目的及意义1 课题研究的目的1 课题研究的意义11.2 逆变器在国内外研究现状2 国内逆变器研究现状2 国外逆变器研究现状21.3 逆变器的介绍3 逆变器的分类3 逆变器与变频器的区分31.4 主要研究内容 32 逆变器的组成42.1 逆变系统电路框图42.2 SPWM波的方案选取52.3逆

6、变电路的控制方式论证 62.4 主电路结构的方案选取 93 逆变器硬件电路分析与仿真 103.1 系统硬件电路的分析 10 桥式电路分析10 控制回路电路的设计 12 SPWM波硬件电路 15 驱动电路的设计 18 延时保护电路的设计 19 DC/DC模块电路 203.2 控制电路的仿真 21 MULTISIM仿真软件介绍 21 SPWM波电路的仿真 21全桥逆变电路的仿真23 延时电路的仿真243.3 滤波回路的参数计算 254 逆变器的软件设计274.1 KEIL C仿真软件介绍 27 KEIL C51的特点27 KEIL C51的数据类型284.2控制系统程序流程图 295 总结32参考

7、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 411 绪 论1.1 课题研究的目的及意义 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

8、，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“（<3的总谐波失真），它本质上与公用事业电网提供的相同。因此它与所有的交流电子设备兼容。这是网逆变器配合使用的类型,它的设计更为复杂。研究逆变器的目的由于用电设备对市电电网造成严重的污染，反过来，被污染的市电电网也会使用电设备工作不正常，用电设备之间通过

9、市电电网相互干扰。以逆变技术为基础使其为用电设备提供高质量电能。 课题研究的意义 随着电力电子技术的迅猛发展，逆变技术广泛应用于航空、航天、航海等国防领域和电力系统，交通运输、邮电通信、工业控制等民用领域。特别是随着石油、煤和天然气等主要能源日益紧张，新能源的开发和利用越来越受到人们的重视。利用新能源的关键技术-逆变技术，能将蓄电池、太阳能电池和燃料电池等其他新能源转化的直流电能变换成交流电能与电网并网发电。因此，逆变技术在新能源的开发和利用领域有着至关重要的地位此外，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

10、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逆变器在国内外研究现状 国内逆变器研究现状目前国内并网逆变器市场规模较小，国内生产逆变器的厂商众多，但具有国际竞争能力的逆变器制造商并不多，虽说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，但在逆变器技术质量、规模上与国外企业仍具有较大差距，目前具有较大规模的厂商有合肥阳光、北京科诺伟业、北京索英、志诚冠军、南京冠亚、上海英伟力新能源科技有限公司等

11、企业。目前这些企业的产量呈逐年上升的趋势。国内市场规模虽然较小，但未来逆变器的巨大发展空间和发展潜力给国内企业带来发展的历史机遇。目前国内逆变器主要被阳光电源、艾思玛、KACO等品牌所占领，国外企业多数通过代理渠道进入国内市场，由于售后服务提供难度大整体市场占有率不高。2008年统计数字显示，合肥阳光电源公司占据70%以上的逆变器市场份额，国内重点逆变项目大功率产品几乎全部选用国内产品。从技术方面来看，国内企业在转换效率、结构工艺、智能化程度、稳定性等方面与国外先进水平仍有一定差距，目前我国在小功率逆变器技术上与国外处于同一水平，在大功率并网逆变器上，大功率并网逆变器仍需进一步发展。 国外逆变

12、器研究现状在国外，并网型逆变器已经可以作为比较成熟的产品推向市场，像德国著名电气企业西门子就推出了很多具有市场化的产品，而且除欧洲的科技强国外，美国、日本等国家已经实现了并网逆变器的产品化。 现在逆变器的最大功率跟踪以及逆变环集成的单级量变换，已经成为研究的热点问题。类似于小功率的逆变器开发已经越来越受到人们的重视，而在这些小功率逆变器中，其控制电路主要采用数字控制系统的安全性、可靠性以及扩展性，同时将各个完善的保护电路考虑其中。 目前逆变器行业领军者是德国公司艾斯玛(sma)，技术处在行业的顶点。1.3 逆变器的介绍逆变电源的原理： 利用晶闸管电路把直流电转变成交流电,这种对应于整流的逆向过

13、程,定义为逆变。例如:应用晶闸管的电力机车,当下坡时使直流电动机作为发电机制动运行,机车的位能转变成电能,反送到交流电网中去。又如运转着的直流电动机,要使它迅速制动,也可让电动机作发电机运行,把电动机的动能转变为电能,反送到电网中去。 把直流电逆变成交流电的电路称为逆变电路。在特定场合下,同一套晶闸管变流电路既可作整流,又能作逆变。 逆变器的分类变流器工作在逆变状态时,如果把变流器的交流侧接到交流电路简单，但输出电压波形的谐波含量过大，亦既THD（电流谐波畸变率）过大；移相多重叠加逆变电源输出电压波形的谐波含量小，亦即THD小，但电路较复杂。逆变器的分类：按照源流性质有源逆变器：是使电流电路中

14、的电流，在交流侧与电网连接而不直接接入负载的逆变器； 无源逆变器：使电流电路中的电流，在交流侧不与电网连接而直接接入负载(即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载)的逆变器。 逆变器与变频器的区分变频器是VFD/VVVF的中文译名。 变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术，成为独立的传动元件。 变频器的作用是改变交流电机供电的频率和幅值，因而改变其运动磁场的周期，达到控制电动机转速的目的。 变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器+交流鼠笼异步电机组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工作，缩小了体积，降低了维修率,使传动技术发展到新阶段。 变频器不同于本条目所说的

15、反用换流器、逆变器、换向器。变频器不仅要将直流电源逆变为交流供电，更需要先将交流电源连续整流为直流电源。 逆变器只是变频器的输出部分。1.4 主要研究内容本课题主要研究内容是设计一个逆变器的硬件和软件部分。根据技术要求设计DC/AC的逆变器。设计的逆变器系统，它主要由逆变电路和滤波电路、控制系统组成； 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IR2130栅极驱动器将用来驱动MOS管。只需加上很少的分立元件和

16、单路电源,IR2130 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）电路设计、仿真和编程分别使用Protel、Multisim和Keil等软件。2 逆变器的组成2.1 逆变器电路结构逆变器系统结构框图如图2-1所示：图2-1 逆器系统结构框图由单片机产生的信号经DA电路转换后变为0至50HZ的正弦波信号，再和三角波发生电路产生的三角波进行比较得到SPWM波

17、，这是控制信号回路。三角波发生电路由模拟电子器件搭建。产生的SPWM波经延时电路后得到的控制信号去由IR2130组成的驱动回路，驱动回路经死区延时后将所得信号加至由MOS管组成的桥式逆变主回路。逆变系统是由以下几部分组成，各分块电路的功能如下： 1) DA转换电路：AD转换电路是利用单片机结合AD7528进行模数转换而产生载波信号， AD7528和运放结合组成数字量到模拟量的转换。2) 逆变电路：逆变电路的功能是将直流电变换成交流电，通过控制逆变电路的工作频率和输出时间比例，使逆变器的输出电压或电流的频率和幅值按照要求灵活地变化。 3) 控制电路：控制电路的功能是按要求产生和调节一系列的控制脉

18、冲来控制逆变开关管的导通和关断，从而配合逆变器主电路完成逆变功能。 4) 辅助电路：辅助电路的功能是将逆变器的输入电压变换成适合控制电路工作需要的直流电压。对于交流电网输入，可以采用工频降压、整流、线性稳压等方式，当然也可以采用DC-DC变换器。 5) 驱动电路：由IR2130组成的驱动电路来驱动全桥模块中的6N60A。2.2 SPWM波的方案选取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。例如图2-2a为矩形脉冲，图2-2b为三角形脉冲，图2-2c为正弦半波脉冲，但它们的面

19、积(即冲量)都等于1，那么，当他们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。脉冲越窄，其输出的差异越小。当窄脉冲变为图2-2d的单位脉冲函数(t)时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。图2-2 充量相同的脉冲图2-3 等效正弦波自然法生成SPWM波又称模拟电路法生成SPWM波，通常用模拟比较器比较生成SPWM波，如果用信号正弦波作为比较器的同相端输入信号，三角载波作为比较器的反相端输入信号，在交点时刻对功率开关器件的通断进行控制，便实现了自然法生成SPWM波，如图2-4所示，比较器输出经死区形成电路即可生成带死区的SPWM波。这种方法是所有生成SPWM波方法中最精确的一种，其它方

20、法都是与它近似等效，存在一定的等效误差，正弦波在不同相位角时其值不同，因而与三角波相交所得到的脉冲宽度也不同。另外，当正弦波频率变化或幅值变化时，各脉冲的宽度也相应变化。要准确生成SPWM波形，就应准确地确定正弦波和三角波的交点。图2-4 规则采样法生成SPWM波规则采样法是从自然采样法演变而来的，它由经过采样的正弦波(实际上是阶梯波)与三角波相交，由交点得出脉冲宽度。这种方法只在三角波的顶点或底点位置对正弦波采样而形成阶梯波，其原理如图2-5所示:图2-5 规则采样法生成SPWM波23逆变电路的控制方式论证1) 单极性SPWM控制与双极性SPWM控制a) 单极性SPWM控制三角波载波在半个周

21、期内的方向只在一个方向变化，所得到的SPWM波形也只在一个方向变化的控制方式成为单极性SPWM控制方式，如图2-6所示。图中的为正弦调制波，为三角形载波。载波在的正半周为正极性的三角波，在的负半周为负极性的三角波。通过和的比较，获取SPWM 控制信号来控制图2-6主电路中开关元件的导通或关断，IGBT 的通/断发生在和的交点时刻。从而在主电路的输出端获得SPWM 输出电压。在的正半周期间，给T1始终施加开通控制信号，使其始终保持导通状态，使T2、T3始终保持关断状态，只控制T4。当>时，控制T4导通，此时输出电压为+Ud；当时，控制T4关断，则负载电流通过D3续流输出电压为0V。图2-6

22、 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T2。当时，控制T2导通，输出电压为；在时，使T2关断，则负载电流通过D4续流，输出电压为0V。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、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。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。b) 双极性SPWM控

23、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，两种情况下输出电压均为；当时，给T2和T3导通信号，给Tl和T4关断信号，若此时，则T2

24、和T3导通，若，则D2和D3导通，两种情况下输出电压均为。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、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

25、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

26、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

27、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VlV6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。

28、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。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Uru<Uun=-Ud/2时，给V4导通信号，给V1关断信号Uun=-Ud/2,给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通。Ud和Uwn的PWM波形只有±Ud/2两种电平。当Uru>Uc时，给V1导通信号，给V

29、4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。图3-2 各桥臂波形 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COMO

30、S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1

31、6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8

32、052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1.53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0000H03FFH。它只

33、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

34、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

35、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

36、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SRAMSTC89C52有1K字节的数

37、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

38、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

39、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

40、3-4所示：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

41、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D

42、AC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，而当或者处于高电平状态，则被选中的DAC就出于数据保持状态。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

43、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。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

44、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IR21

45、30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。 延时保护电路的设计驱动桥式电路的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

46、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，

47、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=RC,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)。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。 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

48、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、MTBF1000000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

49、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 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

50、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：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。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D

51、C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

52、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SimP

53、owerSystems/Elements接地模块SimPowerSystems/Elements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。AB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