CN103051240A

CN103051240A - 一种基于stc单片机的逆变器spwm控制方法

Info

Publication number: CN103051240A
Application number: CN2013100116982A
Authority: CN
Inventors: 袁其平; 李称鑫
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2013-01-11
Publication date: 2013-04-17

Abstract

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。

Description

一种基于STC单片机的逆变器SPWM控制方法

技术领域

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

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。

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。

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。

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

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。

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，

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。

本发明的技术原理：

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。

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。

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。

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。

本发明的优点和有益效果：

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。

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。

附图说明

图1为逆变电路的结构系统图；

图2为STC12C5628AD单片机示意图；

图3为电压型三相桥式逆变电路；

图4为TLP250驱动电路；

图5为LCR低通滤波器基本电路图；

图6为PCA中断子程序流程图。

具体实施方式：

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。

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，

1、基于STC单片机的SPWM波形产生单元

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。

2、三相逆变电路单元

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。

3、三相变压器

变压器单元采用三相变压器，主要用于对输出的交流信号进行隔离，提高安全性能。它的基本工作原理是电磁感应原理，就是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，具有高度隔离，N-G性能良好，高度共模干扰抑制等特点，其输入额定电压为三相380V或单相380V或单相220V，工作频率为50Hz-60Hz。

4、低通滤波器

此外在三相变压器后面加入一个LCR低通滤波器，本发明中选用型号为DL-10D36的LCR低通滤波器。如图5为LCR滤波器的基本电路图。主要作用是滤去谐波，获得负载所需的三相正弦交流电，减少损耗，提高系统效率。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，可起到防止或抑制谐波的产生。

Claims

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，

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。