PWM电流有效值的检测要点.docx

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PWM电流有效值的检测要点

大连海事大学

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毕业论文

二○○七年六月

PWM逆变器电流有效值的检测

专业班级：

电气工程及其自动化一班

姓名：

xxxx

指导教师：

xxxxxx

自动化与电气工程学院

摘要

随着社会生产力的迅猛发展，先进电子技术的不断出现，电子设备的应用领域变的越来越广泛，用电设备的种类也越来越多,对电的需求越来越多，对控制技术的要求也越来越高，而要实现精确的控制，对电流的检测就是其中重要的一部分。

目前，社会上逆变器的产品以SPWM控制式为主，本文就是检测PWM逆变器电流的有效值，第一部分介绍了逆变器的发展史，逆变器的分类以及PWM逆变器的工作原理，第二部分介绍了本论文的原理，接着简单介绍了各个主要电路的原理，第三部分介绍了电流检测的分类，以及电流检测元件的分类，本文检测电路的原理，本文研究的检测电路采用了精密互感器检测电流，并将电流信号转换成电压信号，用精密整流电路将交流电压的负半周翻转到坐标轴以上，送到单片机的C0通道进行模数转换。

第四部分首先简单介绍了AVR单片机的结构特点，其次介绍了本文主程序的流程图，然后分模块介绍了模数转换、发SPWM波和显示程序的流程图。

本文利用了AVR自带的模数转换功能，将送到单片机的电压值模数转换，并根据电流有效值定义计算出有效值，在LED中显示出来。

利用定时器的PWM功能，发出两路SPWM波.第五部分对本论文进行总结。

关键词：

PWM逆变器电流有效值AVR单片机

ABSTRACT

Alongwiththerapidsocialdevelopmentoftheproductivity,advancedelectronictechnologiescontinuetoemerge.Applicationofelectronicequipmentfieldbecomesincreasinglywide,andthevarietyofelectricalequipmenthavehadmoreandmoredemandsbecauseofelectricitygrowing,controltechnologiesareincreasinglyhighrequirements,andtoachievetheprecisecontrol,thecurrentdetectionisanimportantpart.Atpresent,thereareinverterproductstoSPWMcontrolledmainly,ThispaperisthedetectionofPWMinvertercurrentRMS,thefirstpartontheinverter'shistoryofdevelopment,theclassificationofinverter,andtheprincipleofPWMinverter,thesecondpartistheprincipleofthesystem,thenabriefintroductionofeachofthemajorcircuittheory,thethirdpartisthecurrentdetectionclassification,Currentdetectionandclassificationofcomponents,thecurrentdetectioncircuittheory,ThedetectioncircuitemployssophisticatedcurrenttransformerandcurrentsignalisconvertedintovoltagesignalsPrecisionrectifiercircuitsreversedoverACvoltagetothenegativehalf-cycleoftheaxes,andtheC0channelforanalog-to-digitalconversion.PartIVthefirstsimplyintroducingthestructureofAVR,followedbytheintroductionofthisprocessflowchart,thensub-moduleontheanalog-to-digitalconversion,theSPWManddisplayprocessflowchart,thevalueofthevoltagewhichissenttoAVRwouldConvertintoadigital,andunderthecurrentRMSdefinitioncalculateRMS.MakeuseofthetimerthePWMfunctionoftheAVR,sendouttwoSPWMwaves.Thelastpartcarriesonsummarytothispaper.

Keywords:

PWMinvertercurrentRMSAVR

目录

第一章前言1

1.1逆变器发展史1

1.2逆变器的分类.1

1.3、PWM控制技术2

1.3.1.PWM控制的基本原理2

1.3.2SPWM控制的基本原理3

第二章系统原理及组成6

2.1系统硬件框图6

2.2主要组成电路6

2.2.1滤波整流电路6

2.2.2逆变电路7

2.2.3驱动电路9

第三章电流有效值的检测11

3.1检测的分类11

3.1.1电阻检测和磁检测11

3.1.2电流检测元件13

3.2电流有效值的检测14

3.2.1有效值14

3.2.2检测电路15

第四章基于单片机的软件设计18

4.1AVR系列单片机简介18

4.1.1ATmega8特点18

4.1.2ATmega8单片机的指令系统21

4.2基于AVR单片机PWM逆变器电流有效值的检测软件设计21

4.2.1主程序流程图21

4.2.2AD转换22

4.2.3显示23

4.2.4SPWM波产生24

第五章实验与总结30

5.1单片机发出两路SPWM波形30

5.2检测的电流数据30

5.3总结30

参考文献31

致谢32

附录A33

第一章前言

1.1逆变器发展史

所谓逆变器，是指整流（又称顺变）器的逆向变换装置。

其作用是通过半导体功率开关器件（例如SCR,GTO,GTR,IGBT和功率MOSFFET模块等）的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能，因此是一种电能变换装置。

逆变器的应用非常广泛。

在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要向交流负载供电时，就需要逆变电路。

另外交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子使用非常广泛，其电路的核心都是逆变电路。

逆变器的原理早在1931年就在文献中提到过。

1948年，美国西屋电器公司用汞弧整流器制成了3000Hz的感应加热用逆变器。

1947年，第一只晶体管诞生，固态电力电子学随之而诞生，1956年，第一只晶闸管问世，这标志着电力电子学的诞生，并开始进入传统发展时代。

在这个时代，逆变器继整流器之后开始发展。

首先出现的是SCR电压型逆变器。

1961年，W.McMurray与B.DBedford提出了改进型SCR强迫换向逆变器，为SCR逆变器的发展奠定了基础。

1960年以后，人们注意到改善逆变器波形的重要性，并开始了进行研究。

1962年，A.Kernick提出了“谐波中和消除法”。

1963年，F.G.Turnbull提出了“消除特定谐波法”，为后来的优化PWM法奠定了基础,以实现特定的优化目标，如谐波最小，效率最优，转矩脉动最小等。

20世纪70年代后期，可关断晶闸管GTO，电力晶体管GTR及其模块相继实用化，80年代以来，电力电子技术与微电子技术相结合，产生了各种高频化的全控器件，并得到了迅速发展，如功率场效应管PowerMOSFET、绝缘门极晶体管IGT或IGBT、静电感应晶体管SIT、静电感应晶闸管SITH、场控晶闸管MCT，以及MOS晶体管MGT等。

这就是电力电子技术由传统发展时代进入到高频时代。

在这个时代，具有小型化和高性能特点的新逆变器技术层出不穷，特别是脉宽调制波形改善技术得到了飞速的发展。

1964年，由A.Schonung和H。

Stemmler提出的把通信系统调制技术应用到逆变技术中的正弦波脉宽调制技术（SPWM），由于当时开关器件的速度慢而未的到推广。

直到1975年才有Bristol大学的S.R.Bowes等把spwm技术正式应用到逆变技术中，使逆变器的性能大大提高，并得到了广泛的应用和发展。

此后，各种不同的pwm技术相继出现。

一般认为，逆变技术的发展可以分成如下两个阶段：

1956～1980年为传统发展阶段，这个阶段的特点是，开关器件以低速器件为主，逆变器的开关频率较低，波形改善以多重叠加法为主，体积重量较大，逆变效率低，正弦波逆变器开始出现。

1980年到现在为高频化新技术阶段，这个阶段的特点是，开关器件以高速器件为主，逆变器的开关频率较高，波形改善以pwm法为主，体积重量较小，逆变效率高，正弦波逆变技术发展日趋完善。

1.2逆变器的分类.

目前，逆变器根据其结构形式和工作原理，大致可以分为以下五类：

（1）多重化逆变器。

最初的多重化逆变器是用来将几个方波逆变器的输出通过变压器按照一定的规律组合起来形成阶梯波输出，以削弱谐波含量，提高装置容量。

这种逆变器主要用于三相系统，具有器件开关频率低、系统效率高、控制简单等优点。

但其输出波形较其后来发展起来的SPWM逆变器差的多，且难以通过闭环调节予以校正。

目前，在大容量的SPWM逆变器中，仍有采用多重化技术进一步提高容量、削弱谐波的例子。

（2）PWM逆变器。

PWM逆变器通过控制开关器件产生一系列等幅（可正可负—）、不等宽的恒频脉冲来逼近标准正弦波，再采用滤波网络滤除该脉冲列中的高频成分，获得正弦度较高的输出。

PWM技术大多基于傅立叶周期信号分解理论，预见性好，且原理直观，便于实现。

PWM逆变器具有系统简洁、技术成熟、动态响应快及适应性强等显著特点，因而应用极为广泛。

随着数字技术的发展，PWM技术还有着广阔的发展空间。

（3）三电平逆变器。

所谓三电平逆变器，是指其逆变桥中每一桥臂的中点均能输出三种电平的逆变器。

若以逆变桥输入电压的一半E/2为基准电压，则这三种电平分别是+E/2、0、-E/2。

对于单相逆变器，三电平逆变器与通常的二电平逆变器的主电路的结构上并没有什么区别，只是在控制上二电平逆变器采用双极性SPWM，而三电平逆变器采用的是单极性SPWM。

对于三相逆变器，三电平逆变器则需要在普通的二电平逆变器的基础上添加若干辅助开关管，并采用独特的三电平PWM控制理论。

此时，三电平逆变器可获得降低开关管耐压及开关频率等优点，因而适合于高电压、大容量的GTO逆变电源。

（4）谐振软开关逆变器。

为了进一步改善PWM逆变器的动态响应性能，减小滤波器的尺寸，需要从根本上减小器件的开关损耗，提高开关频率。

这样，就发展了各种类型的谐振软开关逆变器。

其中，由结实型谐振直流环（RDCL）和零电压转换PWM逆变桥（ZVT-PWM）级连构成的组合式逆变器，器件的开关应力能得到有效的限制，而且接触了谐振直流环节和后续逆变桥控制上的耦合关系，能充分发挥高频PWM控制技术的有时。

目前，该类逆变器在小容量、高性能逆变电源中已得到初步应用。

其缺点主要在于，附加功率器件较多，循环能量大。

（5）高频链逆变器。

在输入、输出需要进行电气隔离的逆变电源中，变压器的设置是必不可少的。

SPWM逆变器中采用的以输出电压频率工作的工频或中频变压器，体积庞大，往往是阻碍其向小型化、轻量化方向发展的主要障碍。

因变压器的体积同其工作频率成近似反比的关系，故若能采用高频变压器进行电气隔离，就能显著地减小装置的体积和重量。

高频链逆变器的基本原理就是通过设置中间高频链逆变环节，采用高频变压器进行电气隔离，再将此高频交流电变换成所需频率的交流输出。

目前已发展出多种拓扑结构的高频链逆变器

1.3、PWM控制技术

1.3.1.PWM控制的基本原理

在采样控制理论中有一个重要的结论：

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上时，其效果基本相同。

冲量即指窄脉冲的面积。

这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。

如果把各输出波形用傅立叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

例如图1.1所示的三个窄脉冲形状不同，其中图1.1a为矩形脉冲，b为三角形脉冲，c为正弦半波脉冲，但他们的面积（即冲量）都等于1，那么当它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。

当窄脉冲变为图1.1d的单位脉冲函数

时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。

图1.1形状不同而冲量相等的各种窄脉冲

把图1.2的正弦半波分成N等份，就可以把正弦半波看成是N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。

这些脉冲宽度相等，都等于π/N，但幅值不等，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利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，是矩形脉冲的钟点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦部分面积相等，就得到图1.2b所示的脉冲序列。

这就是PWM波形。

可以看出，各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦规律变化的。

根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。

对于正弦半波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。

想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SPWM波形。

图1.2用PWM波代替正弦半波

1.3.2SPWM控制的基本原理

采用调制的方法，得到各脉冲的宽度和间隔。

即把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。

采用等腰三角波作为载波。

因为等腰三角波上下宽度与高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号相交时，如在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可得到宽度正比于信号波幅值的脉冲。

当调制信号为正弦波时，就可得到各宽度正比于相应时刻的正弦波幅值的脉冲。

当调制信号不是正弦波时，也可得到与调制信号等效的PWM波形。

调制法可分为单极性PWM控制方式和双极性控制方式。

图1.3单相桥式PWM逆变电路

单极性控制方式：

在信号波的半个周期内三角载波只在正极性或负极性一种范围内变化，得到的PWM波形也只在单极性范围内变化。

如图1.3.是单相桥式逆变电路。

负载为阻感负载，V1和V2工作的通断状态互补，V3和V4的通断状态也互补。

控制V3和V4的通断状态的方法如图1.4所示。

调制信号ur为正弦波，载波uc在ur的正半周为正极性的三角波，在ur的负半周为负极性的三角波。

在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断，在ur的正半周，V1保持通态，V2保持断态，当ur>uc时使V4导通，V3关断，uo＝Ud;当uruc时使V3关断，V4导通，uo＝0。

这样就得到SPWM波形uo。

双极性控制方式：

在信号波的半个周期内，三角载波不是单极性的，而是有正有负，所得到的PWM波也是有正有负。

如图1.5所示。

图1.4单极性PWM控制方式

图1.5双极性PWM控制方式

第二章系统原理及组成

2.1系统硬件框图

图2.1系统硬件框图

主电路

从交流侧电网输入、逆变的全过程，包括：

滤波整流电路：

其作用是讲电网存在的杂波滤除，并将电网的交流电直接整流为所需要的直流电。

驱动电路：

用于驱动MOSFET管，使逆变器工作

显示电路：

显示通过单片机把采样AD转换后并计算出的电流的有效值

检测电路：

检测逆变器的电流瞬时值，提供给单片机

微机机控制电路：

通过单片机完成各个输入、输出数量之间的关系。

将检测电路送来的模拟电压，进行模数转换，计算出有效值，送给显示电路。

2.2主要组成电路

2.2.1滤波整流电路

其电路图如下

图2.2整流电路图

整流、滤波环节所使用的器件为：

整流桥模块B，型号为KBPC3510，其等为1000V/35A。

电解电容C1=C2，容量等级为470uf/500V。

将220V交流电整流为直流电。

2.2.2逆变电路

其电路图如下：

图2.3逆变电路

逆变主电路就是由逆变开关器件等组成的变换电路，主要有三种形式，即半桥式、全桥式、推挽式。

下面对这三种形式的电路分别进行分析。

（1）半桥式逆变电路。

原理如图2.4.所示。

当两只开关管S1,S2都截止时，若两只电容相等，即C1=C2，则在两电容中点A的电压为输入电压的一半，即VC1=VC2=Vd/2。

当S1导通时，电容C1将通过S1和负载放电，同时电源电压Vd通过S1和负载放电为电容C2充电，中点A的电位将有所上升；当S1导通结束时，两只开关管S1、S2又都截止，它们的端电压又都回到输入电压的一半，即Vd/2。

当S2导通时，S1截止，电容C1被充电，C2放电，A点的电位下降；S2导通结束后，又回到S1,S2都截止的状态。

在半桥逆变电路中，当开关管由导通变为截止时，负载（感性）和引线电感上贮存的能量释放会使开关管两端除了承受电压Vd/2之外，还要承受较高的尖峰电压，但由于二极管的D1、D2的钳位作用，开关管的端电压最高为Vd

图2.4半桥逆变电路图2.5全桥逆变电路

（2）全桥逆变电路。

原理如图2.5所示。

全桥逆变电路与半桥逆变电路

的区别就是，用另外两只同样的开关管代替两只电容，全桥逆变电路的工作需要两组相位相反的驱动脉冲分别控制两对开关管，具体说就是S1和S4同时通断，S2和S3同时通断。

当S1和S4同时导通时，S2和S3截止，负载电压为下正上负的Vd；反之，当S2和S3同时导通时，S1和S4截止，负载电压为上正下负的Vd。

在4只开关管都截止的死区时间内，开关管端电压和电压尖峰和半桥逆变电路类似。

开关管刚刚导通时的电流尖峰也和半桥逆变电路类似。

（3）推挽电路。

原理如图2.6所示。

推挽电路的工作是由两路相位相反的驱动脉冲分别加到逆变开关管S1、S2的基极，控制它们交替通断，输入直流电压被变换成高频的方波交流电压经变压器输出。

当S1导通时，S2截止，输入电压Vd加在变压器T原边绕组N1上，由于变压器有两个N1绕组，且匝数相同，所以在S2上将施加两倍的电源电压，即2Vd。

当驱动脉冲结束后（死区时间），两只开关管都截止，端电压都为Vd。

当S2导通时，同理，S1截止，在S1上将施加两倍的电源电压。

不难看出，推挽变换器是两个正激变换器的组合，这两个正激变换器的开关管轮流导通，故变压器铁心是交变磁通。

图2.6推挽逆变电路

下面就以上三种逆变电路进行简单比较。

半桥逆变的主电路所用的开关器件少，开关管的端电压也不高，半桥式拓扑抗不平衡能力很强，但桥臂可能出现直通现象，功率管承受电源电压，流过两倍的输入电流，在中小功率的逆变器中可以得到广泛应用。

全桥式电路开关管电压不高，输出功率大，功率管承受电源电压，流过输入电流。

但全桥变换器功率器件较多，控制及驱动较复杂，并且桥臂也可能出现直通现象。

比较适合大功率场合。

推挽式电路用的开关器件少，驱动电路简单，变压器一次侧电流回路中只有一个开关通态损耗小。

变压器铁芯双向磁化，相同铁芯尺寸下，推挽电路能够比正激式电路输出更大的功率。

但是开关管要承受两倍输入电压，适用于原边电压比较低的功率变换器。

且电路必须有良好的对称，否则容易引起直流偏磁导致铁芯饱和。

另外，变压器绕组必须紧密耦合，减小漏感，从而降低功率管的关断电压尖峰，这提高了变压器绕制工艺的要求以及对所用功率器件电压定额的要求。

实验中可采用半桥式逆变电路。

2.2.3驱动电路

驱动电路可选用IR公司IRG4PC50U型IGBT作为开关电路的开关管，该开关管属于电压控制型器件。

目前，市场上所常用的集成驱动电路很多。

根据实际设计要求，驱动SPWM脉冲频率为20KHz，并且要与单片机进行隔离，因此，可选用SHARP公司的PC923型高速光耦MOSFET/IGBT驱动芯片（HighSpeedPhotocouplerForMOSFET/IGBTDrive）。

该型号芯片外观及内部结构如图2.7所示，（单位：

mm）。

PC923具体参数为：

（1）工作电压

：

15V-30V；

（2）输出电流

=0.4A；（3）最快响应时间为0.5us。

图2.7PC923

其外部接线电路如图2.7所示。

①脚与④脚悬空；②脚为输入信号正端，③脚为负端；⑤脚与⑧输入工作电压；⑥脚为输出端，输出信号经限流电阻后接到开关管的基极；⑦脚接地。

同时，电容

、

的作用是将工作电压

进行分压，两电容中间端接到开关管的发射极，这样就可以在开关管关断过程中为其提供一个反向的电压，从而保证开关管的可靠关断。

图2.8外部接线图

综上所述，PC923的主要作用就是为开关管提供可靠的驱动信号，并且实现了开关电路与控制电路的光电隔离，提高了系统的安全性。

第三章电流有效值的检测

3.1检测的分类

3.1.1电阻检测和磁检测

随着科技及信息技术的发展，人们对控制的要求越来越高，越来越准确，而对控制有着重要作用的就是：

电流的检测。

通常电流检测分为两类：

电阻检测和磁检测。

电阻检测

其检测原理如图3.1所示在理想状态下,被检测电流I流过检测电阻RS时,由欧姆定律可得V=I×Rs。

当电阻为固定值时,电压V的变化就反映出电流的变化情况。

图3.1　电阻检测的电路原理图

但是由于各种寄生效应的影响,实际的检测电路可用图3.2表示。

图3.2　实际的检测电路原理图

图3.2中,L为寄生电感,C为寄生电容,寄生元件形成的二阶网络,形成高频振荡,其中,寄生电感的影响尤为重要,在相同电流变化率的情况下,它直接决定振荡幅度的大小。

图3是理想检测波形与实际检测波形的比较。

图3.3　理想检测波形与实际检测到的波形的比较

检测电阻的引入对整个电路的影响是造成电路额外的功率损耗,因此,由它引起的功耗应越小越好。

电阻的功耗为P=I2R。

为了减小功耗,在保证控制的情况下,应尽量减小电阻的值。

此外,为了减小检测电阻的寄生效应,在电阻选择时应注意选择寄生电感小的电阻;版图设计时,应尽量缩短导带的距离;导带的走线应该宽、直,并且最好用地线包围。

由欧姆定理可知,在电阻值一定时,电压V反映了电流I,如何选择合适的检测电阻十分重要。

在选择电阻时一定要慎重,主要考虑以下几个方面:

1）在满足控制需要的前提下,尽量减小电阻值,以减小电路的功耗;2）寄生电感要小,以减小电流变化率的影响;3）容差要小,以保证产品的一致性;4）温度系数要低,使电阻阻值随温度的变