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1、本科生毕业论文（设计）题 目： 单相逆变电源模块并联设计和实现 院 （系）： 信息科学学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 孔祥聪 学 号： 16055059 指导教师： 梁立容 （讲 师） （职 称）二二年二月说 明1. 毕业论文（设计）的写作格式要求请参照中山大学新华学院本科生毕业论文（设计）写作指导执行。2. 除完成毕业论文（设计）外，还须按规定附上以下材料： 表一 本科毕业论文（设计）开题报告； 表二 本科毕业论文（设计）过程检查情况记录表； 表三 本科毕业论文（设计）成绩评定表（试行）；学术诚信声明； 本科毕业论文（设计）成绩评定记录。3. 参加论文答辩者在表三之后另加表四
2、、表五：表四 本科毕业论文（设计）成绩答辩情况表；表五 本科毕业论文（设计）答辩成绩评定表（试行）。4毕业论文（设计）原件及上述相关材料按本科毕业论文（设计）写作指导要求整理装订后交信息科学学院。5. 上述相关表格均可从“学校主页管理服务教务处表格下载”处下载，如表格篇幅不够，可另附纸。单相逆变电源模块并联设计和实现摘要随着社会经济发展，社会生产生活需求的不断增长，特别是生产生活资料的各种设备对于能源的需求日趋增长，这就对电力系统的容量和稳定性提出了更高要求，因此社会生产对高技术指标的不间断电源需求越来越大。单台逆变电源所能提供的高质量电源容量以及可靠性无法满足当前需求，而且单台逆变器如果出现
3、问题，整个供电系统都将受到威胁，同时也无法带电检修。而多台逆变电源并联运行则可以很好地优化这一缺陷。该课题的主要任务为设计并实现两台单相逆变电源模块的并联功能和输出功率可控输出，并联时采用主从并联模式，其中直流母线电压为40V，输出的交流母线电压为25V，电压频率为50Hz。关键词 逆变器；单相逆变电源；并联The Design and Implementation of Single-phase Inverter Module in Parallel AbstractThe Design and Implementation of Single-phase Inverter Module i
4、n ParallelAbstractAlong with the social economic development, social production and living needs increasing, and the number of various electric equipment keeps increasing, thedemandforthecapacity and reliability requirements for power supply system is growing, so the requirement ofuninterrupted powe
5、r supply for the technical specification of the social production is more and more strict. The high-quality power supply capacity and reliability canbe provided by a single inverter, but it cannot meet the current demand, and if there is a problem with a single inverter, the entire power supply syst
6、em will be threatened, and at the same time, it cannot be repaired live. The parallel operation of multiple inverters can solve this problem.The main task of this project is to design and realize the parallel function of two single-phase inverter power supply modules and the controllable output powe
7、r. When parallel, the master-slave parallel mode is adopted, in which the dc bus voltage is 40V, the output ac bus voltage is 25V, and the voltage frequency is 50Hz.Key words Inverter; Single-phase inverter power supply; ParallelII单相逆变电源模块并联设计和实现 目录目 录单相逆变电源模块并联设计和实现I第 1 章 引 言11.1 选题背景与意义11.2 国内外研究现
8、状和相关工作21.3 本文的研究内容与主要工作21.4 本文的论文结构与章节安排3第 2 章 逆变电源42.1 逆变电源的概念42.2 逆变电源基本结构42.3 逆变电路基本工作原理52.4 并网逆变器72.5 逆变电源并联的技术要求82.6 本章小结8第 3 章 PWM控制技术93.1 PWM控制原理93.2 SPWM控制103.3 本章小结11第 4 章 系统硬件的设计与实现124.1 主从式控制124.2 逆变电源并联系统分析134.3 SPWM逆变电源主电路模型144.4 主控芯片及其最小系统板设计154.5 本章小结22第 5 章 系统软件设计235.1 程序流程图235.2 ADC
9、模块驱动245.3 PWM模块驱动245.4 本章小结25第 6 章 系统测试266.1 实物连接图266.2 主机输出波形图266.3 主机输出波形276.4 并网后电压波形286.5 本章小结29第 7 章 总结与展望307.1 工作总结307.2 研究展望30参考文献32致 谢33附 录3435单相逆变电源模块并联设计和实现 第1章 引言第 1 章 引 言1.1 选题背景与意义自现代科技高速发展以来，各行各业跟随着科技的浪潮得到了飞速的发展。与此同时，各种精密的电气设备也层出不穷，对供电系统的容量以及其可靠性要求发出了巨大的挑战。因此社会生产对高技术指标的不间断电源需求越来越大。不间断电
10、源的核心部分是一个电压恒定、频率恒定的逆变电源，即逆变器。单台逆变器确实能够供给予高技术品质的电源，但是会在运行的工程中存在一种状况，就是一旦单台电源出现故障，整个供电设备就会瘫痪，这对于供电系统而言是致命的。对集中燃煤发电的环境影响的日益关注，尤其是那些与高二氧化碳排放有关的环境影响，是推动向小规模分散发电过渡的主要因素。分散式(分布式)发电最有利的来源是分布在配电系统中接近消费点的可再生能源。世界各地的政府和企业都在日益寻求减少其运作中产生的温室气体排放的方法，重点是使用和安装可持续分布式能源系统。1对此，多个逆变器并联组成N+1冗余系统可以很好地解决这一问题。多台逆变器并联运行，既可以提
11、高了供电系统的电源容量以及其可靠性，也形成容量较大的交流电源系统。这种并联技术将会对多个电源模块进行并联从而满足不一样的用户负荷需求，促使供电电源系统模块化，其好处是缩减不同容量电源的制作成本和设计时间成本。当单台电源模块发生故障时可暂时停止，这种模块化的方式将降低了电源带电维护时的技术难度。逆变电源并联技术将太阳能、潮汐能、风能等输出频率会随时变化的清洁能源接入电网供能，因此这项技术有非常广阔的应用市场。即便逆变电源并联技术具有上述的优点，但同样这种技术存在一定的缺陷。其一，整个系统必须要减少并联时逆变器之间的环流，因为其输出的电压是由逆变电源所提供，每个模块单元的输出电压瞬时值将会难以保障
12、一致，其误差越大环流就越大，损耗电能和电源寿命的同时也对系统的稳定性产生影响。其二，整个系统需要保障并联时负载电流的均流，但是碍于各电源模块、各元器件之间具有一定的不相容性，或者是连接的阻抗不稳定，故而即使各模块的性能较好，但是也不可能真在并联时达到负载的平均分流。2对此，并联技术的控制其主要任务是保障各个模块之间电压瞬时值一致，从而避免环流的产生。综上所述，逆变电源模块并联运行有着许多优点，然而其中还存在着系统自身问题，所以对于逆变电源的并联控制的研究一直是国内外供电系统方面的关注点。所以对逆变电源进行并联控制研究非常具有理论和实际意义。1.2 国内外研究现状和相关工作逆变电源在1956年-
13、1980年之间属于传统意义上的发展阶段。随着1956年电力电子学的诞生以及其发展，各种各样的元器件层出不穷，正是这种发展趋势，首款逆变器-SCR电压型逆变器就此被孕育出来。在1980年代早期，准谐振变换技术的问世，正是这种LC电路在一个开关周期内全谐振调整为半谐振或谐振的部分的技术，让软开关技术与PWM技术的结合广泛应用于直流/直流转换器当中。目前，软开关技术方面的研究主要是为了将软开关技术运用在PWM逆变器上，目的是既能保持PWM逆变器的特性优势，亦能发挥出软开关的作用。这种技术为脉宽调制PWM软开关技术，其工作原理是，LC与开关元件在一般情况下不谐振，二者的组合只保持PVM逆变器特性。然而
14、只在开关的过程中，两者会产生谐振，以此实现软开关变换。两者必须形成一个整体的谐振网络，通常不谐振以保持PWM逆变器的特性，仅有在开关过程中产生谐振，实现软开关变换。对于PWM软开关技术早已成为电力电子学领域重要的课题和研究对象之一，如何有效得、稳定得应用在逆变器上成为突破目前逆变器性能和推广的关键所在，更是对电力电子学科的发展进程起到了重大作用。在电力电子学领域的国内外学者至今已经通过大量的探究和实验，提出了各种各样的逆变电源并联控制方案，从逆变电源并联是否有连接线的角度可以分成2种方案：有连线并联控制方案以及无连线并联控制方案。二者当中，有连线并联控制方案可以避免逆变电源之间产生环流以及对负
15、载电流均流。1.3 本文的研究内容与主要工作该课题的主要任务为设计并实现两台单相逆变电源模块的并联功能和输出功率可控输出，并联时采用主从并联模式，其中直流母线电压为40V，输出的交流母线电压为25V，电压频率为50Hz。主要工作包括以下几项:理解并分析单相逆变电源主从并联的基础概念，其中包括工作原理和核心技术等，设计单相逆变电源主从并联各个功能模块，包括主单相逆变电源模块、从单相逆变电源模块、锁相模块等。1.4 论文结构与安排本文的论述与研究主要分6部分进行。第一章为当下该课题研究的现状及意义、目的等；第二章介绍逆变电源的基础概念、基本结构和工作原理；第三章将介绍对逆变电源的控制技术；第四章将
16、详细介绍逆变电源控制系统各模块的硬件设计以及实现过程；第五章会介绍本逆变电源设计控制系统的软件部分内容；最后一章将对本文进行总结和展望。表1-1 论文结构章节与安排章节内容安排第一章引言第二章逆变电源第三章PWM控制技术第四章系统硬件的设计与实现第五章系统软件设计第六章系统测试第七章总结与展望单相逆变电源模块并联设计和实现 第2章 逆变电源第 2 章 逆变电源本章节将从逆变电源的基本概念、基本结构以及基本工作原理深入了解逆变电源，从而分析逆变电源的并联所需要的技术以及本设计应配备的功能。通过对PWM控制原理、并网逆变器、SPWM控制的分析理解，分析出本逆变电源并联设计的控制方法。2.1 逆变电
17、源的概念逆变是整流的反过程，其最终要实现的是将直流转为交流，具体是通过MOSFET管形成全桥逆变电路，使直流电转化为交流电，故所以逆变又被称为整流的逆过程。随着电力电子技术和自动化水平和控制技术的发展，各行各业对供电电源的质量提出了越来越严格的要求。目前，追求稳定，高可靠，高效，节能和环保的动力是能源领域的研究热点之一。在现实生活中，交流电源和直流电源都有其身影的出现，这就得益于它们各自的特点。交流电源的传输损耗小，所以在通常运用于电流的长距输送中。对于直流电压来说，其不但具有良好的稳定性，还不存在白噪声，因此较适作为各电子设备的电源。同时，电子设备需要交流电通过整流或者开关电源变成直流电才能
18、使用。目前，DC电源的应用十分广泛，在太阳电池、蓄电池中多有使用。当交流负载在工作时，直流电源需要交流供电，运用逆变器便可实现这一要求。逆变器即逆变电源，其可以将直流电转为交流电，从而实现DC电源向AC电源的转变。逆变器也被称为逆变电源，能够将直流电转化为交流电，并且交流电的电源、频率等可实现按需调节，其被利用于多种发电领域的核心部分。本世纪初以来，电力电子领域的技术日新月异，各种电气元器件从功能、精密度上都得到了不同程度的完善，控制电路也从模拟集成电路阶段迈向到微控制器等数字控制阶段，促使SPWM逆变器在这些领域的成功下得以发展。2.2 逆变电源的基本结构逆变电源的工作过程将经历2个阶段。第
19、一阶段，输入的交流电先通过整流电路整流转化为直流电；第二阶段中，由前一阶段产生的直流电流，在此时通过晶闸管逆变电路，转化为交流电。根据这一过程，则可以得出，逆变电源的基本结构为AC-DC-AC（交-直-交）结构，其主要包含：输入、整流、逆变、输出、驱动、控制和保护电路。如图2-1所示，逆变主电路输入的40VAC电经过整流电路转换为DC以此提供稳定的电压源。控制脉冲由驱动与控制电路产生，由这些脉冲控制逆变电源中各个开关管的导通与关断并调节开关的频率，从而操控主电路对直流电进行逆变。图2-1 逆变电源基本结构图辅助电路，是指将逆变电源所输入的直流电压，转变为能够满足为电路中其他元件正常工作的直流电
20、压，如为放大器供电电路、为主控芯片供电电路等。输出电路主要由LC滤波电路组成，逆变变压器将会在输出电路的前面，变比是1：1，主要用于隔离。设置保护电路的目的主要是防止输入、输出的过压和欠压，防止过载，防止过电流和短路。在本设计中，逆变电源主电路通过控制STM32单片机的PWM模块，将其输出频率、占空比等进行一定的调节，使逆变电源主电路中的逆变模块NMOS管闭合或导通，从而通过移相的方式调节输出电压脉冲宽度，进而调节逆变电路的输出电压。本文拟采用的单相逆变主电路为全桥式逆变电路。2.3 逆变电路的基本工作原理以下将通过逆变电路元件图以及阻感负载电压电流波形图，对单相桥式逆变电路的工作机制进行分析
21、。在图2-2中，有四个桥式电路臂，分别为S1、S2、S3、S4，都是由MOSFET管组成。以下会通过2种不同的逆变电路情况去分析其波形变化。（1）当开关管S1、S4断开，S2、 S3导通时，u0此时为负；（2）当开关管S2、 S3断开，S1、S4导通时，u0此时为正。其波形如图2-3所示，在经由以上步骤后，直流电转为交流电，并根据此过程可以得出两组开关切换频率，也就是输出交流电的频率。图2-2 逆变电路简图当负载为电阻时，其产生的的负载电压为u0，负载电流为i0。此时，两者在波形图中形状、相位均是相同的；而当负载是阻感时，由于负载两端电压改变的一瞬间，电感上的电流不会发生突变，根据电磁感应定律
22、(2.1)： (2.1) 通过变换后两边积分可得到式子(2.2)： (2.2) 由该公式可知，在t=0-，t0=0+时，IL(0+) 等于IL(0-)，即负载两端电压改变的一瞬间，即负载两端电压改变的一瞬间，电感上的电流不会发生突变，所以i0的基波相位滞后于u0的基波，这样就会造成两者波形形状不同，如下图2-3给出的就是阻感负载时的i0波形。图2-3 阻感负载电压电流波形图如上图所示，在t0t1这一时段内，S1、S4导通，此时段u0为正；在t1这一时间点上，闭合S2、S3并瞬时断开S1、S4，u0瞬间由正转负。同时，由于电路中电感的存在不可避免，则在瞬间切换之后，电流的极性并不是迅速变化，而是
23、在一定时间内仍保持原来的极性。此时，总电流i从电源负极流出，依次在电路中经过S2、负载和S3，而后再流回正极。而之前随着时间积累，在负载电感中储存的能量渐渐作用于直流电源之上，使其流出的电流i0逐渐减小，其大小0值后又反向增大。同样，当此时再闭合S1、S4断开S2、S3，u0瞬间由F负转正。此时，总电流i从电源负极流出，依次在电路中经过S1、负载和S4，而后再流回正极。此时i0极性立即变为正，此时总电流从电源正极流出，先后经过、负载和流回负极，其大小0值后又正向增大。2.4 并网逆变器并网逆变器（GTI）因为能与主电源的频率和相位同步的特性，被广泛应用于国外的电网系统当中。 并网逆变器通常用于
24、某些DC电压源（例如太阳能电池板或小型风力涡轮机等等）和电网连接。 逆变器将DC电力转换为AC电力以返回电网。并网逆变器的输出电压需要与电网频率相同。当下，高技术含量的并网逆变器的功率可达到1，即实现了电压与电流相位一致，且电网电压的相位差值不超过1度，基本实现了电力转换的同步性与完整性。逆变器中的微处理器感测电网的AC波形，并使用该波形产生电压，该电压被发送回电网。随着社会的不断发展，它也带来了日益严重的环境污染和能源短缺等问题。潮汐能、风能等可再生能源由于具有清洁，安全，无污染，可再生等优点，越来越受到各国政府的重视。 太阳能电池和燃料电池的输出是直流电，而例如风力涡轮机的输出的是频率会受
25、风速影响的AC交流电，但电网电压是固定频率的交流电，这就严重影响到并网逆变器的功能，故而对于相关的技术有着更高的要求。2.5 逆变电源并联的技术要求对于本设计中的逆变电源的并联技术而言，其一方面是电源系统稳定运行的支撑，同时又决定了冗余电源技术的质量。因此，逆变电源并联技术对于一个逆变电源并联供电系统成为了重中之重，所以通过上述对逆变器的介绍得出系统应该具备：（1）并联的各个逆变电源应该通过调节实现负载电流的一致性。若果长期处于一个逆变电源负载电流不稳定的状态，将会时负载电流较大的逆变电源过载，严重影响到供电系统安全性。（2）各个逆变电源在投入的系统中，应实现自动化且对系统输出的电压电流影响小
26、。通过控制其输出电压和电网系统电压之间的波形等参数减少其系统的误差，进一步缩减其误差范围。（3）该并联系统应该具有一定的可调节性，除去一个或多个电源模块不会影响供电系统的功率，通过n+x冗余度，使电源模块的稳定性提高。（4）逆变电源并联系统应能够做到带电接入、去除一个或多个逆变电源模块。2.6 本章小结通过对逆变电源的概念、基本结构以及工作原理可以充分了解逆变电源的基础知识，然后对并网逆变器的清楚认识并理解，分析出逆变电源并联的相关技术要求。对于本单相逆变电源模块并联设计有了一定的基础认识。单相逆变电源模块并联设计和实现 第3章 PWM控制技术第 3 章 PWM控制技术PWM（脉冲宽度调制）控
27、制技术指的是，以接通、断开半导体开关的方式，使DC电压形成特定的脉冲序列。 该技术发展至今，已经较为成熟，控制方法也是层出不穷，如： 等脉冲宽度PWM方法，SPWM方法，随机PWM方法，等面积方法，低谐波消除方法，单位脉冲宽度调制方法等。文献提出采用脉冲高压叠加直流偏压的供能方式代替传统直流供能方式。33.1 PWM控制原理在系统中，通过调其中脉冲宽度，获得所需波形的过程，即为PWM控制原理。其中，波形包括波的形状与幅值。文献讨论了影响脉冲前沿的因素，在开关结构参数一定的情况下, 增加开关间隙的气压和电场强度、减小回路的电感是减小脉冲前沿的主要方法。4图3-1 四种电压窄脉冲波形如下，将图3-
28、1中的各个脉冲分别加在一阶惯性环节(R-L)电路上, 操作如图3-2所示，而后获得输出电流作用不同的于窄脉冲时，所产生的得的响应波形，如图3-3所示。从中可以明显地看出，在的上升段，脉冲电流大大小关系为dacd，并且由图3-1并且它们的可以得出，脉冲的宽度关系一致，并且在下降阶段几乎是相同的。这就说明，脉冲的宽度越小，则产生各响应波的相似程度就越高。若将上述类型的脉冲施加到电路中，则响应电流也具有周期性规律。利用傅里叶技术分解，则可分析得出各个不同的各于低频段的范围内极其相似，只是在频段较高的范围内，才能看出较为明显的差异。图3-2 一阶惯性环节(R-L电路)图3-3 各窄脉冲的响应波形3.2
29、 SPWM控制SPWM控制是PEN控制方法之一，其具有较高的可靠性与可操作性，相关技术较为出色。使用这种控制方法，通过将冲量相当、形状存在差异的窄脉冲施加到惯性的环节中，促使脉冲宽度发生正弦变化，进而产生与正弦波一致的波形。从原理上而言，这种控制方式是以变换波幅与频率，来引起输出电压幅值与频率的改变的。进一步的研究表明，SPWM具有一定的局限性。最主要的是基本幅度的限制。然而，在这种情况下，最大线路电压的基本组成部分与直流电源电压的比值为0.87%。此值表示直流电源利用率较低。有一种方法叫做过调制，这种方法可以改进基频分量，但引入低阶谐波。因此，文献中对PWM逆变器的谐波含量进行了大量的修正，
30、但研究人员提出的方法存在局限性和不足。文献提出了一种降低PWM逆变器谐波水平的新方法。5具体来说就是SPWM控制法将正弦半波更替为PWM波。如图3-4所示，该控制法通过相同数量的等高但不等宽的矩形脉冲替换掉顶部是曲线且大小按正弦规律变化的脉冲序列组成的正弦半波，让矩形脉冲的中值点与相应的正弦脉冲的中点对应，且使二者部分面积(冲量)相等。图3-4 SPWM波形示意图3.3 本章小结本章从阐述PWM控制技术的控制原理出发，对PWM控制技术进行深入认识和理解分析，从而为本设计的所采用主从式控制法打下了一定的基础。单相逆变电源模块并联设计和实现 第4章 系统硬件的设计与实现第 4 章 系统硬件的设计与
31、实现在对逆变电源以及其控制方法有了一定的基础认识后，对系统硬件方面有了一定的设计思路，本章将会介绍本设计的硬件设计部分并通过用模拟的方法进行初步的有线并联控制方法中，瞬时电流均分控制法、主从控制法应用是最为广泛。本设计将采用主从控制法来实现单相逆变电源模块并联，并详细解释主控芯片STM32F103RCT6的各模块设计。4.1 主从式控制本设计将会采用主从式控制法。主从式控制法在逆变电源上应用广泛，其概念为在多个电源模块当中令一个逆变电源模块作为主控模块，剩下的逆变电源模块作为从模块，从而使控制结构更加清晰简单。其中必须注意的点是，各逆变电源模块之间在整个电源系统中的地位是不相同的。图4-1是主
32、-从并联系统结构图，如图所示，主控制模块是电压控制式PWM逆变电源，而从控制模块是电流式PWM逆变电源。主控制模块需要保障系统输出的正弦电压的频率和幅值处于一个平稳的状态且需要及时监测负载电流，因此，主控模块需要添加电压调节器和负载电流分配器。平均电流可由负载电流除以N+1获得，其中N是指电流控制式PWM逆变器电源，而1是指电压控制式PWM逆变器电源。从模块的逆变电源需要与主模块同步，因此必须具备快速响应的特性。图4-1 主从并联系统结构图由于本文设计通过从机对主机电压电流信号进行采样，利用单片机对电压电流相位信号进行判断来使主从相位匹配，不需要同步电路，因此系统稳定且易于扩展。为了实现每个从
33、机的电流共享，本文通过连接逆变器电源和负载之间的感性负载来实现。4.2 逆变电源并联系统分析图4-2为两逆变电源并联等效电路图。其中，v1、v2为分别为两逆变电源输出电压，、分别为对应的输出电流。同时，为负载电流，为环流。Z1、Z2为分布阻抗，为逆变电源输出阻抗与连线阻抗叠加值。Z0为负载阻抗。图4-2 主从并联系统结构图其中，。R1、R2分别为分布阻抗中的电阻，L1、L2为分布阻抗中的电感。则vi（i=1,2）可表示为式子(4.1)： (4.1) 由图3-2可得到两台逆变电源的输出电流表达式(4.2)、(4.3) 所示： (4.2) (4.3) 设环流ic方向如图所示，由v1流向v2，则在两
34、台逆变电源之间流动的环流ic的表达式(4.4)为： (4.4) 4.3 SPWM逆变电源主电路模型按照结构划分，单相逆变电路可分为两种，即半桥、全桥两个类型。本文研究设计的电源属于全桥型。电路结构模型为图4-3所示。该电路中包含功率管（v1-v4）、续流二极管（D1-D4）、三极管、滤波器（LC低通滤波器）与其他负载等。其中，为输出电压；D滤波电容为C，滤波电感为L；r电感串联等效电阻，R为负载；、 、 三者为不同电路上的电流。在这一电路中，变压器主要起到隔离作用，故而匝数比为1:1。6图4-3 SPWM逆变主电路模型图由图可得： (4.5) (4.6) (4.7) (4.8) 由上(4.5)
35、、(4.6)、(4.7)、(4.8)式子可推出式子(4.9)： (4.9) 再对该式子进行拉氏变换后得输入和输出的传递函数(4.10)： (4.10) 由算出的传递函数可以画出该模块的等效框图，如图4-4所示：图4-4 等效框图4.4 主控芯片及其最小系统板设计4.4.1主控芯片本设计选取的主控芯片为STM32F103RCT6（32位），该芯片中有嵌入型-微控制集成电路，并且采用ARM Cortex-M3处理器。该主控芯片最高工作频率是72MHz。同时，芯片的存储器为FLASH型，存储容量256KB，RAM容量48K同时，芯片采用了更稳定的CH340GUSB转串口芯片和更大容量的W25Q64
36、SPI FLASH芯片。利用使用单片机的I/O，则就可以形成宽度、频率都符合要求的脉冲，从而实现对触发电路的控制。如此一来，既产生了触发脉冲，并且还可借助产生的触发脉冲触发MOSFET，使其进一步产生脉冲。最终，将这两个环节所产生的的脉冲，通过脉冲变压器将脉冲耦合，向交流母线输入。脉冲的宽度、周期等，可以通过单片机程序进行编写来控制。7图4-5为STM32F103RCT6芯片各个串口，标有红色叉号的为本文没有用到的串口。表4-1为各个串口的功能及连接关系。表4-1 串口功能及连接关系引脚GPIO连接关系16PA2W25Q64 的片选信号 17PA3SD 卡接口的片选脚 18PA4NRF24L0
37、1 接口的 CE 信号 19PA5W25Q64、SD 卡和 NRF24L01 接口的 SCK 信20PA6W25Q64、SD 卡和 NRF24L01 接口的 MISO 信号21PA7W25Q64、SD 卡和 NRF24L01 接口的 MOSI 信号 41PA8接 DS0 LED 灯(红色)42PA9串口 1 TX 脚，默认连接 CH340 的 RX(P4 设置)46PA13JTAG/SWD 仿真接口47PA14JTAG/SWD 仿真接口28PB2BOOT1,启动选择配置引;，TFTLCD 接口的 D2 脚 58PB6TFTLCD 接口的 D6 脚 59PB7TFTLCD 接口的 D7脚34PB
38、13TFTLCD 接口的 D13 脚 35PB14TFTLCD 接口的 D14 脚 24PC4NRF24L01 接口的 CS 信号 25PC5PS/2 接口的 DAT 信号 ;接按键 KEY0 3PC14-OSC32_IN接 32.768K 晶振4PC15-OSC32_OUT接 32.768K 晶振5PD0-OSC_IN接 HSE 晶振6PD1-OSC_OUT接 HSE 晶振60BOOT07NRST接RESET图4-5 STM32F103RCT6芯片串口图4.4.2晶振电路常见的时钟信号获取有两个方案，第一是利用芯片内部的晶振来产生信号，第二是采用外部晶振结合内部电路获取时钟信号。本文使用的是
39、芯片内部晶振来产生信号，内部电路如图4-6所示。图中的C2、C4和C6、C7为晶振的负载电容，一般情况下，晶振正常工作需要负载电容。为确保晶振的正常工作，以C2、C4为例，两个电容需要满足(4.11)： (4.11) 图4-6 晶振电路4.4.3辅助电源设计辅助电源在逆变电源模块中的作用主要是分别为主控芯片、运算放大器及传感器提供3.3V和15V电压。首先将接入的40V电压经过图4-7所示电路降为24V，其中D3为稳压二极管，C22为有极性电容，Q1为NPN型三极管。图4-7 40V-24V辅助电源辅助电源在逆变电源模块中的作用主要是分别为主控芯片、运算放大器及传感器提供3.3V和15V电压。
40、首先将接入的40V电压经过图4-7所示电路降为24V，其中D3为稳压二极管，C22为有极性电容，Q1为NPN型三极管。接下来将24V直流电转换为12V直流电，这一转换可以利用TPS5430芯片来完成。该芯片为DC /DC开关电源转换芯片，其电压输入范围为5.5V36V，并且转换效率较高，最高可达到95%。这一技术水平符合当前绿色环保、可持续发展的理念。同时，该芯片的内部补偿最小化了外部器件数量且具有过流保护及热关断功能，在一定程度上有利于减少成本，提高经济效益。图4-8 24V-12V辅助电源得到12V直流电后，通过LM1117芯片再将12V电转化为3.3V给单片机供电，如图4-9所示。该芯片
41、可在较低电压范围内，对电压进行调节。具体的工作原理是，以外部的2个电阻的变化对电压实现1.2513.8V的调节。其可直接调节到5个固定电压值：1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V，在本设计中，则选用的是出3.3V固定值。图4-9 12V-3.3V辅助电源4.4.4运算放大模块设计由于stm32单片机只能采集03.3V的信号，所以需要将传感器采集到的电压信号经过运算放大将二次电压抬高到03.3V然后经过低通滤波传送给单片机。 设计的比例运算放大模块如图4-10所示，其中T2为交流电压互感器，型号是TV1013，特点是体积小、精度高且电压隔离能力强，将该电压互感器作为传感器采集电压信号然
42、后经过比例运算放大器将信号电压抬高后输送到单片机。该运算放大模块中U4A运算放大器提供1.5V的虚拟地，即FAKE GND，U4C为运放比例放大，两个运放一起将二次电压抬至03.3V，然后把电压信号输给单片机。7图4-10 电压采样及比例放大电路上图为MCP6004型的低功率运算放大器电路。该型号的放大器的增益宽带为1MHz，相位容限为90相位容限。经过比例运放和RC低通滤波后将信号输送到单片机。图4-11 比例运算放大电路4.4.5输出滤波电路设计在经由放大器放大之后，所输出的电信号仍然存在大量的高频噪声，将该信号直接作为输出会对结果造成很大的不可控的影响，因此需要设置滤波电路对这些高频噪声
43、进行过滤，从而确保单相逆变器的输出电压、电流信号在一定程度保持平稳。输出LC滤波电路参数的设置需要能够过滤出纯净的正弦波电压，设单相逆变器的开关频率为，滤波器额的截止频率为，两者一般要满足，LC低通滤波器的传递函数为： (4.12) 易得LC低通滤波的截止频率为： (4.13) 半导体的电容参数，对于电路充放电速度有着重要的决定性作用。按照相关文献9则可知电容的选择，与脉冲波形有着紧密地联系，若想得到较佳的脉冲波形，则就应当选择较小的电容，电容越小，波形越好。同时，还应选择开关响应迅速, 分布电容和漏-源导通电阻值小的器件。由于LC低通滤波的电容值越大，单相逆变器所需的输出无功功率越大，考虑到
44、这一点，电容的取值应尽量小。LC为定值，所以C减小，L增大。综上，LC低通滤波参数选择如图4-10所示，左上角L2和C24组成LC低通滤波模块。4.4.6全桥逆变模块MOSFET栅极和源极同电位时不存在沟道，为使全桥逆变电路中的MOS管截止并不需要另外的偏置电压，换句话说该模块可由单一电源供电。因为在MOSFET中的栅极是和沟道隔离的，不存在漏-栅泄漏电流。这就导致输入电阻比JFET电路还高。当MOSFET是截止时，有一个小的漏-栅泄漏电流，这一泄露电流在Rc上引起一定的电压降。10图3-12所示的是单相逆变电源主电路中的全桥逆变模块，这一全桥电路实际上可以看做是两个半桥结构组合而成。其中，Q2Q5为NMOS管，这4个NMOS管的作用与IGBT较为相似，并且桥臂Q2、Q5为一组，Q3、Q4为一组，两组桥臂交替导通时，能够起到移相作用，从而调节输出电压脉冲的宽度，使得逆变电压发生改变。12图4-11 全桥逆变模块4.5 本章小结本章主要介绍了本设计的核心控制技术和核心硬件模块，对系统的各样功能进行分析和设计，主要包括主从控制法、主电路模型以及主控芯片及其晶振电路、辅助电源设计、运算放大模块设计、输出滤波电路设计以及全桥逆变模块。单相逆变电源模块并联设计和实现 第5章 系