光伏并网发电毕业设计

逆变并网模拟系统软件设计 9

和转换。

MAX197与其它A/D芯片不同之处在于它的很多软件功能都是利用内部控制字来实现的，如通道选择、模拟信号量程、极性等。MAX197的输出数据采用无符号二进制模式(单极性输入方式)或二进制补码形式(双极性输入方式)。当CS和RD都有效时，HBEN为低电平，低8位数据被读出，HBEN为高电平,复用的高4位被读出，另外4位保持低电平(在单极性方式下)，或另外4位为符号位(在双极性方式下)。以MAX197为核心的数据采集Ａ/Ｄ转换电路具有外围电路简单、与处理器并口兼容性好、时序控制简单易懂的特点，其变换时间短(6ms)，可靠性和性价比高，并且编程简单，比较适合实时性要求较高的大数据量数据采集与高速A/D转换使用。有8个模拟信号输入端口，可通过程序选择输入通道，而且转换速度快，转换时间最短仅需6us，完全能够满足单片机每隔90.9us采样一次的要求，微秒级的转换速度完全满足设计的要求。MAX197的控制字功能如表2-2：

表2-2 MAX197的控制字功能表

MAX197的控制字 D7(MSB) PD1 D6 PD0 D5 ACQMOD D4 RNG D3 BIP D2 A2 D1 A1 D0(LSB) A0 工作模式选择控制捕获方式控字PD1&PD0为“00、01、制字。此位置10、11”时分别对应以下“0”为内部控量程选择控制字。模拟信号输入通道选择RNG&BIP为“00、01、控制字。A2&A1&A0的二进10、11”时对应的量程制码值即为所选模拟信号输入通道。如“110”即表示选择模拟信号输入通道“CH6”。 四种工作模式：外部时制捕获方式，分别为：0V~5V、钟模式、内部时钟模式、置“1”为外部等待模式、掉电模式。 控制捕获方式。 -5V~+5V、0V~10V、-10V~+10V。 MAX197有8位控制字，分别控制着此芯片的工作模式、捕获方式、量程选择、模拟输入通道选择，其中内部采集和外部采集模式较为常用。

内部采集模式：

通过写入清零ACQMOD位(ACQMOD=0)的控制字选择内部采集模式。在这种模式下，一个写脉冲将触发一个内部捕获周期，并且此捕获周期是内部定时的，为6个时钟周期。当这六时钟周期的捕获间隔结束时转换开始。转换时间是12个时钟周期，不论内部或外部采集模式。

外部采集模式：

用两个独立的写脉冲控制捕获和转换的开始。第一脉冲，与ACQMOD=1一起，开始一个不确定长度的捕获间隔；第二个写脉冲与ACQMOD=0一起终止捕获并在写脉冲的上升沿开启一次转换。然而，如果第二个控制字包含ACQMOD=1，一个不确定的捕

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获间隔时间将被重新触发。外部采集模式可以更加精确的控制采样间隔并可独立控制捕获和转换时间。 2.5.2 频率相位跟踪

频率和相位的信号采集原理：频率相位跟踪的实质就是锁相环。锁相环路是一种反馈电路，锁相环的英文全称是Phase-Locked Loop,简称PLL。其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同步。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路[7]。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。由在交流输出侧互感产生的正弦信号变换为方波脉冲，这时的方波脉冲还不是标准的方波，再通过反向器进行整形，即可得到标准方波脉冲用于频率的检测，将此方波脉冲通过单稳态电路，这样以来可以使交流侧采集的信号与标准公网信号进行同时采集送入单片机的外部中断，这样可以用来进行相位跟踪。

由模拟电网电压的参考电压信号接入比较器LM339的同相端，LM339的反相端

接地以实现过零比较，经过比较的输出信号为方波信号，将该方波信号接入反相器，经整形后再接入主控单片机的计数器0，通过主控单片机的计数器0，测出模拟电网信号的频率；同时通过另一检测回路，反馈信号的频率也能够轻松测得。以模拟电网信号的频率为标准，通过主控单片机的数据处理后，输出相位的控制信号即可实现频率跟踪测。

相位跟踪原理与频率跟踪原理较为类似，不同的是从反相器LM339输出的信号接入主控单片机的外部中断INT0端口，通过中断服务检测到信号的下降沿，即就是模拟电网的正向过零点，这样以来模拟电网的相位轻松测出。同理，反馈信号的相位也可以通过该检测电路检测实现。将模拟电网和反馈信号与相位信号接入主控单片机，主控单片机检测到两路信号的相位差，并记录相位差的变化情况。主控单片机以模拟电网的相位为标准，经过数据处理控制输出的电压的频率，经过反复比较和逐次逼近，以实现相位跟踪[8]。

此方案中的比较器选择LM339，该电压比较器的特点是： （a）失调电压小，典型值为2mV；

（b）电源电压范围宽，单电源为2～36V，双电源电压为±1V～±18V； （c）对比较信号源的内阻限制较宽； （d）共模范围很大，为0~（Ucc-1.5V）Vo；

（e）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压； （f）输出端电位可灵活方便地选用。 LM339外部管脚功能如表2-3所示：

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表2-3 LM339管脚的功能表

Pin1 输出1 Pin2 输出2 Pin3 VCC Pin4 输入2反相端 Pin8 输入3反相端 Pin9 输入3同相端 Pin10 输入4反相端 Pin11 输入4同相端 Pin5 输入2同相端 Pin12 GND Pin6 输入1反相端 Pin13 输出4 Pin7 输入1同相端 Pin14 输出3 LM339类似于增益不可调的运算放大器。LM339含有四个比较器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端分别是同相端和反相端。

当同相端的输入电压高于反相端的输入电压，则输出端输出高电平。当同相端的输入电压低于反相端的输入电压，则输出端输出低电平。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的[9]。LM339的输出端必须接一个上拉电阻，否则无法正常工作。上拉电阻阻值一般取3K～15K。 2.5.3 过流检测

此系统需要检测电流的地方有：逆变输出交流侧过电流检测；这部分的电流检测均采用霍尔电流传感器，霍尔传感器能够间接地测量电流信号；将霍尔传感器加在并网变压器上，用于逆变输出交流过流检测，当变压器中流过的电流增加时，霍尔元件两端的电压就会上升，将此电压信号经MAX197进行模数转换后送给主控单片机，由主控单片机处理之后进行限流处理[10]。

霍尔电流传感器是按照安培定律原理做成，即在载流导体周围产生一正比于该电流的磁场，而霍尔器件则用来测量这一磁场。因此，使电流的非接触测量成为可能。通过测量霍尔电势的大小间接测量载流导体电流的大小。因此，电流传感器经过了电－磁－电的绝缘隔离转换。 2.5.4 欠压检测

欠压检测部分，这一部分就是检测直流电源输出的直流电压，采集的信号用于采用电阻分压，输出0~5V电压信号，此电压信号经MAX197 A/D转换后送入主控单片机进行数据处理；当检测到直流电源供电的电压低于要求的欠压保护的电压时，由主控单片机输出封锁信号，立刻封锁SPWM波的输出，使得DC-AC模块输出电压为零，实现欠压保护功能；当电压恢复正常后，主控单片机再重新开启SPWM波输出，桥式逆变主电路又恢复正常逆变工作状态。

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2.5.5 SPWM波延时驱动电路

驱动桥式电路的MOS管选择6N60A。6N60A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。

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，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。

由下图可知，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=R?C,则充电和放电的时间差?t=t1-t2，而我们要选择的死区时间为T=(4~5)?t。

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。

2.6 控制模块

控制模块以单片机为控制核心，采用快速单片机W77E58。

W77E58单片机是一款快速而且与8051兼容的微控制器，

其内核经过重新设计，提高了时钟速度和存储器访问周期速度，在相同的时钟频率下，其指令执行速度是标准8051的1.5~3倍[12]；此外，在相同的吞吐量及低频时钟情况下，电源功耗也降低；另外，W77E58单片机内含32KB的EPROM，具有1KB随机数据存储器。图2-13 W77E58单片机外部引脚图