【正文】 電壓的鎖定。所以選擇R1=100k可以滿足設(shè)計(jì)的要求。由于采用了PI控制方法輸出電壓可以精確的設(shè)定在預(yù)設(shè)的電平上從而實(shí)現(xiàn)了升壓控制。 SPWM波形生成模塊正弦半波波形分成Ｎ等份，就可把正弦半波看成由Ｎ個(gè)彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于Л／Ｎ，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部 分面積（沖量）相等，就得到圖3－13所示的脈沖序列。這就是PWM波形?？梢钥闯?，各脈沖的寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。圖3－13 PWM控制的基本原理示意圖對(duì)于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得PWM波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的ＰＷＭ波形，也稱為SPWM（Sinusoidal PWM）波形。在PWM波形中，各脈沖的幅值是相等的,要改變等效輸出正弦波的幅值時(shí)，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可。以上介紹的是ＰＷＭ控制的基本原理，按照上述原理，在給出了正弦波頻率、幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，ＰＷＭ波形各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確計(jì)算出來(lái)。按照計(jì)算結(jié)果控制電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所 需要的PWM波形。但是，這種計(jì)算是很繁瑣的，正弦波的頻率、幅值變化時(shí)，結(jié)果都要變化。較為實(shí)用的方法是采用調(diào)制的方法，即把所希望的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過(guò)對(duì)載波的調(diào)制得到所期望的ＰＷＭ波形。通常采用等腰三角形作為載波，因?yàn)榈妊切紊舷聦挾扰c高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱，當(dāng)它與任何一個(gè)平緩變化的調(diào)制信號(hào)波形相交時(shí)，如在交點(diǎn)時(shí)刻控制電路中開關(guān)器件的通斷，就可以得到寬度正比于信號(hào)波幅值的脈沖，這正好符合ＰＷＭ控制的要求。當(dāng)調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，所得到的就是ＳＰＷＭ波形。一般根據(jù)三角波載波在半個(gè)周期內(nèi)方向的變化，又可以分為兩種情況。三角波載波在半個(gè)周期內(nèi)的方向只在一個(gè)方向變化，所得到的ＰＷＭ波形也只在一個(gè)方向變化的控制方式稱為單極性ＰＷＭ控制方式，如圖314所示。如果三角波載波在半個(gè)周期內(nèi)的方向是在正負(fù)兩個(gè)方向變化的，所得到的ＰＷＭ波形也是在兩個(gè)方向變化的，這時(shí)稱為雙極性ＰＷＭ控制方式，如圖3－15所示圖3－14單極性SPWM控制方式原理圖3－15雙極性SPWM控制方式原理SPWM波形saber仿真如圖316所示，從上至下分別用(a)(d)表示，其中圖（c）和圖（b）分別是用于調(diào)制的正弦波波形和周期性三角波的波形，其中周期性三角波是用ramposc的saber模塊生成的。圖(a)是通過(guò)比較器的輸出。圖(b)是最終輸出的SPWM波的波形。圖3－16 SPWM波形仿真結(jié)果 橋式逆變器模塊假定逆變器的直流環(huán)電壓為Ud，載波三角波的幅值為Uc，則調(diào)制比的值為： （3－6）式中：Us為電源輸出電壓有效值，Is為電源輸出電流有效值，Ur為調(diào)制波電壓的有效值。載波比：N=fc/fr,fc為三角波頻率，fr為調(diào)制波頻率。逆變器輸出電壓Uab（t）的傅立葉級(jí)數(shù)表示為： （37）從上面的公式可看出，第一項(xiàng)即為SPWM輸出波形中的基波分量，正是我們所需要的，第二項(xiàng)是諧波分量。另外，從公式的第二項(xiàng)還可以看出，載波Ｎ越大，諧波頻率就越高，濾波越容易（從它的頻譜圖中能更形象的看出），所需的L2 C5的值就越小。圖3－17出了橋式變換器的主電路。橋?qū)堑膬蓚€(gè)功率MOS管作為一組，每組同時(shí)接通或斷開，兩組開關(guān)輪流工作，在一個(gè)周期中的短時(shí)間內(nèi)，四個(gè)開關(guān)將處于斷開狀態(tài)。四個(gè)開關(guān)導(dǎo)通（或關(guān)斷）占空比值均相等。在給ＴT3加觸發(fā)脈沖，這兩個(gè)MOS管導(dǎo)通，電流流過(guò)T1的漏極，經(jīng)過(guò)輸出濾波電路回到T3的漏極。當(dāng)TT4加觸發(fā)脈沖時(shí)，此時(shí)TT3的觸發(fā)脈沖消失，T2和T4這兩個(gè)MOS管導(dǎo)通，但不能立即導(dǎo)通，先經(jīng)過(guò)DD4續(xù)流，等電流下降到零時(shí)再開始導(dǎo)通。另外，這四個(gè)二極管還有限制過(guò)電壓的作用。圖3－17 橋式逆變器的電路原理圖圖3－18逆變器電路的仿真結(jié)果,上圖為SPWM的調(diào)制正弦波，下圖通過(guò)逆變器提取出來(lái)的正弦波信號(hào)，從圖中可以看到兩者頻率是一致的，符合設(shè)計(jì)的要求。逆變側(cè)電感的作用非常重要，它的系統(tǒng)逆變側(cè)電感的作用非常重要，它的取值不僅影響到電流環(huán)的動(dòng)、靜態(tài)響應(yīng)，而且還制約并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出功率、系統(tǒng)功耗、直流電壓的確定等等。圖3－18 橋式逆變器電路的仿真結(jié)果具體作用體現(xiàn)在:濾除并網(wǎng)系統(tǒng)交流側(cè)PWM諧波電流。使并網(wǎng)系統(tǒng)獲得了一定的阻尼特性，從而有利于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)踐中取電感電壓為輸出電壓的5%－10% (38)電感值越大，則紋波電流越小，穩(wěn)定性越好，但電感損耗和體積都會(huì)增大，電感上壓降也會(huì)增加。通過(guò)掃描電感和電容的數(shù)值可以得到電感取1mH，電容為10uF，輸出的波形的形態(tài)比較好。 控制電路工作原理 輔助電源設(shè)計(jì)小型直流穩(wěn)壓電源在當(dāng)前眾多的電子設(shè)備中是用途最廣、用量最多的一種。本次設(shè)計(jì)的逆變電源同樣也不例外。輔助電源設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖如下圖319所示圖319 輔助電源原理圖輔助電源是由兩片線性穩(wěn)壓集成塊7809（輸出穩(wěn)定的+9V電壓）和7805（輸出穩(wěn)定的+5V電壓），其中7805所需要的輸入電壓由7809的輸出端提供，而不是直接由12V蓄電池提供，這樣就減小了7805穩(wěn)壓管上的壓降損耗。104pF的獨(dú)石電容用于濾掉電源的高頻諧波。+9V電源給IGBT驅(qū)動(dòng)電路和MOSFET驅(qū)動(dòng)電路提供電壓，+5V電源給arm微控制提供電壓使其工作。 IGBT與MOSFET驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)有使用的IGBT選用的型號(hào)為IRG4PC50UD。此款I(lǐng)GBT基本參數(shù)為：正向耐壓VCES=600V；正向?qū)妷篤CE=。集電極電流Ic=27A。門極最高驅(qū)動(dòng)電壓VGE=15V最高耐溫 150℃IGBT的驅(qū)動(dòng)多采用專用的混合集成驅(qū)動(dòng)器。常用的有三菱公司的M579系列（如M5795962和M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB8EXB84EXB850和EXB851）。同一系列的不同型號(hào)其引腳和連線基本相同，只是使用被驅(qū)動(dòng)器件的容量和開關(guān)頻率以及輸入電流幅值等參數(shù)有所不同。這些混合集成驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部都具有退飽和和檢測(cè)和保護(hù)環(huán)節(jié)，當(dāng)發(fā)生過(guò)電流時(shí)能快速相應(yīng)但慢速關(guān)斷IGBT,并向外部電路給出故障信號(hào)。結(jié)合本次設(shè)計(jì)要求，對(duì)IGBT的開關(guān)頻率要求不是很高，如果用專用的混合集成驅(qū)動(dòng)器，不但增加制作成本，還大大復(fù)雜了硬件電路設(shè)計(jì)。為此，設(shè)計(jì)了一款用分立元件實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)電路，電路圖如圖320所示。圖320 分立元件的IGBT驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路如圖313所示，該驅(qū)動(dòng)電路由脈沖放大和9V基準(zhǔn)兩部分組成，其中脈沖放大部分包括光耦U1，R3和R5，中間級(jí)的VT1，推挽輸出電路VT2,VT3,對(duì)高頻干擾進(jìn)行濾波的C1；9V基準(zhǔn)包括R4和R6。用來(lái)驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通，和給光耦的副邊提供電壓。其工作原理是：1） 當(dāng)光耦原邊有控制電路的驅(qū)動(dòng)脈沖電流流過(guò)時(shí)，光耦導(dǎo)通，使VT1基極電位迅速下降，VT1截止，導(dǎo)致VT2基極得到一高電平而導(dǎo)通，VT3恰好跟VT2相反而截止，電源通過(guò)VT2柵極電阻R4接到IGBT門極，使IGBT管導(dǎo)通；2） 當(dāng)光耦原邊無(wú)控制電路的驅(qū)動(dòng)脈沖電流流過(guò)時(shí)，光耦不導(dǎo)通，使VT1基極電位上升VT1導(dǎo)通，從而使得VT2,VT3的基極得到一個(gè)低電平使VT2截止，VT3導(dǎo)通IGBT管柵極電荷通過(guò)VT3柵極電阻R4迅速放電，；3） 光耦采用組合光敏管型光耦COSMO1010,具有光敏二極管響應(yīng)速度快，線性特性好，電流傳輸大的優(yōu)點(diǎn)，能滿足實(shí)驗(yàn)的要求。 橋式MOSFET驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 本橋式組電路是由4只N溝道MOSFET組成，而非傳統(tǒng)的兩只N溝道管子和兩只P溝道管子，這樣的由相同的管子組成的橋式電路對(duì)稱性更好，管壓降小，減小了能量損失。但是這樣便使得驅(qū)動(dòng)電路要復(fù)雜一些，因?yàn)樵隍?qū)動(dòng)過(guò)程中要考慮到同橋臂側(cè)的兩只管子地要相互隔離。與IGBT相同MOSFET也是壓控型器件，其驅(qū)動(dòng)電路如圖321所示。圖321 橋式逆變器驅(qū)動(dòng)電路其工作過(guò)程如下：在逆變過(guò)程中，給P1的1，3腳和2，4腳交替輸入頻率為100Hz的SPWM的脈沖，當(dāng)1腳為窄脈沖高電平時(shí)，3腳為其反相信號(hào)。當(dāng)給1腳高點(diǎn)平時(shí)U1的發(fā)光二極管導(dǎo)通，則光敏管受光導(dǎo)通，U1 3腳高點(diǎn)平，Q1導(dǎo)通；3腳為1腳的反相信號(hào)是低電平，VT1截止，Q4導(dǎo)通。4腳信號(hào)同1腳信號(hào)相位相差180176。，此時(shí)為低電平信號(hào)U2光電管截止，其3腳為低電平Q2截止，此時(shí)P1 2腳為高電平VT2導(dǎo)通，Q3截止，這樣直流電通過(guò)Q1然后經(jīng)過(guò)負(fù)載連接到Q4流回負(fù)極，當(dāng)P1 4腳為高電平時(shí)Q2，Q3導(dǎo)通，Q1，Q4截止，輸出端極性翻轉(zhuǎn)。這樣便得到了頻率為50Hz的交流電。輸入到P1的波形可以用圖形直觀描述，其波形圖如圖322所示。圖3－22 橋式逆變器控制波形 反饋調(diào)壓電路設(shè)計(jì)反饋調(diào)壓電路如圖323所示。圖323 反饋調(diào)壓電路當(dāng)逆變器正常工作時(shí)，逆變器的輸出信號(hào)接反饋?zhàn)儔浩?，此電壓?jīng)整流、濾波及分壓得到反饋電壓V0，顯然V0的大小是正比于逆變器的輸出電壓的。調(diào)節(jié)Rp1可調(diào)節(jié)負(fù)反饋電壓的大小，用于校正反饋電壓信號(hào)?？刂菩盘?hào)被送到arm單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換的模擬量輸入口，經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量然后交給單片機(jī)進(jìn)行處理。單片機(jī)根據(jù)檢測(cè)到的電壓反饋信號(hào)，調(diào)節(jié)斬波升壓部分PWM波形的占空比，從而得到預(yù)置的輸出電壓值。 arm微控制器及外圍電路（一）4*4鍵盤電路圖324 4*4矩陣鍵盤電路4*4矩陣鍵盤的掃描方法有多種，如逐點(diǎn)掃描，逐行掃描，全局掃描等。其中全局掃描，速度快，易學(xué)易用，程序簡(jiǎn)單，可是它不支持同時(shí)多鍵處理，最佳適用 4*4掃描鍵盤，可以用在一般的用途。下面詳細(xì)介紹掃描方法。鍵盤接的前4個(gè)I/O口為行接線，后 4個(gè)為列接線。這樣的接法就構(gòu)成了一個(gè)坐標(biāo)，每一個(gè)鍵都對(duì)應(yīng)這一個(gè)行的位置和一個(gè)列的位置。例如我們說(shuō)左上角的那個(gè)所對(duì)應(yīng)第1行和第 4列，即單片機(jī)P10 和 P17兩個(gè)I/O口。鍵盤的組成是用的微動(dòng)開關(guān)，微動(dòng)開關(guān)的特性是當(dāng)有鍵按下時(shí)開關(guān)的兩個(gè)引腳閉合導(dǎo)通。無(wú)按鍵時(shí)兩個(gè)引腳是斷開的狀態(tài)。這樣當(dāng)我們按下圖1中左上角的鍵時(shí)P10 和P17在物理上是導(dǎo)通了，而其它的I/O口（P11~P16）都處于獨(dú)立的狀態(tài)。我們只要讓單片機(jī)發(fā)現(xiàn)哪兩個(gè)I/O口是導(dǎo)通的我們就可以知道是哪一個(gè)鍵被按下了。 這里我們用的一種方法是先將4個(gè)行線的I/O 口置為“0”（低電平），將列線的I/O口置為“1”（高電平）。這樣當(dāng)有鍵按下時(shí)某一行的I/O口就和某一列中的I/O口導(dǎo)通了，因?yàn)樾芯€的口都是“0”（低電平）所以和行線導(dǎo)通的列線也將會(huì)變成“0” ，而其余的列線因?yàn)殚_始時(shí)是“1”又沒和其它的行線導(dǎo)通，所以依然是“1”。這樣我們就可以找出了我們的按鍵所在的列了（因?yàn)榱芯€中只有導(dǎo)通的列線變?yōu)榱恕?”，任何電平與低電平相導(dǎo)通都屬于短路，短路的線將會(huì)是低電平）。其實(shí)，所謂的“行”、“列”是我們?nèi)藶橐?guī)定的，如果試著把列看成行，將行看成列是一樣的。這里我們規(guī)定P10~P13為行，P14~P17為列。現(xiàn)在我們知道了我們按下的鍵所在的列了，只要再知道它所在的行的話，我們就可以確定它的位置了。這時(shí)我們將4個(gè)行線的I/O口置為“1”（高電平），將列線的I/O口置為“0”（低電平），這是和最初的置式相反。被按著的那個(gè)按鍵還是導(dǎo)通的，還是屬于短路， 所以在被置“1” 的行線中將會(huì)有一個(gè)變成了 “0”這樣我們就確定了按鍵在行中的位置，到此我們還要確定什么呢？不需要了，我們已經(jīng)找到了按下的鍵了。（二）四位七段LED顯示電路圖325 動(dòng)態(tài)數(shù)碼管顯示電路動(dòng)態(tài)顯示的特點(diǎn)是將所有位數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，由位選線控制是哪一位數(shù)碼管有效。這樣一來(lái)，就沒有必要每一位數(shù)碼管配一個(gè)鎖存器，從而大大地簡(jiǎn)化了硬件電路。選亮數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描顯示。所謂動(dòng)態(tài)掃描顯示即輪流向各位數(shù)碼管送出字形碼和相應(yīng)的位選，利用發(fā)光管的余輝和人眼視覺暫留作用，使人的感覺好像各位數(shù)碼管同時(shí)都在顯示。動(dòng)態(tài)顯示的亮度比靜態(tài)顯示要差一些，所以在選擇限流電阻時(shí)應(yīng)略小于靜態(tài)顯示電路中的。 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)是基于RM CortexM3處理器內(nèi)核進(jìn)行設(shè)計(jì)的。SPWM波是在C P U (LM3S1138)的支持下， 由二個(gè)定時(shí)器 TimerTimer2和4個(gè)外部中斷及接口獲得的。定時(shí)器Timer1 完成采樣周期 T s 的定時(shí)， 定時(shí)器Timer2 完成脈沖間隔及脈沖寬度的定時(shí)( 實(shí)際上是對(duì)與定時(shí)) 。當(dāng)Timer1定時(shí)時(shí)間到， C P U 響應(yīng)該中斷請(qǐng)求， 向相應(yīng)接口送出低電平( 偶次采樣) 或高電平( 奇次采樣) ， 并計(jì)算出 ( 偶次采樣) 或 ( 奇次采樣) 作為定時(shí)時(shí)間常數(shù)送人T 2 并啟動(dòng) Timer2 ， 同時(shí)啟動(dòng)Timer1 繼續(xù)定時(shí)。當(dāng)Timer2定時(shí)時(shí)間到， C P U響應(yīng)該中斷請(qǐng)求， 向相應(yīng)接口送出高電平( 偶次 采樣) 或低電平( 奇次采樣) ， 單片機(jī)等待下一個(gè)采樣 周期即Timer1定時(shí)時(shí)間到， 重復(fù)上述過(guò)程形成 S P WM 波。 PWM波是在C P U (LM3S1138)的支持下，由專門的PWM端口產(chǎn)生。主程序(如圖3－26)的一個(gè)循環(huán)產(chǎn)生 N個(gè) SPWM脈沖， 即一個(gè)正弦波周期循環(huán)一次， 并采樣一 次頻率給定值 f ， 然后按這時(shí)的f 生成 S P WM控制脈沖序列。圖 3－26 主流程圖定時(shí)器 Timer1用來(lái)采樣周期定時(shí)，計(jì)算出導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間，并將定時(shí)時(shí)間傳給Timer2，其程序框圖如圖3－27。 圖 3－27 Timer1中斷流程圖通過(guò)4*4鍵盤控制微處理器(LM3S1138)產(chǎn)生