基于單片機(jī)的光伏正弦波逆變電源

1 引言

隨著能源危機(jī)的日益加劇和人類環(huán)保意識(shí)的提高，新能源的開(kāi)發(fā)利用越來(lái)越受到人們的重視。而太陽(yáng)能作為取之不盡用之不竭的高效無(wú)污染的能源近來(lái)更受人們的青睞。本文介紹的光伏正弦逆變電源系統(tǒng)正是一種適于戶用的、特別適于無(wú)電少電的西部邊遠(yuǎn)地區(qū)用戶的一種電源系統(tǒng)，隨著我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)的進(jìn)行其市場(chǎng)前景必將越來(lái)越廣闊。

2 逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

2.1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由圖可知，首先太陽(yáng)電池陣列經(jīng)充電電路向蓄電池充電，從而得到一個(gè)基本穩(wěn)定的直流電壓，再經(jīng)逆變電路將直流電逆變成高頻交流電，最后經(jīng)工頻變壓器升壓和濾波電路濾波變成50Hz、220V正弦交流電壓。整個(gè)系統(tǒng)的控制都是由MR16單片機(jī)完成的。其核心部分為SPWM波的形成及根據(jù)輸出交流電壓采樣形成反饋組成的數(shù)字式PI調(diào)節(jié)器部分。

圖1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

2.2 關(guān)于MR16單片機(jī)

68HC908MR16單片機(jī)是一種低成本、高性能的八位單片機(jī)。它具有32k字節(jié)的可擦寫的片內(nèi)閃速存儲(chǔ)器FLASH，具有768字節(jié)的RAM，對(duì)于本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)完全夠用；具有一個(gè)專門用于電機(jī)控制的6路PWM輸出的PWMMC模塊，適合于單相、三相逆變，同時(shí)該模塊還有專門用于故障保護(hù)的4路FAULT引腳，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)可在不引起中斷的情況下快速封鎖PWM輸出達(dá)到保護(hù)的目的；具有可選擇外部晶振時(shí)鐘或內(nèi)部鎖相環(huán)時(shí)鐘的時(shí)鐘發(fā)生器模塊，本系統(tǒng)選擇的內(nèi)部鎖相環(huán)時(shí)鐘能產(chǎn)生精確的8MHz的內(nèi)部總線頻率，從而保證了系統(tǒng)的頻率精度；具有可編程的AD時(shí)鐘,AD轉(zhuǎn)換時(shí)間最快只需2μs，能最大程度地減少中斷程序的執(zhí)行時(shí)間；具有SCI串行通信接口，可工作于全雙工或半雙工模式，在本系統(tǒng)中能夠可靠地完成與外界鍵盤監(jiān)控系統(tǒng)的串行通信。

2.3 逆變主電路

系統(tǒng)主電路采用單相全橋逆變電路如圖2所示。其中開(kāi)關(guān)器件采用適合于小功率裝置、具有開(kāi)關(guān)速度快、工作頻率高等特性的功率MOSFET。開(kāi)關(guān)管的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)源于MR16單片機(jī)產(chǎn)生的SPWM波經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后的信號(hào)。全橋逆變的輸出為高頻SPWM波，經(jīng)變壓器升壓及濾波后即得到220V、50Hz的標(biāo)準(zhǔn)正弦交流電壓。

圖2 主電路原理圖

2.4 SPWM波的形成

68HC908MR16單片機(jī)具有一個(gè)專門用于電機(jī)控制的可工作于3對(duì)互補(bǔ)模式或獨(dú)立模式的包括6路PWM輸出的PWMMC模塊。在本系統(tǒng)中初始化使其工作于3對(duì)互補(bǔ)模式即同一橋臂2個(gè)PWM信號(hào)是為互補(bǔ)的，在初始化中寫一計(jì)數(shù)值到PMOD(H:L)中以決定載波頻率即開(kāi)關(guān)頻率。PWM波的實(shí)時(shí)脈寬計(jì)算是由中斷程序完成的，每次PWMMC模塊中的PCTN(H:L)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到PMOD(H:L)中的值時(shí)就引起中斷。預(yù)先將0～360°的正弦值制成表格存于FLASH某一區(qū)域中，每次中斷時(shí)從中取一正弦值，經(jīng)過(guò)一定計(jì)算后得一數(shù)值，將其送入PVALX(H:L)寄存器中，單片機(jī)將PVALX(H:L)中的值與PMOD(H:L)中的值比較后自動(dòng)生成SPWM信號(hào)并由PWM引腳發(fā)出。為了防止同一橋臂兩個(gè)管子同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象發(fā)生，在無(wú)信號(hào)發(fā)生器DEADTIME中的寄存器DEADTM中寫入一數(shù)值以確定死區(qū)時(shí)間。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)死區(qū)時(shí)間為2.5μs，載波頻率為10kHz，制成包括200個(gè)放大的正弦值的正弦表。PWMMC模塊還有4路故障保護(hù)端口FAULT1～FAULT4，當(dāng)端口為高電平時(shí)，PWMMC就能根據(jù)初始化設(shè)定來(lái)封鎖相應(yīng)的PWM輸出，本系統(tǒng)中的過(guò)流保護(hù)正是利用了這個(gè)功能，當(dāng)發(fā)生過(guò)電流時(shí)，就置位FAULT1端口從而封鎖全部六路PWM端口。本系統(tǒng)使PWMMC工作在中心對(duì)齊模式，在PWM時(shí)鐘頻率為8MHz下其載波周期計(jì)算公式為

載波周期=1/10k=PMOD(H:L)×(1/8M)×2

所以本系統(tǒng)須初始化PMOD(H:L)=＄0190(注：＄為MR16中十六進(jìn)制符號(hào))

2.5 系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字式PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓控制。系統(tǒng)的控制框圖如圖3所示。反饋信號(hào)來(lái)自交流電壓的AD采樣，為了保證精度，本系統(tǒng)利用變壓器進(jìn)行電壓采樣。剛啟動(dòng)時(shí)給定電壓取自軟啟動(dòng)輸出，軟啟動(dòng)是為了避免啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生大的峰值電流，軟啟動(dòng)采用逐次加1遞增到所需電壓的方法，軟啟動(dòng)結(jié)束后給定電壓就是對(duì)應(yīng)于220V電壓的數(shù)值。為了加強(qiáng)快速性，本系統(tǒng)采用前饋控制與反饋控制相結(jié)合的控制方式。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)輸出特性，本系統(tǒng)采用根據(jù)偏差大小改變比例系數(shù)和積分系數(shù)的模糊控制方法，當(dāng)偏差較大時(shí)，比例系數(shù)和積分系數(shù)也較大，當(dāng)偏差較小時(shí)比例系數(shù)和積分系數(shù)也較小，從而大大減少了超調(diào)量，很容易使系統(tǒng)穩(wěn)定，完全消除了積分飽和現(xiàn)象，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的適應(yīng)能力。

圖3 系統(tǒng)控制框圖