太阳能光伏发电系统
摘要
本系统采用C8051F020为控制核心，实现了模拟太阳能光伏发电系统的功能。该系统主要通过太阳能储蓄电能，通过正弦波脉宽调制技术（SPWM）控制全桥逆变将直流电变为交流电，再经过变压器将电压变为所需的电压。该系统具有最大功率追踪（MPPT），输出电压与给定参考电压频率、相位同步，欠压、过流保护，欠压保护的自动恢复等功能，且具有LCD屏幕显示功能。
关键词：C8051F020 SPWM MPPT 欠压过流保护
Abstract
This system uses C8051F020 simulation of solar photovoltaic power generation system to control the core functions. The system is mainly electricity through the solar savings by sinusoidal pulse width modulation (SPWM) control full-bridge inverter direct current into alternating current, and then through the transformer voltage into the required voltage. The system has the maximum power point tracking (MPPT), output voltage with a given reference voltage frequency and phase synchronization, undervoltage, overcurrent protection, undervoltage protection, automatic recovery, and the LCD screen display
Keywords：C8051F020 SPWM MPPT Under-voltage over-current protection
目录
前言 (1)
第1章总体设计方案 (3)
1.1 DC—AC 逆变驱动方案 (3)
1.2 显示模块的选择 (4)
1.3 MPPT控制方案 (6)
1.4 输入电压采集模块 (6)
1.5 模数转换芯片AD的选择 (7)
第2章硬件系统的设计 (8)
2.1 系统整体原理框图 (8)
2.2系统各模块的设计及参数计算 (8)
2.2.1 控制器 (8)
2.2.2 MPPT的控制方法与参数计算 (10)
2.2.3 同频、同相的控制方法与参数计算 (11)
2.2.4 提高效率的方法 (11)
2.2.5 滤波参数计算 (12)
2.2.6 全桥逆变电路 (12)
2.2.7 开关管驱动电路 (13)
2.2.8 电压信号调理电路 (14)
2.2.9 电流信号调理电路 (15)
2.2.10 显示电路 (16)
第3章系统软件设计 (18)
3.1 ADC0的使用 (20)
3.1.1 ADC0使用出现的问题 (20)
3.1.2 ADC0使用注意事项 (20)
3.1.3 ADC0通道输入保护 (21)
3.1.4 ADC0使用总结 (21)
第4章系统测试 (22)
4.1 测试方案与测试结果 (22)
4.2 测试仪器 (23)
结束语 (24)
谢辞 (25)
参考文献 (26)
前言
尽管寻找新能源的工作已经有相当的历史了，但是世界性的环境污染和能源短缺已经迫使人们更加努力的寻找和开发新能源。在寻找和开发新能源的过程中，人们很自然的把目光投向了各种可再生的替代能源。光伏发电就是其中之一。虽然光伏发电的实际应用存在着种种的局限，但是随着光伏发电成本的降低和矿物发电成本的提高以及矿物能源的减少，总有一天光伏发电的成本将会与传统发电成本相当。到时侯，光伏发电将逐步进入商业化阶段。
我国光伏产业正以每年30%的速度增长。最近三年全球太阳能电池总产量平均年增长率高达49.8%以上。按照日本新能源计划、欧盟可再生能源白皮书、美国光伏计划等推算，2010年全球光伏发电并网装机容量将达到15GW(1500万千瓦，届时仍不到全球发电总装机容量的1%)，至2030年全球光伏发电装机容量将达到300GW(届时整个产业的产值有可能突破3000亿美元)，至2040年光伏发电将达到全球发电总量的15%-20%。按此计划推算，2010-2040年，光伏行业的复合增长率将高达25%以上（参看资料：15）。其中并网应用会有较大的发展，从而形成并网发电(约46%)、离网供电(约27%)和通讯机站(约21%) 3个主要应用领域（参看资料：16）。
太阳的能量对人类而言几乎是无限的，但是实际上，在地球上能够获取太阳能资源的资源是有限的。并不象有些文章中所说的那样巨大。例如，当我们在在屋顶安装太阳能热水器时，就失去了安装太阳能电池的机会。除建筑物和荒漠外，在其他地点建设太阳能电池板群将是不现实和得不偿失。这不仅仅是因为成本巨大的原因，问题是显而易见的，主要的问题是离开建筑物和荒漠来建设光伏发电站将破坏环境和生态，你会发现在太阳能电池板下面将寸草不生。总之，节能降耗是人类的一个永恒话题。从某种意义上讲，淘汰旧技术和产品的同时，也就浪费掉了当初生产这些技术和产品的能源。出国考察的人往往会发现，西方发达国家有些场合还在使用20-30年代的产品和设备，他们并非要保护“古迹”，某种意义上讲是在节约能源。新旧产品和技术的换代是要以耗费能源为代价的，过快的产品更新换代，将加快能源的消耗。当然，这里需要有一个总体的经济指标来判断能耗。
任何事物总是具有两面性。目前有太多的文章介绍光伏发电的优点和优势，这里有必要指出光伏发电的一些局限性。太阳能具有能量密度低,稳定性差的弱
点,并受到地理分布、季节变化、昼夜交替等影响。光伏发电的局限性包括以下几个方面：
1. 时间周期局限。由于光伏发电的条件是出太阳时，光伏发电设备才能正常工作发电。因此，白昼黑夜，一年当中春夏秋冬各个季节对光伏发电的负荷影响巨大。为了应付这个情况，电网不得不配备相应容量的发电机处于旋转备用状态。
2. 地理位置局限。光伏发电设备基本上只能依附建筑物安装建设，也就是所谓的光伏屋顶就地供电。如果离开建筑物来建设光伏发电，将会大大增加成本或者破坏环境和生态。
3. 气象条件局限。气候对光伏发电影响。采用光伏并网发电无蓄电池方案时，如果一个城市上空的气候大幅变化，将造成电力负荷的大幅波动；当一个城市上空的空气质量比如空气污染，或能见度变差比如雾天，阴天等都将使光伏发电在线或实时出力下降。
4. 容量传输局限。在解决了光伏发电的成本问题后，大功率，高电压，远距离从荒漠面积输送电力到负荷中心，由于光伏发电没有传统电机的旋转惯量，调速器及励磁系统，将给交流电网带来新的经济和稳定问题。不论采用交流或是直流高电压大功率远距离从荒漠地区输送电力，由于上述1，2，3的局限性将大大增加单位千瓦的输送成本。下面将会讨论这个问题。
5. 光能转换效率偏低。和传统能源（矿物能源，石油，水能，原子能，等）的转换效率相比，光伏能量的转换效率不能令人满意。
进入70年代后，由于2次石油危机的影响，光伏发电在世界范围内受到高度重视，发展非常迅速。从远期看，光伏发电将以分散式电源进入电力市场，并部分取代常规能源。不论从近期和从近期看，光伏发电可以作为常规能源的补充，在解决特殊应用领域，如通信、信号电源，和边远无电地区民用生活用电需求方面，从环境保护及能源战略上都具有重大的意义。光伏发电的优点充分体现在以下几个方面：
1. 充分的清洁性。（如果采用蓄电池方案，要考虑对废旧蓄电池的处理）
2. 绝对的安全性。（并网电压一般在220V以下）
3. 相对的广泛性。
4. 确实的长寿命和免维护性。
5. 初步的实用性。
6. 资源的充足性及潜在的经济性等。
第1章总体设计方案
系统包括模拟光伏电池、DC-AC变换电路、驱动电路、欠压过流保护、电压电流采样电路、系统状态显示等几个主要部分。全桥式逆变电路是核心部分，控制部分利用闭环反馈法实现输出电压的稳定，采用增量导纳法逐步调节SPWM波的调制比实现MPPT控制，采用频率跟踪法和沿触发同步跟踪法实现频率和相位的跟踪功能。当系统检测到输入欠压或输出过流动作时，通过控制继电器切断光伏电池输出，当故障解除后，系统利用试触法实自动恢复正常工作状态的功能。
图1 光伏并网模拟装置结构框图
系统主要涉及以下几部分器件的选择：
（1）DC—AC 逆变驱动方案
（2）显示模块的选择
（3）MPPT控制方案比较
（4）输入电压采集模块
（5）模数转换芯片AD的选择
1.1 DC—AC 逆变驱动方案
方案一：用DSP或FPGA产生SPWM信号驱动半桥或全桥式DC-AC变
换器，经输出LC滤波后得到逆变信号。此方案的缺点在于SPWM控制为开环，在功率电源和负载变化时难以保重波形的失真度满足题目要求。
方案二：采用硬件技术，分别产生三角波和正弦波，用以产生SPWM波形。此方案设计思路简单，实现的SPWM波形占空比从0到100%可调，但是该方案实现复杂。
方案三：使用8位单片机C8051F020
它是Silicon Laboratories生产得一种完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有64个数字I/O引脚，（C8051F020）是一种增强型得51单片机系列。它具有高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS），，高速、非侵入式的在系统调试接口（片内），真正12 位（C8051F020）100ksps的8通道ADC，并且片内的ADC可以实现单端输入或者是差分方式，这样就可以很方便的采集到电压差。带PGA和模拟多路开关，真正8位500ksps的ADC，带PGA和8
通道模拟多路开关，两个12 位DAC，具有可编程数据更新方式，64K字节可在系统编程的FLASH 存储器，4352（4096+256）字节的片内RAM，可寻址64K 字节地址空间的外部数据存储器接口，硬件实现的SPI、SMBus/ I2C和两个UART 串行接口，5个通用的16位定时器，具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/
定时器阵列，片内看门狗定时器、VDD 监视器和温度传感器，具有片内VDD 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F020/1/2/3 是真正能独立工作的片上系统。
综上所述：C8051F020能产生所需的SPWM波形驱动所需的电路而且本系统就是利用C8051F020作为控制器，故选用方案三。
1.2 显示模块的选择
图形点阵液晶显示模块具有信息丰富(可显示汉字、字符、曲线、图形) 、功耗低、体积小、质量轻、寿命长、不产生电磁辐射污染等优点，因而是单片机系统理想的显示器件。
而我们采用的OCM4X8C是128×64点阵的中文图文液晶显示器模块。该模块的内部由于含有国标一级简体字库，使得汉字的显示异常方便；同时，该模块的硬件接口与单片机的硬件接口电路教为简单。OCM4X8C主要特点及引脚定义如下。
OCM4X8C是具有串/并接口，具内部含有中文字库的图形点阵液晶显示模块。该模块的控制/驱动器采用台湾矽创电子公司的ST7920，因而具有较强的控
制显示功能。OCM4X8C的液晶显示屏为128×64点阵，可显示4行、每行8个汉字。为了便于简单、方便地显示汉字，该模块具2Mb的中文字型CGROM，该字型ROM中含有8192个16×16点阵中文字库；同时，为便于英文和其它常用字符的显示，具有16Kb的16×8点阵的ASCII字符库；为便于构造用户图形，提供了一个64×256点阵的GDRAM绘图区域，且为了便于构造用户所需字型，提供了4组16×16点阵的造字空间。利用上述功能，OCM4X8C可实现汉字、ASCII码、点阵图形、自造字体的同屏显示。为便了和多种微处理器、单片机接口，模块提供4位并行、8位并行、2线串行、3线串行多种接口方式。
该模块具有2.7～5.5V的宽工作电压范围，且具有睡眠、正常及低功耗工作模式，可满足系统各种工作电压及便携式仪器低功耗的要求。液晶模块显示负电压，也由模块提供，从而简化了系统电源设计。模块同时还提供LED背光显示功能。除此之外，模块还提供了画面清除、游标显示/隐藏、游标归位、显示打开/关闭、显示字符闪烁、游标移位、显示移位、垂直画面旋转、反白显示、液晶睡眠/唤醒、关闭显示等操作指令。
OCM4X8C具有串/并多种接口方式，方便了模块与各种单片机、微处理器的连接。
第一种，4/8位并行接口方式。当模块的PSB脚接高电平时，模块即进入并行接口模式。在并行模式下可由功能设定指令的“DL”位来选择8位或4接口方式，主控制系统将配合“RS”、“RW”、“E”DB0～DB7来完成指令/数据的传送，其操作时序与其它并行接口液晶显示模块相同。
第二种，2/3线串行接口方式。当模块的PSB脚接低电平时，模块即进入串行接口模式。串行模式使用串行数据线SID与串行时钟线SCLK来传送数据，即构成2线串行模式。OCM4X8C还允许同时接入多个液晶显示模块以完成多路信息显示功能。此时，要利用片选端“CS”构成3线串行接口方式，当“CS”接高电位时，模块可正常接收并显示数据，否则模块显示将被禁止。通常情况下，当系统仅使用一个液晶显示模块时，“CS”可连接固定的高电平。⑤“RE”为基本指令集与扩充指令集的选择控制位。当变更“RE”后，以后的指令集将维持在最后的状态，除非再次变更“RE”位，否则使用相同指令集时，无需每次均重设“RE”位。
本系统主要利用OCM4X8C的3线串行接口方式工作。OCM4X8C模块的PSB脚接低电平，模块处于串行接口模式。串行模式使用串行数据线SID与串行时钟线SCLK来传送数据。单片机的P1.5口接液晶模块的SCLK 引脚。P1.6口接SID引脚。利用P1.7口控制片选端“RS”构成3线串行接口方式，此时OCM4X8C允许同时接入多个液晶显示模块以完成多路信息显示功能。当“RS”
接高电位时，模块可正常接收并显示数据，否则模块显示将被禁止。通常情况下，当系统仅使用一个液晶显示模块时，“RS”可连接固定的高电平。
单片机与液晶模块之间传送1字节的数据共需24个时钟脉冲。首先，单片机要给出数据传输起始位，这里是以5个连续的“1”作数据起始位，如模块接收到连续的5个“1”，则内部传输被重置并且串行传输将被同步。紧接着，“RW”位用于选择数据的传输方向(读或写)，“RS”位用于选择内部数据寄存器或指令寄存器，最后的第8位固定为“0”。在接收到起始位及“RW”和“RW”的第1个字节后，下一个字节的数据或指令将被分为2个字节来串行传送或接收。数据或指令的高4位，被放在第2个字节串行数据的高4位，其低4位则置为“0”；数据或指令的低4位被放在第3个字节的高4位，其低4位也置为“0”，如此完成一个字节指令或数据的传送。需要注意的是，当有多个数据或指令要传送时，必须要等到一个指令完成执行完毕后再传送下一个指令或数据，否则，会造成指令或数据的丢失。这是因为液晶模块内部没有发送/接收缓冲区。
1.3 MPPT控制方案
方案一：扰动观测法（P&O）。其原理是每隔一定的时间增加或者减少电压，并观测其后的功率变化方向，来决定下一步的控制信号。
方案二：增量电导法（INC）。对光伏电池的电压和电流进行采样，通过比较光伏电池的电导增量和瞬间电导来改变控制信号。
方案二和方案一均是通过扰动逐步使光伏电池逼近最大功率点，但方案二较方案一更具优势，其避免了扰动观测法的盲目性，控制精确，响应速度快，且光伏电池的输出电压能平稳追随环境的变化，稳态振荡小，故选用方案二。
1.4 输入电压采集模块
方案一：霍尔电压互感器采集方案。使用霍尔电压型传感器，可以实现
隔离的采集电压，采集电压精确、实时。但是这主要应用于实际发电系统中的
高压采集。而本题中的模拟光伏发电装置的输入电压端为30V左右，一般的霍
尔电压型传感器使用在高电压的场合，因此我们放弃此方案
方案二：使用电阻分压采集方案，由于输入的电压不高，使用高阻值的
电阻进行分压，得到一个较小的电压，送入A/D进行采集。这种方案，简单易
行，容易进行程序的控制，而且不会担心接入其它元件对电路中电流电压产生影响。而且经过计算，使用电阻分压的采集方案，消耗的功率要小于使用霍尔电压互感器的方案。因此，在本题的模拟光伏发电装置中，我们使用此方案。
1.5 模数转换芯片AD的选择
方案一：选择外部A/D
选择TI公司生产的TL2543,该芯片是TI公司生产的转换精度为12为的串行模数转换芯片。控制电路简单，仅需要d_in、d_out、cs、clk四个通道就可以实现控制，外围电路简单。但是在选用TLC2543的时候，需要为其制作专门的基准电源，并且制作TLC2543的电路板极其需要注意电磁干扰问题，稍有不慎就会造成转换数据的波动，为了尽量避免转换数据的波动造成的电路状态不稳定，放弃此方案。
方案二：选择内部ADC0
C8051F020内部带有两个模数转换功能单元，分别是12位的ADC0和8位的ADC1。12位的ADC0转换速率可以达到100ksps，8为的ADC1更是可以达到500ksps，在本系统中主要是要求的数据转换精度，对速度的要求不是很高，因此选择内部的ADC0，于采用外部模数转换芯片相比，不仅仅有利于增加电路的稳定性和提高电路状态的可靠性，而且可以降低整个系统的功率损耗，尽最大可能的将功率输送给外部负载。
综上所述，选择内部ADC0作为模数转换模块。
第2章硬件系统的设计
2.1 系统整体原理框图
图2.1 光伏并网模拟装置结构框图
系统包括模拟光伏电池、DC-AC变换电路、驱动电路、欠压过流保护、电压电流采用电路、系统状态显示等几个主要部分。全桥式逆变电路是核心部分，控制部分利用闭环反馈法实现输出电压的稳定，采用增量导纳法逐步调节SPWM波的调制比实现MPPT控制，采用频率跟踪法和沿触发同步跟踪法实现频率和相位的跟踪功能。当系统检测到输入欠压或输出过流动作时，通过控制继电器切断光伏电池输出，当故障解除后，系统利用试触法实自动恢复正常工作状态的功能。
2.2系统各模块的设计及参数计算
2.2.1 控制器
控制器采用Silicon Laboratories的C8051F020系列单片机。该单片机与MCS51单片机完全兼容。C8051F020器件是完全集成的混合信号系统级MCU
芯片，具有64个数字I/O引脚（C8051F020）。高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS）全速、非侵入式的在系统调试接口（片内），真正12位（C8051F020/1）或10位（C8051F022/3）、100 ksps的8通道ADC，带PGA 和模拟多路开关真正8位500 ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关两个12位DAC，具有可编程数据更新方式64K字节可在系统编程的FLASH存储器4352（4096+256）字节的片内RAM可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口硬件实现的SPI、SMBus/ 2I C和两个UART串行接口5个通用的16位定时器具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列。片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器，具有片内VDD 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F020 是真正能独立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。FLASH 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051 固件。片内JTAG调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。每个MCU都可在工业温度范围（-45℃到+85℃）内用2.7V-3.6V的电压工作。端口I/O、/RST 和JTAG 引脚都容许5V的输入信号电压。
对于本设计，单片机的I/O口和存储器足够，无需外扩I/O口和存储器，故只要做出单片机的最小系统板即可，在该系统板上仅仅做了它的供电电源，晶振和I/O口插脚。C8051f020的最小系统PCB图如图2.2.1所示：
图2.2.1 C8051F020最小系统PCB布线图
2.2.2 MPPT 的控制方法与参数计算
1）实现MPPT 的算法采用增量电导法，简称IncCond 法。对于光伏阵列某一固定P-U 曲线如图2所示，在其最大值P m 处的斜率为零，所以有：
dU dI U I dU U I d dU dP //)(/?+=?==0，即U I dU dI //-= （1）
当U=U m 时，有dU dP /=0；当U>U m 时，有dU dP /<0；当U0。
即： U I dU dI //->(U
U I dU dI //-<(U>U m ) （3）
U I dU dI //-=(U=U m ) （4）
可以根据dU dI /与U I /-之间的关系来调整工作电压而达到MPPT 的目的。 当dU=0时，光伏电池的工作点电压没变，此
时外界条件可能会发生变化，导致工作点在不同的
输出特性曲线之间转移。若dI=0，说明外界条件没
有变化，仍工作于最大功率点；若dI>0，说明工作
点向功率增大的方向变化，输出特性曲线上移，原
来的工作点位于当前最大功率点的左侧，此时应增
大电压，即增加SPWM 波的调制比α；反之，若dI<0，应增大调制比α。
图2 光伏电池P-U 曲线
当U I dU dI //->时，说明工作点正处于最大功率点的左侧，应该继续增大工作电压，即增加SPWM 波的调制比α，反之，若U I dU dI //-<，则应减小调制比α，若U I dU dI //-=，则维持在最大功率点。
2）扰动步长Δα的调整。
要准确快速的实现MPPT 功能，Δα的设置很关键，设置过大，会导致跟踪过程可能跨越最大功率点，使工作点在P m 点处震荡，甚至始终无法达到最大功
率点；Δα过小，会导致跟踪速度减慢，系统的动态效应差，且可能不满足题目指标。本系统采用可变扰动步长Δα，根据每次I 、U 测量和计算的结果不断调整步长Δα，当工作点离最大功率点较远时，增大Δα，使工作点电压变化加快，当工作点在最大功率点附近时，减小Δα，减少震荡。Δα的确认可采用模糊控制法。
2. 同频、同相的控制方法与参数计算
①频率跟踪的实现 使用过零比较电路，使用单片机的定时器和计时器进行计数，获得参考信号源的频率，然后调整SPWM 波的占空比，使得输出波形的频率和参考信号源的频率一致，实现频率的跟踪。
②相位跟踪的实现使用过零比较电路，对将变压器端得反馈电压和参考信号源的相位进行比较，根据相位差的值，调整SPWM脉宽产生的时间，从而实现相位的同步。
2.2.3 同频、同相的控制方法与参数计算
1）同频的控制方法与参数计算
我们采用频率跟踪法来实现参考信号与反馈信号的同频控制。在频率跟踪法中，我们采用测周期法来测量参考电压的频率。
①将参考信号作为门限，在FPGA中用计数器记录在此门限内的FPGA时钟脉冲数N，从而确定参考信号的频率fx＝fo/N，其中fo为FPGA的时钟频率为40M，当选定高频时钟脉冲而被测信号频率较低时可以获得很高的精度。
由于参考信号与时钟信号的上升沿（或下降沿）不能保证同步，因而此方法存在的量化误差为一个基准信号周期To，测量相对误差为：δ＝To/Txδ<10-5。
②当测得参考信号的频率f后，调节DDS使其输出正弦调制信号频率为f，则DC-AC的输出电压的频率为f，因为变压器三绕组上信号同频，故反馈信号的频率为f，即实现参考信号与反馈信号同相。本测频跟踪法是一种实时测量。
2）同相的控制方法与参数计算
我们采用沿触发同步跟踪法，其包括沿触发和相位补偿两部分。对参考信号进行过零比较获得方波信号，以其过零点上升沿作为触发信号读取正弦波表零地址进行SPWM波的调制，则逆变器输出端电压与参考信号同相，又在负载端接线性负载时，变压器三绕组上信号基本同相，且当负载端接非线性负载时，变压器三绕组上信号有相位差，差值极小，即参考信号与反馈信号存在一定范围内的相位差，故可利用软件算法在小范围内进行相位补偿，则可快速实现同相控制。
此相位补偿是依据参考信号与反馈信号有一较小范围的相位差而采用的快速补偿法。我们可根据这一范围大致得出SPWM控制波中正弦调制波应改变的相移大小，进而有方向的调节DDS输出信号的相位值进行相位补偿而实现同相。
2.2.4 提高效率的方法
该系统内部的损耗主要集中在变压器、开关管等器件，因此，做好这些器件的吸收缓冲电路和正确的参数选择是提高此系统效率的有效途径。实现方案是：（1）在开关管后加RC吸收缓冲回路。合理的吸收缓冲回路，不但降低了功率器件的浪涌电压和浪涌电流，而且还降低了器件的开关损耗和电磁干扰，避免了器件的二次击穿。
（2）选择导通电阻小的开关管，减小开关管的导通损耗。我们采用IRF540Z,它是功率MOSFET管，其RDS≤77mΩ,导通压降小，开关速度快。
（3）选择合适的SPWM 载波频率。开关管的导通损耗会随着系统的工作频率的增大而增大，为降低开关损耗，同时又避开音频噪声，选取SPWM 载波频率30KHz 。
2.2.5 滤波参数计算
SPWM 波形中所含的谐波主要是载波角频率ω及其奇次谐波。本系统采用载波频率为30kHz ，远大于调制信号角频率，滤波较易实现。系统中逆变器输出频率为45~55Hz ， LC 滤波器截止频率)2/(1LC f π=，元件参数取L=1mH ，C=10μF ，计算截止频率为1.59kHz ，满足设计要求。
2.2.6 全桥逆变电路
逆变电路拓扑选择全桥电路，使用双极性SPWM 进行控制，输出正弦波形。全桥逆变电路如图2.2.6 所示，由两个功率MOSFET 组成的桥臂加上一个LC 滤波器组成。
由此系统知MOSFET 管漏源两端的最大电压为60V ，直流母线上的最大电流为3A 。故我们选用N 沟道功率MOSFET 管IRF540，它具有开关速度快、导通电阻小、栅极电容小和无二次击穿等显著特点。其耐压100V ，漏极最大电流28A ，导通电阻为0.077Ω，栅极电容为1700PF ，充分满足题目要求。另外选用IR2110作为半桥驱动芯片，它具有自举浮动电源，最大驱动电流2A ，驱动电压10-20V,能驱动的最大直流母线电压为500V,最大工作频率500KHz ，具有电源欠压保护关断逻辑和低压延时封锁功能。VD1、VD2采用肖特基二极管，加快充放电速度，并采用RC 缓冲吸收回路对MOSFET 管进行保护。
图2.2.6 全桥逆变电路
在小功率场合，功率MOSFET以其更快的开关速度和更小的通态损耗而受到青睐。本系统即采用功率MOSFET作为全桥逆变电路的功率开关。
逆变桥每个MOSFET承受的最大电压理论上为电源电压，考虑到硬开关过程不可避免的电压过冲，需要留一定裕量，取1.5倍电源电压，即
U=
1.590V
S
I±，此时开关管流过最大电流约为题目要求过流保护点=1.50.2A
o
1.52 4.24A
?=
根据上述条件，并尽量减小通态损耗和成本，我们选择了IRF540，IRF540的源漏极击穿电压为100V，源漏极可流过最大电流28A（Tc=25℃），符合要求，且通态电阻只有0.077Ω，导通损耗很小。滤波电感采用环形铁硅铝磁芯绕制。
2.2.7 开关管驱动电路
功率MOSFET的驱动电路选用IR公司的芯片IR2110，电路如图2.2.7所示。相比与用分立元件搭的驱动电路，选用IR2110芯片构成的驱动电路外围电路简单，可以驱动一个桥臂上下两个功率MOSFET，可靠性高。
图2.2.7 开关管驱动电路
IR2110是美国国际整流器公司(International Rectifier Company )利用自身独有的高压集成电路及无门锁C M O S 技术, 于19 90 年前后开发并投放市场的大功率M O S F E T 和IG B T 专用驱动集成电路, 已在电源变换、马达调速等功率驱动领域中获得了广泛的应用。该电路芯片体积小(DIP1 4 ) ,集成度高(可驱动同一桥臂两路) , 响应快( ton /tof= 120/94 n s ) , 偏值电压高(< 600 V ) , 驱动能力强, 内设欠压封锁, 而且其成本低, 易于调试, 并设有外部保护封锁端口。尤其是上管驱动采用外部自举电容上电, 使得驱动电源路数目较其他IC 驱动大大减小。对于发射机的4 管构成的全桥电路,采用2 片IR 2110 驱动2 个桥臂, 仅需要一路10 一
20 V 电源, 从而大大减小了控制变压器的体积和电源数目, 降低了产品成本, 提高了系统的可靠性。
2.2.8 电压信号调理电路
输出交流电压调理电路如图2.2.8所示，用两片LF353运放组成了一个仪用放大器，将经分压电阻网络采样过来的交流电压放大，偏置后送入C8051F020的AD口。
图2.2.8 输出交流电压调理电路
LF353的总体电路设计还是比较简洁的，此类拓扑在目前的功率运算放大器设计中是主流：输入放大级是由两只Ｐ沟道ＪＦＥＴ组成的共源极差分电路，并且用镜像恒流源做负载来提高增益；在输入差分放大级和主电压放大级之间是一个由射极跟随器构成的电流放大级，用来提高主电压放大级的输入阻抗和共源极差分电路的负载增益；主电压放大级是一个简单的单级共射极放大电路，为了保证放大器的稳定性，在主电压放大级的输出端到输入差分放大级的输出端加入了一个电容补偿网络，跟补偿电容并联的二极管保证单级共射极放大电路构成的主电压放大级不进入饱和状态工作；输出电流放大级是ＮＰＮ和ＰＮＰ构成的互补射极跟随器，两个１００Ω的电阻用来定输出电流放大级的静态电流，２００Ω的电阻用来限制输出短路电流。
2.2.9 电流信号调理电路
电感电流调理电路如图 2.2.9（1）所示。电感电流先由电流互感器转换为电压信号，然后经过该电路放大，偏置后送入C8051F020的AD口。
图2.2.9（1）电感电流调理电路
参考正弦波整形电路如图2.2.9（2）所示，该电路将参考正弦波整成方波，然后送给C8051F020的eCAP模块用来实现同频同相算法。
图2.2.9（2）参考正弦波整形电路
2.2.10 显示电路
采用液晶将装置的运行状态（正常工作，过流，欠压）、输入电压幅度和输出波形频率显示出来。DSP与液晶模块间使用SPI进行通信。
图形点阵液晶显示模块具有信息丰富(可显示汉字、字符、曲线、图形) 、功耗低、体积小、质量轻、寿命长、不产生电磁辐射污染等优点，因而是单片机系统理想的显示器件。目前，国内在单片机系统使用液晶显示模块时，主要存在以下几个方面的不足：第一，ROM空间大，尤其在显示汉字的时候，此点对内部Flash闪存数量较小的单片机影响尤为严重。第二，单片机硬件接口电路复杂。第三，接口时序复杂，软件编程繁复。而我们采用的OCM4X8C是128×64点阵的中文图文液晶显示器模块。该模块的内部由于含有国标一级简体字库，使得汉字的显示异常方便；同时，该模块的硬件接口与单片机的硬件接口电路教为简单。OCM4X8C主要特点及引脚定义如下。
OCM4X8C是具有串/并接口，具内部含有中文字库的图形点阵液晶显示模块。该模块的控制/驱动器采用台湾矽创电子公司的ST7920，因而具有较强的控制显示功能。OCM4X8C的液晶显示屏为128×64点阵，可显示4行、每行8个汉字。为了便于简单、方便地显示汉字，该模块具2Mb的中文字型CGROM，该字型ROM 中含有8192个16×16点阵中文字库；同时，为便于英文和其它常用字符的显示，具有16Kb的16×8点阵的ASCII字符库；为便于构造用户图形，提供了一个64×256点阵的GDRAM绘图区域，且为了便于构造用户所需字型，提供了4组16×16点阵的造字空间。利用上述功能，OCM4X8C可实现汉字、ASCII码、点阵图形、自造字体的同屏显示。为便了和多种微处理器、单片机接口，模块提供4位并行、8位并行、2线串行、3线串行多种接口方式。
该模块具有2。7～5。5V的宽工作电压范围，且具有睡眠、正常及低功耗工作模式，可满足系统各种工作电压及便携式仪器低功耗的要求。液晶模块显示负电压，也由模块提供，从而简化了系统电源设计。模块同时还提供LED背光显示功能。除此之外，模块还提供了画面清除、游标显示/隐藏、游标归位、显示打开/关闭、显示字符闪烁、游标移位、显示移位、垂直画面旋转、反白显示、液晶睡眠/唤醒、关闭显示等操作指令。
OCM4X8C具有串/并多种接口方式，方便了模块与各种单片机、微处理器的连接。
第一种，4/8位并行接口方式。当模块的PSB脚接高电平时，模块即进入并行接口模式。在并行模式下可由功能设定指令的“DL”位来选择8位或4接口方式，主控制系统将配合“RS”、“RW”、“E”DB0～DB7来完成指令/数据的传送，其操作时序与其它并行接口液晶显示模块相同。