PWM电流有效值的检测

大连海事大学毕业论文二O O七年六月PWM逆变器电流有效值的检测专业班级：电气工程及其自动化一班姓 名： xxxx指导教 师：xxxxxx自动化与电气工程学院摘要随着社会生产力的迅猛发展，先进电子技术的不断出现， 电子设备的应用领域变的越来越广泛，用电设备的种类也越来越多，对电的需求越来越多，对控制技术的要求也越来越高，而要实现精确的控制，对电流的检测就是其中重要的一部分。目前，社会上逆变器的产品以SPWM控制式为主，本文就是检测 PWM逆变器电流的有效值，第一部分介绍了逆变器的 发展史，逆变器的分类以及 PWM逆变器的工作原理，第二部分介绍了本论文的原理，接着简单介绍了各个主要电路的原理，第三部分介绍了电流检测的分类，以及电流检测元件的分类，本文检测电路的原理， 本文研究的检测电路采用了精密互感器检测电流，并将电流信号转换成电压信号，用精密整流电路将交流电压的负半周翻转到坐标轴以上，送到单片机的C0通道进行模数转换。第四部分首先简单介绍了AVR单片机的结构特点，其次介绍了本文主程序的流程图，然后分模块介绍了模数转换、发 SPWM波和显示程序的流程图。本文利 用了 AVR自带的模数转换功能，将送到单片机的电压值模数转换，并根据电流有效值定义 计算出有效值，在 LED中显示出来。利用定时器的PWM功能，发出两路 SPWM波.第五部分对本论文进行总结。关键词：PWM逆变器电流有效值AVR单片机ABSTRACTAlong with the rapid social development of the productivity, advanced electronic technologies continue to emerge. Application of electronic equipment field becomes increasingly wide, and the variety of electrical equipment have had more and more demands because of electricity growing, control technologies are increasingly high requirements, and to achieve the precise control, the current detection is an important part. At present, there are inverter products to SPWM controlled mainly, This paper is the detection of PWM inverter current RMS, the first part on the inverters history of development, the classification of inverter, and the principle of PWM inverter, the second part is the principle of the system, then a brief introduction of each of the major circuit theory, the third part is the current detection classification, Current detection and classification of components, the current detection circuit theory, The detection circuit employs sophisticated current transformer and current signal is converted into voltage signals Precision rectifier circuits reversed over AC voltage to the negative half-cycle of the axes , and the C0 channel for analog-to-digital conversion . Part IV the first simply introducing the structure of A VR, followed by the introduction of this process flowchart, then sub-module on the analog-to-digital conversion, the SPWM and display process flowchart , the value of the voltage which is sent to AVR would Convert into a digital , and under the current RMS definition calculate RMS . Make use of the timer the PWM function of the A VR, send out two SPWM waves. The last part carries on summary to this paper.Keywords : PWM inverter current RMS AVR目录第一章前言1.1.1 逆变器发展史1.1.2 逆变器的分类11.3 、PWM控制技术21.3.1 .PWM控制的基本原理 21.3.2 SPWM 控制的基本原理 3第二章系统原理及组成6.2.1 系统硬件框图 62.2 主要组成电路62.2.1 滤波整流电路62.2.2 逆变电路72.2.3 当区动电路 9第三章电流有效值的检测1.13.1 检测的分类113.1.1 电阻检测和磁检测 113.1.2 电流检测元件 133.2 电流有效值的检测 143.2.1 有效值 143.2.2 检测电路 15第四章基于单片机的软件设计1.84.1 AVR系列单片机简介184.1.1 ATmega8 特点 184.1.2 ATmega8单片机的指令系统 214.2 基于AVR单片机PWM逆变器电流有效值白检测软件设计 214.2.1 主程序流程图 214.2.2 AD 转换224.2.3 显示 234.2.4 SPWM 波产生25第五章实验与总结305.1 单片机发出两路 SPWM波形 305.2 检测的电流数据30参考文献31致谢32附录A33第一章前言1.1 逆变器发展史所谓逆变器，是指整流（又称顺变）器的逆向变换装置。其作用是通过半导体功率开关 器件（例如SCR,GTO,GTR,IGBT和功率MOSFFET模块等）的开通和关断作用，把直流电 能变换成交流电能，因此是一种电能变换装置。逆变器的应用非常广泛。在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直 流电源，当需要向交流负载供电时，就需要逆变电路。另外交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子使用非常广泛，其电路的核心都是逆变电路。逆变器的原理早在 1931年就在文献中提到过。1948年，美国西屋电器公司用汞弧整流器制 成了 3000Hz的感应加热用逆变器。1947年，第一只晶体管诞生，固态电力电子学随之而诞生，1956年，第一只晶闸管问世，这标志着电力电子学的诞生，并开始进入传统发展时代。在这个时代，逆变器继整流器之后开始发展。首先出现的是 SCR电压型逆变器。1961年，W.McMurray与B.DBedford提出了 改进型SCR强迫换向逆变器， 为SCR逆变器的发展奠定了基础。1960年以后，人们注意到改善逆变器波形的重要性，并开始了进行研究。1962年，A.Kernick提出了 “谐波中和消除法”。1963年，F.GTurnbull提出了 “消除特定谐波法”，为后来的优化 PWM法奠定了基础, 以实现特定的优化目标，如谐波最小，效率最优，转矩脉动最小等。20世纪70年代后期，可关断晶闸管 GTO,电力晶体管GTR及其模块相继实用化，80年代 以来，电力电子技术与微电子技术相结合，产生了各种高频化的全控器件，并得到了迅速发展，如功率场效应管 Power MOSFET、绝缘门极晶体管 IGT或IGBT、静电感应晶体管 SIT、 静电感应晶闸管 SITH、场控晶闸管 MCT,以及MOS晶体管MGT等。这就是电力电子技 术由传统发展时代进入到高频时代。在这个时代，具有小型化和高性能特点的新逆变器技术层出不穷，特别是脉宽调制波形改善技术得到了飞速的发展。1964年，由A.Schonung和H。Stemmler提出的把通信系统调制技术应用到逆变技术中的正 弦波脉宽调制技术 （SPWM）,由于当时开关器件的速度慢而未的到推广。直到1975年才有Bristol大学的S.R.Bowes等把spwm技术正式应用到逆变技术中，使逆变器的性能大大提高，并得到了广泛的应用和发展。此后，各种不同的pwm技术相继出现。一般认为，逆变技术的发展可以分成如下两个阶段：19561980年为传统发展阶段，这个阶段的特点是，开关器件以低速器件为主，逆变器 的开关频率较低，波形改善以多重叠加法为主，体积重量较大，逆变效率低，正弦波逆变器 开始出现。1980年到现在为高频化新技术阶段，这个阶段的特点是，开关器件以高速器件为主，逆 变器的开关频率较高，波形改善以pwm法为主，体积重量较小，逆变效率高，正弦波逆变技术发展日趋完善。1.2 逆变器的分类.目前，逆变器根据其结构形式和工作原理，大致可以分为以下五类：（1）多重化逆变器。最初的多重化逆变器是用来将几个方波逆变器的输出通过变压器按照一定的规律组合起来形成阶梯波输出，以削弱谐波含量，提高装置容量。这种逆变器主要用于三相系统，具有器件开关频率低、系统效率高、控制简单等优点。但其输出波形较其后来发展起来的 SPWM逆变器差的多，且难以通过闭环调节予以校正。目前，在大容量的 SPWM逆变器中，仍有采用多重化技术进一步提高容量、削弱谐波的例子。(2) PWM逆变器。PWM逆变器通过控制开关器件产生一系列等幅(可正可负一)、不等宽的恒频脉冲来逼近标准正弦波，再采用滤波网络滤除该脉冲列中的高频成分，获得正弦度较高的输出。PWM技术大多基于傅立叶周期信号分解理论，预见性好，且原理直观，便 于实现。PWM逆变器具有系统简洁、技术成熟、动态响应快及适应性强等显著特点，因而 应用极为广泛。随着数字技术的发展，PWM技术还有着广阔的发展空间。(3)三电平逆变器。所谓三电平逆变器，是指其逆变桥中每一桥臂的中点均能输出三种 电平的逆变器。若以逆变桥输入电压的一半E/2为基准电压，则这三种电平分别是 +E/2、0、-E/2。对于单相逆变器，三电平逆变器与通常的二电平逆变器的主电路的结构上并没有什么 区别，只是在控制上二电平逆变器采用双极性SPWM,而三电平逆变器采用的是单极性SPWM。对于三相逆变器，三电平逆变器则需要在普通的二电平逆变器的基础上添加若干辅 助开关管，并采用独特的三电平 PWM控制理论。此时，三电平逆变器可获得降低开关管耐 压及开关频率等优点，因而适合于高电压、大容量的GTO逆变电源。(4)谐振软开关逆变器。 为了进一步改善 PWM逆变器的动态响应性能，减小滤波器的 尺寸，需要从根本上减小器件的开关损耗，提高开关频率。这样，就发展了各种类型的谐振软开关逆变器。其中，由结实型谐振直流环(RDCL)和零电压转换 PWM逆变桥(ZVT-PWM ) 级连构成的组合式逆变器，器件的开关应力能得到有效的限制，而且接触了谐振直流环节和后续逆变桥控制上的耦合关系，能充分发挥高频 PWM控制技术的有时。目前，该类逆变器在小容量、高性能逆变电源中已得到初步应用。其缺点主要在于，附加功率器件较多， 循环能量大。(5)高频链逆变器。在输入、输出需要进行电气隔离的逆变电源中，变压器的设置是必 不可少的。SPWM逆变器中采用的以输出电压频率工作的工频或中频变压器，体积庞大， 往往是阻碍其向小型化、轻量化方向发展的主要障碍。因变压器的体积同其工作频率成近似 反比的关系，故若能采用高频变压器进行电气隔离，就能显著地减小装置的体积和重量。高频链逆变器的基本原理就是通过设置中间高频链逆变环节，采用高频变压器进行电气隔离， 再将此高频交流电变换成所需频率的交流输出。目前已发展出多种拓扑结构的高频链逆变器1.3、 PWM控制技术1.3.1 . PW脏制的基本原理在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节 上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输则其低频段非常接近，仅在高1.1a为矩形脉冲，b为三角1,那么当它们分别加在具有1.1d的单位脉冲函数6(t)出响应波形基本相同。 如果把各输出波形用傅立叶变换分析，频段略有差异。例如图 1.1所示的三个窄脉冲形状不同，其中图形脉冲，c为正弦半波脉冲，但他们的面积(即冲量)都等于 惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。当窄脉冲变为图 时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。图1.1形状不同而冲量相等的各种窄脉冲把图1.2的正弦半波分成 N等份，就可以把正弦半波看成是N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于”N,但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，是矩形脉冲的钟点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦部分面积相等，就得到图1.2b所示的脉冲序列。这就是 PWM波形。可以看出，各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦半波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。想这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM波形。正茏半波图1.2用PWM波代替正弦半波1.3.2 SPWM控制的基本原理采用调制的方法，得到各脉冲的宽度和间隔。即把所希望的波形作为调制信号，把接受 调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。采用等腰三角波作为载波。因为等腰三角波上下宽度与高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号相交时， 如在交点时刻控制电路中开关器件的通断， 就可 得到宽度正比于信号波幅值的脉冲。当调制当调制信号为正弦波时，就可得到各宽度正比于相应时刻的正弦波幅值的脉冲。信号不是正弦波时，也可得到与调制信号等效的PWM波形。调制法可分为单极性 PWM控制方式和双极性控制方式。信号波载波调制Uc电路图1.3单相桥式PWM逆变电路单极性控制方式：在信号波的半个周期内三角载波只在正极性或负极性一种范围内变化，得到的PWM波形也只在单极性范围内变化。如图1.3.是单相桥式逆变电路。负载为阻感负载，Vi和V2工作的通断状态互补，V3和V4的通断状态也互补。控制 V3和V4的通断状态的方法如图1.4所示。调制信号 Ur为正弦波，载波Uc在Ur的正半周为正极性的三角 波，在Ur的负半周为负极性的三角波。在Ur和Uc的交点时刻控制IGBT的通断，在U的正半周，Vi保持通态，V2保持断态，当UrUc时使V4导通，V3关断，U0=Ud；当UrUc时使 V4关断，V3导通，Uo=0；在Ur的负半周，Vi保持断态，V2保持通态，当U.Uc时使V3关断，V4导通，U=0。这样就得到SPWM波形U。 双极性控制方式：在信号波的半个周期内，三角载波不是单极性的，而是有正有负，所得到的PWM波也是有正有负。如图 1.5所示。TTri一 口曰w t图1.4单极性PWM控制方式u第二章系统原理及组成2.1 系统硬件框图图2.1系统硬件框图主电路从交流侧电网输入、逆变的全过程，包括：滤波整流电路：其作用是讲电网存在的杂波滤除，并将电网的交流电直接整流为所需要的直流电。驱动电路：用于驱动 MOSFET管，使逆变器工作显示电路：显示通过单片机把采样AD转换后并计算出的电流的有效值检测电路：检测逆变器的电流瞬时值，提供给单片机微机机控制电路：通过单片机完成各个输入、 输出数量之间的关系。 将检测电路送来的模拟 电压，进行模数转换，计算出有效值，送给显示电路。2.2 主要组成电路2.2.1 滤波整流电路 其电路图如下Input图2.2整流电路图整流、滤波环节所使用的器件为：整流桥模块B,型号为KBPC3510,其等为1000V/35A。电解电容 Ci= C2,容量等级为470uf/500V。将220V交流电整流为直流电。2.2.2 逆变电路其电路图如下：图2.3逆变电路逆变主电路就是由逆变开关器件等组成的变换电路，主要有三种形式，即半桥式、全桥 式、推挽式。下面对这三种形式的电路分别进行分析。(1)半桥式逆变电路。原理如图2.4.所示。当两只开关管Si, S2都截止时，若两只电容相等，即Ci= C2,则在两电容中点 A的电压为输入电压的一半，即Vci= Vc2= Vd/2。当Si导通时，电容Ci将通过Si和负载放电，同时电源电压 Vd通过Si和负载放电为电容 G充电，中点A 的电位将有所上升；当Si导通结束时，两只开关管 Si、S2又都截止，它们的端电压又都回到输入电压的一半，即 Vd/2。当S2导通时，Si截止，电容Ci被充电，C2放电，A点的电位 下降；S2导通结束后，又回到 Si, S2都截止的状态。在半桥逆变电路中，当开关管由导通变 为截止时，负载(感性)和引线电感上贮存的能量释放会使开关管两端除了承受电压Vd/2之外，还要承受较高的尖峰电压，但由于二极管的Di、D2的钳位作用，开关管的端电压最局为Vd图2.4半桥逆变电路图2.5全桥逆变电路(2)全桥逆变电路。原理如图2.5所示。全桥逆变电路与半桥逆变电路的区别就是，用另外两只同样的开关管代替两只电容，全桥逆变电路的工作需要两组相位相反的驱动脉冲分别控制两对开关管，具体说就是&和S4同时通断，S2和S3同时通断。当Si和S4同时导通时，S2和S3截止，负载电压为下正上负的 Vd;反之，当$2和$3同时导通 时，Si和S4截止，负载电压为上正下负的Vd。在4只开关管都截止的死区时间内，开关管端电压和电压尖峰和半桥逆变电路类似。开关管刚刚导通时的电流尖峰也和半桥逆变电路类似。(3)推挽电路。原理如图 2.6所示。推挽电路的工作是由两路相位相反的驱动脉冲分别加 到逆变开关管 S、S2的基极，控制它们交替通断，输入直流电压被变换成高频的方波交流 电压经变压器输出。当 Si导通时，S2截止，输入电压 Vd加在变压器T原边绕组Ni上，由 于变压器有两个 Ni绕组，且匝数相同，所以在 S2上将施加两倍的电源电压，即2 Vd。当驱动脉冲结束后(死区时间)，两只开关管都截止，端电压都为Vd。当S2导通时，同理，Si截止，在Si上将施加两倍的电源电压。不难看出，推挽变换器是两个正激变换器的组合，这 两个正激变换器的开关管轮流导通，故变压器铁心是交变磁通。图2.6推挽逆变电路下面就以上三种逆变电路进行简单比较。半桥逆变的主电路所用的开关器件少，开关管的端电压也不高， 半桥式拓扑抗不平衡能力很强，但桥臂可能出现直通现象，功率管承受电源电压，流过两倍的输入电流，在中小功率的逆变器中可以得到广泛应用。全桥式电路开关管电压不高，输出功率大，功率管承受电源电压，流过输入电流。但全桥变换器功率器件较多， 控制及驱动较复杂， 并且桥臂也可能出现直通现象。 比较适合大功 率场合。推挽式电路用的开关器件少， 驱动电路简单，变压器一次侧电流回路中只有一个开关通 态损耗小。变压器铁芯双向磁化， 相同铁芯尺寸下， 推挽电路能够比正激式电路输出更大的 功率。但是开关管要承受两倍输入电压，适用于原边电压比较低的功率变换器。且电路必须有良好的对称，否则容易引起直流偏磁导致铁芯饱和。另外，变压器绕组必须紧密耦合，减小漏感，从而降低功率管的关断电压尖峰，这提高了变压器绕制工艺的要求以及对所用功率器件电压定额的要求。实验中可采用半桥式逆变电路。2.2.3 驱动电路驱动电路可选用IR公司IRG4PC50U型IGBT作为开关电路的开关管， 该开关管属于电 压控制型器件。目前，市场上所常用的集成驱动电路很多。根据实际设计要求， 驱动SPWM脉冲频率为20KHz,并且要与单片机进行隔离，因此，可选用 SHARP公司的PC923型高 速光耦 MOSFET/IGBT 驱动芯片(High Speed Photocoupler For MOSFET/IGBT Drive )。该型 号芯片外观及内部结构如图2.7所示，(单位：mm)。PC923具体参数为：(1)工作电压VCC:15V-30V; (2)输出电流Io=0.4A; (3)最快响应时间为 0.5us。Internal connecton diagram7.6-mfi = O TQ 1ST。6 GhJ 口Vcc图 2.7 PC923其外部接线电路如图 2.7所示。脚与脚悬空；脚为输入信号正端，脚为负端； 脚与输入工作电压；脚为输出端，输出信号经限流电阻后接到开关管的基极；脚接地。同时，电容C1、C2的作用是将工作电压 Vcc进行分压，两电容中间端接到开关管的发射极，这样就可以在开关管关断过程中为其提供一个反向的电压，从而保证开关管的可靠关断。Vcco悬空IMPUT V1JJL 10PC923JUUL悬空二图2.8外部接线图综上所述，PC923的主要作用就是为开关管提供可靠的驱动信号，并且实现了开关电路与控制电路的光电隔离，提高了系统的安全性。第三章电流有效值的检测3.1 检测的分类3.1.1 电阻检测和磁检测随着科技及信息技术的发展，人们对控制的要求越来越高，越来越准确，而对控制有着重要作用的就是：电流的检测。通常电流检测分为两类：电阻检测和磁检测。电阻检测其检测原理如图 3.1所示在理想状态下，被检测电流I流过检测电阻 RS时，由欧姆定律 可得v = I XRs。当电阻为固定值时，电压V的变化就反映出电流的变化情况。图3.1电阻检测的电路原理图但是由于各种寄生效应的影响，实际的检测电路可用图3.2表示。图3.2 实际的检测电路原理图图3.2中，L为寄生电感，C为寄生电容，寄生元件形成的二阶网络，形成高频振荡，其 中，寄生电感的影响尤为重要，在相同电流变化率的情况下，它直接决定振荡幅度的大小。 图3 是理想检测波形与实际检测波形的比较。o图3 .3理想检测波形与实际检测到的波形的比较检测电阻的引入对整个电路的影响是造成电路额外的功率损耗，因此，由它引起的功耗应越小越好。电阻的功耗为P = I2R。为了减小功耗，在保证控制的情况下，应尽量减小电阻的值。此外，为了减小检测电阻的寄生效应，在电阻选择时应注意选择寄生电感小的电阻；版图设计时，应尽量缩短导带的距离；导带的走线应该宽、直，并且最好用地线包围。由欧姆定理可知，在电阻值一定时，电压V反映了电流I ,如何选择合适的检测电阻十分 重要。在选择电阻时一定要慎重，主要考虑以下几个方面：1）在满足控制需要的前提下，尽量 减小电阻值，以减小电路的功耗；2）寄生电感要小，以减小电流变化率的影响；3）容差要小，以保证产品的一致性;4）温度系数要低，使电阻阻值随温度的变化尽可能小；5）足够的功率容量保证电阻可以承受大电流脉冲的冲击；6）足够的温度余量，以提高电路的可靠性。（2）磁检测电阻检测的缺点是损耗大，适用的场合有限。在电流较大的场合，大多采用磁性器件检测 以避免电阻检测而造成的损耗。同时，磁性器件检测还可以方便地获得电气隔离。最常用的电流磁检测器件是电流互感器，它在开关电源的设计中得到广泛的应用。它的典型电路如下图：,J图3.4电流互感器的典型应用图3.4中，电阻为假负载，二极管的作用是将脉冲信号整流。整流后的信号根据不同的应 用，可以同电阻检测电路设计一样，加入分压电路进行电平调整，加入低通滤波器滤除高频噪声，或者引入直流偏置电压改变起始电平，也可以用大电容将脉冲信号变为直流信号使用。除了电流互感器外，磁检测方式还有采用霍尔效应制作的传感器。霍尔传感器与电流互 感器相比检测精度高，但却存在价格高、体积大的缺点。霍尔传感器主要应用在有特殊要求 的场合。3.1.2 电流检测元件电流信号检测的关键是正确选择和使用检测元件。根据响应速度的快慢，电流检测元件可分为下列两种：1)慢速型电流检测元件电流互感器是利用电磁感应原理制作的，由于普通铁芯的磁滞现象，它是慢速型电流检测元件。常用的交流电流互感器的原理如图3.5所示，它的一次绕组串联在电路中，并且匝数N1很少(最少为1匝)，电流互感器二次绕组匝数 N2比较多，如果一次绕组中的电流是 I1,根据磁势平衡原理，N1I1= N2 I2,绕组N2上得到的检测电压 U2=I2R1 = (N1/ N2) I1 R1 。 应该注意，电流互感器的采样电阻不能过大，否则绕组电压过高，导致铁芯的磁通饱和；特别注意的是，互感器的二次绕组不能开路。图3.5交流互感器原理图2)快速型电流检测元件在短路保护环节中，要求迅速检测并判断电流的大小，因而要求用快速所型电流检测元件。霍尔电流传感器、脉冲电流互感器以及无感电阻均属这类电流检测元件。无感电阻直接串入主电路会产生附加的压降及功耗，检测电路与主电路间没有电的隔离，因此只有在要求不高的小功率系统中才采用这种检测方法。霍尔传感器应用比较广泛，下面介绍它的原理。(1)霍尔元件霍尔元件是霍尔电流传感器的核心，图3.6是它的示意图。霍尔元件得本体厚度为d的半导体基片，如果沿纵长方向通过引线1和2引入电流IC,同时垂至于基片的方向有磁感应强度为B的磁场，那么在基片的两个长边之间会感应出电压，这就是霍尔效应。电流引 线称为电流极，出电压引线 3和4称为霍尔输出极。霍尔电压 UH大小为UH=KHBIC,式 中KH ,是与半导体材料和基片尺寸有关的霍尔常数。当 IC的方向是由1到2时，UH的极 性是4为正，3为负，如果IC或磁场方向反向，则 UH也反向图3.6霍尔兀件小意图(2)霍尔电流传感器模块霍尔电流传感器模块，又称为 LEM模块，它是利用磁场平衡式原理工作，工作原理如 图3.7。被检测电流IP的磁场使得霍尔元件感应电压UH ,通过PI放大器控制互补三极管电流Is, Is在副边线圈产生的磁场抵抗主电流所产生的磁场，直到Np*| p=NsIs,霍尔器件处于零磁通，感应电压 Uh为0, PI放大器输出不变。其中Np为被检测电流的导线匝数，Ns为LEM 内部线圈匝数。Is流过检测电阻Rm,在M点得到检测电压 Um,它的值为Um= Is Rm= NpIpRm/NsOV测量电阻图3.7 LEM的工作原理Um能快速反映Ip的变化，跟随时间一般在 1g以内，它能检测交、直流 和脉冲电流，具 有与被测电流绝缘、相应快等优点。3.2 电流有效值的检测3.2.1 有效值任何周期性电流的有效值等于流经一个电阻器R并提供与该周期性电流相等的功率的一个直流电流值。 换句话说，一个给定的周期性电流流经同一电阻器，即有瞬时功率i2R;取一个周期的平均值即得出平均功率。再让一个直流流经同一个电阻器，调节电流的大小, 以得到与前述相等的平均功率值，那么这个直流值就等于该周期性电流的有效值。现在可以得到i的有效值的表达式。周期性电流i(t)对电阻器提供的平均功率是PT 2 i2Rdt =T 0式中T是i(t)的周期。一个直流电流提供的功率P =i2rR T 2i2dtT 0令这两个功率表达式相等，解出I注意到求这个有效值时， 首先是将函数平方， 然后取一个周期的平均值，最后取这个平方函数平均值的平方根，用简略的语言说，这个步骤意味着所求的有效值为电流的平方、平均再开平方根，故此，通常把有效值称为方均根值。这也是本次实验的理论依据，即首先检测出电流瞬时值，然后用单片机计算出有效值。3.2.2 检测电路其电路图如下：图3.8电流检测电路本次实验采用 CT035/2.5型精密电流互感器，额定输入电流为5A,额定输出电流为2.5mA,当要其输出为电压信号时，其典型电路如图3.9 (1)和(2)。调整图1中反馈电阻R和r的值可得到所需要的电压输出。电容 C1及可调电阻r是用来补偿相移的。电容 C2和 C3是400至1000pF的小电容，用来去耦和滤波。两个反接的二极管是起保护运算放大器作 用的。图中反馈电阻 R要求精度优于1%,温度系数优于50PPM。图3.9 (2)为其另一种方法。 次级不加运算放大器而直接并联一个电阻使输出变换成电压信号也是可以的，使用电路如图2所示。前提是电阻要小于 800，输出电压最大2伏，这时仍能得到非线性度优于0.1%的输出电压信号。与电路 1比较，其影响如下：1.缩小了互感器的动态范围，2.使相移增大，电阻要求精度优于1%,温度系数优于50PPM。Cr图3.9精密互感器典型电路本次实验中采用了图 3.9 (1),运算放大器采用 LM324 ,由于检测的电流值要送往单片所以在此后我们加上了精密整流电路，将正弦波的下半机，而互感器输出的电压为交流电, 波翻上去。其中 R1=R2其原理为：当输入Vi0时，二极管D1、D2、D3、D4 导通，VO=Vi,当 Vi: 7K OATmega8的主要功能如下：高性能，低功耗的8位AVR微控制器；先进的RISC精简指令集结构；a.130条功能强大的指令，大多数为单时钟周期指令b.32个8为通用工作寄存器c.工作在16MHz时具有16MIPS的性能（3）片内集成了较大容量的非易失性程序和数据存储器以及工作存储器； a.8K字节的在Flash程序存储器，擦写次数：10000次b.支持在线编程（ISP）、在应用自编程（IAP）c.带有独立加密位的可选BOOT区，可通过 BOOT区内的引导程序区(用户自己写入)来实现IAP编程d.512个字节的 E2 PROM擦写次数：100000次e.1K 字节内部SRAMf. 可编程的程序加密位(4)外部性能；a.2个具有比较模式的带预分频器的8为定时/计数器b.1个带预分频器，具有比较和捕获模式的16位定时/计数器c.1个具有独立振荡器的异步实时时钟(RTC)d.3个PWM通道，可实现任意16位、相位和频率可调的PWM脉宽调制输出e.6通道 A/D转换(PDIP封装)，4路10位A/D+2路8位A/Df.1个I 2c的串行接口，支持主/从、收/发四种工作方式，支持自动总线仲裁g.1个可编程的串行 USART接口，支持同步、异步及多机通信自动地址识别ATmega8单片机易失性E 2 PROM预分频器定时/计数器h.1个主/从、收/发的SPI同步串行接口i.带片内RC振荡器的可编程看门狗定时器j.片内模拟比较器(5)特殊的微控制器性能；a.上电复位和可编程的欠电压检测电路b.内部集成了可选择频率(1/2/4/8/MHz )、可校准的RC振荡器c.外部和内部的中断源 18个d.五中休眠模式：空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、待命模式(6) I/O 口和封装；a.最多23个可编程I/O 口，可任意定义I/O的输入/输出方向；输出时为推挽输 出，驱动能力强，可直接驱动LED等大电流负载；输入口可定义为三态输入，可以设定带内部上拉电阻，省去外接上拉电阻b.28脚PDIP封装，32脚TQFP封装合32脚MLF封装(7)工作电压；a.2.7V-5.5V (ATmega8L)b.4.5V-5.5V (ATmega8)(8)运行速度；a.0-8MHz (ATmega8L)b.0-16MHz (ATmega8)(9)功耗(4MHz , 3V, 25C)。a.正常模式(Active ): 2.6mAb.空闲模式(Idle Mode ): 1.0mAc.掉电模式(Power-down Mode ): 0.5uA本系统使用PDIP封装的ATmega8型单片机，其管脚图如图 4.1所示：(RESET) peer PC5 (ADC5/SCL)128(RXD)PDO 匚227 PC4 (ADC4/SDA)(TXD) PD1 匚326 PC3 (ADC3)(irmo)PD2 匚425 PC2 (ADC2)(INT1) PD3F5241PC1 (ADCn(XCKTT0) PD4 匚623 PCO (ADC0)VCCC722 GNDGND匚821 -RE-(XTALl/TOSCnPBE920J A7CCXTAL2TTOSC2) PB7 匚1019叩5 SCKJE)P05 匚1118 PB4(MISO)(AINO) FD6匚1217叩3 (MOSI/OC2)(AIN1) P口7 匚1316JPB2OC1B)(ICPI)PBO 匚1415 PB1 (OC1A)图4.1 Mega8型单片机管脚图(PDIP)ATmega8的外部引脚定义如下：(1) VCC电源正(数字)(2) GND电源地(3) PortB (PB7-PB0) /XTAL1/XTAL2/TOSC1/TOSC2PortB 口是一个8为双向I/O 口，每个管脚都带有独立可控制的内部上拉电阻。B口的输出缓冲器具有双向(输出和吸收)大电流的驱动能力。当 B 口为输入方式，且内部 上拉电阻有效时，如果外部引脚被拉低，B 口将输出电流。在复位过程中，即使是在系统时钟还未起振的情况下，B 口仍呈现为三态。通过对系统时钟选择位的设定，PB6和PB7还可以作为振荡放大器的输入 /输出口(使用外部晶体)和外部时钟脉冲信号输入口(PB6)。当系统使用内部的 RC振荡器时，通过设置ASSR寄存器的AS2位，可以将PB6、 PB7作为异步实时时钟/计数器2的输入口 TOSC1、TOSC2使用。(4) PortC (PC5-PC0)PortC 口是一个7位双向I/O 口，每个管脚都带有独立可控制的内部 上拉电阻。C 口的输出缓冲器具有双向(输出和吸收)大电流的驱动能力。当 C 口为 输入方式，且内部上拉电阻有效时， 如果外部引脚被拉低，C 口将输出电流。在复位过程中， 即使是在系统时钟还未起振的情况下，C 口仍呈现为三态。(5) PC6/RESET当RSTDISBL位被编程时，可将 PC6作为一个I/O 口使用，因此，PC6弓唧与 PortC 口其他引脚的电特性是有区别的。当RSTDISBL位未被编程时，PC6将作为复位属于引脚 RESET。在该弓|脚上，一 个超过两个时钟周期的低电平将产生复位信号，是系统复位。(6) PortD (PD7-PD0)PortD 口是一个8位双向I/O 口，每个管脚都带有独立可控制的内部上拉电阻。D口的输出缓冲器具有双向(输出和吸收)大电流的驱动能力。当 D 口为输入方式，且内部 上拉电阻有效时，如果外部引脚被拉低，D 口将输出电流。在复位过程中，即使是在系统时钟还未起振的情况下，D 口仍呈现为三态。PortD 口是一个复用端口，还提供ATmega8单片机的许多特殊接口功能。(7) RESET复位输入引脚在该引脚上的一个超过两个时钟周期的低电平将产生复位信号，是系统复位。(8) XTAL1内部振荡放大器的输入端(9) XTAL2内部振荡放大器的输出端(10) AVCCA/D转换器的电源。当引脚 PortC (0-3)和PortC (6-7)用于ADC时，AVCC 应通过一个低通滤波器与 VCC连接。在不使用ADC时，该引脚应直接与 VCC连接。而PortC (4-5)的电源则是有 VCC提供的。(11) AREF A/D转换器的参考电源输入端4.1.2 ATmega8单片机的指令系统指令是指计算机所能执行的命令，它是由生产厂商定义的。一台计算机所能执行的指令集合就是它的指令集。由于指令系统并没有通用性，不同类型的计算机都有不同类型的指令集，因此采用低级语言开发的程序也没有通用型，不能直接移植。机器语言就是计算机指令的二进制代码，它可以直接在计算机中运行；而汇编语言则是机器语言的符合表示形式，它只是机器语言的助记符集合，因此由汇编语言编写的程序必须经专门的工具程序转化为相应的二进制代码后才能供计算机执行。AVR单片机的指令系统属于 RISC结构的精简指令系统。ATmega8的RISC指令集共有 118条指令，分为以下 4个大类：算术运算和逻辑运算指令(25条)转移指令(31条)数据传送指令(31条)位和位测试指令(31条)寻址方式AVR单片机有以下几种寻址方式：直接单寄存器寻址直接双寄存器寻址I/O寄存器直接寻址数据寄存器直接寻址带偏移量的数据寄存器间接寻址数据寄存器间接寻址带后增量的数据寄存器间接寻址带预减量的数据寄存器间接寻址程序存储器常量寻址程序存储器间接寻址 程序存储器相关寻址4.2基于AVR单片机PWM逆变器电流有效值的检测软件设计4.2.1 主程序流程图图4.2主程序流程图本系统主要由单片机发出 SPW械，并启动AD转换，将检测的瞬时值，进行模数转换， 并计算出有效值，通过数码管显示出电流值。4.2.2 AD 转换ATmega8有一个10位的逐次逼近型 ADC ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接， 能对来自端口 C的8路单端输入电压进行采样。单端电压输入以0V (GND)为基准。ADC包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到ADC的电压保持恒定.ADC由AVCC引脚单独提供电源。AVCC与VCC之间的偏差不能超过土 0.3V。标称彳1为2.56V的基准电压，以及 AVCC都位于器件之内。基准电压可以通过在AREF引脚上加一个电容进行解耦，以更好地抑制噪声。ADC可以将输入的模拟电压信号转换成一个10位的数字量。输入模拟通道通过ADMUX寄存器选择。ADC莫块由ADSCR葡存器中的ADEW使能。当ADEN “1时，AD8能有 效，并且输入通道同模拟电压的输入引脚相连。此时，若ADSCM 1”，则ADC启动一个模数转换。ADCW两种转换模式，即自由转换和单次转换模式，可以通过ADFW选择。当ADC模块被启动后，若 ADF时“0”时，则ADCX作在单次转换模式，此时，每个转换过程都需 要置位ADSC若ADF助“1”时，则ADCX作在自由转换*II式，此时，ADCC1续采样模拟输入端，并将转换得到的数据输出至ADC的数据寄存器。ADC的转换结果存储在 ADCKD ADCL两个寄存器中。为了确保数据读取的正确性，ADCL寄存器的内容应当首先被读取，一旦用户开始对ADCL读取，ADC对数据寄存器的写操作就被禁止，这就意味着，如果用户读取了ADCL那么即便另一次 ADC专换过程在读 ADC也前结束了，两个数据寄存器中的内容也不会被更新。当用户对ADCH勺读操作完成后，ADC才可以更新ADC而ADCL当一次转换过程结束后，ADIF位被置位“1”，此时，若ADIE和全局中断使能位都为 “1”， 则单片机产生一个 ADC中断。其流程图如下：图4.3 AD转换子程序流程图由于所采样的电压值是频率为 50赫兹的正弦波，其周期为 20ms,本系统采用连续转换 模式，当产生捕获中断时，取模数转换值，然后求平方和，当取 400次时，根据有效值定义 求出有效值。4.2.3 显示LED数码管具有亮度高、寿命长，价格低廉等优点。LED数码管由8个发光二极管构成,它有两种接法：共阴极和共阳极。为了在LED显示数字或符号，必须使LED的各个二极管按 给定的组合发光。若 8段数码管与代码的对应关系如表1,则LED显示器显示09这10个数字的代码如表1 LED显示器的代码段和显示段的关系代码位01234567显示段abcdefgdp表2显示器显示的字形代码显示数 码0123456789共阴字 型码0x3f0x060x5b0x4f0x660x6d0x7d0x070x7f0x6fLED显示器具有两种显示方法，一种是静态显示，另一种是动态扫描显示。静态显示采用具有锁存器的I/O接口电路，单片机只在数据更新时，才发送新的字形代码， 这种显示电路要求单片机的LED数码显示器的各个显示段分别控制，接口电路较为复杂，适用于显示位在显示过数较少的场合；动态扫描显示则是采用分时的方法，逐个循环地点亮各位显示器，程中，任一时刻只有一位显示器被点亮，但由于人眼的视觉暂留效应，在显示刷新很快时, 可以认为全部显示。本次设计流程图如下图4.4显示子程序流程图本次实验采用四位共阴LED数码管显示，PC1,PC2,PC3,PC4为位控口。4.2.4 SPWM波产生根据ATmega单片机的结构，我们知道，它有三个定时/计数器：8位T/C0、16位T/C1 和8位T/C2。这些定时/计数器除了能够实现通常的定时和计数功能外，还具有捕捉、比 较、脉宽调制(PWM输出、实时时钟计数等更为强大的功能。其中16位T/C1就有二个PWM产生通道，即 OC1A OC1B它有以下几种工作模式：(1)普通模式普通模式(WGM13:0=0)为最简单的工作模式。在此模式下计数器不停地累加。计到最大值 (TOP=0xFFFF)后由于数值溢出计数器简单地返回到最小值0x0000重新开始。在TCNT1为零的同一个定时器时钟里 T/C1溢出标志TOV1置位。此时TOV1有