基于STM32单片机的三相逆变器设计

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　　摘 要：针对当前电网需要能输出高质量的交流电，且需具备较好的负载适应性及调压、调频等问题。设计了基于STM32F103C8T6单片机控制的DC-AC三相正弦波逆变器。文章详细分析了三相逆变器硬件电路各个模块的工作原理及相关参数的设计，分析了用于控制三相逆变器的SPWM调制技术、基于数字PI控制的功率变换技术，同时进行了硬件电路设计、软件设计，制作了三相逆变器实物。通过对逆变器调压、调频测试，结果表明所制作的三相逆变器调压、调频控制方案的可行性与有效性。
　　关键词：三相逆变器;SPWM;STM32F103C8T6单片机
　　DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.139
　　0 引言
　　 当前电力电子技术已经成为了工业与科学技术的飞速发展过程中，提高电网供电性能，保障并网系统安全运行时一项非常关键的技术，而并网逆变器控制又是其中非常重要的技术[1]。随着时代的进步，各行业对于供电电能质量有了更高的要求，如电网频率稳定、电压稳定等电能指标。逆变控制技术能显著改善工作环境、减少开支、提高效率，同时减少了化石燃料的使用，对减少污染、节约能源有着巨大的帮助。
　　 本文以应用于模拟微电网系统的三相并网逆变器为研究对象，设计以STM32单片机为主控电路的三相逆变器，给出了详细的硬件和软件设计过程，并提供了控制器的测试结果，测试结果表明所制作的基于STM32单片机的三相逆变器调压、调频方案的可行性与有效性。
　　1 系统总体方案设计
　　 先给出系统整体的结构框架，设计出逆变器主电路、控制电路、驱动电路、信号调理电路以及保护电路。其中控制电路设计包含单片机最小系统、显示电路、信号调理电路的设计，对各个电路的工作原理作了详细分析。程序设计主要是以STM32单片机为控制单元，通过对系统控制方法和调压、调频程序等的设计，系统的整体结构框图如下图1所示：
　　 从三相正弦波逆变电源系统的总体框图中可以看出，STM32控制单元发出SPWM信号，通过驱动电路的隔离和放大来控制三相逆变器主电路，最后输出频率和幅值可调的三相交流电。单片机控制系统由STM32单片机和外围的复位电路构成，包括辅助电路、信号调理电路、按键和显示电路。辅助电源能为整个系统稳定运行提供保障。信号调理电路可以对输出频率和幅值进行采集反馈给STM32单片机AD端进行数据采集。
　　2 系统硬件设计
　　2.1 三相逆变器主电路设计
　　 系统采用三相全桥电路作为逆变器的主电路，主要元器件包括场效应管（MOSFET）、电容C、电感L等，主要功能是把直流电通过三相逆变器转化为幅值和频率可调的三相交流电，电路如图2所示。
　　 直流输入30V，逆变器输出相电压为12-16V可调，步进0.1V。输出频率为50-100Hz可调，步进为10Hz，最大输出功率50W。主电路元器件参数的计算是三相逆变主电路非常重要的部分，电力MOSFET的选取分析及参数计算如下：
　　 （1）开关器件的选取。对于低压功率较小的逆变器一般选用电力MOSFET，因为电力MOSFET针对低电压的应用比较多，导通的压降也比较低，开关速度相对较快，适用于输出低频率的逆变器。本次设计的频率为36KHz，所以不选择IGBT。
　　 一般情况下，设置电力MOSFET都会留有一定的电压裕量。因为理论上电力MOSFET的最大承受电压应为电源电压，但在实际的工作过程中能会产生高频脉冲电压，这样会导致电压升高，这是因为工作中有高频震荡等原因。所以为了保证系统能可靠运行，电力MOSFET需留有一定的电压裕量，通常设置1.5倍以上的电源电压为电力MOSFET的耐压大小，即：
　　2.2 驱动电路设计
　　 驱动电路是电力电子电路设计重要的环节，在主电路和控制电路起到了很好的桥梁作用，具有保持控制电路和主电路与栅极间的电隔离，及提供驱动脉冲电流的功能。单片机的数据口不能直接驱动主电路，而是要单片机内部发出控制信号给驱动电路，达到控制主电路的目的。所以整个系统的驱动电路的设计是整个系统的关键部分。
　　 本次电源设计中采用的是电力MOSFET驱动电路设计，对驱动电路有以下几点要求：
　　 （1）减小器件损耗。开关管的充足的导通能力和可靠的关断能力是驱动电路降低器件的开关损耗的关键;
　　 （2）隔离主电路。因为大部分主电路是高压电路，为了确保安全，要求控制信号与驱动电路没有电耦合;
　　 （3）强抗干扰能。驱动电路应具备较强的干扰能力，保证元器件在低频情况下工作的可靠性，防止运行期间在外界因素干扰下开关管的误开关。
　　 （4）可靠地保护能力。当驱动电路因过流或欠压等自身原因出现故障时，应立即切断输出的驱动信号，必要时迅速关断器件来保护器件安全。
　　 IR2109芯片除了有栅极驱动及高速高压功率驱动器，还拥有双通道的输入输出信号。该芯片满足了设计任务上主电路对功率開关器件的控制要求。驱动电路如图3所示。
　　2.3 辅助电源电路设计
　　 一款逆变器如果要其性能稳定可靠，其辅助电源的设计是非常重要的，即要成本低廉，又要性能不错。本次在辅助电源中用到的是LM2596芯片。LM2596系列是德州仪器生产的能降低电压且固定输出电流为3A的电源单片集成电路， 并且其开关稳压集成电路有3.3V、5V、12V等多个电压档次，最大输出电压为37V，最大所能承受电压为40V。该芯片具有完整的保护电路、热关断电路等，并有着不错的线性调节、负载调节能力。可以实现器件的自我保护、限流、外部断电等功能。
　　 该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器。一般情况下开关的固定频率为150KHz，基准电压为1.23V。该芯片可以使用标准的电感，前提是需要4个外接元件。这更优化了LM2596的使用。由于单片机、液晶显示等需要5V的供电，辅助电源直接使用直流稳压电源通过LM2596HV稳定输出12V，再级联7805稳压芯片产生5V电压提供给测控电路。具体电路如图4所示。 　　3 系统软件设计
　　3.1 主程序设计
　　 一个完整的系统设计，除了硬件电路设计之外，还必须有其软件设计部分，系统的软件设计才是整个系统设计的核心所在。主程序设计主要包括两个部分，分别是输出调压程序、输出调频程序的設计。系统主程序流程图如图5所示。
　　3.2 SPWM控制技术
　　 本文采用STM32F103C8T6单片机最小系统作为控制模块，周期值为0.2us，用于生成三相逆变器所需要的SPWM波的频率，所采用的开关管的工作频率为36kHz，则STM32单片机初始化配置如下：首先设置PORTC寄存器为输出模式。然后使能CCP为PWM功能，然后调整PR2的值来修改PWM的开关周期寄存器，使得TSFMW=（PR2+1）×4TOSC（TMR2 PrescaleValue），fSPWM=1/TSPMW成立即可。系统初始化完成后，定时器TMR2开始工作，此时，PWM模块引脚输出为高电平;当定时器TMR2的值大于CCPRXL时，PWM模块输出低电平;当TMR2等于PR2时，TMR2被清零，重新开始下一周期的计数，与此同时，PWM模块恢复高电平。
　　 因为脉冲宽度是按照正弦波的规律变化，所以要把脉冲宽度DK值生成数值表，单片机通过查表输出一系列脉冲序列。设置载波频率kHz，交流频率Hz，通过载波比来确定单个周期内的脉冲数目（本次设N=500）。在具体操作过程中，为了节省单片机内存，只需保存N/2个点，即半个周期的正弦波离散点，利用交替方式输出SPWM波，达到控制逆变桥的目的。
　　4 测试与分析
　　 本设计采用三相可调变阻器作为可调负载测试，需对三相逆变器输出的幅值、频率等性能指标进行测试。实物照片如图6所示，输出波形如图7所示，用数字万用表测量输出的电压、电流等电气量参数，利用示波器检测两种模式下三相逆变器的输出波形。如图所示当系统输入电压30V，接入三相负载，可得到输出的电压为12V，输出频率为50Hz。
　　 将三相逆变器连接数位存储示波器，得到下图7输出波形图。
　　 输入接30V电压，固定负载情况下由按键给定输出电压和频率值，并对整个系统的设定电压、频率与输出电压、频率进行检测比较。分别把电压、频率数据记录入表1、表2。
　　 由以上测试记录可知，负载固定情况下，输出的电压能实现12-16V可调，输出的频率能实现50-100Hz可调，且误差分别小于0.1V、0.1Hz。通过对以上测试结果分析可得，调幅、调频两种模式下的输出与各自给定值基本相等（允许的误差范围之内），验证了此次三相逆变器设计方案和控制策略的正确性，表明本次设计能够实现三相逆变器的调压和调频，达到了预期目标。
　　5 结论
　　 论文基于STM32单片机设计出三相逆变器，选用三相全桥拓扑电路作为逆变器的主电路，通过做出的实物进行测试，测试结果表明：系统给定输入电压为30V，在调幅模式下，输出电压为12～16V可调，误差为±0.1V，在调频模式下，输出频率为50～100Hz可调，误差为±0.02Hz，有着广泛的应用前景。
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　　基金资助项目：湖南省自然科学基金项目（2018JJ2367）; 湖南省科技计划项目（2016TP1023）;邵阳学院2018年研究生科研创新项目（CX2018SY021）。
　　作者简介：陈日恒（1992-），男，湖南郴州人，硕士研究生，研究方向：新能源发电。
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