基于STM32单片机的逆变器双闭环控制系统实现方法

来源:用户上传      作者:李文杰 吴泓江

　　摘要：文章介绍了一种基于STM32 单片机的组合式三相逆变器数字化实现方法。系统采用电压、电流双闭环嵌套方式的控制结构 ;以STM32F407 单片机为核心，完成系统的采样、环路控制、保护和驱动;具有过电压和过电流保护功能。最后，通过实验测试验证了该系统实现方法的有效性。
　　关键词：组合式三相逆变器;STM32F4;双闭环系统;SPWM
　　0 引言
　　进入 21 世纪以来，气候和能源问题让各国提出了低碳发展的迫切要求。以发展可再生能源、节约能源为主题的低碳经济已经成为人类社会未来发展的主流。大力发展分布式发电技术是我国电力系统发展的必然趋势，逆变器作为分布式发电的核心组成部分，在整个微网系统的能量协调方面发挥着重要的作用[1-2]。
　　1 硬件部分
　　1.1系统整体结构示意图
　　如图1所示，本文采用STM32F4系列单片机作为主控芯片，系统由调理电路、采样电路、驱动电路、保护 电路、主电路组成[3]。
　　1.2主电路图
　　如图2所示，三相逆变器由3个单相全桥逆变器 结构组成，经变压器隔离组成三相四线制系统，且三相逆变器各相可以独立控制，其负载可以是线性的也可以是非线性的[4-5]。
　　图中，L为滤波电感，C为滤波电容，uom（m=a，b，c）为三相输出相电压，iom（m=a，b，c）为三相电流，iLm为三相逆变器的电感电流[6]。
　　1.3 组合式三相逆变器的控制方式
　　组合式三相逆变器由3个单相逆变器组成，其控 制方式很灵活，可以利用控制单相逆变器的方法来进 行控制。
　　三相交流电压在相位上相差 120°，所以通过将一相的交流参考信号分别移相120°和240°的方式来产生三相的参考信号 UAref，UBref，UCref。
　　本文采用电压、电流双环的方式进行三相逆变器的闭环控制，能达到对电压、电流的精确控制，防止因 电流不受控而产生大电流损坏系统。通过SPWM 双极 性调制方式来产生开关脉冲。
　　1.4 采样调理电路
　　传感器采样回来的模M信号含有大量的干扰及噪 声信号，这样的信号被 MCU 接收到并用于系统闭环控 制会影响控制系统的性能，所以，必须进行相应的调理以改善采样信号的质量，并且调理到MCU 模数转换需要的电压范围。如图3所示为调理电路。
　　1.5 驱动电路
　　本设计使用IGBT作为开关器件，IGBT 属于电压 控制型器件。一般 MCU 输出的PWM 驱动信号功率有限，不能直接用于驱动开关管，必须进行放大处理，以满足 IGBT的驱动电压要求。图4为开关管驱动电路，由光电耦合器及若干电 阻、电容稳压二极管组成。其所实现的功能为：当 DRV 信号为低电平的时候电路输出为负电压，保证开关管 处于关断状态;当为高电平的时候才能使 PWM 输出。DRV 信号可以用作硬件电路的保护功能。
　　1.6 保护电路
　　图5为系统硬件保护电路，系统硬件保护是逆变 器系统最基本的保护，快速实时性是其基本要求。当系统出现过电流时，LOCK 信号被拉低以封锁 PWM 驱 动电路输出;为考虑系统的安全性，软件上会实时读取 OC 信号的状态，当 OC 信号出现过流动作电平变化时， 软件上也会进行相应的动作以达到保护系统的目的。
　　2 软件部分
　　2.1系统软件
　　图6为逆变器双闭环控制框图，电压外环和电流内环。UAref，UBref，UCref 分别为移相120°和240°产生的三相输入参考电压。通过与采样得到的实际三相电压值 进行作差后送入电压控制器。电压控制器的输出再作为电流环的三相输入参考电流，经过电流控制器后得到SPWM的调制波，与三角波比较后产生 PWM 驱动 开关管。
　　2.2MCU介绍及数字化实现
　　本设计对STM32F4 单片机的外设资源需求对照 如下：
　　（1）电压、电流采样需要6 路，STM32F4 拥有12 路 高精度 ADC 转换通道以满足需求。
　　（2）IGBT开关驱动需要12路，STM32F4拥有高级定时器TIM1和TIM8，可以产生 8对带可调死区的互补 PWM 波（即16路PWM波）。
　　（3）STM32F4主频高达168 MHz，运算速度更快，可获得210DMIPS的处理能力，并集成了单周期DSP指令和FPU（浮点单元），具有很强的计算能力，可以进行一些复杂的运算和控制。
　　整个系统设计程序在定时器中断里面执行，中断的频率就是开关管的频率，即一个中断周期整个系统 进行一次控制运算，开关管开通一次。一个定时器中 断时间内（即一个开关周期），完成ADC采样滤波、三相输入参考电压合成、电压电流环运算、SPWM 发波的工作。
　　2.3 双 闭环控制
　　双闭环控制中，外环采用电压控制，内环采用电流 控制。将电流环作为内环能快速地实现电流的控制，实现系统的实时保护。
　　电流内环如图7所示，电流环的控制器采用纯比 例环节，以电感电流 iL作为环路的反馈量。为保证内环的快速性，采用纯比例环节。
　　电压外环如图8所示，电压外环控制器采用准比 例多谐振环节[7]，以输出电容电压 UC作为环路的反馈 量。为抑制输出电压中多次谐波扰动，电压环控制器 加入多个谐振频率处的控制，以提高输出电压波形质 量，提高电压 THD。
　　2.4 程序控制流程
　　以STM32F4为核心的系统软件控制流程如图9所示。
　　3实验测试与分析
　　通过搭建实验平台，对设计进行了实验验证。实验参数：系统输入直流电压 100Vdc，逆变器输出电压30V;开关频率10kHz。负载为非线性整流桥负载。

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