全橋SPWM逆變器電力電子教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

劉鴻鵬，吳 輝，王 衛(wèi)

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

0 引言

逆變器及其控制是電氣工程及其自動(dòng)化等專業(yè)的重要研究方向。準(zhǔn)確地搭建逆變器系統(tǒng)對(duì)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)至關(guān)重要。然而，搭建逆變器系統(tǒng)時(shí)，軟硬件有效結(jié)合一直是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。學(xué)生對(duì)硬件電路的不熟悉很可能會(huì)導(dǎo)致算法實(shí)現(xiàn)時(shí)的偏差甚至失敗。如何使學(xué)生深入了解逆變器的硬件及軟件系統(tǒng)已成為教學(xué)系統(tǒng)中的當(dāng)務(wù)之急［1，2]。

本文提出一種基于全橋SPWM逆變器的電力電子教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)需要將硬件設(shè)計(jì)和控制算法相結(jié)合［3，4]。學(xué)生在平臺(tái)上學(xué)習(xí)的過(guò)程中，不僅可以獲得豐富的理論知識(shí)，還可以提高自身的實(shí)踐動(dòng)手能力，為今后的學(xué)習(xí)和科研打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 教學(xué)平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)

逆變是對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的一種基本方法，它具有將直流電變換成交流電的功能。常見的單相正弦逆變電源主電路主要有半橋、全橋兩種結(jié)構(gòu)，其中以全橋逆變電路應(yīng)用最為廣泛。

教學(xué)平臺(tái)以單相全橋SPWM逆變電路為基礎(chǔ)，具體設(shè)計(jì)參數(shù)為:輸入電壓70 VAC，輸出電壓60 VAC，開關(guān)頻率15 kHz，額定功率100 W。圖1為全橋逆變器實(shí)物圖。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)參數(shù)，學(xué)生制作并調(diào)試硬件電路。所設(shè)計(jì)的平臺(tái)硬件電路包括主電路、采樣電路、驅(qū)動(dòng)電路及輔助電源四部分［5]。

圖1全橋逆變器實(shí)物圖

1.1 主電路

圖2為單相全橋逆變器電路圖，其中功率開關(guān)管S1～S4的通斷由正弦脈寬調(diào)制SPWM產(chǎn)生的信號(hào)來(lái)控制，L1為濾波電感;C1為輸出濾波電容。Ud為無(wú)控整流濾波后的直流電壓［6]。

圖2 單相全橋逆變器

單相全橋逆變電源采用雙極性調(diào)制方式，如圖3所示。輸出的SPWM波形只有±Ud兩種電平。ug為調(diào)制波，uC為載波，在調(diào)制波ug與載波uC的交點(diǎn)時(shí)刻控制各功率管S1～S4的通斷。

圖3 雙極性調(diào)制方式

學(xué)生要理解全橋逆變電路的工作原理以及驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生方式，為硬件電路的制作打好基礎(chǔ)。

1.2 交流電壓采樣電路

系統(tǒng)需要對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，采樣電路如圖4所示。本教學(xué)平臺(tái)采用意法半導(dǎo)體公司的基于ARM Cortex－M3內(nèi)核的STM32F103VBT6芯片作為主控芯片，其獨(dú)立采樣ADC可實(shí)現(xiàn)對(duì)多路信號(hào)的采樣。STM32F103VBT6控制器的電壓輸入范圍為0～+2.5 V，但主電路的電壓通常都很高，因此采樣電路應(yīng)該通過(guò)適當(dāng)?shù)谋壤儞Q將電壓縮小到控制器可接受的范圍。經(jīng)過(guò)由運(yùn)放TL082組成的差分比例運(yùn)算電路和同相跟隨器，輸出電壓縮小為有正有負(fù)的電壓信號(hào)。但該信號(hào)是無(wú)法被控制器識(shí)別的。為了使采樣信號(hào)在控制器的電壓區(qū)間內(nèi)，還需額外增加一個(gè)調(diào)理電路將正弦信號(hào)抬高一個(gè)電平。

學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中可以結(jié)合模擬電路的相關(guān)知識(shí)，完善自身的知識(shí)體系，從而熟悉采樣功能的硬件實(shí)現(xiàn)方法。

圖4 交流電壓采樣電路

1.3 驅(qū)動(dòng)電路

STM32F103VBT6主控芯片具有高級(jí)定時(shí)器TIM1，可實(shí)現(xiàn)多路PWM信號(hào)的輸出。對(duì)于ARM發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，需要由專門的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)控制器輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大。由圖5所示，本電路使用的驅(qū)動(dòng)芯片為IR2106S，使用+15V單路供電。驅(qū)動(dòng)電路輸入和輸出信號(hào)邏輯是相反的。

這部分驅(qū)動(dòng)電路原理較難，教學(xué)的重點(diǎn)是對(duì)芯片IR2106S的介紹，讓學(xué)生了解自舉電路的原理，并進(jìn)一步理解驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)全橋電路中功率器件的控制作用。

圖5 驅(qū)動(dòng)電路

1.4 保護(hù)電路

為了保證平臺(tái)安全，避免故障發(fā)生時(shí)引起的損壞，平臺(tái)上設(shè)計(jì)了硬件故障檢測(cè)和保護(hù)電路如圖6所示。它是一個(gè)過(guò)流檢測(cè)電路，應(yīng)用芯片LM339中的2個(gè)運(yùn)放作為電壓比較器進(jìn)行工作(LM339電壓比較器芯片內(nèi)部裝有四個(gè)獨(dú)立的運(yùn)放)。1IN+、2IN-為逆變器輸出正弦電流的上下限閾值，各電壓比較器輸出端連在一起呈“與”邏輯關(guān)系，只要有一處發(fā)生過(guò)流，輸出端OVER就會(huì)由高電平變?yōu)榈碗娖?，并將此信?hào)作為故障檢測(cè)信號(hào)送入控制器。

圖6 過(guò)流保護(hù)電路

學(xué)生從該電路可以了解由電壓比較器進(jìn)行過(guò)流保護(hù)的原理，同時(shí)拓展相關(guān)的理論知識(shí)，加深對(duì)逆變電路保護(hù)功能的理解。

1.5 輔助電源電路

在整個(gè)硬件平臺(tái)中，需要用到多路輔助電源，分別給ARM、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和采樣電路等供電。單端反激式變換電路以其簡(jiǎn)單可靠、高效率的優(yōu)點(diǎn)成為大功率高頻開關(guān)電源中輔助電源的首選。如圖7所示，本平臺(tái)設(shè)計(jì)了以UC3844芯片為核心的單端反激式輔助電源。

輸入電壓范圍為80～150 V直流電壓，輸出四路電壓，其中三路共地，輸出電壓分別是±15 V為采樣電路供電，+5 V為控制器ARM電路供電，+15 V為驅(qū)動(dòng)電路供電。

圖7 輔助電源

2 教學(xué)平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)平臺(tái)軟件的總體程序主要包括三個(gè)部分:①AD采樣中斷子程序，完成系統(tǒng)主要參數(shù)的采集;②定時(shí)器比較中斷子程序，完成系統(tǒng)主要參數(shù)的處理、控制算法的實(shí)現(xiàn)和SPWM波形的發(fā)生;③故障保護(hù)處理子程序，完成逆變器輸出電流過(guò)流保護(hù)。

學(xué)生在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中可以從主程序框圖出發(fā)，先進(jìn)行整體思路的構(gòu)建和基本模塊的編寫，再?gòu)母髦袛嘧映绦蚝凸收媳Ｗo(hù)程序中細(xì)化各功能模塊，最終完成整體算法在硬件電路中的實(shí)現(xiàn)。

2.1 主程序設(shè)計(jì)

圖8為主程序流程圖。主程序的作用是完成系統(tǒng)的初始化、中斷向量表配置、AD配置、定時(shí)器配置和GPIO的配置等。如圖8所示，系統(tǒng)初始化后，打開系統(tǒng)所需的各個(gè)中斷，隨后主程序循環(huán)等待中斷，系統(tǒng)的主要功能在中斷子程序中完成。

圖8 主程序流程圖

2.2 AD中斷子程序設(shè)計(jì)

控制器的AD采用注入轉(zhuǎn)換模式，每個(gè)AD有4個(gè)轉(zhuǎn)換通道，而本系統(tǒng)控制器含有兩個(gè)AD，足夠完成采樣。每當(dāng)AD完成一次時(shí)，就會(huì)觸發(fā)采樣中斷，如圖9所示。在子程序中將各個(gè)采樣結(jié)果分別累加到一個(gè)變量中，并將采樣次數(shù)變量加一，以便在其他程序中對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

圖9 AD中斷子程序流程圖

2.3 定時(shí)器比較中斷子程序設(shè)計(jì)

設(shè)置TIM1定時(shí)器計(jì)數(shù)，使至一個(gè)周期結(jié)束時(shí)產(chǎn)生觸發(fā)中斷，即系統(tǒng)每個(gè)開關(guān)周期會(huì)進(jìn)入一次中斷，流程圖如圖10所示。

圖10 周期中斷子程序流程圖

該子程序是系統(tǒng)中最重要的子程序，完成采樣數(shù)據(jù)處理、過(guò)壓保護(hù)、PI控制以及逆變器SPWM控制等功能。對(duì)AD中斷采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到該周期中斷所要應(yīng)用的輸出電壓和電流采樣值，并判斷是否合格。然后，系統(tǒng)應(yīng)用SPWM算法生成調(diào)制波，最終產(chǎn)生SPWM脈沖信號(hào)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出的全橋SPWM逆變器的電力電子教學(xué)平臺(tái)已經(jīng)在本科生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課中使用。實(shí)踐證明，該平臺(tái)能夠很好地幫助學(xué)生完成對(duì)逆變器相關(guān)軟硬件知識(shí)的學(xué)習(xí)，并有效提高其動(dòng)手操作能力。同時(shí)，此平臺(tái)的知識(shí)體系清晰完整，大大降低了教學(xué)難度，能夠?yàn)閷W(xué)生的工程應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。

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