基于STM32單片機的三相逆變器設(shè)計

陳日恒 唐杰 王貴龍

摘 要：針對當前電網(wǎng)需要能輸出高質(zhì)量的交流電，且需具備較好的負載適應(yīng)性及調(diào)壓、調(diào)頻等問題。設(shè)計了基于STM32F103C8T6單片機控制的DC-AC三相正弦波逆變器。文章詳細分析了三相逆變器硬件電路各個模塊的工作原理及相關(guān)參數(shù)的設(shè)計，分析了用于控制三相逆變器的SPWM調(diào)制技術(shù)、基于數(shù)字PI控制的功率變換技術(shù)，同時進行了硬件電路設(shè)計、軟件設(shè)計，制作了三相逆變器實物。通過對逆變器調(diào)壓、調(diào)頻測試，結(jié)果表明所制作的三相逆變器調(diào)壓、調(diào)頻控制方案的可行性與有效性。

關(guān)鍵詞：三相逆變器;SPWM;STM32F103C8T6單片機

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.139

0 引言

當前電力電子技術(shù)已經(jīng)成為了工業(yè)與科學技術(shù)的飛速發(fā)展過程中，提高電網(wǎng)供電性能，保障并網(wǎng)系統(tǒng)安全運行時一項非常關(guān)鍵的技術(shù)，而并網(wǎng)逆變器控制又是其中非常重要的技術(shù)[1]。隨著時代的進步，各行業(yè)對于供電電能質(zhì)量有了更高的要求，如電網(wǎng)頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定等電能指標。逆變控制技術(shù)能顯著改善工作環(huán)境、減少開支、提高效率，同時減少了化石燃料的使用，對減少污染、節(jié)約能源有著巨大的幫助。

本文以應(yīng)用于模擬微電網(wǎng)系統(tǒng)的三相并網(wǎng)逆變器為研究對象，設(shè)計以STM32單片機為主控電路的三相逆變器，給出了詳細的硬件和軟件設(shè)計過程，并提供了控制器的測試結(jié)果，測試結(jié)果表明所制作的基于STM32單片機的三相逆變器調(diào)壓、調(diào)頻方案的可行性與有效性。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

先給出系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)框架，設(shè)計出逆變器主電路、控制電路、驅(qū)動電路、信號調(diào)理電路以及保護電路。其中控制電路設(shè)計包含單片機最小系統(tǒng)、顯示電路、信號調(diào)理電路的設(shè)計，對各個電路的工作原理作了詳細分析。程序設(shè)計主要是以STM32單片機為控制單元，通過對系統(tǒng)控制方法和調(diào)壓、調(diào)頻程序等的設(shè)計，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如下圖1所示：

從三相正弦波逆變電源系統(tǒng)的總體框圖中可以看出，STM32控制單元發(fā)出SPWM信號，通過驅(qū)動電路的隔離和放大來控制三相逆變器主電路，最后輸出頻率和幅值可調(diào)的三相交流電。單片機控制系統(tǒng)由STM32單片機和外圍的復位電路構(gòu)成，包括輔助電路、信號調(diào)理電路、按鍵和顯示電路。輔助電源能為整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行提供保障。信號調(diào)理電路可以對輸出頻率和幅值進行采集反饋給STM32單片機AD端進行數(shù)據(jù)采集。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 三相逆變器主電路設(shè)計

系統(tǒng)采用三相全橋電路作為逆變器的主電路，主要元器件包括場效應(yīng)管（MOSFET）、電容C、電感L等，主要功能是把直流電通過三相逆變器轉(zhuǎn)化為幅值和頻率可調(diào)的三相交流電，電路如圖2所示。

直流輸入30V，逆變器輸出相電壓為12-16V可調(diào)，步進0.1V。輸出頻率為50-100Hz可調(diào)，步進為10Hz，最大輸出功率50W。主電路元器件參數(shù)的計算是三相逆變主電路非常重要的部分，電力MOSFET的選取分析及參數(shù)計算如下：

（1）開關(guān)器件的選取。對于低壓功率較小的逆變器一般選用電力MOSFET，因為電力MOSFET針對低電壓的應(yīng)用比較多，導通的壓降也比較低，開關(guān)速度相對較快，適用于輸出低頻率的逆變器。本次設(shè)計的頻率為36KHz，所以不選擇IGBT。

一般情況下，設(shè)置電力MOSFET都會留有一定的電壓裕量。因為理論上電力MOSFET的最大承受電壓應(yīng)為電源電壓，但在實際的工作過程中能會產(chǎn)生高頻脈沖電壓，這樣會導致電壓升高，這是因為工作中有高頻震蕩等原因。所以為了保證系統(tǒng)能可靠運行，電力MOSFET需留有一定的電壓裕量，通常設(shè)置1.5倍以上的電源電壓為電力MOSFET的耐壓大小，即：

2.2 驅(qū)動電路設(shè)計

驅(qū)動電路是電力電子電路設(shè)計重要的環(huán)節(jié)，在主電路和控制電路起到了很好的橋梁作用，具有保持控制電路和主電路與柵極間的電隔離，及提供驅(qū)動脈沖電流的功能。單片機的數(shù)據(jù)口不能直接驅(qū)動主電路，而是要單片機內(nèi)部發(fā)出控制信號給驅(qū)動電路，達到控制主電路的目的。所以整個系統(tǒng)的驅(qū)動電路的設(shè)計是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。

本次電源設(shè)計中采用的是電力MOSFET驅(qū)動電路設(shè)計，對驅(qū)動電路有以下幾點要求：

（1）減小器件損耗。開關(guān)管的充足的導通能力和可靠的關(guān)斷能力是驅(qū)動電路降低器件的開關(guān)損耗的關(guān)鍵;

（2）隔離主電路。因為大部分主電路是高壓電路，為了確保安全，要求控制信號與驅(qū)動電路沒有電耦合;

（3）強抗干擾能。驅(qū)動電路應(yīng)具備較強的干擾能力，保證元器件在低頻情況下工作的可靠性，防止運行期間在外界因素干擾下開關(guān)管的誤開關(guān)。

（4）可靠地保護能力。當驅(qū)動電路因過流或欠壓等自身原因出現(xiàn)故障時，應(yīng)立即切斷輸出的驅(qū)動信號，必要時迅速關(guān)斷器件來保護器件安全。

IR2109芯片除了有柵極驅(qū)動及高速高壓功率驅(qū)動器，還擁有雙通道的輸入輸出信號。該芯片滿足了設(shè)計任務(wù)上主電路對功率開關(guān)器件的控制要求。驅(qū)動電路如圖3所示。

2.3 輔助電源電路設(shè)計

一款逆變器如果要其性能穩(wěn)定可靠，其輔助電源的設(shè)計是非常重要的，即要成本低廉，又要性能不錯。本次在輔助電源中用到的是LM2596芯片。LM2596系列是德州儀器生產(chǎn)的能降低電壓且固定輸出電流為3A的電源單片集成電路， 并且其開關(guān)穩(wěn)壓集成電路有3.3V、5V、12V等多個電壓檔次，最大輸出電壓為37V，最大所能承受電壓為40V。該芯片具有完整的保護電路、熱關(guān)斷電路等，并有著不錯的線性調(diào)節(jié)、負載調(diào)節(jié)能力?？梢詫崿F(xiàn)器件的自我保護、限流、外部斷電等功能。

該器件內(nèi)部集成頻率補償和固定頻率發(fā)生器。一般情況下開關(guān)的固定頻率為150KHz，基準電壓為1.23V。該芯片可以使用標準的電感，前提是需要4個外接元件。這更優(yōu)化了LM2596的使用。由于單片機、液晶顯示等需要5V的供電，輔助電源直接使用直流穩(wěn)壓電源通過LM2596HV穩(wěn)定輸出12V，再級聯(lián)7805穩(wěn)壓芯片產(chǎn)生5V電壓提供給測控電路。具體電路如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

一個完整的系統(tǒng)設(shè)計，除了硬件電路設(shè)計之外，還必須有其軟件設(shè)計部分，系統(tǒng)的軟件設(shè)計才是整個系統(tǒng)設(shè)計的核心所在。主程序設(shè)計主要包括兩個部分，分別是輸出調(diào)壓程序、輸出調(diào)頻程序的設(shè)計。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。

3.2SPWM控制技術(shù)

本文采用STM32F103C8T6單片機最小系統(tǒng)作為控制模塊，周期值為0.2us，用于生成三相逆變器所需要的SPWM波的頻率，所采用的開關(guān)管的工作頻率為36kHz，則STM32單片機初始化配置如下：首先設(shè)置PORTC寄存器為輸出模式。然后使能CCP為PWM功能，然后調(diào)整PR2的值來修改PWM的開關(guān)周期寄存器，使得TSFMW=（PR2+1）×4TOSC（TMR2 PrescaleValue），fSPWM=1/TSPMW成立即可。系統(tǒng)初始化完成后，定時器TMR2開始工作，此時，PWM模塊引腳輸出為高電平;當定時器TMR2的值大于CCPRXL時，PWM模塊輸出低電平;當TMR2等于PR2時，TMR2被清零，重新開始下一周期的計數(shù)，與此同時，PWM模塊恢復高電平。

因為脈沖寬度是按照正弦波的規(guī)律變化，所以要把脈沖寬度DK值生成數(shù)值表，單片機通過查表輸出一系列脈沖序列。設(shè)置載波頻率kHz，交流頻率Hz，通過載波比來確定單個周期內(nèi)的脈沖數(shù)目（本次設(shè)N=500）。在具體操作過程中，為了節(jié)省單片機內(nèi)存，只需保存N/2個點，即半個周期的正弦波離散點，利用交替方式輸出SPWM波，達到控制逆變橋的目的。

4 測試與分析

本設(shè)計采用三相可調(diào)變阻器作為可調(diào)負載測試，需對三相逆變器輸出的幅值、頻率等性能指標進行測試。實物照片如圖6所示，輸出波形如圖7所示，用數(shù)字萬用表測量輸出的電壓、電流等電氣量參數(shù)，利用示波器檢測兩種模式下三相逆變器的輸出波形。如圖所示當系統(tǒng)輸入電壓30V，接入三相負載，可得到輸出的電壓為12V，輸出頻率為50Hz。

將三相逆變器連接數(shù)位存儲示波器，得到下圖7輸出波形圖。

輸入接30V電壓，固定負載情況下由按鍵給定輸出電壓和頻率值，并對整個系統(tǒng)的設(shè)定電壓、頻率與輸出電壓、頻率進行檢測比較。分別把電壓、頻率數(shù)據(jù)記錄入表1、表2。

由以上測試記錄可知，負載固定情況下，輸出的電壓能實現(xiàn)12-16V可調(diào)，輸出的頻率能實現(xiàn)50-100Hz可調(diào)，且誤差分別小于0.1V、0.1Hz。通過對以上測試結(jié)果分析可得，調(diào)幅、調(diào)頻兩種模式下的輸出與各自給定值基本相等（允許的誤差范圍之內(nèi)），驗證了此次三相逆變器設(shè)計方案和控制策略的正確性，表明本次設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)三相逆變器的調(diào)壓和調(diào)頻，達到了預期目標。

5 結(jié)論

論文基于STM32單片機設(shè)計出三相逆變器，選用三相全橋拓撲電路作為逆變器的主電路，通過做出的實物進行測試，測試結(jié)果表明：系統(tǒng)給定輸入電壓為30V，在調(diào)幅模式下，輸出電壓為12～16V可調(diào)，誤差為±0.1V，在調(diào)頻模式下，輸出頻率為50～100Hz可調(diào)，誤差為±0.02Hz，有著廣泛的應(yīng)用前景。

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基金資助項目：湖南省自然科學基金項目（2018JJ2367）; 湖南省科技計劃項目（2016TP1023）;邵陽學院2018年研究生科研創(chuàng)新項目（CX2018SY021）。

作者簡介：陳日恒（1992-），男，湖南郴州人，碩士研究生，研究方向：新能源發(fā)電。