基于STM32高性能全數(shù)字式正弦波逆變電源的設(shè)計(jì)方案

 摘要

本文提出一種高性能全數(shù)字式正弦波逆變電源的設(shè)計(jì)方案。該方案分為前后兩級(jí)，前級(jí)采用推挽升壓電路將輸入的直流電升壓到350V左右的母線電壓，后級(jí)采用全橋逆變電路，逆變橋輸出經(jīng)濾波器濾波后，用隔離變壓器進(jìn)行電壓采樣，電流互感器進(jìn)行電流采樣，以形成反饋環(huán)節(jié)，增加電源輸出的穩(wěn)定性。

升壓級(jí)PWM驅(qū)動(dòng)及逆變級(jí)SPWM驅(qū)動(dòng)均由STM32單片機(jī)產(chǎn)生，減小了硬件開支?；谏鲜龇桨冈囍频?00W樣機(jī)，具有輸出短路保護(hù)、過流保護(hù)及輸入過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)功能，50Hz輸出時(shí)頻率偏差小于0.05Hz，滿載(400W)效率高于87%，電壓精度為220V±1%，THD小于1.5%.

逆變電源應(yīng)用廣泛，特別是精密儀器對(duì)逆變電源的性能要求更高。高性能逆變電源不僅要求工作穩(wěn)定、逆變效率高、輸出波形特性好、保護(hù)功能齊全，還要求逆變電源小型化、智能化、并且具備可擴(kuò)展性。文中提出一種基于STM32系列單片機(jī)STM32F103VE的純數(shù)字式正弦逆變電源，該電源的全部功能由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)，具有輸出電壓、頻率穩(wěn)定，效率高，保護(hù)功能齊全的特點(diǎn)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。系統(tǒng)采用高頻逆變方案，即前級(jí)升壓加后級(jí)逆變的結(jié)構(gòu)，這樣可以避免使用笨重的工頻變壓器，有效的降低了電源的體積、重量及成本，提升電源的效率。電路的工作原理是，12 V的直流輸入電壓經(jīng)過濾波后由推挽升壓和全橋整流升壓到350 V的直流母線電壓，再經(jīng)過全橋逆變電路轉(zhuǎn)變?yōu)?20 V/50 Hz的工頻交流電，采樣電路對(duì)相應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行采樣，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制及保護(hù)功能。

圖1

由于大電流條件下，功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比過小會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重，效率降低，故逆變電源的前級(jí)采用準(zhǔn)開環(huán)的控制方式，即輸入電壓在一定范圍內(nèi)時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比開到最大并保持不變，輸入電壓過高時(shí)，減小占空比，維持母線電壓在一定范圍內(nèi)。這樣做的好處是，可以使前級(jí)升壓獲得較高的效率。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

逆變電源硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要包括直流推挽升壓電路、正弦逆變電路、輸出濾波電路、驅(qū)動(dòng)電路、采樣電路、主控制器和點(diǎn)陣液晶構(gòu)成。其中，直流升壓部分將輸入電壓升高至輸出正弦交流電的峰值以上的母線直流電壓，正弦逆變部分將母線直流電壓逆變后經(jīng)輸出濾波電路得到正弦式交流電，采樣電路則對(duì)母線電壓、母線電流、輸出電壓、輸出電流、輸入電壓進(jìn)行采樣，以實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)、過壓欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、閉環(huán)穩(wěn)壓等功能。驅(qū)動(dòng)電路的功能是將驅(qū)動(dòng)信號(hào)的邏輯電平進(jìn)行匹配放大，以滿足驅(qū)動(dòng)功率管的要求。控制電路的功能是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的系統(tǒng)功能。點(diǎn)陣液晶的功能是顯示系統(tǒng)工作信息，如果輸出電壓、電流以及保護(hù)信息等。

圖2

1)主控制器

主控制器選用STM32F103VE增強(qiáng)型單片機(jī)，STM32系列單片機(jī)是意法半導(dǎo)體公司專門為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。此單片機(jī)采用哈佛結(jié)構(gòu)，使處理器可以同時(shí)進(jìn)行取址和數(shù)據(jù)讀寫操作，處理器的性能高達(dá)1.25 MIPS/MHz.支持單周期硬件乘除法，最高時(shí)鐘頻率72 M，最大可達(dá)512 kB片上Flash及64 kB片上RAM.同時(shí)具有多達(dá)30路PWM及3個(gè)12位精度的ADC等眾多適合做逆變及電機(jī)驅(qū)動(dòng)的外設(shè)。在本系統(tǒng)中用于產(chǎn)生PWM、SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理，以完成穩(wěn)壓反饋及保護(hù)功能，并驅(qū)動(dòng)點(diǎn)陣液晶顯示系統(tǒng)信息?？紤]實(shí)際的功率管及驅(qū)動(dòng)芯片的速度，升壓PWM波的頻率為20 kHz，逆變SPWM波的頻率為18 kHz.根據(jù)調(diào)制方法的不同，SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)形式可以分為：雙極性、單極性和單極性倍頻。由于雙極性調(diào)制失真度小，故本設(shè)計(jì)中SPWM采用雙極性驅(qū)動(dòng)方式。

2)點(diǎn)陣液晶

選用LPH7366型點(diǎn)陣液晶，具有超低功耗的特點(diǎn)。用于顯示系統(tǒng)當(dāng)前的工作狀態(tài)，如輸出電壓、輸出電流、輸入電壓等信息。同時(shí)指示系統(tǒng)是否處于保護(hù)以及處于何種保護(hù)狀態(tài)。

3)輔助電源

為系統(tǒng)不同部分提供不同的電壓電需求，由直流輸入電壓經(jīng)LM2596—5 V降壓到5.0 V后一部分為采樣電路供電，另一部分經(jīng)LDO穩(wěn)壓器LM117—3.3 V穩(wěn)壓到3.3 V供處理器及點(diǎn)陣液晶使用。同時(shí)，由推挽變壓器的一個(gè)輔助繞組得到20 V左右的電壓，經(jīng)整流濾波及LM2596-ADJ穩(wěn)壓到15 V后供驅(qū)動(dòng)電路使用。

4)驅(qū)動(dòng)電路

選用東芝半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的高速光耦隔離型IGBT/MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片TLP250.TLP250具有隔離電壓高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、開關(guān)速度快等特點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)電路的原理圖如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路原理圖

在推挽升壓驅(qū)動(dòng)(U1、U2)中，TLP250負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅值與電流的匹配，而對(duì)于全橋逆變驅(qū)動(dòng)(U3、U4、U5、U6)，不但要考慮驅(qū)動(dòng)電平和驅(qū)動(dòng)能力，還要考慮好上下管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離問題。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，全橋逆變的上管驅(qū)動(dòng)(U3、U5)采用了自舉供電的方式，減少隔離電源的使用數(shù)目。

對(duì)逆變橋的驅(qū)動(dòng)電路，為避免上下管直通，設(shè)計(jì)中需要考慮死區(qū)問題。STM32單片機(jī)的PWM模塊具有死區(qū)功能，本設(shè)計(jì)采取了軟件死區(qū)方法。這樣做的另一個(gè)好處是，對(duì)不同的功率管只需改變軟件設(shè)計(jì)即可獲得最佳的死區(qū)參數(shù)。

5)采樣電路

輸出電壓采樣用于反饋穩(wěn)壓，輸出電流采樣用于過載保護(hù)，母線電流采樣用于短路保護(hù)，母線電壓采樣用于限制母線電壓虛高，輸入電壓采樣用于輸入過壓/欠壓保護(hù)。輸出采樣中使用了電流互感器與電壓互感器，大大減小了系統(tǒng)干擾，提高了系統(tǒng)的可靠性。取樣電路的原理圖如圖4所示。

圖4 取樣電路原理圖

對(duì)于輸出電流取樣，本設(shè)計(jì)中使用了5 A/5 mA電流互感器。由于電流互感器的輸出為毫伏級(jí)的交流信號(hào)，為了能夠被單片機(jī)內(nèi)部AD模塊采集到，必須將其整流成直流信號(hào)并加以放大。而普通二極管整流電路對(duì)毫伏級(jí)電壓是無效的，因此，此處采用了由運(yùn)算放大器(U11，LM3 58)構(gòu)成的小電壓整流電路。實(shí)際測(cè)試表明，該電路有效解決了毫伏級(jí)信號(hào)的采樣問題。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了提高系統(tǒng)的可讀性以及代碼效率，軟件采用狀態(tài)機(jī)思想設(shè)計(jì)，圖5所示為系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。系統(tǒng)上電復(fù)位后進(jìn)入SAMPLE采樣狀態(tài)，若檢測(cè)到采樣完成標(biāo)志FINISH則進(jìn)入JUDGE狀態(tài)進(jìn)行判斷，如果FAULT不為0即有故障信號(hào)(過壓/欠壓、過載、短路)，則進(jìn)入PROTECT狀態(tài)關(guān)閉輸出，并跳轉(zhuǎn)到WAIT狀態(tài)等待故障信號(hào)消除。當(dāng)故障信號(hào)消除后，系統(tǒng)軟重啟，開始新的采樣及檢測(cè)。JUDGE狀態(tài)后如果未檢測(cè)到故障信號(hào)，則進(jìn)入NORMAL正常狀態(tài)，進(jìn)行電壓調(diào)整。

圖5

系統(tǒng)上電后，首先完成各個(gè)外設(shè)的初始化，主要包括系統(tǒng)時(shí)鐘、定時(shí)器、GPIO口、ADC、DMA、中斷及SPI的初始化。在此，定時(shí)器和中斷一旦初始化完成，PWM及SPWM波就會(huì)生成?？紤]到過流、短路保護(hù)及反饋穩(wěn)壓的實(shí)時(shí)性要求較高，故在中斷內(nèi)完成。欠壓、過壓對(duì)實(shí)時(shí)性要求低，放在主程序內(nèi)。為提升系統(tǒng)的性能，ADC采樣使用DMA方式傳輸數(shù)據(jù)，傳輸完成后，發(fā)出中斷申請(qǐng)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單濾波處理，其他功能函數(shù)調(diào)用此數(shù)據(jù)完成相應(yīng)的保護(hù)及穩(wěn)壓功能。主程序的流程圖如圖6所示。

圖6

調(diào)試與實(shí)驗(yàn)

根據(jù)以上思想試制一臺(tái)400 W的樣機(jī)，采用IRF3205作為推挽升壓的功率管，HER307作為整流二極管，全橋逆變功率管則采用IRF840.前級(jí)升壓的PWM波頻率設(shè)置為20 kHz，后級(jí)SPWM波的頻率設(shè)置為18 kHz，輸出濾波電感L為1 mH，輸出濾波電容C為4.7μF.實(shí)際測(cè)試正弦交流輸出電壓精度為220 V±1%，頻率精度為50 Hz±0.1%，THD小于1.5%，逆變效率大于87%，其滿負(fù)載時(shí)的試驗(yàn)波形如圖7所示(輸出經(jīng)20 kΩ/100 kΩ電阻分壓測(cè)到)。

圖7

結(jié)束語

文中完整地討論了以STM32單片機(jī)為主控制器的數(shù)控正弦波逆變電源的設(shè)計(jì)，并對(duì)其中涉及關(guān)鍵問題進(jìn)行了詳細(xì)的討論。針對(duì)高端電子設(shè)備對(duì)逆變電源的更高要求，提出了一種有效的解決途徑。使用該設(shè)計(jì)方案在簡(jiǎn)化逆變電源的硬件設(shè)計(jì)的同時(shí)，大大提升了電源的品質(zhì)與性能，具有很高的推廣價(jià)值。