基于STM32系列單片機(jī)的數(shù)控正弦波逆變電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：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350 V左右的母線(xiàn)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(kāi)支?；谏鲜龇桨冈囍频?00W樣機(jī)，具有輸出短路保護(hù)、過(guò)流保護(hù)及輸入過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)功能，50 Hz輸出時(shí)頻率偏差小于0．05 Hz，滿(mǎn)載(400 W)效率高于87％，電壓精度為220 V±1％，THD小于1．5％。
關(guān)鍵詞：正弦逆變；SPWM；推挽升壓；數(shù)字式；狀態(tài)機(jī)

    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)。

1 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(guò)濾波后由推挽升壓和全橋整流升壓到350 V的直流母線(xiàn)電壓，再經(jīng)過(guò)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。

    由于大電流條件下，功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比過(guò)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(kāi)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(kāi)到最大并保持不變，輸入電壓過(guò)高時(shí)，減小占空比，維持母線(xiàn)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。

2 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(xiàn)直流電壓，正弦逆變部分將母線(xiàn)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(xiàn)電壓、母線(xiàn)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(guò)壓欠壓保護(hù)、過(guò)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(mǎn)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。

    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(zhuān)門(mén)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(xiě)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(kāi)關(guān)速度快等特點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)電路的原理圖如圖3所示。

    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(wèn)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(wèn)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(guò)載保護(hù)，母線(xiàn)電流采樣用于短路保護(hù)，母線(xiàn)電壓采樣用于限制母線(xiàn)電壓虛高，輸入電壓采樣用于輸入過(guò)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。

    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(wú)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(wèn)題。

3 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(guò)壓／欠壓、過(guò)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(kāi)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。

    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(guò)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(guò)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。

4 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4．7 μF。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(mǎn)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)。

5 結(jié)束語(yǔ)
    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(wèn)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。