基于STM32的能量反饋型電子負(fù)載設(shè)計(jì)

雷新穎，王成，蘇力

（西安航空學(xué)院電子工程學(xué)院，陜西西安710077）

為了使UPS能夠滿足不同情況的應(yīng)用，對(duì)其進(jìn)行老化或性能測(cè)試的實(shí)驗(yàn)中需要使用不同性質(zhì)的負(fù)載。電子負(fù)載是可以設(shè)置阻性、容性和感性等不同狀態(tài)的負(fù)載，對(duì)此項(xiàng)工作帶來很大的方便。普通電子負(fù)載所耗費(fèi)的能量以熱能的形式散失，當(dāng)對(duì)UPS長(zhǎng)時(shí)間老化時(shí)，浪費(fèi)的能量巨大。能量反饋型電子負(fù)載可以在作不同性質(zhì)負(fù)載得同時(shí)，將從UPS所獲得的電能反饋回電網(wǎng)，從而節(jié)約大量能源[1]。

能量反饋型電子負(fù)載控制系統(tǒng)比較龐大，一般采用計(jì)算能力強(qiáng)大的DSP進(jìn)行控制。但DSP系統(tǒng)價(jià)格較高，與單片機(jī)相比且容易受到干擾。普通的8位或16位單片機(jī)計(jì)算能力弱，工作速度慢，不能用來控制能量反饋型電子負(fù)載。STM32單片機(jī)是一種工作速度快，功能強(qiáng)大的32位單片機(jī)，現(xiàn)在應(yīng)用越來越廣。文中采用STM32為控制器[3,7]，使用滯環(huán)控制法[4,8]和數(shù)字PID算法[2]對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)能量反饋型電子負(fù)載。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

能量反饋型電子負(fù)載包括主電路和控制電路。主電路采用AC/DC/AC變換結(jié)構(gòu)，包括前后兩級(jí)，前級(jí)是整流級(jí)，后級(jí)是逆變級(jí)[1]。整流級(jí)直接作為UPS的負(fù)載，從UPS獲得電能，將電能存儲(chǔ)在整流級(jí)和逆變級(jí)之間的大電容上。逆變級(jí)負(fù)責(zé)將電容上的電能反饋進(jìn)電網(wǎng)。控制電路以STM32單片機(jī)為核心，對(duì)前后兩級(jí)進(jìn)行控制?？刂齐娐返闹饕δ苡?個(gè)：第一，通過控制流入整流級(jí)的電流，可以實(shí)現(xiàn)阻性、容性和感性等不同狀態(tài)的負(fù)載。第二，逆變級(jí)輸出的電流要與電網(wǎng)電壓同頻同相，保證功率因數(shù)為1。第三，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)反饋電流的大小，保證中間大電容上的電壓穩(wěn)定。

圖1 系統(tǒng)框圖

把整流級(jí)作為一個(gè)控制對(duì)象，流入整流級(jí)的電流是被控制量。從控制角度來看，電子負(fù)載運(yùn)行在阻性狀態(tài)時(shí)，設(shè)置的流入整流級(jí)電流與整流級(jí)輸入端的電壓頻率和相位相同；電子負(fù)載運(yùn)行在容性狀態(tài)時(shí)，設(shè)置的流入整流級(jí)電流與整流級(jí)輸入端的電壓頻率相同，相位超前90°；電子負(fù)載運(yùn)行在感性狀態(tài)時(shí)，設(shè)置的流入整流級(jí)電流與整流級(jí)輸入端的電壓頻率相同，相位滯后90°?？刂扑悸肪褪鞘箤?shí)際流入整流級(jí)的電流時(shí)刻跟隨設(shè)置的流入整流級(jí)電流。采用的具體控制方法是滯環(huán)控制方法。

逆變級(jí)的控制如同整流級(jí)，把逆變級(jí)也作為一個(gè)控制對(duì)象，逆變級(jí)輸出電流是被控制量。從控制角度來看，逆變時(shí)，設(shè)置的逆變級(jí)輸出電流與逆變級(jí)輸入端的電壓同頻同相。

工作時(shí)，中間大電容上電壓太低，流入整流級(jí)的電流和逆變級(jí)輸出的電流波形將出現(xiàn)畸變。電壓太高將損壞器件，危害系統(tǒng)安全。所以必須對(duì)大電容上的電壓進(jìn)行控制，使其穩(wěn)定。整流級(jí)輸出的電流一部分流入中間大電容上，一部分流入逆變級(jí)。電容上的電壓既受到整流級(jí)影響，又受到逆變級(jí)影響。整流級(jí)的工作狀態(tài)是根據(jù)使用要求設(shè)置好的，不能改變。電容上的電壓的調(diào)節(jié)通過逆變級(jí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。電容上的電壓升高時(shí)，增大逆變電流降低它；反之電容上的電壓降低時(shí)，減小逆變電流升高它。

對(duì)整個(gè)系統(tǒng)，兩級(jí)之間的大電容是被控對(duì)象，大電容上電壓是被控量，逆變級(jí)可以看成執(zhí)行機(jī)構(gòu)，那么逆變級(jí)輸出電流的控制閉環(huán)和大電容上電壓的控制閉環(huán)組成了雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。逆變級(jí)輸出電流的控制閉環(huán)是內(nèi)環(huán)，大電容上電壓的控制閉環(huán)是外環(huán)，如圖2所示。內(nèi)環(huán)采用滯環(huán)控制算法，外環(huán)采用常用的PID算法進(jìn)行控制。整流系統(tǒng)可以看為干擾環(huán)節(jié)，整流級(jí)采用滯環(huán)算法單獨(dú)控制。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

整流級(jí)和逆變級(jí)的主電路基本相似，都由單相H橋、交流側(cè)大電感、直流側(cè)大電容組成，如圖3所示。整流級(jí)的交流側(cè)是主電路的輸入端，接被測(cè)設(shè)備輸出端，如UPS輸出端。逆變級(jí)的交流側(cè)是主電路的輸出端，接電網(wǎng)。直流側(cè)的大電容共用，大電容起存儲(chǔ)電能的作用。單相H橋的4個(gè)橋臂各由一個(gè)IGBT和一個(gè)與其反向并聯(lián)的二極管組成。當(dāng)某一橋臂IGBT導(dǎo)通時(shí)，電流可以流過該IGBT，而反向的電流可以隨時(shí)流過該橋臂的二極管。IGBT選用FGA25N120型號(hào)。控制電路直接控制的是4個(gè)橋臂IGBT的通斷，通過控制IGBT的通斷實(shí)現(xiàn)對(duì)流過電感L電流瞬時(shí)值增大或減小的調(diào)整。交流側(cè)電感起濾波、儲(chǔ)能和相位匹配等作用[1]。

圖3 主電路

整個(gè)控制電路的框圖如圖4所示，操作模塊設(shè)置兩個(gè)電位器和3個(gè)開關(guān)。一個(gè)電位器用來設(shè)置流入整流級(jí)電流幅值，另一個(gè)用來設(shè)置流入整流級(jí)電流的相位。一個(gè)開關(guān)是設(shè)置相位是超前還是滯后，一個(gè)是控0制系統(tǒng)開關(guān)，還有一個(gè)是總開關(guān)。兩個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊都帶有死區(qū)保護(hù)功能。

圖4 硬件框圖

控制電路的核心是單片機(jī)，其負(fù)責(zé)檢測(cè)和控制的變量比較多，因此選擇了工作速度快，功能強(qiáng)大的32位單片機(jī)，型號(hào)為STM32F103RBT6。單片機(jī)的PC6～PC9經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路[9]分別控制逆變級(jí)的4個(gè)IGBT，單片機(jī)的PC10～PC13經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路分別控制整流級(jí)的4個(gè)IGBT。PA8引腳用于輸入設(shè)置相位是超前還是滯后的開關(guān)信號(hào)。外部中斷0對(duì)應(yīng)的PA0引腳，用于輸入整流級(jí)交流電壓的過零點(diǎn)信號(hào)。外部中斷1對(duì)應(yīng)的PA1引腳，用于逆變級(jí)輸出交流電壓的過零點(diǎn)信號(hào)。定時(shí)器2用于中斷方式，起定時(shí)修改相角的作用。此單片機(jī)中有兩個(gè)12位ADC，可以用16個(gè)外部通道。用第8～12通道輸入5個(gè)模擬信號(hào)[6]。

3 軟件設(shè)計(jì)

控制程序利用ST公司提供的庫(kù)函數(shù)，采用C語(yǔ)言編寫[12]。程序由主函數(shù)、外部中斷0服務(wù)函數(shù)、外部中斷1服務(wù)函數(shù)、定時(shí)器重點(diǎn)服務(wù)函數(shù)和與初始化有關(guān)的函數(shù)組成。為了減小計(jì)算量，程序中利用數(shù)組存儲(chǔ)正弦函數(shù)值。數(shù)組共360個(gè)元素，對(duì)應(yīng)0°～360°每個(gè)整度數(shù)的正弦值。

在主程序中，首先進(jìn)行初始化，包括時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)置，引腳設(shè)置，中斷系統(tǒng)設(shè)置，外部中斷設(shè)置、ADC系統(tǒng)的設(shè)置和變量賦初值。完成后進(jìn)入循環(huán)。循環(huán)中，先對(duì)大電容上電壓進(jìn)行判斷，如果超限則立刻停機(jī)，防止大電容爆炸。如果正常則完成后續(xù)工作，對(duì)電流進(jìn)行采樣，計(jì)算設(shè)置電流此刻瞬時(shí)值，對(duì)逆變級(jí)和整流級(jí)進(jìn)行控制。如圖5所示。

定時(shí)器中斷服務(wù)程序用來，更新相角值。每來一次定時(shí)器中斷，相角值加1°。并且使相角在0°～360°循環(huán)。整流級(jí)和逆變級(jí)各有各的相角。

外部中斷0用于整流級(jí)控制，起到同步流入整流級(jí)電流相位與整流級(jí)輸入端電壓相位的作用。輸入電壓的每個(gè)上升沿，來一次外部中斷0的申請(qǐng)，進(jìn)行一次他們相位的同步。

外部中斷1用于逆變級(jí)控制，起到同步流出逆變級(jí)電流相位與電網(wǎng)電壓相位的作用。輸入電壓的每個(gè)上升沿，來一次外部中斷0的申請(qǐng)，進(jìn)行一次他們相位的同步。在外部中斷1的中斷服務(wù)中，還要完成對(duì)大電容上電壓控制?？刂扑惴ú捎糜鱿尴醯腜ID控制算法[15]。

圖5 主程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了調(diào)試方便，保證安全，采用變壓器對(duì)整流級(jí)交流側(cè)輸入電壓降壓，對(duì)逆變級(jí)輸出交流電壓進(jìn)行升壓。兩變壓器的高壓側(cè)一起接電網(wǎng)。主電路通電后，控制電路還沒工作之前，通過二極管的整流作用，對(duì)大電容C充電，其兩端電壓可以達(dá)到變壓器低壓側(cè)交流電壓的最大值?？刂齐娐饭ぷ骱?，如果整流級(jí)工作在整流狀態(tài)，大電容C上的電壓將進(jìn)一步上升，而系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整逆變級(jí)輸出電流，可以使大電容C上的電壓穩(wěn)定。系統(tǒng)正常工作時(shí)，要求大電容C上的電壓穩(wěn)定，因此先調(diào)試逆變級(jí)，再調(diào)試整流級(jí)，最后整體調(diào)試。大電容的電容取2 000 μF，交流側(cè)兩個(gè)大電感取2 mH[5]。

圖6是系統(tǒng)工作時(shí)，用虛擬儀器采樣并繪制的波形圖。圖6中的每張波形圖中有4條曲線，每幅圖中最低下的正弦波是電網(wǎng)電壓曲線，中間的直線為大電容C上的電壓，上邊兩條帶毛刺的正弦波是系統(tǒng)輸入輸出電流曲線，幅值較大的曲線是流入整流級(jí)的電流曲線，幅值較小的是逆變級(jí)輸出的電流曲線。這兩條電流曲線的毛刺比整流級(jí)或逆變級(jí)單獨(dú)工作時(shí)電流曲線上的毛刺要嚴(yán)重，這說明采用一個(gè)STM32單片機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)控制，速度有些低，可以考慮采用兩個(gè)STM32單片機(jī)分別控制前后兩級(jí)。

圖6 波形圖

圖6（a）是系統(tǒng)運(yùn)行在阻性狀態(tài)波形圖，此時(shí)輸入電流與輸入電壓同頻同相，逆變電流與電網(wǎng)電壓反相（設(shè)流入系統(tǒng)為電流正向），大電容C上的電壓穩(wěn)。系統(tǒng)輸出電流隨系統(tǒng)輸入電流增大而增大，減小而減小，但輸出電流總比流入系統(tǒng)的電流小，這是系統(tǒng)的損耗所致。

圖6（b）是系統(tǒng)運(yùn)行在容性狀態(tài)波形圖，此時(shí)系統(tǒng)輸入電流相位超前輸入電壓90°。圖6（c）和圖6（d）時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行在感性狀態(tài)波形圖，系統(tǒng)輸入電流相位滯后輸入電壓，系統(tǒng)運(yùn)行在感性狀態(tài)。圖6（c）中輸入電流相位滯后輸入電壓45°，此時(shí)系統(tǒng)輸出電流的相位與電網(wǎng)電壓反相，逆變級(jí)工作在逆變狀態(tài)。圖6（d）中輸入電流相位滯后輸入電壓90°。當(dāng)系統(tǒng)輸入電流相位超前或滯后輸入電壓90°時(shí)，整流級(jí)向大電容充電的有效電流為零，為了保持大電容C上的電壓穩(wěn)定，需要逆變級(jí)向大電容進(jìn)行微弱的充電。逆變級(jí)在控制系統(tǒng)的控制下，處于弱整流狀態(tài)。

5 結(jié)論

采用所選方案可以實(shí)現(xiàn)電子負(fù)載在阻性、容性和感性狀態(tài)下工作；在STM32單片機(jī)控制下系統(tǒng)能穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行；PID算法對(duì)穩(wěn)定儲(chǔ)能大電容上的電壓，效果良好。

[1]嚴(yán)雪飛，朱長(zhǎng)青，趙月飛，等.電子負(fù)載直流側(cè)電壓分析及濾波技術(shù)研究[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2014，33（11）：21-24.

[2]董釗，王躍龍，林瓊斌.單相逆變器新型雙閉環(huán)控制算法的研究[J].電氣開關(guān)，2014（4）：53-56.

[3]周紅標(biāo)，應(yīng)根汪，蔣恒，等.基于STM32的單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)[J].電測(cè)與儀表，2015，52（19）：62-66.

[4]柯程虎，張輝.小功率單相光伏并網(wǎng)逆變器的研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2014，35（12）：2866-2873.

[5]方露，黨幼云，康鵬飛.交流電子負(fù)載電感參數(shù)設(shè)計(jì)[J].西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，29（4）：431-435.

[6]雷新穎，常振杰，鄭天良.基于STM32單片機(jī)的單相并網(wǎng)逆變研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2016，24（1）：141-143.

[7]趙玲霞，李娟霞，王興貴.基于PIC單片機(jī)的單相SPWM逆變器研究[J].電氣自動(dòng)化，2012，34（6）：9-10.

[8]劉全偉，鄧焰，胡義華，等.基于電流預(yù)測(cè)和虛擬過采樣的數(shù)字滯環(huán)控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29（10）：127-133.

[9]楊亞萍，王成，雷新穎.電壓型PWM整流電路研究與控制實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2016，24（15）：154-156.

[10]韓曉冬.電力電子技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2012.

[11]劉軍.例說STM32[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[12]彭剛，秦志強(qiáng).基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器應(yīng)用實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[13]張興，張宗巍.PWM整流器及其控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[14]沙占有，龐志峰，周萬珍，等.開關(guān)電源設(shè)計(jì)入門[M].北京：中國(guó)電力出版社，2013.

[15]劉雨棣，雷新穎，耶曉東，等.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2013.