基于STM32的單相正弦波逆變器設(shè)計

李加升，李穩(wěn)國，宋 歌

(湖南城市學院 信息與電子工程學院，湖南 益陽 413000)

基于STM32的單相正弦波逆變器設(shè)計

李加升，李穩(wěn)國，宋 歌

(湖南城市學院 信息與電子工程學院，湖南 益陽 413000)

考慮當前光伏發(fā)電、風力發(fā)電等新能源逆變?nèi)刖W(wǎng)的需要，在比較了現(xiàn)有逆變器的基礎(chǔ)上，針對低壓小功率的逆變，設(shè)計了一種基于STM32的單相正弦波逆變器. 該逆變器主要由控制模塊、全橋式逆變模塊、同步BOOST電路、信號采集與調(diào)理模塊、信息顯示模塊、欠壓過流保護模塊等構(gòu)成．逆變器采用SPWM正弦脈寬調(diào)制，經(jīng)過IR2104產(chǎn)生兩路反相的SPWM波，驅(qū)動4個開關(guān)管IRF540工作，并利用STM32完成電流/電壓采樣、調(diào)試和液晶顯示的數(shù)據(jù)處理．經(jīng)實際測式，該逆變器獲得了較高的轉(zhuǎn)換效率，較低的輸出電壓/電流誤差．

全橋逆變；同步BOOST；SPWM控制

在光伏發(fā)電、風力發(fā)電等新電源被廣泛應(yīng)用的今天，逆變技術(shù)的研究被廣泛關(guān)注，而低壓小功率的逆變電源是電子設(shè)備必不可少的部分．隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和對電氣設(shè)備在性能上的要求，以及不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹄娫吹募夹g(shù)要求，各行業(yè)對逆變電源的要求也在不斷提高．在許多的電子設(shè)備中，要求逆變電源系統(tǒng)可靠性高、穩(wěn)定度好、調(diào)節(jié)特性優(yōu)良，而且體積小、重量輕[1-2]．而控制信號產(chǎn)生電路是逆變器的核心，其性能優(yōu)劣將直接影響整個逆變器的好壞．正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)是逆變電路的核心技術(shù)，目前SPWM的產(chǎn)生方法有很多種，最基本的方法就是利用分立元件，采用模擬、數(shù)字混合電路產(chǎn)生SPWM[3-4]．文獻[5]提出了一種用數(shù)、模硬件電路產(chǎn)生SPWM的方法，此方法硬件電路復(fù)雜；文獻[6]采用SPWM專用芯片SA828系列與微處理器直接連接生成SPWM，此方法生成的SPWM波形參數(shù)受專用芯片限制；文獻[7]利用FPGA來生成SPWM波，雖然生成的SPWM波質(zhì)量性能較好，可以靈活改變輸出波形參數(shù)，但成本也相對較高．本文采用ARM公司的32位單片機STM32作為主控芯片對單相正弦波逆變器進行了設(shè)計．

1 總體設(shè)計方案

基于STM32的單相正弦波逆變器方框圖見圖1．系統(tǒng)主要由STM32主控模塊、驅(qū)動模塊、同步BOOST模塊、全橋逆變模塊、信息采集模塊、欠壓過流保護模塊及鍵盤顯示模塊組成，同步BOOST電路和全橋逆變模塊組成系統(tǒng)的主電路．系統(tǒng)由單片機產(chǎn)生一路PWM，經(jīng)驅(qū)動模塊功率放大后，變?yōu)閮陕贩聪鄮绤^(qū)的PWM，控制同步BUCK中的兩個開關(guān)管，實現(xiàn)直流電輸出升壓．

圖1 逆變器系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

全橋逆變電路由單片機產(chǎn)生的2路反相SPWM波，經(jīng)過驅(qū)動模塊后生成的4路SPWM波信號控制．SPWM波控制逆變電路4個開關(guān)管的通斷，將升壓后的直流電轉(zhuǎn)換為交流電[8]．系統(tǒng)采用互感采樣將交流輸出電壓電流反饋給單片機進行PID調(diào)節(jié)，實現(xiàn)穩(wěn)壓功能．將交流電壓信號經(jīng)過過零比較器后得到同頻率的方波，再由單片機進行頻率采樣顯示在液晶屏上，并可通過按鍵設(shè)定交流電輸出頻率，與采樣頻率比較后，進行PID調(diào)節(jié)，實現(xiàn)頻率可調(diào)．通過控制欠壓過流保護模塊中的繼電器通斷，可以實現(xiàn)欠壓過流保護．

控制模塊由STM32芯片及外圍電路構(gòu)成的最小系統(tǒng)，主要用于信號的采集和發(fā)出控制信號；數(shù)據(jù)采樣模塊以ADS1115芯片為核心，電壓互感器和電流互感器采集輸出端電壓電流并通過BOOST輸出[9]；由過零比較器為主要核心構(gòu)成的定時器捕獲模塊是為了得到交流輸出頻率和功率因子；同步BOOST電路使用開關(guān)管取代BOOST電路的續(xù)流二極管，并用兩路反相的PWM驅(qū)動；全橋逆變模塊通過單片機產(chǎn)生SPWM波控制4個開關(guān)管構(gòu)成全橋式濾波電路，可提高效率；LCD12864模塊顯示電源的相關(guān)主要參數(shù)；過流欠壓保護模塊用于增強電路的安全性，通過檢測電源的電壓電流，從而控制繼電器對整個電路進行保護．

圖2 主變換電路圖

2 主要硬件電路設(shè)計及相關(guān)說明

2.1 STM32控制模塊和顯示電路

STM32單片機擁有512 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash、112個的快速I/O端口、11個定時器、實時時鐘RTC、2個12位的us級的A/D轉(zhuǎn)換器（16通道）、SPI串行端口，以及3種可以通過軟件選擇的省電模式．單片機主要起到電流電壓采樣、功率因數(shù)測量、信息顯示以及過流欠壓保護的作用，STM32最小系統(tǒng)部分由晶振電路、復(fù)位電路、顯示電路組成．單片機最小系統(tǒng)需晶振電路來產(chǎn)生時鐘頻率．STM32電路采用8 MHz的晶振，CPU最高工作頻率可達72 MHz．

LCD12864帶中文字庫的12864內(nèi)部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊，其分辨率為128×64，內(nèi)置8 192個16*16點漢字，和128個16*8點ASCII字符集，利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面．可以顯示8×4行16×16點陣的漢字，也可完成圖形顯示．

2.2 主變換電路

主電路由同步BOOST電路和全橋逆變電路組成，見圖2．

系統(tǒng)通過單片機產(chǎn)生PWM波控制BOOST電路升壓，將BOOOST輸出電壓輸送到逆變電路，同時利用正弦脈寬調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生SPWM波給逆變電路實現(xiàn)DC-AC．

STM32單片機產(chǎn)生1路PWM，經(jīng)過I2104后變?yōu)閮陕贩聪鄮绤^(qū)的PWM，控制同步BOOST電路中開關(guān)管的通斷，由電感周期性充放電和后級電容濾波，使電壓輸出升高．利用電阻取樣法將輸出電壓采集，反饋給單片機與設(shè)定值比較得到誤差值，再根據(jù)誤差值進行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)．逆變部分則是由單片機產(chǎn)生兩路反相的SPWM波，經(jīng)過驅(qū)動芯片IR2104驅(qū)動后變成4路SPWM波分別驅(qū)動全橋的4個開關(guān)管，通過單片機的定時器功能每隔50 us取正弦波對應(yīng)的1個占空比值，1個正弦波分為400個點，則逆變后的波形的周期T =50 us*400=20 000 us=20 ms，頻率為f =1/T =50 Hz．由此可實現(xiàn)固定輸出50 Hz的交流電．

2.3 信號采集模塊

為了提高輸出電壓、電流控制精度，信號采集模塊選用16位采樣芯片ADS1115進行采樣．系統(tǒng)首先通過電壓互感器和電流互感器分別將輸出電壓、電流成比例縮小，再輸入AD637將交流輸出換算為真有效值后，由ADS1115采樣后反饋給單片機．AD采樣電路圖見圖3．

圖3 AD采樣電路圖

2.4 欠壓過流保護模塊

欠壓過流保護采用繼電器控制電路的通斷實現(xiàn)保護．單片機將反饋的電壓值和電流值與設(shè)定值相比較，當電壓低于20±0.5 V或高于28±0.5 V、電流超過1.7±0.1 A時，單片機的PA.2口發(fā)出一個電平，通過對繼電器開關(guān)的控制來實現(xiàn)對電路的保護，通過軟件控制欠壓過流保護具有自恢復(fù)功能．AD及繼電器保護電路圖如圖4所示．

圖4 繼電器保護電路圖

3 軟件設(shè)計

3.1 主程序流程及相關(guān)說明

開啟總電源，系統(tǒng)進入初始化狀態(tài)．然后，對輸入電流、電壓進行采樣，若輸出電壓大于28 V或低于20 V、電流值大于1.7 A，則驅(qū)動繼電器斷開主回路，完成過流保護，5 s后控制繼電器使電路正常工作．若電壓電流值在正常范圍內(nèi)，則進行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，并通過液晶顯示．本系統(tǒng)的主程序流程圖如圖5所示．

圖5 全橋逆變電源工作流程圖

4 結(jié)果測試與分析

4.1 輸出電壓的變化率測試

在輸入直流電壓Us=21.5 ～26.5 V的條件下，使用數(shù)字萬用表測量交流電壓輸出，用示波器測量輸出電壓波形及頻率，測量結(jié)果見表1．

表1 直流開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出記錄表(負載電阻50 Ω) V

4.2 負載調(diào)整率的測試

負載采用50 Ω/50 W 可調(diào)滑線變阻器，在直流輸入電壓Us=24 V、負載為5 Ω時，調(diào)整輸出交流電壓為36 V，然后將負載電阻為10 Ω，測量輸出電壓的變化范圍，具體數(shù)據(jù)參見表3，經(jīng)計算最大變化范圍為0.283 V．

表2 負載調(diào)整率的測試

4.3 效率測試

負載采用50 Ω/50 W，調(diào)整輸出電壓測出輸入輸出電壓和電流，并計算出效率，具體數(shù)據(jù)見表3．由表3數(shù)據(jù)可知，輸出效率最低時為83.1%．

表3 效率的測量

4.4 過流保護測試

逆變系統(tǒng)設(shè)計時，設(shè)計的功能是當檢測到當電壓低于20±0.5 V或高于28±0.5 V、電流超過1.7±0.1 A時，繼電器斷開，以實現(xiàn)保護的目的．經(jīng)實際測試，當電流為1.7±0.05 A時，繼電器斷開，具備過流保護及自恢復(fù)功能．

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于STM32的正弦波逆變器，主要通過BOOST升壓，經(jīng)全橋逆變后，結(jié)合SPWM的控制轉(zhuǎn)換為交流電，再進行PID調(diào)節(jié)，實現(xiàn)穩(wěn)壓功能．結(jié)合STM32和LCD12864液晶顯示器，實現(xiàn)友好的人機交互界面．利用了過流欠壓保護技術(shù)，為逆變器提供了有力的安全保障．經(jīng)組裝和測試后，該逆變器能夠?qū)崿F(xiàn)輸入直流電壓Ui=21.5～26.5 V范圍時，輸出頻率為f0=50±0.5 Hz的交流電壓U0=36±0.5 V，輸出可調(diào)頻率20～80 Hz，電能轉(zhuǎn)換效率達83%以上，其他各項指標均達到較為滿意的效果．

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(責任編校：蔣冬初)

Design Single-phase Sine Wave Inverter Based on the STM32

LI Jia-sheng,LI Wen-guo,SONG Ge
(College of Information and Electronic Engineering, Hunan City University, Yiyang, Hunan 413000, China)

Considering the current need of new energy sources inverter net including photovoltaic power generation and wind power, based on the comparison of the existing design of inverter and the inverter of low voltage, a single-phase sine wave inverter is proposed based on STM32, which mainly consists of control module, a full bridge inverter module, synchronous BOOST circuit, signal acquisition and control module,information display module, under-voltage and over current protection module. The system is modulated with SPWM sine pulse width, two reverse phase SPWM waves are produced with IR2104, and drive four switch transistors IRF540 to work. The STM32 completes the current and voltage sampling, debugging and the data processing of liquid crystal display. Experimental results showed that the inverter system achieved the higher conversion efficiency and the lower output voltage/current error.

full-bridge inverter; synchronous BOOST; SPWM control

TM464

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.03.0012

1672–7304(2017)03–0054–04

2017-03-30

湖南省自然科學基金項目(2017JJ2023)；湖南省教育廳科研項目(17C0297)

李加升(1965-)，男，湖南安化人，教授，碩士，主要從事電能質(zhì)量檢測、信號處理、逆變電源的研究．E-mail:lijiashenga@163.com.