基于STM32單相正弦波逆變電源的設(shè)計(jì)

唐濤　楊冰　李穩(wěn)國(guó)　蘭岳旺　吳航

摘 要 針對(duì)傳統(tǒng)線性電源輸出功率低、穩(wěn)定性差、帶負(fù)載能力不強(qiáng)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)并制作了一種效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓式電源。該開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)主要是由STM32單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)模塊、DC-DC升壓模塊、DC-AC逆變模塊、采樣調(diào)頻模塊等組成。以DC-DC升壓模塊和DC-AC逆變模塊為電路主拓?fù)?，由STM32單片機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊放大增幅后進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，采樣調(diào)頻模塊進(jìn)行采樣反饋和頻率調(diào)節(jié)。測(cè)試結(jié)果表明，該開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)具有過(guò)壓欠壓保護(hù)功能，輸出交流電壓的幅值頻率可調(diào)，且效率達(dá)到86%以上。

關(guān)鍵詞 STM32單片機(jī) DC-DC DC-AC

中圖分類號(hào)：G632.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電子裝置對(duì)電源功率的要求越來(lái)越大，對(duì)電源效率和穩(wěn)定性的要求也越來(lái)越高。因此，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)得以飛速發(fā)展。傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓電源雖然電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，但它存在效率低（40%-50%）、體積大、工作溫度高及調(diào)整范圍小等缺點(diǎn)，而開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源效率可達(dá)85%以上，且穩(wěn)壓范圍寬。相比傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓電源，開(kāi)關(guān)電源所具有的電能轉(zhuǎn)換效率高、體積小、重量輕、控制精度高和快速性好等優(yōu)點(diǎn)，為它在小功率范圍內(nèi)取代線性電源奠定了良好基礎(chǔ)，并且還迅速地向中大功率范圍推進(jìn)。文獻(xiàn)[2]提出的開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)定性好，但電源轉(zhuǎn)換效率不高。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了單相正弦波逆變電源的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)主拓?fù)潆娐酚蒁C-DC升壓模塊和DC-AC逆變模塊構(gòu)成。其中，DC-DC升壓模塊采用兩路B00ST并聯(lián)結(jié)構(gòu)，提高了輸入電流，有利于電流分配調(diào)節(jié)。而DC-AC逆變模塊采用全橋逆變結(jié)構(gòu)。與半橋逆變結(jié)構(gòu)相比，全橋逆變的開(kāi)關(guān)電流減小了一半，在大功率場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)用，且穩(wěn)定性更好。本系統(tǒng)使用的開(kāi)關(guān)管均是金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET），該管能夠有效地減少功率損耗，提高系統(tǒng)效率。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。該電源系統(tǒng)采用直流穩(wěn)壓電源供電，最大提供32V-3A。輔助電源則為L(zhǎng)CD12864顯示屏、驅(qū)動(dòng)模塊中6N137和IR2104芯片及交流采樣模塊中AD637芯片提供+12V、+5V、-5V電壓。

該系統(tǒng)以STM32為主控單片機(jī)。采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)和正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)，由單片機(jī)定時(shí)器產(chǎn)生固定頻率的PWM波和SPWM波。PWM波經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊放大加強(qiáng)后，驅(qū)動(dòng)DC-DC模塊中BOOST結(jié)構(gòu)的MOSFET，進(jìn)行并聯(lián)升壓；單片機(jī)實(shí)時(shí)采樣調(diào)節(jié)DC-DC模塊輸出總電壓和兩個(gè)BOOST電路的電流，保證電壓輸出穩(wěn)定并且電流成比例。SPWM波經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊加強(qiáng)放大后，驅(qū)動(dòng)DC-AC模塊中全橋逆變電路的四個(gè)開(kāi)關(guān)管，通過(guò)控制四個(gè)開(kāi)關(guān)管在同一時(shí)刻不同通斷，實(shí)現(xiàn)直流電到交流電的轉(zhuǎn)變；單片機(jī)對(duì)DC-AC模塊輸出電壓進(jìn)行交流采樣和調(diào)節(jié)，達(dá)到逆變電路的穩(wěn)壓輸出和頻率調(diào)節(jié)的目的。

2系統(tǒng)硬件主要模塊

2.1 DC-DC升壓模塊

DC-DC升壓模塊采用兩路同步BOOST電路并聯(lián)組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的升壓。它具有穩(wěn)定性好，負(fù)載響應(yīng)快，輸出波紋小等優(yōu)點(diǎn)。

為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，DC-DC升壓模塊的兩路BOOST電路都采用同步結(jié)構(gòu)。同步BOOST是由Q1、Q2兩個(gè)IRF540、電感P2及C1電容組成。當(dāng)Q2導(dǎo)通、Q1截止時(shí)，電源E給電感P2充電，電感P2獲得的能量為E*ton。當(dāng)Q1導(dǎo)通、Q2截止時(shí)，電源E和電感P2同時(shí)給電容C1充電，其電容所得幅值為U，電感所釋放的能量為（UE）*toff。當(dāng)電路工作處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中電感P2儲(chǔ)存的能量與釋放的能量相等，故可得放大倍數(shù)A：

A==

式中，D=，即為PWM波的占空比。所以當(dāng)輸出總電壓發(fā)生變化時(shí)，只需調(diào)節(jié)PWM波的占空比，就能調(diào)節(jié)輸出總電壓。

BOOST結(jié)構(gòu)中的電感P2由繞組扼流線圈和鐵氧體磁芯組成，根據(jù)電流臨界連續(xù)條件得電感的計(jì)算公式為：

其中，fSW（tye）為芯片振蕩頻率，IRIPPLE為紋波電流，U為最大輸出電壓，經(jīng)實(shí)際計(jì)算電感值約為330uH。

電容C1的主要作用是儲(chǔ)能電能，電解電容C1計(jì)算公式為：

其中，POUT為最大輸出功率，U為最大輸出電壓，Umin為最低輸出電壓，T為開(kāi)關(guān)周期，計(jì)算可得電容的大小約為2200uF，故選用2200uF。而C2、C3為獨(dú)石電容，其主要作用是濾除諧波。

2.2 DC-AC逆變模塊

DC-AC逆變模塊采用全橋逆變電路。采用全橋逆變結(jié)構(gòu)具有損耗低、效率高、工作頻率高、驅(qū)動(dòng)容易、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

2.3采樣調(diào)頻模塊

采樣調(diào)頻模塊主要是由直流電壓采樣、直流電流采樣、交流電壓采樣及頻率調(diào)節(jié)四部分組成。

直流電流采樣方法為：在DC-DC升壓模塊兩路輸出端各串聯(lián)一個(gè)50m 康銅絲電阻。已知系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電流范圍為0-3A，故所得電壓范圍是0-150mV。而STM32單片機(jī)所能采集地有效電壓為1.8-3.3V，取其適中值2.4-3.0V。因此差分放大倍數(shù)范圍在16-20倍。直流電壓采樣的方法是通過(guò)大電阻分壓后對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣。已知系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最大輸出電壓為24V交流電，根據(jù)交直流變換關(guān)系，得BOOST升壓后的最大直流電為34V。交流電壓采樣的方法則使用電壓互感器進(jìn)行縮放后，對(duì)交流電壓進(jìn)行采樣，再用AD637芯片進(jìn)行真有效值轉(zhuǎn)換，將交流電轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可采集地直流電，計(jì)算后送至單片機(jī)。頻率調(diào)節(jié)則是將電壓互感器之后輸出的波形送至過(guò)零比較器，使正弦調(diào)制波變換為矩形波，供STM32單片機(jī)采集，并將采集后的頻率與設(shè)定頻率比較。如果兩者不一致，則通過(guò)改變構(gòu)成一個(gè)正弦周期所需的點(diǎn)數(shù)dot值來(lái)改變頻率，以達(dá)到變頻的目的。

2.4驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊主要是由6N137光耦隔離芯片和2104芯片等部分組成。

STM32單片機(jī)產(chǎn)生兩路控制信號(hào)，其中一路PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)6N137光耦隔離芯片增幅放大后，輸入到2104芯片電路，由2104芯片電路產(chǎn)生兩路反相帶死區(qū)的PWM波，用于后級(jí)電路的控制。另外一路SPWM信號(hào)也是如此。此外，6N137芯片還有隔離作用，能夠保護(hù)STM32單片機(jī)不受后級(jí)信號(hào)的干擾和損害。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序流程描述如下：系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化處理，檢測(cè)是否有鍵按下。若有鍵按下，判斷鍵值類型，根據(jù)不同的類型執(zhí)行相關(guān)程序。若沒(méi)鍵按下，則進(jìn)行電壓電流采樣。根據(jù)電流是否成比例、電壓是否穩(wěn)定輸出、頻率是否穩(wěn)定輸出三個(gè)主要判斷條件進(jìn)行相關(guān)操作和調(diào)節(jié)。如果電流不成比例，系統(tǒng)則會(huì)根據(jù)實(shí)際比例與設(shè)定比例存在的差值，調(diào)節(jié)PWM1直至電流成比例輸出。在保證電流成比例輸出的條件下，對(duì)電壓進(jìn)行采樣，判斷其是否與設(shè)定電壓值一樣。如果不一樣，則會(huì)調(diào)節(jié)相應(yīng)的PWM2和SPWM信號(hào)直到與設(shè)定值電壓相同為止。在電壓穩(wěn)定輸出的條件下，如果存在欠壓或過(guò)壓的情況，繼電器會(huì)斷開(kāi)輸入電壓，系統(tǒng)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。如果不存在欠壓過(guò)壓的情況，系統(tǒng)進(jìn)行頻率采樣，記錄此刻頻率值。如果需要進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，則根據(jù)實(shí)際頻率與設(shè)定頻率存在的差值，換算成對(duì)應(yīng)的dot值，增減dot值的大小，來(lái)達(dá)到頻率調(diào)節(jié)的目的。最后液晶顯示屏將顯示各部分的參數(shù)情況，并循環(huán)執(zhí)行，實(shí)時(shí)更新。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證該方案的可行性，在實(shí)驗(yàn)室制作了一臺(tái)樣機(jī)，負(fù)載為10 /50W滑動(dòng)變阻器。使用的測(cè)試儀器有四位半數(shù)字萬(wàn)用表、全自動(dòng)示波器。

由表1數(shù)據(jù)可知，，電壓輸入在15.2-18.4V，電流輸入在2.32-2.84A時(shí)，系統(tǒng)DC-AC部分轉(zhuǎn)換效率都在86%以上，且輸出波形良好，無(wú)明顯失真；由表2數(shù)據(jù)可知，輸出頻率在40.0-200.0Hz范圍內(nèi)可調(diào)，頻率調(diào)整誤差不超過(guò)1%，頻率調(diào)整最小值為1.0Hz；調(diào)整輸入電壓，當(dāng)輸入電壓低于16.0V或高于19.0V時(shí)，繼電器斷電，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)壓欠壓保護(hù)，將電壓調(diào)回16.0V或19.0V，系統(tǒng)恢復(fù)正常。測(cè)試表明各項(xiàng)參數(shù)良好，但是也存在一些問(wèn)題。

5結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于STM32單相正弦波逆變開(kāi)關(guān)電源，該系統(tǒng)樣機(jī)測(cè)試表明，輸出交流電壓在12.0-22.0V內(nèi)可調(diào)，輸出頻率在40.0-200.0Hz范圍內(nèi)可調(diào)，還具有欠壓過(guò)壓保護(hù)的功能。各項(xiàng)參數(shù)良好，系統(tǒng)運(yùn)行可靠。本設(shè)計(jì)區(qū)別于傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓電源，且體積小、成本低，具有很好的應(yīng)用前景。

基金項(xiàng)目：湖南城市學(xué)院教務(wù)處省級(jí)科研項(xiàng)目（CX201609）。

參考文獻(xiàn)

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