基于嵌入式系統(tǒng)STM32的三相正弦波交流電源設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

胡玫， 王永喜

(蘭州工業(yè)學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

隨著我國對環(huán)境保護(hù)的不斷重視，綠色、低碳、循環(huán)節(jié)能的新興產(chǎn)業(yè)受到追捧。應(yīng)用在新興產(chǎn)業(yè)中的電源技術(shù)則要求有更高的效率、可靠性以及更低的成本，而逆變技術(shù)在高效率、低功耗和高精度等方面有突出優(yōu)點(diǎn)，可廣泛地應(yīng)用于新興產(chǎn)業(yè)中[1]。因此對逆變技術(shù)的研究也成為一項重要的研究課題[2-8]。

現(xiàn)設(shè)計一款三相純正弦波交流電源，以低功耗、高速的STM32處理器為核心。逆變驅(qū)動主電路采用智能功率模塊(IPM)PM30CSJ060。當(dāng)輸入直流電壓為36 V時，輸出正弦信號頻率為50 Hz，負(fù)載Y型連接時線電壓有效值可達(dá)24 V。同時，負(fù)載線電流有效值Io在0～2 A間變化時，各相負(fù)載調(diào)整率不大于0.3%，電能轉(zhuǎn)換效率可達(dá)88%。

1 三相純正弦波電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

三相純正弦波電源由直流電源模塊、三相逆變驅(qū)動主電路、濾波電路、STM32最小系統(tǒng)、信號隔離電路、正弦脈寬調(diào)制(Sinusoidal Pulse Width Modulation,SPWM)信號發(fā)生器、電壓和電流測量電路及LCD顯示等功能電路組成，系統(tǒng)如圖1所示。STM32產(chǎn)生正弦波脈寬調(diào)制信號(SPWM)，經(jīng)過光耦隔離電路后控制三相逆變驅(qū)動電路(智能功率模塊)，通過低通濾波器濾波，最終將直流電壓逆變?yōu)槿嗉冋也妷盒盘枺?fù)載為純電阻三相對稱Y型連接。電壓、電流測量電路測量三相純正弦波各相電壓和電流，并通過STM32后在液晶顯示器上顯示。

圖1 三相純正弦波電源系統(tǒng)框圖

2 功能模塊設(shè)計

2.1 三相逆變驅(qū)動主電路

三相逆變驅(qū)動主電路采用三菱公司的智能功率模塊(IPM)PM30CSJ060，它不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路集成在一起，而且還包括過電壓、過電流和過熱等故障檢測電路，即使發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng)，也可以保護(hù)自身不受損壞，同時可將檢測信號送到處理器，顯示具體的故障類型[9]。

PM30CSJ060適合于頻率高達(dá)20 kHz功率變換場合，內(nèi)部由6個IGBT單元構(gòu)成H橋逆變電路，額定電壓為600 V、額定電流為15～75 A。6個單元的柵極驅(qū)動電路共需4組隔離的電源，其中上橋臂3個單元的柵極驅(qū)動電路各用一組獨(dú)立的直流15 V電源，下橋臂3個單元的柵極驅(qū)動電路共用一組直流15 V電源，其內(nèi)部電路如圖2所示。

圖2 PM30CSJ060的內(nèi)部電路

PM30CSJ060各管腳定義為：P為母線直流電源正極；N為母線直流電源負(fù)極；U、V、W為U、V和W相交流電壓信號輸出；VUPI、VVPI、VWPI為U、V和W相上橋臂驅(qū)動電源正極；VUPC、VVPC、VWPC為U、V和W相上橋臂驅(qū)動電源地；UP、VP、WP為U、V和W相上橋臂信號輸入；UFO、VFO、WFO為U、V和W相上橋臂故障輸出；VNI下橋臂驅(qū)動電源正極；VNC下橋臂驅(qū)動電源地；UN、VN、WN分別為U、V、W組下橋臂信號輸入；FO下橋臂故障輸出[10]。

2.2 信號隔離電路

利用光耦對處理器STM32F103與PM30CSJ060進(jìn)行隔離，提高系統(tǒng)的安全性和抗干擾性。4個低速光耦PC817的2管腳分別與PM30CSJ060的輸出故障信號UFO、VFO、WFO連接，1管腳分別與PM30CSJ060的四組相互隔離的15 V電源連接，4管腳連接處理器STM32F103的I/O口，3管腳都與信號源公共地GND5連接，但GND5與四組相互隔離的15 V電源的地不共地，如圖3所示。

圖3 PC817光耦電路

處理器STM32F103產(chǎn)生3對互補(bǔ)的SPWM信號經(jīng)I/O口輸出后，再通過高速光耦6N137與PM30CSJ060的UP、VP、WP、UN、VN、WN驅(qū)動信號管腳連接，因此需要6個6N137光耦，具體連接如圖4所示。其中所有6N137的3管腳都與信號源公共地GND5連接，與UN、VN、WN連接的3個6N137共用一組15 V電源和地。20 kΩ電阻和0.1 μF電容分別為上拉電阻和退耦電容。

圖4 6N137驅(qū)動電路

2.3 正弦脈寬調(diào)制(SPWM)信號發(fā)生器

正弦脈沖寬度調(diào)制信號采用自然采樣法，但不用求得載波和調(diào)制波的交點(diǎn)時刻，而是在STM32F103中形成一個正弦表，通過軟件查表的方法比較載波與調(diào)制波的大小，從而控制脈寬生成6路互補(bǔ)的SPWM信號。此法具有生成的波形接近正弦波和計算量小的優(yōu)點(diǎn)。

2.4 濾波電路

PM30CSJ060輸出的波形需要經(jīng)過濾波電路濾除高頻分量得到正弦信號。在本系統(tǒng)中要濾除的主要是載頻ωc=20 kHz、2ωc及其附近諧波，LC-π濾波電路如圖5所示。電感采用高頻磁環(huán)繞制空芯線圈，電容采用無極性滌綸電容。

圖5 濾波電路

2.5 電壓、電流測量電路

2.5.1相電壓有效值測量電路

由于真有效值測量芯片AD637具有測量精度高、相對穩(wěn)定時間短和頻帶寬的優(yōu)點(diǎn)，同時它的輸出電壓等于待測量電壓的真有效值，因此采用該芯片測量三相交流電壓的相電壓有效值[11]。但AD637的輸入電壓有效值的測量范圍為0～7 V，不能直接測量三相逆變電路輸出14 V相電壓的有效值。5 mA/5 mA微型電流型電壓互感器MH8009PT可將交流高電壓轉(zhuǎn)換為交流低電壓輸出，轉(zhuǎn)換線性度好，精度高，測量電路如圖6所示。其中電阻R1、R2為限流和采樣電阻，保證電壓互感器的一、二次側(cè)電流都為5 mA；AD736的CAV引腳連接33 μF的平均電容，減少波紋電壓產(chǎn)生的交流誤差，Vout引腳連接STM32F103的ADC1的第8個轉(zhuǎn)換通道(引腳PB0)。

圖6 相電壓有效值測量電路

2.5.2相電流有效值測量電路

采用電壓輸出型電流互感器ZMCT102測量相電流有效值。該電流互感器輸入的電流與輸出的電壓呈線性關(guān)系，其中一次側(cè)電流與二次側(cè)電流為2 000∶1的關(guān)系，因此通過測量電壓值可以得到輸入的電流值，如圖7所示。電流互感器測量大的交流電流信號時與被測電路隔離，對被測電路影響小，具有能耗小、頻帶寬、信號還原性好和價格便宜等優(yōu)點(diǎn)。

圖7 相電流有效值測量電路

2.6 電源模塊

由一路直流穩(wěn)壓電源輸出36 V電壓信號經(jīng)過4個DC/DC隔離電源模塊SYSY10-24S15后產(chǎn)生4路15 V互相隔離的電源為三相逆變驅(qū)動主電路供電，同時由該直流穩(wěn)壓電源連接1個DC/DC隔離電源模塊SYSY5-24S05產(chǎn)生±5 V電壓分別為AD637和STM32處理器提供±5 V和5 V電源電壓。

2.7 STM32最小系統(tǒng)

STM32F103是32位的ARM微控制器，它的外設(shè)資源非常豐富，包括ADC、通用定時器、I2C總線接口、SPI接口等，其中:專門為電機(jī)控制而設(shè)的高級定時器，帶有6個死區(qū)時間可編程的PWM發(fā)生器，因此可編程產(chǎn)生6路互補(bǔ)的SPWM信號驅(qū)動IPM；12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)高速、高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換，而不用考慮在控制器的外部單獨(dú)安排AD轉(zhuǎn)換器。STM32F103的最小系統(tǒng)包括復(fù)位、晶振、JTAG和1602液晶顯示等單元電路，如圖8所示。

圖8 STM32F103VBH6最小系統(tǒng)電路

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件流程如圖9所示。系統(tǒng)初始化后，延時50 ms后如果沒有按鍵按下則將三相逆變驅(qū)動主電路轉(zhuǎn)變出的交流信號波形顯示在示波器上，如有按鍵按下則進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后將測量的相電壓和相電流在液晶顯示器1602上顯示。

圖9 系統(tǒng)流程圖

4 測試結(jié)果及討論

直流穩(wěn)壓電源、電流和電壓測量電路的穩(wěn)定性和精度、手工焊接的逆變電路和濾波電路的性能等都會產(chǎn)生測量誤差，影響試驗結(jié)果。

表1 測試結(jié)果1

5 結(jié)束語

針對逆變電源的缺點(diǎn)，設(shè)計一款三相純正弦波交流電源，當(dāng)輸入直流電壓為36 V時，輸出正弦信號頻率為50 Hz，負(fù)載Y型連接時線電壓有效值可達(dá)24 V。同時，負(fù)載線電流有效值Io在0～2 A間變化時，各相負(fù)載調(diào)整率不大于0.3%，電能轉(zhuǎn)換效率可達(dá)88%。