基于STM32的逆變能量回饋實驗系統(tǒng)

馬雙寶，胡江宇，賈樹林，高夢圓，薛 勇

基于STM32的逆變能量回饋實驗系統(tǒng)

馬雙寶1,2，胡江宇1，賈樹林1，高夢圓1，薛 勇1,2

（1. 武漢紡織大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，湖北 武漢 430200；2. 湖北省數(shù)字紡織裝備重點實驗室，湖北 武漢 430200）

為解決電子設(shè)備中負載帶來的能量耗散問題，本文研制逆變電路中能量回饋實驗裝置。該系統(tǒng)采用STM32F429為主控制器，將輸入直流電壓逆變成25V、50Hz正弦交流電壓，最大電流可到2A，逆變頻率可實現(xiàn)20-100Hz范圍內(nèi)步進1Hz的功能；能量回饋部分將逆變輸出經(jīng)隔離變壓器、帶PFC功能的整流、同步DC/DC升壓等電路饋入到輸入直流電源，以實現(xiàn)逆變電路的能量回饋功能。經(jīng)測試該系統(tǒng)具有能量回饋功能，在逆變輸出2A電流時，直流電源回饋功能可達14.3W，同時系統(tǒng)對輸入直流電壓、逆變輸出電壓與電流進行實時監(jiān)測，具有性能可靠，調(diào)整速度快，精度高，輸出紋波小等優(yōu)點。

能量回饋實驗；STM32F429；同步升壓；PID控制

隨著芯片在國民經(jīng)濟中所占地位的不斷提高，依靠其生存的電子設(shè)備的應(yīng)用得到了廣泛的發(fā)展，但是隨之而來的是電子設(shè)備負載所帶來的能耗問題日益凸顯，如何將電子設(shè)備電路中的負載耗散的能量進行回收利用則成為了當(dāng)代電子技術(shù)一個亟待解決的重要問題[1]。國內(nèi)外對此方向的研究從未止步，例如電梯領(lǐng)域的四象限運行技術(shù)方案、工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域的能量回收系統(tǒng)等裝置[2]。對大容量電梯中的能量回收裝置以及電力機車能量回饋技術(shù)的研究也是熱情不減[3-4]。但是，這些傳統(tǒng)方案存在再生裝置價格昂貴，部分設(shè)備對電網(wǎng)質(zhì)量要求較高的問題，使其應(yīng)用在一般的小型電子產(chǎn)品中難以被接受并推廣。針對上述問題，為提高電能利用率，有效解決變流器帶載時的能量耗散問題，本文通過實驗設(shè)計出一種基于STM32控制器的能量回饋系統(tǒng)[5]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本系統(tǒng)裝置主要通過逆變電路、整流電路和一個升壓器級聯(lián)組成。該能量回饋系統(tǒng)裝置用來輸出50Hz、2A的單相正弦交流電。以STM32F429為整個系統(tǒng)的控制核心，能夠有效加快運算速度。系統(tǒng)采用雙閉環(huán)電路經(jīng)過電壓、電流采樣并將采集的數(shù)值返回給控制器進行PID調(diào)節(jié)，同時通過可觸摸屏進行人機交互。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)采樣用單片機STM32F429產(chǎn)生SPWM波，這種方案具有很高的靈活性，同時借助驅(qū)動芯片也可以獲得很強的驅(qū)動能力，節(jié)約了大量外部電路，可減輕整體重量，并且該方案產(chǎn)生的波形效果非常理想，缺點是軟件設(shè)計上稍顯復(fù)雜，對反饋要求很高，產(chǎn)生SPWM波需要進行大量的計算，故選用單片機STM32F429來產(chǎn)生SPWM波，再經(jīng)過數(shù)字耦合器進行隔離，來實現(xiàn)對整個電路的控制。

電流內(nèi)環(huán)的控制結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)

圖2所示結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)為：

電壓外環(huán)的控制結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 電壓外環(huán)控制結(jié)構(gòu)

圖3所示結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)為：

通過傳遞函數(shù)和控制結(jié)構(gòu)圖可以更加清晰地表達該裝置是通過雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的自適應(yīng)功能來降低最大超調(diào)量。加入了PID算法的電壓超調(diào)量更小，波形平滑度更好。兩路PID閉環(huán)控制，使輸出電壓與電流穩(wěn)定無靜差。

2 各模塊電路設(shè)計分析與實現(xiàn)

設(shè)計電路包括逆變電路、整流電路、升壓電路、輔助電源等部分。在逆變器電路中，將由驅(qū)動芯片LM5104輸出的兩路驅(qū)動信號經(jīng)過驅(qū)動電阻分別輸入高邊和低邊的開關(guān)管，MOSFET的源極經(jīng)過LC濾波后進行輸出。經(jīng)過整流、PFC校正、升壓后把能量回饋到輸入[6]。

2.1 逆變電路設(shè)計

2.1.1 逆變電路的電路原理

傳統(tǒng)的半橋逆變器雖然電路結(jié)構(gòu)簡單，使用器件少，但是其輸出電壓的幅值只有輸入電壓的1/2，對系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率造成了影響[7]。而電流型逆變器直流側(cè)的電流脈動小，且不需要給開關(guān)管反并聯(lián)泄放二極管，但是其直流回路存在高阻抗和換流方式復(fù)雜的問題，難免會提高電路控制的復(fù)雜程度和電磁干擾。為避免上述問題，本文在處理變流器1時采用了電壓型逆變器并結(jié)合全橋逆變電路進行設(shè)計。將直流電輸入給逆變器變成交流電，然后通過連接單元進行切換，通過隔離后把電流輸入給整流器，再通過功率因數(shù)校正，然后通過DC-DC升壓回饋給逆變器的輸入端，實現(xiàn)最終的能量回饋[8]。逆變電路結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 逆變主電路

圖5 整流電路

2.1.2 器件的選擇

（1）開關(guān)管的選擇。CSD19535KCS是耐壓值100V的N溝道功率開關(guān)管，它的導(dǎo)通電阻只有3.1mΩ，較高的耐壓值可以保證開關(guān)管不被擊穿，導(dǎo)通電阻非常小可以大大的減少功率損耗，提高電路的效率，因此選擇CSD19535KCS。

（3）電容的選擇。電容具有儲能、濾波的作用，在電源的兩端要接去耦電解電容并且它的耐壓值要留1-2倍余量，同時旁邊并聯(lián)一個瓷片小電容，電容值為4.7uF時，加強去耦效果，使電路更加穩(wěn)定工作。

2.2 整流電路的設(shè)計

芯片LT4320是理想二極管橋接器，驅(qū)動4個MOS管，支持從直流到600 Hz的電壓校正。如果電源故障或短路，快速關(guān)閉使反向電流瞬變最小化。而LT4320是為直流到600 Hz的典型電壓整流而設(shè)計的[9]。根據(jù)MOSFET的大小和操作負載電流，可以實現(xiàn)更高的操作頻率。整流電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.3 Boost電路設(shè)計

Boost電路是能量回饋裝置中的另一重要組成部分，可以提高并且穩(wěn)定回饋給逆變電路直流電壓，避免因并網(wǎng)的輸入電壓不夠穩(wěn)定而造成第1級電路無法帶載。在圖5的電路結(jié)構(gòu)中，輸入電壓經(jīng)整流電路整流后接入，C3、C4和C1是濾波電容，輸出使用電阻分壓采樣。在程序設(shè)計中，PWM必須設(shè)定一個合理的最大值，否則有可能出現(xiàn)上電瞬間電源短路和輸出電壓過大而擊穿儲能電容等情況。Boost電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 Boost電路

圖7 電壓電流采樣電路

2.4 電壓和電流采樣反饋

電壓與電流采樣使用互感采樣逆變參數(shù)方式，這樣可以隔離采樣電路和大電路，減少了對電路環(huán)路的影響[10]。然后接一信號放大器，調(diào)整增益后，送入OPA350，控制器對采樣數(shù)據(jù)分組并進行軟件中值濾波和平均值濾波處理；最后進入PID調(diào)節(jié)模式。以上過程利用HWCT102電流互感器和KTV19電壓互感器實現(xiàn)。利用這兩個互感器分別對電流和電壓進行采樣，然后進行整流以及濾波，再將所得信號輸入單片機進行反饋。該方案使前級電路和后級電路實現(xiàn)隔離，有效的防止二者相互干擾，使電路輸出更加穩(wěn)定。將采樣后的信號經(jīng)過電流互感器進行隔離，經(jīng)過電感濾波，二極管整流，電容濾波后輸出。將采樣后的信號經(jīng)過電壓互感器進行隔離，經(jīng)過電感濾波，二極管整流，電容濾波后輸出。電壓電流采樣電路圖如圖7所示。

2.5 MOS管驅(qū)動電路

大功率開關(guān)管驅(qū)動電路一般是采用自舉方式來實現(xiàn)。通過分析可知，C2自舉電容一直處在充放電狀態(tài)，在逆變器中，將由單片機STM32F429產(chǎn)生的SPWM波的一路信號輸入芯片ISO7220進行光耦隔離[11]。再將產(chǎn)生的兩路信號分別輸入驅(qū)動芯片LM5104中的高邊輸入和低邊輸入中，將產(chǎn)生的兩路信號分別輸入高邊MOSFET和低邊MOSFET中：采用芯片LM5104來實現(xiàn)。LM5104是高壓、高速功率開關(guān)管驅(qū)動器[12]。能同時驅(qū)動開關(guān)管高邊與低邊輸入。驅(qū)動能力強，效率高。驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 驅(qū)動電路

3 系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

表1 逆變電路性能測試

由測量數(shù)據(jù)可以看出，輸出最大電壓為25.02V，輸出最小電壓為24.98V，波動范圍是0.04V。

（2）逆變電路頻率特性測試：在工作條件(1)的工作條件下，變流器1輸出交流電的頻率范圍可設(shè)定為20Hz-100Hz，步進1Hz（見表2）。

表2 逆變電路頻率特性測試

由表2數(shù)據(jù)可以看出，交流電頻率進行步進時，電壓波動仍然在測試允許范圍內(nèi)，電路工作穩(wěn)定。

（3）能量回饋性能測試：直流電源輸出功率測試方法：在輸出電壓是25V的情況下輸出電流為2A，實現(xiàn)能量反饋，要求2A，50W輸出時，效率盡可能高（見表3）。

由表3測量數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)輸入電壓為39.80V，輸入電流為0.36A時，在保證輸出電流為2A的條件下，回饋補償?shù)墓β蔬_到最大，為14.328W。

表3 能量回饋裝置補償功率測試

4 結(jié)論

本文針對變流器負載時出現(xiàn)的能量耗散問題，設(shè)計了一個能量回饋實驗裝置。該裝置通過HMI串口屏進行顯示，通過觸摸進行控制，可手動設(shè)置逆變頻率，輸出電壓值及電流值，并且同時觀測到此時PWM波的正占空比，還可以與上位機進行互動，方便校準(zhǔn)，從而使電路更加完善，精準(zhǔn)。本次設(shè)計在電流電壓穩(wěn)定時采用PID算法，使得電路更加穩(wěn)定，還運用PFC功率因數(shù)校正，使電路的功率因素和效率得到有效提高。整流部分采用LT4320整流芯片控制CSD19535的開關(guān)從而達到整流的效果，從一定程度上提高了整流部分效率。該能量回饋系統(tǒng)通過兩個變流器實現(xiàn)能量回饋，采用隔離變壓器來保證兩個直流輸入電壓輸入值相等，以防止電流倒灌的現(xiàn)象。整體來說，該實驗裝置輸出效率高，電壓波動范圍小，且能步進可調(diào)，較好地解決了逆變器帶負載時出現(xiàn)能量耗散問題。

[1] 耿名強. 能量回饋型不間斷電源淺析[A]. 天津市電子工業(yè)協(xié)會2002年年會論文集[C]. 天津市電子工業(yè)協(xié)會, 2020. 89-92.

[2] 李穎聰. 一種能量回收系統(tǒng)實訓(xùn)臺: CN107293208A[P]. 2017-10-24.

[3] 馬小亮. 調(diào)速用交-直-交電壓型變頻器的幾個應(yīng)用問題[J]. 電氣傳動, 2020, 50(01): 3-13.

[4] 蔡瑤峰, 葉亮, 李懷珍. 電梯驅(qū)動系統(tǒng)測試臺設(shè)計[J]. 電機與控制應(yīng)用, 2019, 46(07): 89-93.

[5] 曹斌. 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和D-S證據(jù)理論的三電平四象限變頻器主電路健康診斷策略[D]. 鄭州：河南理工大學(xué), 2019.

[6] 趙振偉, 李夢涵. 基于PFC技術(shù)的變流器負載能量回饋裝置的設(shè)計[J]. 電工技術(shù), 2019, (16): 136-138.

[7] 王楚哲, 陳麒, 胡衛(wèi)冬, 等. 一種變流器負載試驗中的能量回饋裝置方案[J]. 電子制作, 2019, (Z1): 18-20.

[8] 耿志清, 王林, 郜亞秋, 等. 地鐵能量回饋變流器直流電壓波動抑制研究[J]. 電力電子技術(shù), 2019, 53(01): 61-64.

[9] Linear推出一款用于9V至72V系統(tǒng)的理想二極管橋控制器LT4320[N]. 電子報, 2013-07-07(011).

[10] Badiea S. Babaqi, Mohd S. Takriff, Nur Tantiyani A. Othman, et al. Yield and energy optimization of the continuous catalytic regeneration reforming process based particle swarm optimization[J]. Energy, 2020, 206.

[11] 吳俊, 陳俊. 三電平逆變器直流過電壓成因分析與預(yù)防措施[J]. 冶金動力, 2020, (07): 1-4+13.

[12] 臧延峰, 陳暢, 常昌遠, 等. 一種基于數(shù)字邏輯控制的低損耗雙半橋驅(qū)動芯片[J]. 微電子學(xué), 2020, 50(02): 176-183.

Energy Feedback Experimental System Based on STM32

MA Shuang-bao1,2, HU Jiang-yu1, JIA Shu-lin1, GAO Meng-yuan1, XUE Yong1,2

(1. School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China; 2. The Goverment key Laboratory of Digital Textile Equipment of Hubei Provence, Wuhan Hubei 430200, China)

In order to solve the problem of energy dissipation caused by loads in electronic devices, this paper develops an experimental device for energy feedback in inverter circuits. The system uses an STM32F429 as the main controller to reverse the input DC voltage to 25V, 50Hz sinusoidal AC voltage, with a maximum current up to 2A, and an inverter frequency of 20-100Hz in steps of 1Hz; the energy feedback part of the inverter output is fed into the input DC power supply by an isolation transformer, rectifier with PFC function, synchronous DC/DC boost and other circuits. In order to achieve the energy feedback function of the inverter circuit. The system has been tested with energy feedback function, in the inverter output 2A current, DC power supply feedback function up to 14.3W, while the system on the input DC voltage, inverter output voltage and current real-time monitoring, with reliable performance, fast adjustment, high precision, small output ripple and other advantages.

Energy feedback experiment; STM32F429; synchronous boost; PID control

馬雙寶（1979-），男，副教授，博士，研究方向：智能檢測與控制.

湖北省數(shù)字紡織裝備重點實驗室項目（DTL2018023）；湖北省高校學(xué)生工作精品項目和實踐育人特色項目（2019XGJPB2009）.

TM46

A

2095－414X(2020)06－0003－05