一款基于ARM控制的逆變器電源電路設計方案

本文將介紹一款基于ARM控制的逆變器電源電路設計方案及其應用。

系統(tǒng)總體方案

1、總體設計框圖

如圖1 所示， 逆變器系統(tǒng)由升壓電路、逆變電路、控制電路和反饋電路組成。低壓直流電源DC12V經(jīng)過升壓電路升壓、整流和濾波后得到約DC170V高壓直流電，然后經(jīng)全橋逆變電路DC/AC轉(zhuǎn)換和LC濾波器濾波后得到AC110V的正弦交流電。

逆變器以ARM控制器為控制核心，輸出電壓和電流的反饋信號經(jīng)反饋電路處理后進入ARM處理器的片內(nèi)AD，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換和數(shù)字PI運算后，生成相應的SPWM脈沖信號，改變SPWM的調(diào)制比就能改變輸出電壓的大小，從而完成整個逆變器的閉環(huán)控制。

2、SPWM方案選擇

2.1、PWM電源芯片方案

采用普通的P W M電源控制芯片，如SG3525、TL494、KA7500等，此類芯片的優(yōu)點是能夠直接的產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，但是它缺點是波形線性不好，而且振蕩發(fā)生器是依賴充放電電路而產(chǎn)生波形，當要PWM芯片產(chǎn)生SPWM信號需要附加額外很多電路。

2.2、CPU軟件方案

采用CPU產(chǎn)生SPWM脈沖，如單片機、ARM或DSP等，此種方法的優(yōu)點是脈寬可以通過軟件的方式來調(diào)節(jié)，不僅精度較高，而且外圍電路也很簡單便宜。

終上所述，選擇STM32F107(ARM)完成SPWM脈沖的產(chǎn)生和整個逆變器的控制。

2.系統(tǒng)硬件電路設計

2.1 CPU控制器

CPU 是整個逆變器的核心部分，主要負責反饋信號的采集、數(shù)字PI閉環(huán)計算、PWM波輸出、參數(shù)設置和外部通信。CPU采用的是ST公司最新推出的 STM32F107系列ARM芯片。該系列芯片采用ARM公司32位的Cortex M3為核心，最高主頻為72MHz,Cortex核心內(nèi)部具有單周期的硬件乘法和除法單元，所以適合用于高速數(shù)據(jù)的處理。芯片具有三個獨立的轉(zhuǎn)換周期，最低為1μs的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，三個獨立的數(shù)模轉(zhuǎn)換器帶有各自獨立的采樣保持電路，所以特別適合三相電機控制、數(shù)字電源和網(wǎng)絡應用。芯片還帶有豐富的通訊單元，包括1個以太網(wǎng)接口、5個異步串行接口、1個USB從器件、1個CAN器件、I2C和SPI等模塊。

2.2 驅(qū)動和逆變電路

逆變主電路如圖2所示采用基于H橋的單相全橋逆變電路。單相全橋逆變電路主要由Q1、Q2、Q3、Q4四個MOSFET構成。在AC于OUT之間如果加入負載就構成了逆變回路。控制Q1、Q2、Q3、Q4按一定的順序?qū)ā⒔刂咕湍軌虻玫剿恼也ㄐ巍?/p>

對于本設計，開關管的選擇主要以它的額定電壓和額定電流為依據(jù)。這里選擇額定電壓為500V,額定電流為20A的IRFP460N溝道增強型MOS管為開關管。可滿足設計的要求。為了限制MOSFET門極的驅(qū)動電流，需要在門極串聯(lián)限流電阻，防止由過流導致的器件損壞。

2.3 濾波電路

經(jīng)過兩路SPWM信號的驅(qū)動在負載電阻上產(chǎn)生的電壓波形是按正弦規(guī)律變化的方波。它是一個雙極性的SPWM波形。實際需要的是頻率為50Hz的正弦波，因此需要將SPWM波進行濾波。一般的PWM逆變器采用LC低通濾波器。對于LC濾波器的設計，首先考慮濾波器的截止頻率，LC濾波器的截止頻率見式(1)。

綜合考慮濾波器輸出電壓諧波失真度、系統(tǒng)的動態(tài)響應以及體積、重量等因素，選取截止頻率，選取。

2.4 推挽升壓電路

推挽升壓電路采用兩個參數(shù)相同的MOSFET管和升壓變壓器組成，推挽變壓器的特點是效率高，損耗低，適用于低輸入高輸出。推挽升壓電路如圖3所示，采用兩個MOS管分別開通的結構，選取IPRF250場效應管，額定電流為30A，額定電壓為250V，在可以滿足要求的同時內(nèi)阻較小，是最為合理的選擇。

3.系統(tǒng)軟件設計

CPU主要功能是完成閉環(huán)PI控制算法、發(fā)送SPWM脈沖、故障保護、數(shù)據(jù)顯示和遠程通信。系統(tǒng)軟件主要是對STM32芯片的編程，開發(fā)環(huán)境采用德國Keil公司KeiluVision4軟件，編程語言采用C語言。

程序由主程序和若干子程序：通信程序、采樣子程序、PWM中斷程序、顯示程序等組成。進入PWM中斷后，首先對各路反饋信號進行采集和處理，該流程圖如圖4 所示，然后經(jīng)數(shù)字PI調(diào)節(jié)器運算后產(chǎn)生PWM脈沖輸出，經(jīng)驅(qū)動電路隔離放大后驅(qū)動MOSFET，實現(xiàn)整個逆變電源系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

逆變器采用全數(shù)字控制，所有參數(shù)均能通過顯示面板進行設置，數(shù)碼管夠?qū)崟r顯示逆變器系統(tǒng)的輸入電壓、輸入電流、輸出電流、輸出電壓、運行狀態(tài)、故障信息等，當發(fā)生故障時，CPU將所有PWM脈沖全部封鎖，然后將過壓、過流、過載等故障信息顯示出來，并且蜂鳴器發(fā)聲報警。

實驗結果

其中圖5(a)是CPU發(fā)出的兩路互補對稱的SPWM脈沖波形，死區(qū)時間是3us；圖5(b)是全橋逆變電路其中一個橋臂上下MOSFET的驅(qū)動波形；圖 5(c)是逆變器輸出交流正弦電壓波形；圖5(d)是逆變器電流輸出波形。從圖中我們可看出逆變器輸出電壓波形幾乎不失真，輸出電流THD控制在5%以內(nèi)，達到了很好的控制效果。

總結

本文提出的一種ARM控制的逆變器的設計方案，是基于ARM(STM32F107)的全數(shù)字控制的逆變器，其具有高精度、小體積、全數(shù)字等特點，所有電源參數(shù)直接通過人機界面設定并存儲，并具備與上位機遠程通信的功能。實驗表明，該方案中做設計的逆變器能夠?qū)崿F(xiàn)軟啟動功能，當出現(xiàn)過流、過壓、過載情況時，能夠迅速封鎖PWM脈沖和關斷MOSFET，并及時將故障信息顯示出來，實現(xiàn)了逆變器的智能化。