【導(dǎo)讀】本文將介紹一款逆變器設(shè)計(jì)方案，該方案具有高精度、小體積、全數(shù)字等特點(diǎn)，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓或者過(guò)載情況時(shí)，能夠迅速封鎖PWM脈沖和關(guān)斷MOSFET，并及時(shí)將故障信息顯示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)了逆變器的智能化。
系統(tǒng)總體方案
1、總體設(shè)計(jì)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(guò)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(hào)經(jīng)反饋電路處理后進(jìn)入ARM處理器的片內(nèi)AD，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換和數(shù)字PI運(yùn)算后，生成相應(yīng)的SPWM脈沖信號(hào)，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(gè)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PWM電源控制芯片，如SG3525、TL494、KA7500等，此類芯片的優(yōu)點(diǎn)是能夠直接的產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)，但是它缺點(diǎn)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(dāng)要PWM芯片產(chǎn)生SPWM信號(hào)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(jī)、ARM或DSP等，此種方法的優(yōu)點(diǎn)是脈寬可以通過(guò)軟件的方式來(lái)調(diào)節(jié)，不僅精度較高，而且外圍電路也很簡(jiǎn)單便宜。
終上所述，選擇STM32F107(ARM)完成SPWM脈沖的產(chǎn)生和整個(gè)逆變器的控制。
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3.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
3.1CPU控制器
CPU是整個(gè)逆變器的核心部分，主要負(fù)責(zé)反饋信號(hào)的采集、數(shù)字PI閉環(huán)計(jì)算、PWM波輸出、參數(shù)設(shè)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CortexM3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(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)換周期，最低為1μs的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，三個(gè)獨(dú)立的數(shù)模轉(zhuǎn)換器帶有各自獨(dú)立的采樣保持電路，所以特別適合三相電機(jī)控制、數(shù)字電源和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。芯片還帶有豐富的通訊單元，包括1個(gè)以太網(wǎng)接口、5個(gè)異步串行接口、1個(gè)USB從器件、1個(gè)CAN器件、I2C和SPI等模塊。
3.2驅(qū)動(dòng)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(gè)MOSFET構(gòu)成。在AC于OUT之間如果加入負(fù)載就構(gòu)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?
對(duì)于本設(shè)計(jì)，開關(guān)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(qiáng)型MOS管為開關(guān)管。可滿足設(shè)計(jì)的要求。為了限制MOSFET門極的驅(qū)動(dòng)電流，需要在門極串聯(lián)限流電阻，防止由過(guò)流導(dǎo)致的器件損壞。
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2.3濾波電路
經(jīng)過(guò)兩路SPWM信號(hào)的驅(qū)動(dòng)在負(fù)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(gè)雙極性的SPWM波形。實(shí)際需要的是頻率為50Hz的正弦波，因此需要將SPWM波進(jìn)行濾波。一般的PWM逆變器采用LC低通濾波器。對(duì)于LC濾波器的設(shè)計(jì)，首先考慮濾波器的截止頻率，LC濾波器的截止頻率見(jiàn)式(1)。
綜合考慮濾波器輸出電壓諧波失真度、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(gè)參數(shù)相同的MOSFET管和升壓變壓器組成，推挽變壓器的特點(diǎn)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(gè)MOS管分別開通的結(jié)構(gòu)，選取IPRF250場(chǎng)效應(yīng)管，額定電流為30A，額定電壓為250V，在可以滿足要求的同時(shí)內(nèi)阻較小，是最為合理的選擇。
3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
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(hù)、數(shù)據(jù)顯示和遠(yuǎn)程通信。系統(tǒng)軟件主要是對(duì)STM32芯片的編程，開發(fā)環(huán)境采用德國(guó)Keil公司KeiluVision4軟件，編程語(yǔ)言采用C語(yǔ)言。
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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(jìn)入PWM中斷后，首先對(duì)各路反饋信號(hào)進(jìn)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(yùn)算后產(chǎn)生PWM脈沖輸出，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔離放大后驅(qū)動(dòng)MOSFET，實(shí)現(xiàn)整個(gè)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(guò)顯示面板進(jìn)行設(shè)置，數(shù)碼管夠?qū)崟r(shí)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(yùn)行狀態(tài)、故障信息等，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，CPU將所有PWM脈沖全部封鎖，然后將過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)載等故障信息顯示出來(lái)，并且蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
其中圖5(a)是CPU發(fā)出的兩路互補(bǔ)對(duì)稱的SPWM脈沖波形，死區(qū)時(shí)間是3us；圖5(b)是全橋逆變電路其中一個(gè)橋臂上下MOSFET的驅(qū)動(dòng)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(dá)到了很好的控制效果。
總結(jié)
本文提出的一種ARM控制的逆變器設(shè)計(jì)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(diǎn)，所有電源參數(shù)直接通過(guò)人機(jī)界面設(shè)定并存儲(chǔ)，并具備與上位機(jī)遠(yuǎn)程通信的功能。實(shí)驗(yàn)表明，該方案中做設(shè)計(jì)的逆變器能夠?qū)崿F(xiàn)軟啟動(dòng)功能，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載情況時(shí)，能夠迅速封鎖PWM脈沖和關(guān)斷MOSFET，并及時(shí)將故障信息顯示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)了逆變器的智能化。
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