基于嵌入式芯片STM32的光伏系統(tǒng)逆變器

張晉寧 白偉華

(北方民族大學電氣信息工程學院 寧夏 銀川 750021)

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基于嵌入式芯片STM32的光伏系統(tǒng)逆變器

張晉寧 白偉華

(北方民族大學電氣信息工程學院 寧夏 銀川 750021)

由于一次能源的過快消耗，環(huán)境污染，能源危機等問題愈演愈烈，人類必須開發(fā)利用可再生能源。太陽能資源的開發(fā)潛能巨大，太陽能這種清潔低成本的能源特別適合電能的可持續(xù)發(fā)展。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器控制芯片多采用8位或16位低功耗單片機，但與帶嵌入式操作系統(tǒng)STM32處理器相比，這類控制器的缺點十分明顯，如芯片硬件簡單，性能較低、可擴展性較差、實時性低，這將導致系統(tǒng)以后升級困難。本文針對現(xiàn)有光伏發(fā)電這些不足，本文提出一種基于帶uC/OSⅢ操作系統(tǒng)嵌入式芯片STM32的光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器。

可再生能源;STM32;光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器

一、引言

本文提出一種基于帶uC/OSⅢ操作系統(tǒng)嵌入式芯片STM32的光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器，光伏發(fā)電系統(tǒng)包括光伏電池陣列PV、DC/DC Boost電路、DC/AC 逆變電路、LC濾波電路、工頻變壓器T、控制器STM32、采樣電路和驅(qū)動電路。圖1為光伏發(fā)電系統(tǒng)總體設計圖，前級DC/DC電路根據(jù)光伏電池輸出電壓由Boost電路升壓后，首先由STM32的ADC模塊采集到光伏電池的輸出電壓，其次經(jīng)過STM32產(chǎn)生一路PWM波，最后通過PWM產(chǎn)生的PWM波控制Boost電路開關(guān)管的通斷；后級DC/AC逆變電路的4路SPWM波同樣是由該STM32芯片產(chǎn)生，本發(fā)明利用了高性能、高精度的STM32處理器，不僅裝置實時性好，而且uC/OSⅢ的可移植性好便于以后的升級和擴展。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)總體設計圖

二、嵌入式芯片STM32的光伏發(fā)電系統(tǒng)硬件設計

STM32的STM32F1系列芯片是一款低成本、低功耗、高性能的32位ARM處理器，主頻最高達到72MHz，具有ARM Cortex-M3處理器內(nèi)核，是針對電力電子、測控和電機控制應用而開發(fā)的，其內(nèi)部集成了豐富的存儲器和不同外設模塊，其中的高級定時器(2個16位6通道高級控制定時器TIM1、TIM8用于產(chǎn)生SPWM波)、高精度A/D轉(zhuǎn)換器(3個12位A/D轉(zhuǎn)換器，1us轉(zhuǎn)換時間)模塊對逆變器控制特別有利。豐富的外設通信接口(5個USART接口、2個I2C接口、3個SPI接口其中2個可用作I2S、1個CAN接口，1個USB2.0全速口，1個SDIO接口)，12通道DMA控制器節(jié)省了數(shù)據(jù)與CPU通信時CPU的使用率，多達112個GPIO口便于后期的升級、擴展和進行移植。本文將片上相關(guān)資源合理配置，完成STM32核心控制器的各模塊功能。

圖2 STM32控制器下系統(tǒng)圖

本文用到STM32的外設功能：

GPIO口用于完成管腳配置；高級定時器TIM1、TIM8用于產(chǎn)生帶死區(qū)的SPWM輸出；

通用定時器TIMx用于中斷處理數(shù)據(jù)；DMA控制器用于管理逆變系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)；

看門狗用于復位整個逆變系統(tǒng)；

RTC為逆變系統(tǒng)提供實時時鐘，提高系統(tǒng)的實時性；

ADC用于采樣電路，將系統(tǒng)模擬采樣信號轉(zhuǎn)換數(shù)字信號。

三、嵌入式芯片STM32的光伏發(fā)電軟件系統(tǒng)設計

本文中軟件系統(tǒng)設計是核心部分，軟件功能比較復雜，各個模塊的功能實時性也不相同，對實時性要求低的模塊放入主循環(huán)實現(xiàn)，實時性要求高的放入中斷服務程序。

系統(tǒng)初始化模塊：對控制器系統(tǒng)的看門口狗模塊、系統(tǒng)時鐘模塊、采樣電路A/D模塊、中斷服務程序模塊等初始化后啟動系統(tǒng)。

看門狗模塊：看門狗在后臺時刻監(jiān)控逆變系統(tǒng)，當發(fā)生故障時，對整個系統(tǒng)進行復位。

采樣電路A/D模塊：對光伏電壓和電流輸出的采樣、對負載輸出的采樣。

SPWM生成模塊：生成兩兩互補的4路SPWM信號控制IGBT的導通和關(guān)斷。

故障檢測處理模塊：實現(xiàn)系統(tǒng)的檢測和保護功能

圖3 軟件系統(tǒng)流程總體圖

如圖3先對系統(tǒng)進行初始化，通過采樣電路模塊由設計的算法檢測系統(tǒng)電壓、電流作為軟件系統(tǒng)輸入；如果沒有故障報警，軟件系統(tǒng)輸出是 更新后的SPWM數(shù)據(jù)，由驅(qū)動電路控制功率開關(guān)管IGBT開通與關(guān)斷。其軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分三層，第一層為底層驅(qū)動函數(shù)，有SPWM模塊驅(qū)動、采樣電路A/D模塊驅(qū)動、液晶顯示屏驅(qū)動模塊，串口通信模塊；第二層為操作系統(tǒng)層，主要是uCOS-Ⅲ操作系統(tǒng)的內(nèi)核應用函數(shù)，第三層為應用層，主要是一些功能任務函數(shù)。軟件編譯語言采用C語言，軟件編譯環(huán)境為Keil-MDK，在其中對底層驅(qū)動層、操作系統(tǒng)層、應用層編寫，然后下載到控制器中運行。系統(tǒng)中一些任務功能實現(xiàn)，包括液晶屏顯示任務，電壓電流檢測任務，光伏發(fā)電前級DC/AC最大功率點跟蹤算法任務，后級DC/AC逆變器SPWM輸出任務，通信任務等。

四、結(jié)束語

本文針對現(xiàn)有光伏發(fā)電這些不足，本文提出一種基于帶uC/OSⅢ操作系統(tǒng)嵌入式芯片STM32的光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器，解決了控制芯片硬件簡單，性能較低、可擴展性較差、實時性低、移植性差、后期升級困難的缺點。

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