基于STM32單片機的三相逆變器設計

陳日恒 唐杰 王貴龍

摘 要：針對當前電網需要能輸出高質量的交流電，且需具備較好的負載適應性及調壓、調頻等問題。設計了基于STM32F103C8T6單片機控制的DC-AC三相正弦波逆變器。文章詳細分析了三相逆變器硬件電路各個模塊的工作原理及相關參數的設計，分析了用于控制三相逆變器的SPWM調制技術、基于數字PI控制的功率變換技術，同時進行了硬件電路設計、軟件設計，制作了三相逆變器實物。通過對逆變器調壓、調頻測試，結果表明所制作的三相逆變器調壓、調頻控制方案的可行性與有效性。

關鍵詞：三相逆變器;SPWM;STM32F103C8T6單片機

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.139

0 引言

當前電力電子技術已經成為了工業與科學技術的飛速發展過程中，提高電網供電性能，保障并網系統安全運行時一項非常關鍵的技術，而并網逆變器控制又是其中非常重要的技術[1]。隨著時代的進步，各行業對于供電電能質量有了更高的要求，如電網頻率穩定、電壓穩定等電能指標。逆變控制技術能顯著改善工作環境、減少開支、提高效率，同時減少了化石燃料的使用，對減少污染、節約能源有著巨大的幫助。

本文以應用于模擬微電網系統的三相并網逆變器為研究對象，設計以STM32單片機為主控電路的三相逆變器，給出了詳細的硬件和軟件設計過程，并提供了控制器的測試結果，測試結果表明所制作的基于STM32單片機的三相逆變器調壓、調頻方案的可行性與有效性。

1 系統總體方案設計

先給出系統整體的結構框架，設計出逆變器主電路、控制電路、驅動電路、信號調理電路以及保護電路。其中控制電路設計包含單片機最小系統、顯示電路、信號調理電路的設計，對各個電路的工作原理作了詳細分析。程序設計主要是以STM32單片機為控制單元，通過對系統控制方法和調壓、調頻程序等的設計，系統的整體結構框圖如下圖1所示：

從三相正弦波逆變電源系統的總體框圖中可以看出，STM32控制單元發出SPWM信號，通過驅動電路的隔離和放大來控制三相逆變器主電路，最后輸出頻率和幅值可調的三相交流電。單片機控制系統由STM32單片機和外圍的復位電路構成，包括輔助電路、信號調理電路、按鍵和顯示電路。輔助電源能為整個系統穩定運行提供保障。信號調理電路可以對輸出頻率和幅值進行采集反饋給STM32單片機AD端進行數據采集。

2 系統硬件設計

2.1 三相逆變器主電路設計

系統采用三相全橋電路作為逆變器的主電路，主要元器件包括場效應管（MOSFET）、電容C、電感L等，主要功能是把直流電通過三相逆變器轉化為幅值和頻率可調的三相交流電，電路如圖2所示。

直流輸入30V，逆變器輸出相電壓為12-16V可調，步進0.1V。輸出頻率為50-100Hz可調，步進為10Hz，最大輸出功率50W。主電路元器件參數的計算是三相逆變主電路非常重要的部分，電力MOSFET的選取分析及參數計算如下：

（1）開關器件的選取。對于低壓功率較小的逆變器一般選用電力MOSFET，因為電力MOSFET針對低電壓的應用比較多，導通的壓降也比較低，開關速度相對較快，適用于輸出低頻率的逆變器。本次設計的頻率為36KHz，所以不選擇IGBT。

一般情況下，設置電力MOSFET都會留有一定的電壓裕量。因為理論上電力MOSFET的最大承受電壓應為電源電壓，但在實際的工作過程中能會產生高頻脈沖電壓，這樣會導致電壓升高，這是因為工作中有高頻震蕩等原因。所以為了保證系統能可靠運行，電力MOSFET需留有一定的電壓裕量，通常設置1.5倍以上的電源電壓為電力MOSFET的耐壓大小，即：

2.2 驅動電路設計

驅動電路是電力電子電路設計重要的環節，在主電路和控制電路起到了很好的橋梁作用，具有保持控制電路和主電路與柵極間的電隔離，及提供驅動脈沖電流的功能。單片機的數據口不能直接驅動主電路，而是要單片機內部發出控制信號給驅動電路，達到控制主電路的目的。所以整個系統的驅動電路的設計是整個系統的關鍵部分。

本次電源設計中采用的是電力MOSFET驅動電路設計，對驅動電路有以下幾點要求：

（1）減小器件損耗。開關管的充足的導通能力和可靠的關斷能力是驅動電路降低器件的開關損耗的關鍵;

（2）隔離主電路。因為大部分主電路是高壓電路，為了確保安全，要求控制信號與驅動電路沒有電耦合;

（3）強抗干擾能。驅動電路應具備較強的干擾能力，保證元器件在低頻情況下工作的可靠性，防止運行期間在外界因素干擾下開關管的誤開關。

（4）可靠地保護能力。當驅動電路因過流或欠壓等自身原因出現故障時，應立即切斷輸出的驅動信號，必要時迅速關斷器件來保護器件安全。

IR2109芯片除了有柵極驅動及高速高壓功率驅動器，還擁有雙通道的輸入輸出信號。該芯片滿足了設計任務上主電路對功率開關器件的控制要求。驅動電路如圖3所示。

2.3 輔助電源電路設計

一款逆變器如果要其性能穩定可靠，其輔助電源的設計是非常重要的，即要成本低廉，又要性能不錯。本次在輔助電源中用到的是LM2596芯片。LM2596系列是德州儀器生產的能降低電壓且固定輸出電流為3A的電源單片集成電路， 并且其開關穩壓集成電路有3.3V、5V、12V等多個電壓檔次，最大輸出電壓為37V，最大所能承受電壓為40V。該芯片具有完整的保護電路、熱關斷電路等，并有著不錯的線性調節、負載調節能力。可以實現器件的自我保護、限流、外部斷電等功能。

該器件內部集成頻率補償和固定頻率發生器。一般情況下開關的固定頻率為150KHz，基準電壓為1.23V。該芯片可以使用標準的電感，前提是需要4個外接元件。這更優化了LM2596的使用。由于單片機、液晶顯示等需要5V的供電，輔助電源直接使用直流穩壓電源通過LM2596HV穩定輸出12V，再級聯7805穩壓芯片產生5V電壓提供給測控電路。具體電路如圖4所示。

3 系統軟件設計

3.1 主程序設計

一個完整的系統設計，除了硬件電路設計之外，還必須有其軟件設計部分，系統的軟件設計才是整個系統設計的核心所在。主程序設計主要包括兩個部分，分別是輸出調壓程序、輸出調頻程序的設計。系統主程序流程圖如圖5所示。

3.2SPWM控制技術

本文采用STM32F103C8T6單片機最小系統作為控制模塊，周期值為0.2us，用于生成三相逆變器所需要的SPWM波的頻率，所采用的開關管的工作頻率為36kHz，則STM32單片機初始化配置如下：首先設置PORTC寄存器為輸出模式。然后使能CCP為PWM功能，然后調整PR2的值來修改PWM的開關周期寄存器，使得TSFMW=（PR2+1）×4TOSC（TMR2 PrescaleValue），fSPWM=1/TSPMW成立即可。系統初始化完成后，定時器TMR2開始工作，此時，PWM模塊引腳輸出為高電平;當定時器TMR2的值大于CCPRXL時，PWM模塊輸出低電平;當TMR2等于PR2時，TMR2被清零，重新開始下一周期的計數，與此同時，PWM模塊恢復高電平。

因為脈沖寬度是按照正弦波的規律變化，所以要把脈沖寬度DK值生成數值表，單片機通過查表輸出一系列脈沖序列。設置載波頻率kHz，交流頻率Hz，通過載波比來確定單個周期內的脈沖數目（本次設N=500）。在具體操作過程中，為了節省單片機內存，只需保存N/2個點，即半個周期的正弦波離散點，利用交替方式輸出SPWM波，達到控制逆變橋的目的。

4 測試與分析

本設計采用三相可調變阻器作為可調負載測試，需對三相逆變器輸出的幅值、頻率等性能指標進行測試。實物照片如圖6所示，輸出波形如圖7所示，用數字萬用表測量輸出的電壓、電流等電氣量參數，利用示波器檢測兩種模式下三相逆變器的輸出波形。如圖所示當系統輸入電壓30V，接入三相負載，可得到輸出的電壓為12V，輸出頻率為50Hz。

將三相逆變器連接數位存儲示波器，得到下圖7輸出波形圖。

輸入接30V電壓，固定負載情況下由按鍵給定輸出電壓和頻率值，并對整個系統的設定電壓、頻率與輸出電壓、頻率進行檢測比較。分別把電壓、頻率數據記錄入表1、表2。

由以上測試記錄可知，負載固定情況下，輸出的電壓能實現12-16V可調，輸出的頻率能實現50-100Hz可調，且誤差分別小于0.1V、0.1Hz。通過對以上測試結果分析可得，調幅、調頻兩種模式下的輸出與各自給定值基本相等（允許的誤差范圍之內），驗證了此次三相逆變器設計方案和控制策略的正確性，表明本次設計能夠實現三相逆變器的調壓和調頻，達到了預期目標。

5 結論

論文基于STM32單片機設計出三相逆變器，選用三相全橋拓撲電路作為逆變器的主電路，通過做出的實物進行測試，測試結果表明：系統給定輸入電壓為30V，在調幅模式下，輸出電壓為12～16V可調，誤差為±0.1V，在調頻模式下，輸出頻率為50～100Hz可調，誤差為±0.02Hz，有著廣泛的應用前景。

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基金資助項目：湖南省自然科學基金項目（2018JJ2367）; 湖南省科技計劃項目（2016TP1023）;邵陽學院2018年研究生科研創新項目（CX2018SY021）。

作者簡介：陳日恒（1992-），男，湖南郴州人，碩士研究生，研究方向：新能源發電。