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ARM控制的逆变器电源电路设计方案

时间:2014-10-30 来源:电子信息网 编辑:编辑部 点击:次 字体设置:

系统总体方案 

     如图1 所示, 逆变器系统由升压电路、逆变电路、控制电路和反馈电路组成。低压直流电源DC12V经过升压电路升压、整流和滤波后得到约DC170V高压直流电,然后经全桥逆变电路DC/AC转换和LC滤波器滤波后得到AC110V的正弦交流电。 
 


     逆变器以ARM控制器为控制核心,输出电压和电流的反馈信号经反馈电路处理后进入ARM处理器的片内AD,经AD转换和数字PI运算后,生成相应的SPWM脉冲信号,改变SPWM的调制比就能改变输出电压的大小,从而完成整个逆变器的闭环控制。 

     SPWM方案选择 

     (1)PWM电源芯片方案 

     采用普通的PWM电源控制芯片,如SG3525、TL494、KA7500等,此类芯片的优点是能够直接的产生脉宽调制信号,但是它缺点是波形线性不好,而且振荡发生器是依赖充放电电路而产生波形,当要PWM芯片产生SPWM信号需要附加额外很多电路。 

     (2)CPU软件方案 

     采用CPU产生SPWM脉冲,如单片机、ARM或DSP等,此种方法的优点是脉宽可以通过软件的方式来调节,不仅精度较高,而且外围电路也很简单便宜。综上所述,选择STM32F107(ARM)完成SPWM脉冲的产生和整个逆变器的控制。

     系统硬件电路设计 

     (1) CPU控制器 

     CPU 是整个逆变器的核心部分,主要负责反馈信号的采集、数字PI闭环计算、PWM波输出、参数设置和外部通信。CPU采用的是ST公司最新推出的 STM32F107系列ARM芯片。该系列芯片采用ARM公司32位的Cortex M3为核心,最高主频为72MHz,Cortex核心内部具有单周期的硬件乘法和除法单元,所以适合用于高速数据的处理。芯片具有三个独立的转换周期,最低为1μs的高速模数转换器,三个独立的数模转换器带有各自独立的采样保持电路,所以特别适合三相电机控制、数字电源和网络应用。芯片还带有丰富的通讯单元,包括1个以太网接口、5个异步串行接口、1个USB从器件、1个CAN器件、I2C和SPI等模块。 

     (2)驱动和逆变电路 

     逆变主电路如图2所示采用基于H桥的单相全桥逆变电路。单相全桥逆变电路主要由Q1、Q2、Q3、Q4四个MOSFET构成。在AC于OUT之间如果加入负载就构成了逆变回路。控制Q1、Q2、Q3、Q4按一定的顺序导通、截止就能够得到所要的正弦波形。 



     对于本设计,开关管的选择主要以它的额定电压和额定电流为依据。这里选择额定电压为500V,额定电流为20A的IRFP460N沟道增强型MOS管为开关管。可满足设计的要求。为了限制MOSFET门极的驱动电流,需要在门极串联限流电阻,防止由过流导致的器件损坏。 

     (3)滤波电路 

     经过两路SPWM信号的驱动在负载电阻上产生的电压波形是按正弦规律变化的方波。它是一个双极性的SPWM波形。实际需要的是频率为50Hz的正弦波,因此需要将SPWM波进行滤波。一般的PWM逆变器采用LC低通滤波器。对于LC滤波器的设计,首先考虑滤波器的截止频率,LC滤波器的截止频率见式 (1)。 
 


     综合考虑滤波器输出电压谐波失真度、系统的动态响应以及体积、重量等因素,选取截止频率,选取。 

     (4)推挽升压电路 

     推挽升压电路采用两个参数相同的MOSFET管和升压变压器组成,推挽变压器的特点是效率高,损耗低,适用于低输入高输出。推挽升压电路如图3所示,采用两个MOS管分别开通的结构,选取IPRF250场效应管,额定电流为30A,额定电压为250V,在可以满足要求的同时内阻较小,是最为合理的选择。

      系统软件设计 

     CPU主要功能是完成闭环PI控制算法、发送SPWM脉冲、故障保护、数据显示和远程通信。系统软件主要是对STM32芯片的编程,开发环境采用德国Keil公司KeiluVision4软件,编程语言采用C语言。 

     程序由主程序和若干子程序:通信程序、采样子程序、PWM中断程序、显示程序等组成。进入PWM中断后,首先对各路反馈信号进行采集和处理,该流程图如图4 所示,然后经数字PI调节器运算后产生PWM脉冲输出,经驱动电路隔离放大后驱动MOSFET,实现整个逆变电源系统的闭环控制。 
 


     逆变器采用全数字控制,所有参数均能通过显示面板进行设置,数码管够实时显示逆变器系统的输入电压、输入电流、输出电流、输出电压、运行状态、故障信息等,当发生故障时,CPU将所有PWM脉冲全部封锁,然后将过压、过流、过载等故障信息显示出来,并且蜂鸣器发声报警。 

     实验结果 
 

 其中图5(a)是CPU发出的两路互补对称的SPWM脉冲波形,死区时间是3us;图5(b)是全桥逆变电路其中一个桥臂上下MOSFET的驱动波形;图 5(c)是逆变器输出交流正弦电压波形;图5(d)是逆变器电流输出波形。从图中可看出逆变器输出电压波形几乎不失真,输出电流THD控制在5%以内,达到了很好的控制效果。

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