詳述ARM控制逆變器電源電路設計方案

　　本文將介紹一款基於ARM控制的逆變器電源電路設計方案及其應用。

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　　系統總體方案

　　總體設計框圖

　　如圖1 所示， 逆變器系統由升壓電路、逆變電路、控制電路和反饋電路組成。低壓直流電源DC12V經過升壓電路升壓、整流和濾波後得到約DC170V高壓直流電，然後經全橋逆變電路DC/AC轉換和LC濾波器濾波後得到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反饋電路處理後進入ARM處理器的片內AD，經AD轉換和數字PI運算後，生成相應的SPWM脈衝信號，改變SPWM的調製比就能改變輸出電壓的大小，從而完成整個逆變器的閉環控制。

　　1、SPWM方案選擇

　　1.1、PWM電源晶片方案

　　採用普通的P W M電源控制晶片，如SG3525、TL494、KA7500等，此類晶片的優點是能夠直接的產生脈寬調製信號，但是它缺點是波形線性不好，而且振蕩發生器是依賴充放電電路而產生波形，當要PWM晶片產生SPWM信號需要附加額外很多電路。

　　1.2、CPU軟體方案

　　採用CPU產生SPWM脈衝，如單片機、ARM或DSP等，此種方法的優點是脈寬可以通過軟體的方式來調節，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脈衝的產生和整個逆變器的控制。

　　2.系統硬體電路設計

　　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採集、數字PI閉環計算、PWM波輸出、參數設置和外部通信。CPU採用的是ST公司最新推出的 STM32F107系列ARM晶片。該系列晶片採用ARM公司32位的Cortex M3為核心，最高主頻為72MHz,Cortex核心內部具有單周期的硬體乘法和除法單元，所以適合用於高速數據的處理。晶片具有三個獨立的轉換周期，最低為1μs的高速模數轉換器，三個獨立的數模轉換器帶有各自獨立的採樣保持電路，所以特別適合三相電機控制、數字電源和網絡應用。晶片還帶有豐富的通訊單元，包括1個乙太網接口、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 驅動和逆變電路

　　逆變主電路如圖2所示採用基於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於OUT之間如果加入負載就構成了逆變迴路。控制Q1、Q2、Q3、Q4按一定的順序導通、截止就能夠得到所要的正弦波形。

　　對於本設計，開關管的選擇主要以它的額定電壓和額定電流為依據。這裡選擇額定電壓為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門極的驅動電流，需要在門極串聯限流電阻，防止由過流導致的器件損壞。

　　2.3 濾波電路

　　經過兩路SPWM信號的驅動在負載電阻上產生的電壓波形是按正弦規律變化的方波。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逆變器採用LC低通濾波器。對於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、系統的動態響應以及體積、重量等因素，選取截止頻率，選取。

　　2.4 推挽升壓電路

　　推挽升壓電路採用兩個參數相同的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，適用於低輸入高輸出。推挽升壓電路如圖3所示，採用兩個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阻較小，是最為合理的選擇。

　　3.系統軟體設計

　　CPU主要功能是完成閉環PI控制算法、發送SPWM脈衝、故障保護、數據顯示和遠程通信。系統軟體主要是對STM32晶片的編程，開發環境採用德國Keil公司KeiluVision4軟體，程式語言採用C語言。

　　程序由主程序和若干子程序：通信程序、採樣子程序、PWM中斷程序、顯示程序等組成。進入PWM中斷後，首先對各路反饋信號進行採集和處理，該流程圖如圖4 所示，然後經數字PI調節器運算後產生PWM脈衝輸出，經驅動電路隔離放大後驅動MOSFET，實現整個逆變電源系統的閉環控制。

　　逆變器採用全數字控制，所有參數均能通過顯示面板進行設置，數碼管夠實時顯示逆變器系統的輸入電壓、輸入電流、輸出電流、輸出電壓、運行狀態、故障信息等，當發生故障時，CPU將所有PWM脈衝全部封鎖，然後將過壓、過流、過載等故障信息顯示出來，並且蜂鳴器發聲報警。

　　實驗結果

　　其中圖5(a)是CPU發出的兩路互補對稱的SPWM脈衝波形，死區時間是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，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，是基於ARM(STM32F107)的全數字控制的逆變器，其具有高精度、小體積、全數字等特點，所有電源參數直接通過人機界面設定並存儲，並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實現軟啟動功能，當出現過流、過壓、過載情況時，能夠迅速封鎖PWM脈衝和關斷MOSFET，並及時將故障信息顯示出來，實現了逆變器的智能化。