基于STM32的SPWM三相逆变系统设计

聂俊飞，罗婷，邹陆华，黄强

(邵阳学院 多电源地区电网运行与控制湖南省重点实验室，湖南 邵阳，422000)

随着电力电子技术的快速发展，高开关频率的功率电子元器件(如IGBT、MOSFET)广泛应用于工业控制与新能源发电系统[1]。在各类新能源发电系统中，三相逆变器[2]是其重要组成部分，随着ARM技术的迅速推广，脉宽调制技术在三相逆变器中得到广泛应用。现今，脉宽调制主要以正弦脉宽调制(SPWM)和空间矢量脉宽调制(SVPWM)最为流行[3]，这两种调制都是在ARM内部，通过编写控制算法生成。文献[4]采用SVPWM算法设计了三相逆变器闭环系统，选用DSP作为主控制器[5]，很好地解决了SVPWM算法计算难度大且不易编程实现这一难题，动态性虽好，但控制复杂且造价成本高。与SVPWM相比，SPWM技术因其算法简单[6]、多类型控制器编程易实现及直流电压利用率高而广受青睐。

文中所设计系统以STM32芯片作为控制核心，构建具有高速数据采集和实时数据处理功能的硬件平台[7]，由处理器内部编写SPWM控制算法，生成可调控的三相SPWM波。系统选用电压型三相逆变控制系统结构，由ARM作为核心处理器，通过互感器实时采集输出电压电流，进而形成全数字化的三相逆变器闭环控制系统。系统采用软启动技术，促使系统工作平稳，改善启动性能。同时，系统具备很好的人机交互界面，可实时显示三相逆变器的输出参数变化，方便用户观测，并可通过按键调节逆变器的参数及PID控制参数，可实现高精度恒压输出。

1 系统总体方案设计

1.1 系统结构

全数字SPWM三相逆变系统结构如图1所示，主要由STM32最小系统板、驱动电路、三相逆变输出电路、LCD显示电路、按键给定电路及采样信号调理模块组成。各模块电路协调工作，实现对三相逆变器输出电压电流的精确控制。

图1 全数字SPWM三相逆变系统结构图Fig.1 The architecture diagram of a full Digital SPWM three-phase inverter system

1.2 系统工作原理

全数字SPWM三相逆变系统采用电压外环电流内环双闭环来精确控制输出电压电流。系统工作时，通过按键给定逆变器输出交流电压电流参考值，由电压电流互感器构成的信号调理电路实时采集逆变器输出值送至单片机，在单片机内部与电压电流的参考值进行比较，再由PID调节计算，产生三相SPWM波；该波形经三相驱动电路后加至三相逆变主电路的功率管上控制开关管的开通与关断，再经LC滤波电路后得到标准的工频三相交流电，并在LCD液晶屏上实时显示输出电压电流的变化。

2 系统硬件设计

2.1 三相逆变主电路设计

本系统采用H全桥作为三相逆变主电路，其主要是由六个对称的功率管及LC滤波器件构成，如图2所示。

图2 三相逆变电源主电路图Fig.2 The main circuit diagram of a three-phase inverter power supply

在主电路中可将六个功率管分为三组，由VT1与VT4为一组，VT2与VT5为一组，VT3与VT6为一组，构成三相H桥。利用STM32单片机产生数字式的三相SPWM波，各相之间相隔120度，经驱动电路后送至各功率管进行逆变，经LC滤波后即可得到三相对称的工频正弦波。

2.2 驱动电路设计

系统利用STM32生成三相SPWM波，但该脉冲无法直接驱动功率管的开通与关断，需要设计专用的驱动电路。工作稳定可靠的驱动电路是本系统设计必不可少的一环，为实现对三相H桥电路开关管的可靠通断，设计了以IR2110驱动芯片为核心的三相逆变电源驱动电路，如图3所示。

图3 三相逆变电源驱动电路图Fig.3 The drive circuit diagram of a three-phase inverter power supply

2.3 采样信号调理电路设计

2.3.1 交流电压采样调理电路设计

为实现对三相逆变电源输出电压的精确控制，必须对其输出电压实时采集，电路如图4所示。

图4 交流电压采样调理电路图Fig.4 An AC voltage sampling and conditioning circuit diagram

在图4中，采用电压互感器ZHT107对逆变器输出电压进行测量，并通过一个采样电阻将其转变成按正弦规律变化的电压模拟信号；该信号经由LM324运放芯片组成的电压跟随及放大后送至高精密整流电路进行整流，得到一个按线性变化的直流信号，由STM32单片机自带的AD转换直接采集，满足交流电压采样的需要。

2.3.2 交流电流采样调理电路设计

在三相逆变电源中，要想实现对输出电流的精确控制，必须对其输出电流进行实时采集，具体实现电路如图5所示。

图5 交流电流采样调理电路图Fig.5 An AC circuit sampling and conditioning circuit diagram

在图5中，采用电流互感器DL-CT03C2对逆变器输出电流进行测量，通过一个采样电阻得到一个与输出电流变化规律一致的电压模拟信号，后续电路的处理与电压采样调理电路一致。该电流互感器具有非常好的线性度及精度，满足本系统交流电流采样的需要。

3 系统软件设计

3.1 控制程序设计

本系统的主要功能是实现对三相逆变器输出电压电流的精确控制，所以，控制程序的编写十分重要。为了便于更好的实现各项控制功能，系统全部程序都采用模块化的设计思路进行模块控制程序编写，再将各模块程序整合起来进行控制，系统整体流程图如图6所示。

图6 系统整体程序流程图Fig.6 The flow chart of the whole system program

在图6中，STM32初始化包括GPIO口的配置、AD采样端口配置、LCD液晶显示配置及中断模块的配置，通过按键设置初始电压电流值，在STM32内部通过一个三相SPWM波生成算法子程序进行计算，再由定时器根据该计算值中断生成按正弦规律变化的三相SPWM波；系统经AD采样子程序对输出电压电流值进行采集，调用LCD显示子程序实时显示输出参数值，在内部进行比较，并进行电压电流PID调节，不断修改三相SPWM波算法计算值，将各模块子程序结合起来，最终实现三相逆变器的恒压输出。

3.2 PID控制技术

要实现对三相逆变器系统的双闭环控制，采用合理的控制算法是极其重要的，直接影响着控制精度。系统为了达到高精度的恒压输出，选用位置式PID技术进行双闭环控制，由于STM32只能处理数字信号，需将传统的连续PID算法进行离散化处理后得到数字型位置式PID[8-10]，其表达式如下：

(1)

在(1)式中，Ki、Kd分别为积分系数和微分系数，其计算公式如下：

(2)

在(2)式中，KP为系统设定值；Ti为积分时间；Td为微分时间；T为采样时间。

论文设计的三相逆变器系统是一个大容量、纯滞后惯性系统，需要实现高精度恒压输出，其控制框图如图7所示。

图7 电压电流双闭环PID算法控制框图Fig.7 A control block diagram of voltage and current double closed-loop PID algorithm

4 实验结果

该系统属于一个小功率的三相逆变器，为满足实验要求，取IRF640N作为三相逆变主电路的功率管，其工作电压可达100V，额定最大工作电流为30A，满足电路设计要求；输出滤波电路参数取C=20uF(CBB电容)，L=3mH；取PID控制参数Kp=15，Ki=0.2，Kd=0.02；系统以上述参数作为系统硬件设计和软件开发的最终选择，基于STM32研制出实物模型，进行实物测试。设定输入直流电压为36V，三相输出线电压24V，带星型连接纯阻性负载12进行测试，得到输出线电压24V、相电流2A的三相总功率128W小功率三相逆变器，输出波形如图8所示。

图8 三相逆变器输出波形图Fig.8 Three-phase inverter output waveform

系统恒压输出时，直流母线电压与负载不变，由按键设定三相输出线电压在10V～24V范围内可调，测试其控制精度与波形畸变率，测试数据如表1所示；系统给定输出电压值，直流母线电压36V，测量三相纯阻性负载分别工作于满载(12)和轻载(20)时对应的输出电压UO1和UO2，计算负载调整率并测试输出波形畸变率，数据如表2所示。系统工作在恒压输出模式时，给定输出值在三相负载的小幅度波动(12～20变化范围内)时，其输出电压基本不变，负载调整率好。

表1 按键调控三相线电压输出测试表

Table 1 Test table of three-phase line voltage output controlled by keys

/V/V/%109.98-0.020.21515.03+0.030.42019.97-0.030.32424.04+0.040.4

表2 给定恒压输出负载调整率(∂)测试表

Table 2 Test table of given constant voltage output load regulation(∂)

UO1/VUO2/V∂/%/%1515.050.330.31817.970.170.52121.040.190.22424.060.250.4

5 结论

论文设计了一套基于STM32的小功率三相逆变器，采用正弦脉宽调制SPWM技术生成可调控的三相SPWM波，通过双PID算法对三相逆变器输出进行电压外环电流内环的双闭环精确控制。实物测试结果表明：系统运行稳定可靠，逆变器输出标准三相工频正弦波，波形光滑，畸变率低于0.5%；在PID双闭环控制下，逆变器能可靠工作于恒压输出模式，负载调整率低于0.35%，出现负载扰动时，系统能自行调整，确保高精度恒压输出，保持良好的动态特性。