基于ARM32單相逆變電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李翠花， 潘若云，周澤華，李 瑤

(合肥學(xué)院 先進(jìn)制造工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引言

DC-AC逆變電源是從低電壓的直流電源中獲取交流電能，運(yùn)用到電子設(shè)備中[1],提高人們生產(chǎn)生活的效率[2]。本設(shè)計(jì)采用ARM32微處理器產(chǎn)生占空比可變的SPWM波,全橋逆變結(jié)構(gòu)，以STM32F103C8T6單片機(jī)為控制核心，接收電流和電壓的兩路閉環(huán)反饋，通過(guò)調(diào)節(jié)輸出SPWM占空比來(lái)控制輸出電壓波形達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓波形[3-5]，從而得到高效率、高質(zhì)量的電能。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

單相逆變電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括ARM32控制電路、IR2109驅(qū)動(dòng)電路、逆變主電路、A/D采樣電路(包括電流采集和電壓采集)、其他輔助電路和負(fù)載。其總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 總體框圖

單相逆變電源主要采用的是全橋逆變結(jié)構(gòu)，通過(guò)ARM32微處理器產(chǎn)生兩路反向互補(bǔ)SPWM波，將兩路反向互補(bǔ)SPWM波分別接入兩片IR2109驅(qū)動(dòng)芯片，輸出四路互補(bǔ)的SPWM波，四路SPWM波推挽驅(qū)動(dòng)全橋逆變結(jié)構(gòu)中的四個(gè)MOS管的導(dǎo)通和截止，完成電壓從直流到交流的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)逆變的功能。在保護(hù)模式下，電流保護(hù)采用電壓互感器來(lái)對(duì)輸出電流進(jìn)行檢測(cè)，將采集的數(shù)據(jù)傳給ARM32；電壓保護(hù)主要采用電壓互感器對(duì)輸出交流電壓進(jìn)行檢測(cè)，然后通過(guò)四個(gè)二極管構(gòu)成的整流橋，整流后將數(shù)據(jù)傳給ARM32；微處理器通過(guò)軟件程序?qū)⒉杉碾妷骸㈦娏髋c額定值相比較，未達(dá)到或超出的部分，通過(guò)增加或減小SPWM波的占空比來(lái)改變輸出電流、電壓的幅值，使得電壓、電流在安全范圍內(nèi)，以此來(lái)保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)的安全。同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)軟件分析處理后，發(fā)送數(shù)據(jù)到OLED顯示屏顯示出來(lái)。

1.2 關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

1．逆變主電路設(shè)計(jì)

逆變主電路是整個(gè)逆變電源硬件系統(tǒng)的核心，逆變主電路的設(shè)計(jì)選擇單相全橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和功率場(chǎng)效應(yīng)管(MOSEFT)，電路如圖2所示。Q1到Q4柵極分別接驅(qū)動(dòng)模塊電路后的HO1、LO1、HO2、LO2，VS1、VS2可以看成交流的輸入端口；R1、R3、R5、R7是保護(hù)電路，取值較小，取值為10歐；R2、R4、R6、R8是為了釋放柵極存儲(chǔ)的多余電荷，一般取值1～5K；交流輸出端的由濾波電感L1、L2與濾波電容C2組成濾波回路，電感和電容能夠?yàn)V除逆變產(chǎn)生的高次諧波，使得輸出交流波形更加平滑。

圖2 逆變主電路

2．A/D采樣電路

電流采樣電路,電流采樣電路通過(guò)霍爾電流傳感器ZMCT102 A來(lái)檢測(cè)全橋逆變電路后的電流，最后將所得數(shù)據(jù)傳回控制器。電流采樣電路如圖3所示。其中R10為采樣電阻，Itrans是電流互感器，采樣值通過(guò)IFB返回給控制器ARM32。

電壓采樣電路,選用了互感比例可調(diào)的電壓互感器ZMPT101B模塊，將互感比例調(diào)節(jié)至2：1，即當(dāng)輸入電壓為5V時(shí)，互感得到的電壓為2.5V，經(jīng)過(guò)整流后，從引腳VFB傳給單片機(jī)，電路如圖3中電壓采樣電路所示。在整流橋后加了濾波電容和泄放電阻，是為了濾除整流后的高次諧波。電阻阻值越大越好。

1.3 硬件電路設(shè)計(jì)

逆變電源的硬件電路采用全橋逆變電路，將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，硬件電路原理圖如圖3所示。

圖3 硬件電路圖

用ARM32產(chǎn)生互補(bǔ)兩路SPWM 波形，然后把此SPWM波作為輸驅(qū)動(dòng)芯片IR2109，IR2109輸出端產(chǎn)生四路反相的SPWM波來(lái)控制MOS管導(dǎo)通與截止，從而實(shí)現(xiàn)直流到交流的轉(zhuǎn)換。在保護(hù)模式中，采用電流傳感器進(jìn)行電流的檢測(cè)，通過(guò)引腳IFB反饋給單片機(jī)；用電壓互感器進(jìn)行電壓檢測(cè)，對(duì)采集電壓進(jìn)行整流，通過(guò)反饋引腳反饋給單片機(jī)，ARM32對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，相對(duì)應(yīng)的改變輸出SPWM的占空比，從而保護(hù)整個(gè)電路。ARM32又將采集的數(shù)據(jù)處理后發(fā)送給OLED顯示模塊，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控顯示及保護(hù)功能。用直流穩(wěn)壓電源作為輔助電源，LM2596-12可以輸出電壓12V，在聯(lián)級(jí)LM7805穩(wěn)壓芯片產(chǎn)生+5V，直流電壓供給各個(gè)電路模塊。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件包括輸入、電流及電壓采集、過(guò)壓保護(hù)、OLED屏電源參數(shù)顯示等模塊。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

軟件設(shè)計(jì)如下：初始化進(jìn)入按鍵掃描，外部按鍵選擇操作模式后，進(jìn)行電流、電壓的采集，判斷電流、電壓是否過(guò)流或過(guò)壓。如果過(guò)流則啟動(dòng)過(guò)流保護(hù)，使電流在安全范圍內(nèi)；如果過(guò)壓，則啟動(dòng)過(guò)壓保護(hù)，使電壓在所屬范圍內(nèi)。最后，發(fā)送數(shù)據(jù)給OLED顯示模塊，發(fā)送數(shù)據(jù)后，程序又重新開(kāi)始檢測(cè)電流和電壓，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)保護(hù)、實(shí)時(shí)顯示。

3 電路測(cè)試與結(jié)果分析

測(cè)試主要進(jìn)行了波形測(cè)試和數(shù)據(jù)測(cè)試兩部分，實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 實(shí)物圖

1．波形測(cè)試

圖8 IR2109驅(qū)動(dòng)模塊的輸出波形

測(cè)試波形表明：ARM32輸出的兩路SPWM波互補(bǔ)；兩片IR2109驅(qū)動(dòng)模塊輸出四路推挽互補(bǔ)SPWM波；全橋逆變主電路能夠輸出一個(gè)50Hz和電壓為5V的正弦波形，波形失真較小。

2．?dāng)?shù)據(jù)測(cè)試

表1 輸出頻率步進(jìn)可調(diào)測(cè)試表

表2 負(fù)載調(diào)整率測(cè)試表

表3 電源效率測(cè)試表

測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，輸出以10Hz步進(jìn)可調(diào)，輸出電壓范圍為U(5±0.1)V；負(fù)載的調(diào)整率S在1%左右，單相純正弦波變頻電源的效率在80%左右。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以STM32F103C8T6單片機(jī)為主要器件，采用四MOS管全橋逆變結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)直流到交流的電壓轉(zhuǎn)換，在輸出頻率50～100Hz范圍內(nèi)步進(jìn)可調(diào)，同時(shí)輸出電壓在1～10V范圍內(nèi)可調(diào)；電路具有保護(hù)功能，電流超額定值時(shí)，電路能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)SPWM波的占空比改變輸出電流在安全范圍內(nèi)；該電源的負(fù)載調(diào)整率在1%左右，具有很強(qiáng)的負(fù)載能力，電源效率在80%左右，屬于高效率的電源。本設(shè)計(jì)的電源是單相的，在此基礎(chǔ)上，可以嘗試PCB的三相電源的設(shè)計(jì)與制作，需要將輸入直流電進(jìn)行升壓處理后再逆變。