基于STM32的逆變能量回饋實驗系統

馬雙寶，胡江宇，賈樹林，高夢圓，薛 勇

基于STM32的逆變能量回饋實驗系統

馬雙寶1,2，胡江宇1，賈樹林1，高夢圓1，薛 勇1,2

（1. 武漢紡織大學 機械工程與自動化學院，湖北 武漢 430200；2. 湖北省數字紡織裝備重點實驗室，湖北 武漢 430200）

為解決電子設備中負載帶來的能量耗散問題，本文研制逆變電路中能量回饋實驗裝置。該系統采用STM32F429為主控制器，將輸入直流電壓逆變成25V、50Hz正弦交流電壓，最大電流可到2A，逆變頻率可實現20-100Hz范圍內步進1Hz的功能；能量回饋部分將逆變輸出經隔離變壓器、帶PFC功能的整流、同步DC/DC升壓等電路饋入到輸入直流電源，以實現逆變電路的能量回饋功能。經測試該系統具有能量回饋功能，在逆變輸出2A電流時，直流電源回饋功能可達14.3W，同時系統對輸入直流電壓、逆變輸出電壓與電流進行實時監測，具有性能可靠，調整速度快，精度高，輸出紋波小等優點。

能量回饋實驗；STM32F429；同步升壓；PID控制

隨著芯片在國民經濟中所占地位的不斷提高，依靠其生存的電子設備的應用得到了廣泛的發展，但是隨之而來的是電子設備負載所帶來的能耗問題日益凸顯，如何將電子設備電路中的負載耗散的能量進行回收利用則成為了當代電子技術一個亟待解決的重要問題[1]。國內外對此方向的研究從未止步，例如電梯領域的四象限運行技術方案、工業設備領域的能量回收系統等裝置[2]。對大容量電梯中的能量回收裝置以及電力機車能量回饋技術的研究也是熱情不減[3-4]。但是，這些傳統方案存在再生裝置價格昂貴，部分設備對電網質量要求較高的問題，使其應用在一般的小型電子產品中難以被接受并推廣。針對上述問題，為提高電能利用率，有效解決變流器帶載時的能量耗散問題，本文通過實驗設計出一種基于STM32控制器的能量回饋系統[5]。

1 系統整體設計

本系統裝置主要通過逆變電路、整流電路和一個升壓器級聯組成。該能量回饋系統裝置用來輸出50Hz、2A的單相正弦交流電。以STM32F429為整個系統的控制核心，能夠有效加快運算速度。系統采用雙閉環電路經過電壓、電流采樣并將采集的數值返回給控制器進行PID調節，同時通過可觸摸屏進行人機交互。系統的結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

系統采樣用單片機STM32F429產生SPWM波，這種方案具有很高的靈活性，同時借助驅動芯片也可以獲得很強的驅動能力，節約了大量外部電路，可減輕整體重量，并且該方案產生的波形效果非常理想，缺點是軟件設計上稍顯復雜，對反饋要求很高，產生SPWM波需要進行大量的計算，故選用單片機STM32F429來產生SPWM波，再經過數字耦合器進行隔離，來實現對整個電路的控制。

電流內環的控制結構如圖2所示：

圖2 電流內環控制結構

圖2所示結構的傳遞函數為：

電壓外環的控制結構如圖3所示：

圖3 電壓外環控制結構

圖3所示結構的傳遞函數為：

通過傳遞函數和控制結構圖可以更加清晰地表達該裝置是通過雙閉環反饋控制系統的自適應功能來降低最大超調量。加入了PID算法的電壓超調量更小，波形平滑度更好。兩路PID閉環控制，使輸出電壓與電流穩定無靜差。

2 各模塊電路設計分析與實現

設計電路包括逆變電路、整流電路、升壓電路、輔助電源等部分。在逆變器電路中，將由驅動芯片LM5104輸出的兩路驅動信號經過驅動電阻分別輸入高邊和低邊的開關管，MOSFET的源極經過LC濾波后進行輸出。經過整流、PFC校正、升壓后把能量回饋到輸入[6]。

2.1 逆變電路設計

2.1.1 逆變電路的電路原理

傳統的半橋逆變器雖然電路結構簡單，使用器件少，但是其輸出電壓的幅值只有輸入電壓的1/2，對系統的轉換效率造成了影響[7]。而電流型逆變器直流側的電流脈動小，且不需要給開關管反并聯泄放二極管，但是其直流回路存在高阻抗和換流方式復雜的問題，難免會提高電路控制的復雜程度和電磁干擾。為避免上述問題，本文在處理變流器1時采用了電壓型逆變器并結合全橋逆變電路進行設計。將直流電輸入給逆變器變成交流電，然后通過連接單元進行切換，通過隔離后把電流輸入給整流器，再通過功率因數校正，然后通過DC-DC升壓回饋給逆變器的輸入端，實現最終的能量回饋[8]。逆變電路結構圖如圖4所示。

圖4 逆變主電路

圖5 整流電路

2.1.2 器件的選擇

（1）開關管的選擇。CSD19535KCS是耐壓值100V的N溝道功率開關管，它的導通電阻只有3.1mΩ，較高的耐壓值可以保證開關管不被擊穿，導通電阻非常小可以大大的減少功率損耗，提高電路的效率，因此選擇CSD19535KCS。

（3）電容的選擇。電容具有儲能、濾波的作用，在電源的兩端要接去耦電解電容并且它的耐壓值要留1-2倍余量，同時旁邊并聯一個瓷片小電容，電容值為4.7uF時，加強去耦效果，使電路更加穩定工作。

2.2 整流電路的設計

芯片LT4320是理想二極管橋接器，驅動4個MOS管，支持從直流到600 Hz的電壓校正。如果電源故障或短路，快速關閉使反向電流瞬變最小化。而LT4320是為直流到600 Hz的典型電壓整流而設計的[9]。根據MOSFET的大小和操作負載電流，可以實現更高的操作頻率。整流電路結構如圖5所示。

2.3 Boost電路設計

Boost電路是能量回饋裝置中的另一重要組成部分，可以提高并且穩定回饋給逆變電路直流電壓，避免因并網的輸入電壓不夠穩定而造成第1級電路無法帶載。在圖5的電路結構中，輸入電壓經整流電路整流后接入，C3、C4和C1是濾波電容，輸出使用電阻分壓采樣。在程序設計中，PWM必須設定一個合理的最大值，否則有可能出現上電瞬間電源短路和輸出電壓過大而擊穿儲能電容等情況。Boost電路結構如圖6所示。

圖6 Boost電路

圖7 電壓電流采樣電路

2.4 電壓和電流采樣反饋

電壓與電流采樣使用互感采樣逆變參數方式，這樣可以隔離采樣電路和大電路，減少了對電路環路的影響[10]。然后接一信號放大器，調整增益后，送入OPA350，控制器對采樣數據分組并進行軟件中值濾波和平均值濾波處理；最后進入PID調節模式。以上過程利用HWCT102電流互感器和KTV19電壓互感器實現。利用這兩個互感器分別對電流和電壓進行采樣，然后進行整流以及濾波，再將所得信號輸入單片機進行反饋。該方案使前級電路和后級電路實現隔離，有效的防止二者相互干擾，使電路輸出更加穩定。將采樣后的信號經過電流互感器進行隔離，經過電感濾波，二極管整流，電容濾波后輸出。將采樣后的信號經過電壓互感器進行隔離，經過電感濾波，二極管整流，電容濾波后輸出。電壓電流采樣電路圖如圖7所示。

2.5 MOS管驅動電路

大功率開關管驅動電路一般是采用自舉方式來實現。通過分析可知，C2自舉電容一直處在充放電狀態，在逆變器中，將由單片機STM32F429產生的SPWM波的一路信號輸入芯片ISO7220進行光耦隔離[11]。再將產生的兩路信號分別輸入驅動芯片LM5104中的高邊輸入和低邊輸入中，將產生的兩路信號分別輸入高邊MOSFET和低邊MOSFET中：采用芯片LM5104來實現。LM5104是高壓、高速功率開關管驅動器[12]。能同時驅動開關管高邊與低邊輸入。驅動能力強，效率高。驅動電路結構如圖8所示。

圖8 驅動電路

3 系統測試結果與分析

表1 逆變電路性能測試

由測量數據可以看出，輸出最大電壓為25.02V，輸出最小電壓為24.98V，波動范圍是0.04V。

（2）逆變電路頻率特性測試：在工作條件(1)的工作條件下，變流器1輸出交流電的頻率范圍可設定為20Hz-100Hz，步進1Hz（見表2）。

表2 逆變電路頻率特性測試

由表2數據可以看出，交流電頻率進行步進時，電壓波動仍然在測試允許范圍內，電路工作穩定。

（3）能量回饋性能測試：直流電源輸出功率測試方法：在輸出電壓是25V的情況下輸出電流為2A，實現能量反饋，要求2A，50W輸出時，效率盡可能高（見表3）。

由表3測量數據可以看出，當輸入電壓為39.80V，輸入電流為0.36A時，在保證輸出電流為2A的條件下，回饋補償的功率達到最大，為14.328W。

表3 能量回饋裝置補償功率測試

4 結論

本文針對變流器負載時出現的能量耗散問題，設計了一個能量回饋實驗裝置。該裝置通過HMI串口屏進行顯示，通過觸摸進行控制，可手動設置逆變頻率，輸出電壓值及電流值，并且同時觀測到此時PWM波的正占空比，還可以與上位機進行互動，方便校準，從而使電路更加完善，精準。本次設計在電流電壓穩定時采用PID算法，使得電路更加穩定，還運用PFC功率因數校正，使電路的功率因素和效率得到有效提高。整流部分采用LT4320整流芯片控制CSD19535的開關從而達到整流的效果，從一定程度上提高了整流部分效率。該能量回饋系統通過兩個變流器實現能量回饋，采用隔離變壓器來保證兩個直流輸入電壓輸入值相等，以防止電流倒灌的現象。整體來說，該實驗裝置輸出效率高，電壓波動范圍小，且能步進可調，較好地解決了逆變器帶負載時出現能量耗散問題。

[1] 耿名強. 能量回饋型不間斷電源淺析[A]. 天津市電子工業協會2002年年會論文集[C]. 天津市電子工業協會, 2020. 89-92.

[2] 李穎聰. 一種能量回收系統實訓臺: CN107293208A[P]. 2017-10-24.

[3] 馬小亮. 調速用交-直-交電壓型變頻器的幾個應用問題[J]. 電氣傳動, 2020, 50(01): 3-13.

[4] 蔡瑤峰, 葉亮, 李懷珍. 電梯驅動系統測試臺設計[J]. 電機與控制應用, 2019, 46(07): 89-93.

[5] 曹斌. 基于模糊神經網絡和D-S證據理論的三電平四象限變頻器主電路健康診斷策略[D]. 鄭州：河南理工大學, 2019.

[6] 趙振偉, 李夢涵. 基于PFC技術的變流器負載能量回饋裝置的設計[J]. 電工技術, 2019, (16): 136-138.

[7] 王楚哲, 陳麒, 胡衛冬, 等. 一種變流器負載試驗中的能量回饋裝置方案[J]. 電子制作, 2019, (Z1): 18-20.

[8] 耿志清, 王林, 郜亞秋, 等. 地鐵能量回饋變流器直流電壓波動抑制研究[J]. 電力電子技術, 2019, 53(01): 61-64.

[9] Linear推出一款用于9V至72V系統的理想二極管橋控制器LT4320[N]. 電子報, 2013-07-07(011).

[10] Badiea S. Babaqi, Mohd S. Takriff, Nur Tantiyani A. Othman, et al. Yield and energy optimization of the continuous catalytic regeneration reforming process based particle swarm optimization[J]. Energy, 2020, 206.

[11] 吳俊, 陳俊. 三電平逆變器直流過電壓成因分析與預防措施[J]. 冶金動力, 2020, (07): 1-4+13.

[12] 臧延峰, 陳暢, 常昌遠, 等. 一種基于數字邏輯控制的低損耗雙半橋驅動芯片[J]. 微電子學, 2020, 50(02): 176-183.

Energy Feedback Experimental System Based on STM32

MA Shuang-bao1,2, HU Jiang-yu1, JIA Shu-lin1, GAO Meng-yuan1, XUE Yong1,2

(1. School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China; 2. The Goverment key Laboratory of Digital Textile Equipment of Hubei Provence, Wuhan Hubei 430200, China)

In order to solve the problem of energy dissipation caused by loads in electronic devices, this paper develops an experimental device for energy feedback in inverter circuits. The system uses an STM32F429 as the main controller to reverse the input DC voltage to 25V, 50Hz sinusoidal AC voltage, with a maximum current up to 2A, and an inverter frequency of 20-100Hz in steps of 1Hz; the energy feedback part of the inverter output is fed into the input DC power supply by an isolation transformer, rectifier with PFC function, synchronous DC/DC boost and other circuits. In order to achieve the energy feedback function of the inverter circuit. The system has been tested with energy feedback function, in the inverter output 2A current, DC power supply feedback function up to 14.3W, while the system on the input DC voltage, inverter output voltage and current real-time monitoring, with reliable performance, fast adjustment, high precision, small output ripple and other advantages.

Energy feedback experiment; STM32F429; synchronous boost; PID control

馬雙寶（1979-），男，副教授，博士，研究方向：智能檢測與控制.

湖北省數字紡織裝備重點實驗室項目（DTL2018023）；湖北省高校學生工作精品項目和實踐育人特色項目（2019XGJPB2009）.

TM46

A

2095－414X(2020)06－0003－05