基于STM32 單片機的逆變器雙閉環控制系統實現方法

李文杰,吳泓江

(陜西理工大學,陜西 漢中 723001)

0 引言

進入21 世紀以來,氣候和能源問題讓各國提出了低碳發展的迫切要求。 以發展可再生能源、節約能源為主題的低碳經濟已經成為人類社會未來發展的主流。 大力發展分布式發電技術是我國電力系統發展的必然趨勢,逆變器作為分布式發電的核心組成部分,在整個微網系統的能量協調方面發揮著重要的作用[1-2]。

1 硬件部分

1.1 系統整體結構示意圖

如圖1 所示,本文采用STM32F4 系列單片機作為主控芯片,系統由調理電路、采樣電路、驅動電路、保護電路、主電路組成[3]。

圖1 系統整體結構

1.2 主電路圖

如圖2 所示,三相逆變器由3 個單相全橋逆變器結構組成,經變壓器隔離組成三相四線制系統,且三相逆變器各相可以獨立控制,其負載可以是線性的也可以是非線性的[4-5]。

圖2 組合式三相逆變器主電路拓撲

圖中,L 為濾波電感,C 為濾波電容,uom(m=a,b,c) 為三相輸出相電壓,iom(m=a,b,c) 為三相電流,iLm為三相逆變器的電感電流[6]。

1.3 組合式三相逆變器的控制方式

組合式三相逆變器由3 個單相逆變器組成,其控制方式很靈活,可以利用控制單相逆變器的方法來進行控制。

三相交流電壓在相位上相差120°,所以通過將一相的交流參考信號分別移相120°和240°的方式來產生三相的參考信號UAref,UBref,UCref。

本文采用電壓、電流雙環的方式進行三相逆變器的閉環控制,能達到對電壓、電流的精確控制,防止因電流不受控而產生大電流損壞系統。 通過SPWM 雙極性調制方式來產生開關脈沖。

1.4 采樣調理電路

傳感器采樣回來的模擬信號含有大量的干擾及噪聲信號,這樣的信號被MCU 接收到并用于系統閉環控制會影響控制系統的性能,所以,必須進行相應的調理以改善采樣信號的質量,并且調理到MCU 模數轉換需要的電壓范圍。 如圖3 所示為調理電路。

圖3 調理電路

1.5 驅動電路

本設計使用IGBT 作為開關器件,IGBT 屬于電壓控制型器件。 一般MCU 輸出的PWM 驅動信號功率有限,不能直接用于驅動開關管,必須進行放大處理,以滿足IGBT 的驅動電壓要求。

圖4 為開關管驅動電路,由光電耦合器及若干電阻、電容穩壓二極管組成。 其所實現的功能為:當DRV信號為低電平的時候電路輸出為負電壓,保證開關管處于關斷狀態;當為高電平的時候才能使PWM 輸出。DRV 信號可以用作硬件電路的保護功能。

圖4 驅動電路

1.6 保護電路

圖5 為系統硬件保護電路,系統硬件保護是逆變器系統最基本的保護,快速實時性是其基本要求。 當系統出現過電流時,LOCK 信號被拉低以封鎖PWM 驅動電路輸出;為考慮系統的安全性,軟件上會實時讀取OC 信號的狀態,當OC 信號出現過流動作電平變化時,軟件上也會進行相應的動作以達到保護系統的目的。

圖5 過流保護電路

2 軟件部分

2.1 系統軟件控制框

圖6 為逆變器雙閉環控制框圖,電壓外環和電流內環。UAref,UBref,UCref分別為移相120°和240°產生的三相輸入參考電壓。 通過與采樣得到的實際三相電壓值進行作差后送入電壓控制器。 電壓控制器的輸出再作為電流環的三相輸入參考電流,經過電流控制器后得到SPWM 的調制波,與三角波比較后產生PWM 驅動開關管。

圖6 系統控制

2.2 MCU 介紹及數字化實現

本設計對STM32F4 單片機的外設資源需求對照如下:

(1)電壓、電流采樣需要6 路,STM32F4 擁有12 路高精度ADC 轉換通道以滿足需求。

(2)IGBT 開關驅動需要12 路,STM32F4 擁有高級定時器TIM1 和TIM8,可以產生8 對帶可調死區的互補PWM 波(即16 路PWM 波)。

(3)STM32F4 主頻高達168 MHz,運算速度更快,可獲得210DMIPS 的處理能力,并集成了單周期DSP 指令和FPU(浮點單元),具有很強的計算能力,可以進行一些復雜的運算和控制。

整個系統設計程序在定時器中斷里面執行,中斷的頻率就是開關管的頻率,即一個中斷周期整個系統進行一次控制運算,開關管開通一次。 一個定時器中斷時間內(即一個開關周期),完成ADC 采樣濾波、三相輸入參考電壓合成、電壓電流環運算、SPWM 發波的工作。

2.3 雙閉環控制

雙閉環控制中,外環采用電壓控制,內環采用電流控制。 將電流環作為內環能快速地實現電流的控制,實現系統的實時保護。

電流內環如圖7 所示,電流環的控制器采用純比例環節,以電感電流iL作為環路的反饋量。 為保證內環的快速性,采用純比例環節。

圖7 電流內環

電壓外環如圖8 所示,電壓外環控制器采用準比例多諧振環節[7],以輸出電容電壓UC作為環路的反饋量。 為抑制輸出電壓中多次諧波擾動,電壓環控制器加入多個諧振頻率處的控制,以提高輸出電壓波形質量,提高電壓THD。

圖8 電壓外環

2.4 程序控制流程

以STM32F4 為核心的系統軟件控制流程如圖9所示。

3 實驗測試與分析

通過搭建實驗平臺,對設計進行了實驗驗證。 實驗參數:系統輸入直流電壓100 Vdc,逆變器輸出電壓30 V;開關頻率10 kHz。 負載為非線性整流橋負載。

圖10 為三相輸出電壓及A 相電流的實驗波形。

圖10 三相輸出電壓波形及A 相電流波形

4 結語

根據以上理論分析和相關實驗結果,本文以STM32F4 為核心控制,以采樣調理電路、驅動電路、保護電路、主電路等構成整個三相逆變器系統;通過雙閉環控制實現了逆變器平穩運行,三相輸出電壓光滑、正弦度好。

該組合式三相逆變器系統,控制靈活簡單,可靈活地實現多機并聯,為分布式發電技術提供必要的支撐。