基于STM32 单片机的逆变器双闭环控制系统实现方法

李文杰,吴泓江

(陕西理工大学,陕西 汉中 723001)

0 引言

进入21 世纪以来,气候和能源问题让各国提出了低碳发展的迫切要求。 以发展可再生能源、节约能源为主题的低碳经济已经成为人类社会未来发展的主流。 大力发展分布式发电技术是我国电力系统发展的必然趋势,逆变器作为分布式发电的核心组成部分,在整个微网系统的能量协调方面发挥着重要的作用[1-2]。

1 硬件部分

1.1 系统整体结构示意图

如图1 所示,本文采用STM32F4 系列单片机作为主控芯片,系统由调理电路、采样电路、驱动电路、保护电路、主电路组成[3]。

图1 系统整体结构

1.2 主电路图

如图2 所示,三相逆变器由3 个单相全桥逆变器结构组成,经变压器隔离组成三相四线制系统,且三相逆变器各相可以独立控制,其负载可以是线性的也可以是非线性的[4-5]。

图2 组合式三相逆变器主电路拓扑

图中,L 为滤波电感,C 为滤波电容,uom(m=a,b,c) 为三相输出相电压,iom(m=a,b,c) 为三相电流,iLm为三相逆变器的电感电流[6]。

1.3 组合式三相逆变器的控制方式

组合式三相逆变器由3 个单相逆变器组成,其控制方式很灵活,可以利用控制单相逆变器的方法来进行控制。

三相交流电压在相位上相差120°,所以通过将一相的交流参考信号分别移相120°和240°的方式来产生三相的参考信号UAref,UBref,UCref。

本文采用电压、电流双环的方式进行三相逆变器的闭环控制,能达到对电压、电流的精确控制,防止因电流不受控而产生大电流损坏系统。 通过SPWM 双极性调制方式来产生开关脉冲。

1.4 采样调理电路

传感器采样回来的模拟信号含有大量的干扰及噪声信号,这样的信号被MCU 接收到并用于系统闭环控制会影响控制系统的性能,所以,必须进行相应的调理以改善采样信号的质量,并且调理到MCU 模数转换需要的电压范围。 如图3 所示为调理电路。

图3 调理电路

1.5 驱动电路

本设计使用IGBT 作为开关器件,IGBT 属于电压控制型器件。 一般MCU 输出的PWM 驱动信号功率有限,不能直接用于驱动开关管,必须进行放大处理,以满足IGBT 的驱动电压要求。

图4 为开关管驱动电路,由光电耦合器及若干电阻、电容稳压二极管组成。 其所实现的功能为:当DRV信号为低电平的时候电路输出为负电压,保证开关管处于关断状态;当为高电平的时候才能使PWM 输出。DRV 信号可以用作硬件电路的保护功能。

图4 驱动电路

1.6 保护电路

图5 为系统硬件保护电路,系统硬件保护是逆变器系统最基本的保护,快速实时性是其基本要求。 当系统出现过电流时,LOCK 信号被拉低以封锁PWM 驱动电路输出;为考虑系统的安全性,软件上会实时读取OC 信号的状态,当OC 信号出现过流动作电平变化时,软件上也会进行相应的动作以达到保护系统的目的。

图5 过流保护电路

2 软件部分

2.1 系统软件控制框

图6 为逆变器双闭环控制框图,电压外环和电流内环。UAref,UBref,UCref分别为移相120°和240°产生的三相输入参考电压。 通过与采样得到的实际三相电压值进行作差后送入电压控制器。 电压控制器的输出再作为电流环的三相输入参考电流,经过电流控制器后得到SPWM 的调制波,与三角波比较后产生PWM 驱动开关管。

图6 系统控制

2.2 MCU 介绍及数字化实现

本设计对STM32F4 单片机的外设资源需求对照如下:

(1)电压、电流采样需要6 路,STM32F4 拥有12 路高精度ADC 转换通道以满足需求。

(2)IGBT 开关驱动需要12 路,STM32F4 拥有高级定时器TIM1 和TIM8,可以产生8 对带可调死区的互补PWM 波(即16 路PWM 波)。

(3)STM32F4 主频高达168 MHz,运算速度更快,可获得210DMIPS 的处理能力,并集成了单周期DSP 指令和FPU(浮点单元),具有很强的计算能力,可以进行一些复杂的运算和控制。

整个系统设计程序在定时器中断里面执行,中断的频率就是开关管的频率,即一个中断周期整个系统进行一次控制运算,开关管开通一次。 一个定时器中断时间内(即一个开关周期),完成ADC 采样滤波、三相输入参考电压合成、电压电流环运算、SPWM 发波的工作。

2.3 双闭环控制

双闭环控制中,外环采用电压控制,内环采用电流控制。 将电流环作为内环能快速地实现电流的控制,实现系统的实时保护。

电流内环如图7 所示,电流环的控制器采用纯比例环节,以电感电流iL作为环路的反馈量。 为保证内环的快速性,采用纯比例环节。

图7 电流内环

电压外环如图8 所示,电压外环控制器采用准比例多谐振环节[7],以输出电容电压UC作为环路的反馈量。 为抑制输出电压中多次谐波扰动,电压环控制器加入多个谐振频率处的控制,以提高输出电压波形质量,提高电压THD。

图8 电压外环

2.4 程序控制流程

以STM32F4 为核心的系统软件控制流程如图9所示。

3 实验测试与分析

通过搭建实验平台,对设计进行了实验验证。 实验参数:系统输入直流电压100 Vdc,逆变器输出电压30 V;开关频率10 kHz。 负载为非线性整流桥负载。

图10 为三相输出电压及A 相电流的实验波形。

图10 三相输出电压波形及A 相电流波形

4 结语

根据以上理论分析和相关实验结果,本文以STM32F4 为核心控制,以采样调理电路、驱动电路、保护电路、主电路等构成整个三相逆变器系统;通过双闭环控制实现了逆变器平稳运行,三相输出电压光滑、正弦度好。

该组合式三相逆变器系统,控制灵活简单,可灵活地实现多机并联,为分布式发电技术提供必要的支撑。