馬雙寶，胡江宇，賈樹(shù)林，高夢(mèng)圓，薛 勇

基于STM32的逆變能量回饋實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

馬雙寶1,2，胡江宇1，賈樹(shù)林1，高夢(mèng)圓1，薛 勇1,2

（1. 武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430200；2. 湖北省數(shù)字紡織裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430200）

為解決電子設(shè)備中負(fù)載帶來(lái)的能量耗散問(wèn)題，本文研制逆變電路中能量回饋實(shí)驗(yàn)裝置。該系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)20-100Hz范圍內(nèi)步進(jìn)1Hz的功能；能量回饋部分將逆變輸出經(jīng)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(shí)現(xiàn)逆變電路的能量回饋功能。經(jīng)測(cè)試該系統(tǒng)具有能量回饋功能，在逆變輸出2A電流時(shí)，直流電源回饋功能可達(dá)14.3W，同時(shí)系統(tǒng)對(duì)輸入直流電壓、逆變輸出電壓與電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有性能可靠，調(diào)整速度快，精度高，輸出紋波小等優(yōu)點(diǎn)。

能量回饋實(shí)驗(yàn)；STM32F429；同步升壓；PID控制

隨著芯片在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中所占地位的不斷提高，依靠其生存的電子設(shè)備的應(yīng)用得到了廣泛的發(fā)展，但是隨之而來(lái)的是電子設(shè)備負(fù)載所帶來(lái)的能耗問(wèn)題日益凸顯，如何將電子設(shè)備電路中的負(fù)載耗散的能量進(jìn)行回收利用則成為了當(dāng)代電子技術(shù)一個(gè)亟待解決的重要問(wèn)題[1]。國(guó)內(nèi)外對(duì)此方向的研究從未止步，例如電梯領(lǐng)域的四象限運(yùn)行技術(shù)方案、工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域的能量回收系統(tǒng)等裝置[2]。對(duì)大容量電梯中的能量回收裝置以及電力機(jī)車能量回饋技術(shù)的研究也是熱情不減[3-4]。但是，這些傳統(tǒng)方案存在再生裝置價(jià)格昂貴，部分設(shè)備對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量要求較高的問(wèn)題，使其應(yīng)用在一般的小型電子產(chǎn)品中難以被接受并推廣。針對(duì)上述問(wèn)題，為提高電能利用率，有效解決變流器帶載時(shí)的能量耗散問(wèn)題，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)出一種基于STM32控制器的能量回饋系統(tǒng)[5]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)裝置主要通過(guò)逆變電路、整流電路和一個(gè)升壓器級(jí)聯(lián)組成。該能量回饋系統(tǒng)裝置用來(lái)輸出50Hz、2A的單相正弦交流電。以STM32F429為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，能夠有效加快運(yùn)算速度。系統(tǒng)采用雙閉環(huán)電路經(jīng)過(guò)電壓、電流采樣并將采集的數(shù)值返回給控制器進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，同時(shí)通過(guò)可觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)采樣用單片機(jī)STM32F429產(chǎn)生SPWM波，這種方案具有很高的靈活性，同時(shí)借助驅(qū)動(dòng)芯片也可以獲得很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，節(jié)約了大量外部電路，可減輕整體重量，并且該方案產(chǎn)生的波形效果非常理想，缺點(diǎn)是軟件設(shè)計(jì)上稍顯復(fù)雜，對(duì)反饋要求很高，產(chǎn)生SPWM波需要進(jìn)行大量的計(jì)算，故選用單片機(jī)STM32F429來(lái)產(chǎn)生SPWM波，再經(jīng)過(guò)數(shù)字耦合器進(jìn)行隔離，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電路的控制。

電流內(nèi)環(huán)的控制結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)

圖2所示結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)為：

電壓外環(huán)的控制結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 電壓外環(huán)控制結(jié)構(gòu)

圖3所示結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)為：

通過(guò)傳遞函數(shù)和控制結(jié)構(gòu)圖可以更加清晰地表達(dá)該裝置是通過(guò)雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的自適應(yīng)功能來(lái)降低最大超調(diào)量。加入了PID算法的電壓超調(diào)量更小，波形平滑度更好。兩路PID閉環(huán)控制，使輸出電壓與電流穩(wěn)定無(wú)靜差。

2 各模塊電路設(shè)計(jì)分析與實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)芯片LM5104輸出的兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電阻分別輸入高邊和低邊的開(kāi)關(guān)管，MOSFET的源極經(jīng)過(guò)LC濾波后進(jìn)行輸出。經(jīng)過(guò)整流、PFC校正、升壓后把能量回饋到輸入[6]。

2.1 逆變電路設(shè)計(jì)

2.1.1 逆變電路的電路原理

傳統(tǒng)的半橋逆變器雖然電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率造成了影響[7]。而電流型逆變器直流側(cè)的電流脈動(dòng)小，且不需要給開(kāi)關(guān)管反并聯(lián)泄放二極管，但是其直流回路存在高阻抗和換流方式復(fù)雜的問(wèn)題，難免會(huì)提高電路控制的復(fù)雜程度和電磁干擾。為避免上述問(wèn)題，本文在處理變流器1時(shí)采用了電壓型逆變器并結(jié)合全橋逆變電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。將直流電輸入給逆變器變成交流電，然后通過(guò)連接單元進(jìn)行切換，通過(guò)隔離后把電流輸入給整流器，再通過(guò)功率因數(shù)校正，然后通過(guò)DC-DC升壓回饋給逆變器的輸入端，實(shí)現(xiàn)最終的能量回饋[8]。逆變電路結(jié)構(gòu)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(kāi)關(guān)管的選擇。CSD19535KCS是耐壓值100V的N溝道功率開(kāi)關(guān)管，它的導(dǎo)通電阻只有3.1mΩ，較高的耐壓值可以保證開(kāi)關(guān)管不被擊穿，導(dǎo)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(chǔ)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(shí)旁邊并聯(lián)一個(gè)瓷片小電容，電容值為4.7uF時(shí)，加強(qiáng)去耦效果，使電路更加穩(wěn)定工作。

2.2 整流電路的設(shè)計(jì)

芯片LT4320是理想二極管橋接器，驅(qū)動(dòng)4個(gè)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(guān)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(shè)計(jì)的[9]。根據(jù)MOSFET的大小和操作負(fù)載電流，可以實(shí)現(xiàn)更高的操作頻率。整流電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.3 Boost電路設(shè)計(jì)

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(wěn)定回饋給逆變電路直流電壓，避免因并網(wǎng)的輸入電壓不夠穩(wěn)定而造成第1級(jí)電路無(wú)法帶載。在圖5的電路結(jié)構(gòu)中，輸入電壓經(jīng)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(shè)計(jì)中，PWM必須設(shè)定一個(gè)合理的最大值，否則有可能出現(xiàn)上電瞬間電源短路和輸出電壓過(guò)大而擊穿儲(chǔ)能電容等情況。Boost電路結(jié)構(gòu)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(shù)方式，這樣可以隔離采樣電路和大電路，減少了對(duì)電路環(huán)路的影響[10]。然后接一信號(hào)放大器，調(diào)整增益后，送入OPA350，控制器對(duì)采樣數(shù)據(jù)分組并進(jìn)行軟件中值濾波和平均值濾波處理；最后進(jìn)入PID調(diào)節(jié)模式。以上過(guò)程利用HWCT102電流互感器和KTV19電壓互感器實(shí)現(xiàn)。利用這兩個(gè)互感器分別對(duì)電流和電壓進(jìn)行采樣，然后進(jìn)行整流以及濾波，再將所得信號(hào)輸入單片機(jī)進(jìn)行反饋。該方案使前級(jí)電路和后級(jí)電路實(shí)現(xiàn)隔離，有效的防止二者相互干擾，使電路輸出更加穩(wěn)定。將采樣后的信號(hào)經(jīng)過(guò)電流互感器進(jìn)行隔離，經(jīng)過(guò)電感濾波，二極管整流，電容濾波后輸出。將采樣后的信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓互感器進(jìn)行隔離，經(jīng)過(guò)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(qū)動(dòng)電路

大功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路一般是采用自舉方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)分析可知，C2自舉電容一直處在充放電狀態(tài)，在逆變器中，將由單片機(jī)STM32F429產(chǎn)生的SPWM波的一路信號(hào)輸入芯片ISO7220進(jìn)行光耦隔離[11]。再將產(chǎn)生的兩路信號(hào)分別輸入驅(qū)動(dòng)芯片LM5104中的高邊輸入和低邊輸入中，將產(chǎn)生的兩路信號(hào)分別輸入高邊MOSFET和低邊MOSFET中：采用芯片LM5104來(lái)實(shí)現(xiàn)。LM5104是高壓、高速功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)器[12]。能同時(shí)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管高邊與低邊輸入。驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，效率高。驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 驅(qū)動(dòng)電路

3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析

表1 逆變電路性能測(cè)試

由測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，輸出最大電壓為25.02V，輸出最小電壓為24.98V，波動(dòng)范圍是0.04V。

（2）逆變電路頻率特性測(cè)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(shè)定為20Hz-100Hz，步進(jìn)1Hz（見(jiàn)表2）。

表2 逆變電路頻率特性測(cè)試

由表2數(shù)據(jù)可以看出，交流電頻率進(jìn)行步進(jìn)時(shí)，電壓波動(dòng)仍然在測(cè)試允許范圍內(nèi)，電路工作穩(wěn)定。

（3）能量回饋性能測(cè)試：直流電源輸出功率測(cè)試方法：在輸出電壓是25V的情況下輸出電流為2A，實(shí)現(xiàn)能量反饋，要求2A，50W輸出時(shí)，效率盡可能高（見(jiàn)表3）。

由表3測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)輸入電壓為39.80V，輸入電流為0.36A時(shí)，在保證輸出電流為2A的條件下，回饋補(bǔ)償?shù)墓β蔬_(dá)到最大，為14.328W。

表3 能量回饋裝置補(bǔ)償功率測(cè)試

4 結(jié)論

本文針對(duì)變流器負(fù)載時(shí)出現(xiàn)的能量耗散問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一個(gè)能量回饋實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置通過(guò)HMI串口屏進(jìn)行顯示，通過(guò)觸摸進(jìn)行控制，可手動(dòng)設(shè)置逆變頻率，輸出電壓值及電流值，并且同時(shí)觀測(cè)到此時(shí)PWM波的正占空比，還可以與上位機(jī)進(jìn)行互動(dòng)，方便校準(zhǔn)，從而使電路更加完善，精準(zhǔn)。本次設(shè)計(jì)在電流電壓穩(wěn)定時(shí)采用PID算法，使得電路更加穩(wěn)定，還運(yùn)用PFC功率因數(shù)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(kāi)關(guān)從而達(dá)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(tǒng)通過(guò)兩個(gè)變流器實(shí)現(xiàn)能量回饋，采用隔離變壓器來(lái)保證兩個(gè)直流輸入電壓輸入值相等，以防止電流倒灌的現(xiàn)象。整體來(lái)說(shuō)，該實(shí)驗(yàn)裝置輸出效率高，電壓波動(dòng)范圍小，且能步進(jìn)可調(diào)，較好地解決了逆變器帶負(fù)載時(shí)出現(xiàn)能量耗散問(wèn)題。

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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(cè)與控制.

湖北省數(shù)字紡織裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（DTL2018023）；湖北省高校學(xué)生工作精品項(xiàng)目和實(shí)踐育人特色項(xiàng)目（2019XGJPB2009）.

TM46

A

2095－414X(2020)06－0003－05