三相逆变电源设计

••ELECTRONICSWORLD・技术交流三相逆变电源设计广东工程职业技术学院饶光洋薛金水【摘要】随着社会的发展人民生活水平的不断提高来，不间断电源系统在不同的领域越来越被广泛的使用，以保证对电源有特殊要求的场合提供不间断的供电。如银行电脑系统、军事方面的通讯系统、医疗应急服务等系统。而电源逆变器是可以提供具有输出高质量电压波形的电力设备，设计一种高效稳定的电源逆变器就显得很有必要了。应用当今高速发展的处理器来设计和控制逆变器是将来逆变器发展的主要方向。文章主要介绍了基于STM32系列微控制器控制生成SPWM信号的设计方法，采用STM32F103RC微处理器的PWM输出模式控制输出SPWM波形，实现了三相SPWM互补输出，能够满足逆变电源系统的要求。【关键词】逆变器；SPWM；STM321引言当今是全球经济一体化的格局，信息技术高速发展产业链不断扩展，这些对当今的社会和经济的发展都产生的深远的影响，甚至渗透我们生活的各个方面。当下已为人们广泛的意识到的事实是：通信设备以及计算机等设备都是非线性负载的设备，他们在运行过程中产生的很多的“谐波污染”，这种谐波可以轻松的通过电源线路传入普通电网的造成供电网络电源的质量下降。如果电网中的电源质量得不到改善，这些谐波可能会引起电网的电压和频率急剧波动，有可能导致处理器计算结果错误甚至损坏硬件设备的严重后果。在某些对电源有特殊的部门和机构，比如：医用临床系统，电信和移动电话通信系统，国防航空管理系统，银行结算系统和证券交易系统中的计算机网络通信系统，售票系统和公路铁道调度等都需要可靠的高质量电源支持，而不间断电源系统UPS就在这些领域和场合被越来越广泛地采用。2系统整体方案设计框图图2.1逆变装置系统结构框图2.1主电路拓扑结构全桥逆变结构是逆变器在主电路常用的拓扑电路，如图2.2所示，全桥逆变电路具有机构简单高效的能量转化特性，因此在逆变器中得到广泛应用，该器件低电压下可以工作，不依赖变压器参与逆变。图2.2逆变拓扑2.1.1输出滤波器电源输出部分采用LC滤波。参数计算[1]如下：（1）参数逆变拓扑输出电感电流纹波最大值：由此可得，在倍频之后等效开关频率fS=40kHz。关于等效开关频率的选择请见2.2节。一般地，应满足下式要求：其中为逆变器最大输出功率，为输出电压有效值。依题目要求，得到：。得到：。为降低THD，取。（2）参数根据LC截止频率确定滤波电容的容值：得到。为了有效的抑制低次谐波，电容Cf一般是比理论值要大5~7倍效果会比好。通过计算这里Cf•0•ELECTRONICSWORLD・技术交流取值为10uF。2.1.2输入解耦电容恒定的直流电流是逆变电源的先决基本条件，逆变器需要输出与市交流电一样频率和幅度的电压，在直流输入端Ud并联容量较大的电解电容Cin可以保证系统在带负荷情况下的稳定性。2.2SPWM调制方式SPWM调制方式主要有：①双极性调制；②单极性调制；③倍频调制，这三种方式可以应用于全桥逆变电路。通过对上诉三者比较，其中倍频调制有明显的优势。首先倍频调制支持Ud、0和-Ud这三种输出电平，同在等开关频率下所需要的滤波电感也是最小这样有利于控制成本，而且dv/dt较小，在设备工作的过程中产生的EMI干扰较小；其次倍频调制输出在相同载波频率时，由于每个载波频率周期输出的脉冲个数是加倍的，其含有的谐波成分大幅度的减少，这种高频率也进一步实现精准的电压控制。在设计中载波频率：fC=20kHz，等效开关频率：fS=40kHz。2.3正弦指令值产生策略SPWM的全称是脉冲宽度调试，它是通过改变输出方波高低电平的占空比来改变等效的输出电压。被广泛地应用电动机调速的工业自动化自动化控制系统中，工控变频器就是采用这种控制方式。在用软件编程过程中产生正弦指令值可以采用计算和查表两种方法来实现。为了减少系统CPU的资源占用，在本系统中采用查表法。图2.3为了得到平滑的正弦波信号，将一个标准正弦函数四分之一周期均匀的等分成一百份，将每个等份线处对应的位置通过相应的计算得到函数的一个值并把这些值制作成一个一维数组unsingnedcharmode[101]。period和count分别表示当前输出波形的相位和周期。表2.2的几个点的结果，就是由此公式推算出来的，即：(2.1)如果n≥100，则可利用三角函数诱导公式计算。方法如下：(2.2)公式中正弦指令值用ucmd表示，幅度值用A表示。通过上面公式可以计算出各对应点的ucmd,这种方法只需要占用少量的系统资源，并通过简单的计算便可以实现在载波频率不变的条件下得到不同频率正弦指令值。2.4死区时间及其补偿图2.4在逆变桥臂的设计上如图2.4所示，在桥臂上驱动和下管驱动中加入死区时间可以有效的避免桥臂短路直通，图2.6中SPWM波形发生了畸变也就是由于图2.5中阴影就是死区的时间所以造成的，其形成的主要原因分析如下：电感电流方向如图2.4中箭头所示。S1向S2换流时S1是关断的，死区时间对波形没有造成任何影响，因为此时S2仍然是导通的；但是由S2向S1换流时，S2关断后电流仍可以从S2的续流二极管流过，桥臂中点的电压UMN保持为0，直到S1闭合。这样就使得桥臂输出电压不是一条平滑的电压曲线。当电感电流反向时，同样的分析可知死区将导致桥臂输出电压抬高。这样得到的电压曲线有是不平滑的，如图2.6所示,在桥臂输出波形出现了畸形的正弦波，造成这种现象的根源就是死区时间。这是一种低频率的畸形波，LC型输出滤波器对其滤波的效果并不理想。图2.5••ELECTRONICSWORLD・技术交流图2.6为了解决死区电压对波形造成的影响，本设计通过软件的方面对波形进行补偿。补偿的方法是监控流经电感的电流，当电流大于零，按相应比例减小SPWM的调制波占宽比；当电流小于零，则按相应比例增加SPWM的调制波占宽比。经软件的这种矫正，输出波形效果得到明显的改善。3系统硬件设计3.1全桥逆变电路选择全桥逆变电路拓扑电路，使用双极性SPWM进行控制，输出50HZ的正弦波形。全桥逆变电路由两个功率MOSFET组成的桥臂，如图3.1所示。在理论上为MOSFET管的最大承受电压应该是等于电源电压，但考虑到在实际的工作工程中是高频振荡的这会产生高频脉冲电压，为了保证系统的可靠性，MOSFET管需要留一定电压余量，通常设置MOSFET管的耐压为倍电源电压的1.5倍以上，即：图3.1全桥逆变电路设计要求过流保护点，此时流经MOSFET开关管的最大电流约为：根据以上公式的计算，为了控制好成本减少磁通损耗，本设计选用低内阻高耐压的快速开关管IRF630作为逆变器的功率管，实际工作工程发热量很小符合设计要求。3.2开关管驱动电路IR2110是IR公司专用驱动芯片，其电路原理应用图如图3.2所示。该芯片可以同时驱动定两个功率MOSFET管，具有外围电路简单，稳定可靠的特性。图3.2开关管驱动芯片电路4系统软件设计4.1SPWM的生成方法采样方式的确定：在本项目中引用了固定的时间间隔对调制波的大小进行采样的方法称之为规则采样。这种采样法的基本原理是在三角波和正弦波的交点时刻控制功率开关器件的••ELECTRONICSWORLD・技术交流通断，以每两个交点的间隔时间差作为产生SPWM波形的依据，这种生成SPWM的方法称为自然采样法。自然采样法是故障采用种的一种特殊形式有着广泛的应用，而在实际工程应用上为了得到相对的数据，通过多次的采样并应用用模糊算法可以有效的提高精度。4.2SPWM信号产生为了高效的利用CPU的资源在本设计一组一维数组，通过设定STM32F103RC的高级定时器TIM1的相关值，产生三相互补六通道的SPWM驱动信号。如果定时器的时钟的频率为72MHz那么经过的预分频分频后作为时钟周期，载入初值寄存器的数值与比较寄存器的数值不断的进行比较，当两个寄存器的数值相等时对应的IO空发生电平的反转，并向CPU发出中断请求，从而输出SPWM信号。在程序中不断的调用存储器中正弦表的值用于更新寄存器中的值，从而产生正弦曲线所对应的出脉宽。为预分频器TIMx_ARR和TIMx_PSC寄存器赋值即可确定六通道SPWM输出信号的频率fspwm：式中：载波比为采用90或者180，N为SPWM信号的载波比系数。对此，如果要改变通道的互补输出的PWM进行死区配置，可通过改变对寄存器TIMx_BDTR中的值达到改变死区时间的长短。4.3SPWM输出波形测试当载波比设置成90或者是180时，系统工作频率范围0~10KHZ，程序产生的SPWM波和输出电源滤波后产生的正弦波如图4所示。图4SPWM输出和正弦波SPWM三相输出波形中的两相经过低通滤波后的正弦波幅度312伏，频率均为50赫兹，相位差为120度符合设计要求，如图5所示。图5三相输出波形具有三路互补输出的三相SPWM，死区时间设置为125ns，互补波形如图6所示。图6SPWM互补输出波形5结束语文章主要讨论了SPWM波在逆变电源系统的实现过程，并详细介绍了采用微处理器产生SPWM波型的软件编程实现方法。通过电路设计和软件结合，实现SPWM对驱动电路的控制。本设计采用软件编程的方法配合相应的硬件驱动电路产生SPWM驱动信号，在工程项目中通过修改软件改变SPWM的占宽就可应用到各类交流逆变器中，在现实的工程项目中具备很好的参考价值。参考文献[1]徐德鸿,马皓,汪槱生.电力电子技术[M].科学出版社,2007,08.[2]何小艇.电子系统设计[M].浙江大学出版社,2004,08.[3]RaymondA.Mack,Jr.著,谢云祥译.开关电源入门[M].人民邮电出版社,2007,09.[4]郑家龙,王小海,章安元.集成电子技术基础教程[M].高等教育出版社,2002,07.[5]俞杨威,金天均,谢文涛,吕征宇.基于PWM逆变器的LC滤波器[J].机电工程,2007,06.