基于STM32的单相逆变器系统的设计和实现

王嗣雄 马红玉

辽宁工业大学电子与信息工程学院 110000

摘要:本设计以STM32单片机为主控芯片，采用SPWM双极调制方式，以单相全桥逆变电路为主电路，实现双逆变器并网供电。提出了一种新的主从控制方法，通过控制主从机SPWM调节的不同速度来实现外电路对内电路电压的电流控制。提出控制系统软启动和过流后重启的思路，保证系统始终处于安全运行状态，并能快速反应。两个单片机之间的通信是通过UART来完成的，实现从电路跟随主电路的输出相位，高精度采样系统的设计采用SPI通信方式实现。

关键词：单相逆变；并联均流；STM32；SPWM

1引言

能源是社会发展的原动力。目前，传统化石燃料仍是现代社会使用的主要能源材料，但目前已探明的储量和消费水平无法估计长期稳定供应。因此，化石燃料造成的能源危机和污染使可再生能源研究成为重中之重。逆变器的工作过程是将光伏板产生的直流电流转换成稳定高效的交流电，可以直接提供给用户。它由逆变器部分、控制部分和输出滤波部分组成。这使得光伏逆变器的研究成为利用太阳能解决能源危机不可缺少的环节，其性能直接影响逆变器的效率和逆变器的能源质量。微型光伏逆变器以其维护方便、安全性高等优点，被广泛应用于分布式单机光伏发电系统中。此外，光伏转换器因其适应不同条件的能力、扩展方便和成本低而在市场上更具竞争力。因此，要保证离网光伏发电系统高效稳定运行，开发一种可靠、高效、经济的微型光伏逆变器就显得尤为重要^[1]。

2并网逆变器系统硬件设计

2.1选择主控芯片

本设计采用标准ARM结构、Cortex-M内核的STM32单片机作为主DSP，专为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用而设计，大大提高了信号处理效率。STM32F103ZET6有60个中断源，可以匹配本系统中的各种外设和控制逻辑。与其他单片机相比，具有功耗低、频率高、操作简单、调试方便、性能稳定性高等优点。微控制器内置的UART和SPI通信模块可以满足系统中主从和交流通信的通信需求。同时适配了内置的TIMER模块和可编程预分频器的输入信号捕捉功能。到这个结构的同步操作定制的6个PWM输出通道和3个占空比发生器提供系统电压的总谐波失真。独特的死区控制设置可显着防止上桥和下桥同时导通。同时，该芯片具有额外的电源管理技术，在效率方面具有很大优势^[2]。本设计中，微电路的所有功能基本开发完毕，触点利用率较高，减少了资源浪费。

2.2传动链驱动电路设计

控制电路的要点是给SPWM提供能量，即让信号有一定的功率达到MOS管的初始电压。本设计采用以IR2103微电路为核心的励磁控制电路。该芯片为高度集成的模块，集成了双通道和控制门，另外该芯片高速高电压，可以简单满足设计要求，轻松驱动后级IRF540开关灯。该芯片广泛应用于MOS管驱动电路和IFBT驱动电路。此处电源电压为5V，电源端并联一个1μF的电解电容进行滤波。C2和D1是自举电容和自举二极管。IRF540后级自举电路中，Ho输出与SPWM信号相同，Lo输出与SPWM信号互补^[3]。

2.3系统接入网络的主电路搭建

本系统主要采用单相全桥逆变电路为主电路，单相全桥逆变电路主要实现直流转交流。SPWM波由单片机产生，分别控制四个MOS灯的开关，然后逆变器得到的交流正弦波从输出端输出。本系统的基本电路是并联两个单相全桥逆变电路。本设计通过比较不同的MOS管，决定采用IRF540开关管作为桥式开关管，MOS管导通时电阻仅为44mΩ。这基本上被认为是理想的电导率状态，最大允许电流可达33 A。系统分别控制IRF540的四个开关Q1、Q2、Q3和Q4，使用四个SPWM控制信号。在一个周期内，使用不同的潮流模式，一个正弦波在输出端产生。通过主从不同的控制方式，对两个逆变电路的开关管的导通进行附加控制，从而得到不同均流方式下的并联电流。单相全桥逆变电路得到的正弦波不纯，含有比较丰富的高频成分，要得到标准的正弦波，必须设计合适的滤波电路，因为正弦波的频率必须为50Hz，因此使用LC滤波器对逆变器进行滤波以形成滤波模块。经过深思熟虑，选择两个4 mH电感和一个10μF CBB电容构成滤波电路。

2.4同步解耦模块设计

该模块是实现两个逆变电路并联均流的关键部分。同步去耦模块包括相位同步部分和隔离部分。锁相的目的是使两台逆变器输出相同的频率和相位。隔离的目的是使微控制器能够安全地采集和计算频率和相位。过零比较器旨在采集每个正弦波的正负变化，然后在单片机输入捕捉模式中捕捉上升沿进行相位跟踪。LM393为双精度电压比较器，将电压比较器的参考电压设为0V，即设计过零比较器，将主机正弦信号连接到电压比较器。0，LM393的方向相反。输出产生一个脉冲信号。由于LM393连接到AC端子，因此绝缘部分是专门设计的。这里选用6N137超高速光耦达到隔离效果。光耦导通间隔仅为60 ns。当LM393的脉冲输出加到6N137输入端时，它会在其输出端产生一个同步的输出信号，不会失真。将这个脉冲信号接到从机的PWM捕捉输入模块，就可以得到正弦波的相位和频率。从机接收到主机输出的正弦波的相位和频率后，首先通过定时器将其输出正弦波的频率设置为相同频率，并在每个过零点重置自己的相位位置以达到阶段追踪。

2.5交流采样模块设计。

本设计中的交流采样过程如下：使用交流电压和电流互感器在变压器的另一侧得到一个减小的交流信号，然后将该信号通过一个差分比例放大电路，然后将信号发送到一个正弦波。RMS计算ATT7022芯片内部计算后通过SPI将RMS信号发送回SoC。

3通信设计系统软件

本系统设计主要使用两个通信模块：UART通信负责主机和从机之间的通信，SPI通信负责单片机和采样模块之间的数据传输。通讯口和UART模块直接集成在单片机中，但由于这种通讯方式的波特率比较慢，不适合传输大量数据，所以本设计仅用它来完成单片机之间标志位的协调单片机。本设计中设计了停止选择位，不设置奇偶校验位，同时ICx引脚输出到捕捉输入，同时禁止环回模式和休眠唤醒功能。使用UxTx和UxRX I/O指南。本设计中UART通信主要用于主从双控，即主接收采样值后，进行计算和比较后，发送给从电流控制标志位。如果需要增加从机电流，则发送“1”，否则发送“0”。

4结语

光伏并网技术是新能源发展的主要技术之一，本系统主要研究了一种基于主从法的单相逆变器并联电流分配的改进方法。以STM32单片机为控制核心，采用双极SPWM调制方式驱动两个单相半桥逆变电路输出正弦交流电。同时，该设计采用了同步模块，因此可以为两个电路并联供电。详细介绍了模块的设计和控制方法，具有良好的扩展性，可随时切换主从功率比，使多个电源高效运行，可在各种场合有效供电。

参考文献：

[1]张晋宁. 基于STM32单相光伏离网逆变器的设计[D]. 北方民族大学.

[2]李加升, 李稳国, 宋歌. 基于STM32的单相正弦波逆变器设计[J]. 湖南城市学院学报:自然科学版, 2017(3).

[3]汤泽坤[1], 唐培和[2], 徐奕奕[2]. 基于Stm32的光伏监控系统的设计[J]. 广西科技大学学报, 2015, 26(004):54-59.

个人简介：王嗣雄 1999.03 男 河北省乐亭县 汉 本科 学生 辽宁工业大学

研究方向:电子信息工程

马红玉1979.08 女 辽宁抚顺 汉 研究生 副教授 辽宁工业大学电子与信息工程学院  研究方向:无线通信网络，物联网，物理层安全