基于ARM控制的逆變器電源電路設計方案

引言

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，逆變器作為將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能的裝置，在電力供應、可再生能源發(fā)電及不間斷電源系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛應用。ARM微控制器以其高性能、低功耗和豐富的外設接口，成為逆變器控制系統(tǒng)的理想選擇。本文將詳細介紹一種基于ARM控制的逆變器電源電路設計方案，包括主控芯片的選擇、電路結(jié)構(gòu)設計、控制策略及軟件實現(xiàn)等方面。

一、系統(tǒng)總體方案設計

逆變器電源電路主要由升壓電路、逆變電路、控制電路和反饋電路組成。低壓直流電源（如DC12V）經(jīng)過升壓電路升壓、整流和濾波后得到高壓直流電（如DC170V），再經(jīng)全橋逆變電路DC/AC轉(zhuǎn)換和LC濾波器濾波后得到所需的交流電（如AC110V或AC220V）。ARM控制器作為核心控制單元，負責采集輸出電壓和電流的反饋信號，經(jīng)處理后生成相應的SPWM（正弦脈寬調(diào)制）脈沖信號，通過改變SPWM的調(diào)制比來控制輸出電壓的大小，從而實現(xiàn)逆變器的閉環(huán)控制。

二、主控芯片的選擇及作用

1. 主控芯片型號

在逆變器控制系統(tǒng)中，常用的ARM主控芯片包括STM32系列、LPC系列、NXP的LPC系列以及三星的S3C系列等。其中，STM32系列因其高性能、低功耗和豐富的外設接口而備受青睞。以下以STM32F107系列為例進行詳細介紹。

• 型號：STM32F107

• 制造商：意法半導體（STMicroelectronics）

• 核心：基于ARM Cortex-M3內(nèi)核

• 主頻：最高可達72MHz

• 外設接口：包括以太網(wǎng)接口、異步串行接口（USART）、USB接口、CAN接口、I2C接口和SPI接口等

• 特點：高性能、低功耗、豐富的外設接口、易于編程和調(diào)試

2. 主控芯片的作用

• 數(shù)據(jù)采集與處理：通過ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）采集輸出電壓和電流的反饋信號，并進行數(shù)字信號處理，以生成精確的SPWM脈沖信號。

• 控制策略實現(xiàn)：根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，通過數(shù)字PI控制器進行閉環(huán)控制，調(diào)整SPWM脈沖信號的占空比，從而控制輸出電壓的大小和穩(wěn)定性。

• 故障保護與報警：實時監(jiān)測逆變器的工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)過壓、過流、過載等故障情況，立即封鎖PWM脈沖輸出，并通過蜂鳴器或LED指示燈發(fā)出報警信號。

• 人機交互：通過數(shù)碼管或液晶顯示屏實時顯示逆變器的輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流、運行狀態(tài)和故障信息等，方便用戶進行監(jiān)控和管理。

三、電路結(jié)構(gòu)設計

1. 升壓電路

升壓電路主要由推挽升壓電路和升壓變壓器組成。推挽升壓電路采用兩個參數(shù)相同的MOSFET管和升壓變壓器，通過交替導通和截止兩個MOSFET管，將低壓直流電源升壓為高壓直流電。升壓變壓器起到隔離和升壓的作用，確保高壓直流電的穩(wěn)定性。

2. 逆變電路

逆變電路采用全橋逆變電路，由四個MOSFET管（Q1、Q2、Q3、Q4）組成。通過控制這四個MOSFET管按一定的順序?qū)ê徒刂?，可以得到所需的正弦波形交流電。在選擇MOSFET管時，需要考慮其額定電壓和額定電流，以滿足設計需求。

3. 反饋電路

反饋電路主要由霍爾傳感器和運算放大器組成。霍爾傳感器用于采集輸出電壓和電流的信號，并將其轉(zhuǎn)換為電信號輸入到運算放大器中進行放大和濾波處理。處理后的信號通過ADC接口輸入到ARM控制器中進行數(shù)字信號處理。

4. 驅(qū)動電路

驅(qū)動電路用于將ARM控制器輸出的SPWM脈沖信號放大為能夠驅(qū)動MOSFET管的信號。通常采用專用的驅(qū)動芯片（如IR2110）來實現(xiàn)這一功能。驅(qū)動芯片具有高速響應和低功耗的特點，能夠確保MOSFET管的可靠工作。

四、控制策略及軟件實現(xiàn)

1. 控制策略

逆變器控制策略主要包括電壓控制策略和電流控制策略。電壓控制策略通過調(diào)整SPWM脈沖信號的占空比來控制輸出電壓的大??；電流控制策略則通過實時監(jiān)測輸出電流的大小，并根據(jù)需要進行調(diào)整，以確保輸出電流的穩(wěn)定性和精度。

在實際應用中，通常采用電壓和電流雙閉環(huán)控制策略。即先通過電壓控制策略調(diào)整輸出電壓的大小，再通過電流控制策略對輸出電流進行微調(diào)，以實現(xiàn)逆變器的精確控制。

2. 軟件實現(xiàn)

軟件實現(xiàn)部分主要包括ARM控制器的初始化、數(shù)據(jù)采集與處理、控制策略實現(xiàn)、故障保護與報警以及人機交互等功能。

• 初始化：包括時鐘配置、ADC初始化、USART初始化、中斷配置等。

• 數(shù)據(jù)采集與處理：通過ADC接口采集輸出電壓和電流的信號，并進行數(shù)字信號處理，以生成精確的SPWM脈沖信號。

• 控制策略實現(xiàn)：根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，通過數(shù)字PI控制器進行閉環(huán)控制，調(diào)整SPWM脈沖信號的占空比，從而控制輸出電壓的大小和穩(wěn)定性。

• 故障保護與報警：實時監(jiān)測逆變器的工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)過壓、過流、過載等故障情況，立即封鎖PWM脈沖輸出，并通過蜂鳴器或LED指示燈發(fā)出報警信號。

• 人機交互：通過數(shù)碼管或液晶顯示屏實時顯示逆變器的輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流、運行狀態(tài)和故障信息等，方便用戶進行監(jiān)控和管理。

五、實驗驗證與結(jié)果分析

為了驗證上述設計方案的有效性，進行了實驗驗證。實驗結(jié)果表明，該逆變器電源電路能夠穩(wěn)定地輸出所需的交流電，并且具有較高的效率和精度。在負載變化時，輸出電壓和電流能夠迅速調(diào)整并保持穩(wěn)定。此外，該逆變器還具有較好的故障保護功能和人機交互界面，方便用戶進行監(jiān)控和管理。

六、結(jié)論與展望

本文介紹了一種基于ARM控制的逆變器電源電路設計方案，包括主控芯片的選擇及作用、電路結(jié)構(gòu)設計、控制策略及軟件實現(xiàn)等方面。實驗結(jié)果表明，該設計方案具有較高的效率和精度，能夠滿足實際應用需求。未來，可以進一步優(yōu)化控制策略和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，以滿足更廣泛的應用場景。