ARM(STM32F107)的全數(shù)字控制逆變器設(shè)計

1.系統(tǒng)總體方案

1.1 總體設(shè)計框圖

如圖1 所示，逆變器系統(tǒng)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DC12V經(jīng)過升壓電路升壓、整流和濾波后得到約DC170V高壓直流電，然后經(jīng)全橋逆變電路DC/AC轉(zhuǎn)換和LC濾波器濾波后得到AC110V的正弦交流電。

逆變器以ARM控制器為控制核心，輸出電壓和電流的反饋信號經(jīng)反饋電路處理后進入ARM處理器的片內(nèi)AD,經(jīng)AD轉(zhuǎn)換和數(shù)字PI運算后，生成相應(yīng)的SPWM脈沖信號，改變SPWM的調(diào)制比就能改變輸出電壓的大小，從而完成整個逆變器的閉環(huán)控制。

1.2 SPWM方案選擇

1.2.1 PWM電源芯片方案

采用普通的PWM電源控制芯片，如SG3525,TL494,KA7500等，此類芯片的優(yōu)點是能夠直接的產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，但是它缺點是波形線性不好，而且振蕩發(fā)生器是依賴充放電電路而產(chǎn)生波形，當要PWM芯片產(chǎn)生SPWM信號需要附加額外很多電路。

1.2.2 CPU軟件方案

采用CPU產(chǎn)生SPWM脈沖，如單片機、ARM或DSP等，此種方法的優(yōu)點是脈寬可以通過軟件的方式來調(diào)節(jié)，不僅精度較高，而且外圍電路也很簡單便宜。

終上所述，選擇STM32F107(ARM)完成SPWM脈沖的產(chǎn)生和整個逆變器的控制。2.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 CPU控制器

CPU是整個逆變器的核心部分，主要負責(zé)反饋信號的采集、數(shù)字PI閉環(huán)計算、PWM波輸出、參數(shù)設(shè)置和外部通信。CPU采用的是ST公司最新推出的STM32F107系列ARM芯片。該系列芯片采用ARM公司32位的Cortex M3為核心，最高主頻為72MHz,Cortex核心內(nèi)部具有單周期的硬件乘法和除法單元，所以適合用于高速數(shù)據(jù)的處理。芯片具有三個獨立的轉(zhuǎn)換周期，最低為1μs的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，三個獨立的數(shù)模轉(zhuǎn)換器帶有各自獨立的采樣保持電路，所以特別適合三相電機控制、數(shù)字電源和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。芯片還帶有豐富的通訊單元，包括1個以太網(wǎng)接口、5個異步串行接口、1個USB從器件、1個CAN器件、I2C和SPI等模塊。

2.2 驅(qū)動和逆變電路

逆變主電路如圖2所示采用基于H橋的單相全橋逆變電路。單相全橋逆變電路主要由Q1、Q2、Q3、Q4四個MOSFET構(gòu)成。在AC于OUT之間如果加入負載就構(gòu)成了逆變回路?？刂芉1、Q2、Q3、Q4按一定的順序?qū)ā⒔刂咕湍軌虻玫剿恼也ㄐ巍?/p>

對于本設(shè)計，開關(guān)管的選擇主要以它的額定電壓和額定電流為依據(jù)。這里選擇額定電壓為500V,額定電流為20A的IRFP460N溝道增強型MOS管為開關(guān)管?？蓾M足設(shè)計的要求。為了限制MOSFET門極的驅(qū)動電流，需要在門極串聯(lián)限流電阻，防止由過流導(dǎo)致的器件損壞。

2.3 濾波電路

經(jīng)過兩路SPWM信號的驅(qū)動在負載電阻上產(chǎn)生的電壓波形是按正弦規(guī)律變化的方波。它是一個雙極性的SPWM波形。實際需要的是頻率為50Hz的正弦波，因此需要將SPWM波進行濾波。一般的PWM逆變器采用LC低通濾波器。對于LC濾波器的設(shè)計，首先考慮濾波器的截止頻率，LC濾波器的截止頻率見式(1)。

綜合考慮濾波器輸出電壓諧波失真度、系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)以及體積、重量等因素，選取截止頻率。