基于嵌入式芯片STM32的光伏系统逆变器

张晋宁 白伟华

(北方民族大学电气信息工程学院 宁夏 银川 750021)



基于嵌入式芯片STM32的光伏系统逆变器

张晋宁 白伟华

(北方民族大学电气信息工程学院 宁夏 银川 750021)

由于一次能源的过快消耗，环境污染，能源危机等问题愈演愈烈，人类必须开发利用可再生能源。太阳能资源的开发潜能巨大，太阳能这种清洁低成本的能源特别适合电能的可持续发展。目前光伏发电系统逆变器控制芯片多采用8位或16位低功耗单片机，但与带嵌入式操作系统STM32处理器相比，这类控制器的缺点十分明显，如芯片硬件简单，性能较低、可扩展性较差、实时性低，这将导致系统以后升级困难。本文针对现有光伏发电这些不足，本文提出一种基于带uC/OSⅢ操作系统嵌入式芯片STM32的光伏发电系统逆变器。

可再生能源;STM32;光伏发电系统逆变器

一、引言

本文提出一种基于带uC/OSⅢ操作系统嵌入式芯片STM32的光伏发电系统逆变器，光伏发电系统包括光伏电池阵列PV、DC/DC Boost电路、DC/AC 逆变电路、LC滤波电路、工频变压器T、控制器STM32、采样电路和驱动电路。图1为光伏发电系统总体设计图，前级DC/DC电路根据光伏电池输出电压由Boost电路升压后，首先由STM32的ADC模块采集到光伏电池的输出电压，其次经过STM32产生一路PWM波，最后通过PWM产生的PWM波控制Boost电路开关管的通断；后级DC/AC逆变电路的4路SPWM波同样是由该STM32芯片产生，本发明利用了高性能、高精度的STM32处理器，不仅装置实时性好，而且uC/OSⅢ的可移植性好便于以后的升级和扩展。

图1 光伏发电系统总体设计图

二、嵌入式芯片STM32的光伏发电系统硬件设计

STM32的STM32F1系列芯片是一款低成本、低功耗、高性能的32位ARM处理器，主频最高达到72MHz，具有ARM Cortex-M3处理器内核，是针对电力电子、测控和电机控制应用而开发的，其内部集成了丰富的存储器和不同外设模块，其中的高级定时器(2个16位6通道高级控制定时器TIM1、TIM8用于产生SPWM波)、高精度A/D转换器(3个12位A/D转换器，1us转换时间)模块对逆变器控制特别有利。丰富的外设通信接口(5个USART接口、2个I2C接口、3个SPI接口其中2个可用作I2S、1个CAN接口，1个USB2.0全速口，1个SDIO接口)，12通道DMA控制器节省了数据与CPU通信时CPU的使用率，多达112个GPIO口便于后期的升级、扩展和进行移植。本文将片上相关资源合理配置，完成STM32核心控制器的各模块功能。

图2 STM32控制器下系统图

本文用到STM32的外设功能：

GPIO口用于完成管脚配置；高级定时器TIM1、TIM8用于产生带死区的SPWM输出；

通用定时器TIMx用于中断处理数据；DMA控制器用于管理逆变系统相关数据；

看门狗用于复位整个逆变系统；

RTC为逆变系统提供实时时钟，提高系统的实时性；

ADC用于采样电路，将系统模拟采样信号转换数字信号。

三、嵌入式芯片STM32的光伏发电软件系统设计

本文中软件系统设计是核心部分，软件功能比较复杂，各个模块的功能实时性也不相同，对实时性要求低的模块放入主循环实现，实时性要求高的放入中断服务程序。

系统初始化模块：对控制器系统的看门口狗模块、系统时钟模块、采样电路A/D模块、中断服务程序模块等初始化后启动系统。

看门狗模块：看门狗在后台时刻监控逆变系统，当发生故障时，对整个系统进行复位。

采样电路A/D模块：对光伏电压和电流输出的采样、对负载输出的采样。

SPWM生成模块：生成两两互补的4路SPWM信号控制IGBT的导通和关断。

故障检测处理模块：实现系统的检测和保护功能

图3 软件系统流程总体图

如图3先对系统进行初始化，通过采样电路模块由设计的算法检测系统电压、电流作为软件系统输入；如果没有故障报警，软件系统输出是 更新后的SPWM数据，由驱动电路控制功率开关管IGBT开通与关断。其软件系统结构分三层，第一层为底层驱动函数，有SPWM模块驱动、采样电路A/D模块驱动、液晶显示屏驱动模块，串口通信模块；第二层为操作系统层，主要是uCOS-Ⅲ操作系统的内核应用函数，第三层为应用层，主要是一些功能任务函数。软件编译语言采用C语言，软件编译环境为Keil-MDK，在其中对底层驱动层、操作系统层、应用层编写，然后下载到控制器中运行。系统中一些任务功能实现，包括液晶屏显示任务，电压电流检测任务，光伏发电前级DC/AC最大功率点跟踪算法任务，后级DC/AC逆变器SPWM输出任务，通信任务等。

四、结束语

本文针对现有光伏发电这些不足，本文提出一种基于带uC/OSⅢ操作系统嵌入式芯片STM32的光伏发电系统逆变器，解决了控制芯片硬件简单，性能较低、可扩展性较差、实时性低、移植性差、后期升级困难的缺点。

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