基于嵌入式系统STM32的三相正弦波交流电源设计与实现

胡玫， 王永喜

(兰州工业学院 电子信息工程学院，甘肃 兰州 730050)

0 引 言

随着我国对环境保护的不断重视，绿色、低碳、循环节能的新兴产业受到追捧。应用在新兴产业中的电源技术则要求有更高的效率、可靠性以及更低的成本，而逆变技术在高效率、低功耗和高精度等方面有突出优点，可广泛地应用于新兴产业中[1]。因此对逆变技术的研究也成为一项重要的研究课题[2-8]。

现设计一款三相纯正弦波交流电源，以低功耗、高速的STM32处理器为核心。逆变驱动主电路采用智能功率模块(IPM)PM30CSJ060。当输入直流电压为36 V时，输出正弦信号频率为50 Hz，负载Y型连接时线电压有效值可达24 V。同时，负载线电流有效值Io在0～2 A间变化时，各相负载调整率不大于0.3%，电能转换效率可达88%。

1 三相纯正弦波电源的系统结构

三相纯正弦波电源由直流电源模块、三相逆变驱动主电路、滤波电路、STM32最小系统、信号隔离电路、正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation,SPWM)信号发生器、电压和电流测量电路及LCD显示等功能电路组成，系统如图1所示。STM32产生正弦波脉宽调制信号(SPWM)，经过光耦隔离电路后控制三相逆变驱动电路(智能功率模块)，通过低通滤波器滤波，最终将直流电压逆变为三相纯正弦波电压信号，负载为纯电阻三相对称Y型连接。电压、电流测量电路测量三相纯正弦波各相电压和电流，并通过STM32后在液晶显示器上显示。

图1 三相纯正弦波电源系统框图

2 功能模块设计

2.1 三相逆变驱动主电路

三相逆变驱动主电路采用三菱公司的智能功率模块(IPM)PM30CSJ060，它不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还包括过电压、过电流和过热等故障检测电路，即使发生负载事故或使用不当，也可以保护自身不受损坏，同时可将检测信号送到处理器，显示具体的故障类型[9]。

PM30CSJ060适合于频率高达20 kHz功率变换场合，内部由6个IGBT单元构成H桥逆变电路，额定电压为600 V、额定电流为15～75 A。6个单元的栅极驱动电路共需4组隔离的电源，其中上桥臂3个单元的栅极驱动电路各用一组独立的直流15 V电源，下桥臂3个单元的栅极驱动电路共用一组直流15 V电源，其内部电路如图2所示。

图2 PM30CSJ060的内部电路

PM30CSJ060各管脚定义为：P为母线直流电源正极；N为母线直流电源负极；U、V、W为U、V和W相交流电压信号输出；VUPI、VVPI、VWPI为U、V和W相上桥臂驱动电源正极；VUPC、VVPC、VWPC为U、V和W相上桥臂驱动电源地；UP、VP、WP为U、V和W相上桥臂信号输入；UFO、VFO、WFO为U、V和W相上桥臂故障输出；VNI下桥臂驱动电源正极；VNC下桥臂驱动电源地；UN、VN、WN分别为U、V、W组下桥臂信号输入；FO下桥臂故障输出[10]。

2.2 信号隔离电路

利用光耦对处理器STM32F103与PM30CSJ060进行隔离，提高系统的安全性和抗干扰性。4个低速光耦PC817的2管脚分别与PM30CSJ060的输出故障信号UFO、VFO、WFO连接，1管脚分别与PM30CSJ060的四组相互隔离的15 V电源连接，4管脚连接处理器STM32F103的I/O口，3管脚都与信号源公共地GND5连接，但GND5与四组相互隔离的15 V电源的地不共地，如图3所示。

图3 PC817光耦电路

处理器STM32F103产生3对互补的SPWM信号经I/O口输出后，再通过高速光耦6N137与PM30CSJ060的UP、VP、WP、UN、VN、WN驱动信号管脚连接，因此需要6个6N137光耦，具体连接如图4所示。其中所有6N137的3管脚都与信号源公共地GND5连接，与UN、VN、WN连接的3个6N137共用一组15 V电源和地。20 kΩ电阻和0.1 μF电容分别为上拉电阻和退耦电容。

图4 6N137驱动电路

2.3 正弦脉宽调制(SPWM)信号发生器

正弦脉冲宽度调制信号采用自然采样法，但不用求得载波和调制波的交点时刻，而是在STM32F103中形成一个正弦表，通过软件查表的方法比较载波与调制波的大小，从而控制脉宽生成6路互补的SPWM信号。此法具有生成的波形接近正弦波和计算量小的优点。

2.4 滤波电路

PM30CSJ060输出的波形需要经过滤波电路滤除高频分量得到正弦信号。在本系统中要滤除的主要是载频ωc=20 kHz、2ωc及其附近谐波，LC-π滤波电路如图5所示。电感采用高频磁环绕制空芯线圈，电容采用无极性涤纶电容。

图5 滤波电路

2.5 电压、电流测量电路

2.5.1相电压有效值测量电路

由于真有效值测量芯片AD637具有测量精度高、相对稳定时间短和频带宽的优点，同时它的输出电压等于待测量电压的真有效值，因此采用该芯片测量三相交流电压的相电压有效值[11]。但AD637的输入电压有效值的测量范围为0～7 V，不能直接测量三相逆变电路输出14 V相电压的有效值。5 mA/5 mA微型电流型电压互感器MH8009PT可将交流高电压转换为交流低电压输出，转换线性度好，精度高，测量电路如图6所示。其中电阻R1、R2为限流和采样电阻，保证电压互感器的一、二次侧电流都为5 mA；AD736的CAV引脚连接33 μF的平均电容，减少波纹电压产生的交流误差，Vout引脚连接STM32F103的ADC1的第8个转换通道(引脚PB0)。

图6 相电压有效值测量电路

2.5.2相电流有效值测量电路

采用电压输出型电流互感器ZMCT102测量相电流有效值。该电流互感器输入的电流与输出的电压呈线性关系，其中一次侧电流与二次侧电流为2 000∶1的关系，因此通过测量电压值可以得到输入的电流值，如图7所示。电流互感器测量大的交流电流信号时与被测电路隔离，对被测电路影响小，具有能耗小、频带宽、信号还原性好和价格便宜等优点。

图7 相电流有效值测量电路

2.6 电源模块

由一路直流稳压电源输出36 V电压信号经过4个DC/DC隔离电源模块SYSY10-24S15后产生4路15 V互相隔离的电源为三相逆变驱动主电路供电，同时由该直流稳压电源连接1个DC/DC隔离电源模块SYSY5-24S05产生±5 V电压分别为AD637和STM32处理器提供±5 V和5 V电源电压。

2.7 STM32最小系统

STM32F103是32位的ARM微控制器，它的外设资源非常丰富，包括ADC、通用定时器、I2C总线接口、SPI接口等，其中:专门为电机控制而设的高级定时器，带有6个死区时间可编程的PWM发生器，因此可编程产生6路互补的SPWM信号驱动IPM；12位模数转换器，实现高速、高精度的模数转换，而不用考虑在控制器的外部单独安排AD转换器。STM32F103的最小系统包括复位、晶振、JTAG和1602液晶显示等单元电路，如图8所示。

图8 STM32F103VBH6最小系统电路

3 软件设计

系统软件流程如图9所示。系统初始化后，延时50 ms后如果没有按键按下则将三相逆变驱动主电路转变出的交流信号波形显示在示波器上，如有按键按下则进行数据处理后将测量的相电压和相电流在液晶显示器1602上显示。

图9 系统流程图

4 测试结果及讨论

直流稳压电源、电流和电压测量电路的稳定性和精度、手工焊接的逆变电路和滤波电路的性能等都会产生测量误差，影响试验结果。

表1 测试结果1

5 结束语

针对逆变电源的缺点，设计一款三相纯正弦波交流电源，当输入直流电压为36 V时，输出正弦信号频率为50 Hz，负载Y型连接时线电压有效值可达24 V。同时，负载线电流有效值Io在0～2 A间变化时，各相负载调整率不大于0.3%，电能转换效率可达88%。