基于ARM32单相逆变电源的设计与实现

李翠花， 潘若云，周泽华，李 瑶

(合肥学院 先进制造工程学院，安徽 合肥 230601)

0 引言

DC-AC逆变电源是从低电压的直流电源中获取交流电能，运用到电子设备中[1],提高人们生产生活的效率[2]。本设计采用ARM32微处理器产生占空比可变的SPWM波,全桥逆变结构，以STM32F103C8T6单片机为控制核心，接收电流和电压的两路闭环反馈，通过调节输出SPWM占空比来控制输出电压波形达到标准正弦电压波形[3-5]，从而得到高效率、高质量的电能。

1 硬件电路设计

1.1 总体方案设计

单相逆变电源系统设计包括ARM32控制电路、IR2109驱动电路、逆变主电路、A/D采样电路(包括电流采集和电压采集)、其他辅助电路和负载。其总体设计框图如图1所示。

图1 总体框图

单相逆变电源主要采用的是全桥逆变结构，通过ARM32微处理器产生两路反向互补SPWM波，将两路反向互补SPWM波分别接入两片IR2109驱动芯片，输出四路互补的SPWM波，四路SPWM波推挽驱动全桥逆变结构中的四个MOS管的导通和截止，完成电压从直流到交流的转换，进而实现逆变的功能。在保护模式下，电流保护采用电压互感器来对输出电流进行检测，将采集的数据传给ARM32；电压保护主要采用电压互感器对输出交流电压进行检测，然后通过四个二极管构成的整流桥，整流后将数据传给ARM32；微处理器通过软件程序将采集的电压、电流与额定值相比较，未达到或超出的部分，通过增加或减小SPWM波的占空比来改变输出电流、电压的幅值，使得电压、电流在安全范围内，以此来保护整个系统的安全。同时将采集到的数据通过软件分析处理后，发送数据到OLED显示屏显示出来。

1.2 关键模块设计

1．逆变主电路设计

逆变主电路是整个逆变电源硬件系统的核心，逆变主电路的设计选择单相全桥式拓扑结构和功率场效应管(MOSEFT)，电路如图2所示。Q1到Q4栅极分别接驱动模块电路后的HO1、LO1、HO2、LO2，VS1、VS2可以看成交流的输入端口；R1、R3、R5、R7是保护电路，取值较小，取值为10欧；R2、R4、R6、R8是为了释放栅极存储的多余电荷，一般取值1～5K；交流输出端的由滤波电感L1、L2与滤波电容C2组成滤波回路，电感和电容能够滤除逆变产生的高次谐波，使得输出交流波形更加平滑。

图2 逆变主电路

2．A/D采样电路

电流采样电路,电流采样电路通过霍尔电流传感器ZMCT102 A来检测全桥逆变电路后的电流，最后将所得数据传回控制器。电流采样电路如图3所示。其中R10为采样电阻，Itrans是电流互感器，采样值通过IFB返回给控制器ARM32。

电压采样电路,选用了互感比例可调的电压互感器ZMPT101B模块，将互感比例调节至2：1，即当输入电压为5V时，互感得到的电压为2.5V，经过整流后，从引脚VFB传给单片机，电路如图3中电压采样电路所示。在整流桥后加了滤波电容和泄放电阻，是为了滤除整流后的高次谐波。电阻阻值越大越好。

1.3 硬件电路设计

逆变电源的硬件电路采用全桥逆变电路，将直流电转化为交流电，硬件电路原理图如图3所示。

图3 硬件电路图

用ARM32产生互补两路SPWM 波形，然后把此SPWM波作为输驱动芯片IR2109，IR2109输出端产生四路反相的SPWM波来控制MOS管导通与截止，从而实现直流到交流的转换。在保护模式中，采用电流传感器进行电流的检测，通过引脚IFB反馈给单片机；用电压互感器进行电压检测，对采集电压进行整流，通过反馈引脚反馈给单片机，ARM32对采集的数据进行比较，相对应的改变输出SPWM的占空比，从而保护整个电路。ARM32又将采集的数据处理后发送给OLED显示模块，实现监控显示及保护功能。用直流稳压电源作为辅助电源，LM2596-12可以输出电压12V，在联级LM7805稳压芯片产生+5V，直流电压供给各个电路模块。

2 软件设计

软件包括输入、电流及电压采集、过压保护、OLED屏电源参数显示等模块。主程序流程图如图4所示。

图4 主程序流程图

软件设计如下：初始化进入按键扫描，外部按键选择操作模式后，进行电流、电压的采集，判断电流、电压是否过流或过压。如果过流则启动过流保护，使电流在安全范围内；如果过压，则启动过压保护，使电压在所属范围内。最后，发送数据给OLED显示模块，发送数据后，程序又重新开始检测电流和电压，实现实时监控、实时保护、实时显示。

3 电路测试与结果分析

测试主要进行了波形测试和数据测试两部分，实物图如图5所示。

图5 实物图

1．波形测试

图8 IR2109驱动模块的输出波形

测试波形表明：ARM32输出的两路SPWM波互补；两片IR2109驱动模块输出四路推挽互补SPWM波；全桥逆变主电路能够输出一个50Hz和电压为5V的正弦波形，波形失真较小。

2．数据测试

表1 输出频率步进可调测试表

表2 负载调整率测试表

表3 电源效率测试表

测试数据显示，输出以10Hz步进可调，输出电压范围为U(5±0.1)V；负载的调整率S在1%左右，单相纯正弦波变频电源的效率在80%左右。

4 结语

本设计以STM32F103C8T6单片机为主要器件，采用四MOS管全桥逆变结构实现直流到交流的电压转换，在输出频率50～100Hz范围内步进可调，同时输出电压在1～10V范围内可调；电路具有保护功能，电流超额定值时，电路能够自动调节SPWM波的占空比改变输出电流在安全范围内；该电源的负载调整率在1%左右，具有很强的负载能力，电源效率在80%左右，属于高效率的电源。本设计的电源是单相的，在此基础上，可以尝试PCB的三相电源的设计与制作，需要将输入直流电进行升压处理后再逆变。