基于STM32的逆变能量回馈实验系统

马双宝，胡江宇，贾树林，高梦圆，薛 勇

基于STM32的逆变能量回馈实验系统

马双宝1,2，胡江宇1，贾树林1，高梦圆1，薛 勇1,2

（1. 武汉纺织大学 机械工程与自动化学院，湖北 武汉 430200；2. 湖北省数字纺织装备重点实验室，湖北 武汉 430200）

为解决电子设备中负载带来的能量耗散问题，本文研制逆变电路中能量回馈实验装置。该系统采用STM32F429为主控制器，将输入直流电压逆变成25V、50Hz正弦交流电压，最大电流可到2A，逆变频率可实现20-100Hz范围内步进1Hz的功能；能量回馈部分将逆变输出经隔离变压器、带PFC功能的整流、同步DC/DC升压等电路馈入到输入直流电源，以实现逆变电路的能量回馈功能。经测试该系统具有能量回馈功能，在逆变输出2A电流时，直流电源回馈功能可达14.3W，同时系统对输入直流电压、逆变输出电压与电流进行实时监测，具有性能可靠，调整速度快，精度高，输出纹波小等优点。

能量回馈实验；STM32F429；同步升压；PID控制

随着芯片在国民经济中所占地位的不断提高，依靠其生存的电子设备的应用得到了广泛的发展，但是随之而来的是电子设备负载所带来的能耗问题日益凸显，如何将电子设备电路中的负载耗散的能量进行回收利用则成为了当代电子技术一个亟待解决的重要问题[1]。国内外对此方向的研究从未止步，例如电梯领域的四象限运行技术方案、工业设备领域的能量回收系统等装置[2]。对大容量电梯中的能量回收装置以及电力机车能量回馈技术的研究也是热情不减[3-4]。但是，这些传统方案存在再生装置价格昂贵，部分设备对电网质量要求较高的问题，使其应用在一般的小型电子产品中难以被接受并推广。针对上述问题，为提高电能利用率，有效解决变流器带载时的能量耗散问题，本文通过实验设计出一种基于STM32控制器的能量回馈系统[5]。

1 系统整体设计

本系统装置主要通过逆变电路、整流电路和一个升压器级联组成。该能量回馈系统装置用来输出50Hz、2A的单相正弦交流电。以STM32F429为整个系统的控制核心，能够有效加快运算速度。系统采用双闭环电路经过电压、电流采样并将采集的数值返回给控制器进行PID调节，同时通过可触摸屏进行人机交互。系统的结构如图1所示。

图1 系统结构图

系统采样用单片机STM32F429产生SPWM波，这种方案具有很高的灵活性，同时借助驱动芯片也可以获得很强的驱动能力，节约了大量外部电路，可减轻整体重量，并且该方案产生的波形效果非常理想，缺点是软件设计上稍显复杂，对反馈要求很高，产生SPWM波需要进行大量的计算，故选用单片机STM32F429来产生SPWM波，再经过数字耦合器进行隔离，来实现对整个电路的控制。

电流内环的控制结构如图2所示：

图2 电流内环控制结构

图2所示结构的传递函数为：

电压外环的控制结构如图3所示：

图3 电压外环控制结构

图3所示结构的传递函数为：

通过传递函数和控制结构图可以更加清晰地表达该装置是通过双闭环反馈控制系统的自适应功能来降低最大超调量。加入了PID算法的电压超调量更小，波形平滑度更好。两路PID闭环控制，使输出电压与电流稳定无静差。

2 各模块电路设计分析与实现

设计电路包括逆变电路、整流电路、升压电路、辅助电源等部分。在逆变器电路中，将由驱动芯片LM5104输出的两路驱动信号经过驱动电阻分别输入高边和低边的开关管，MOSFET的源极经过LC滤波后进行输出。经过整流、PFC校正、升压后把能量回馈到输入[6]。

2.1 逆变电路设计

2.1.1 逆变电路的电路原理

传统的半桥逆变器虽然电路结构简单，使用器件少，但是其输出电压的幅值只有输入电压的1/2，对系统的转换效率造成了影响[7]。而电流型逆变器直流侧的电流脉动小，且不需要给开关管反并联泄放二极管，但是其直流回路存在高阻抗和换流方式复杂的问题，难免会提高电路控制的复杂程度和电磁干扰。为避免上述问题，本文在处理变流器1时采用了电压型逆变器并结合全桥逆变电路进行设计。将直流电输入给逆变器变成交流电，然后通过连接单元进行切换，通过隔离后把电流输入给整流器，再通过功率因数校正，然后通过DC-DC升压回馈给逆变器的输入端，实现最终的能量回馈[8]。逆变电路结构图如图4所示。

图4 逆变主电路

图5 整流电路

2.1.2 器件的选择

（1）开关管的选择。CSD19535KCS是耐压值100V的N沟道功率开关管，它的导通电阻只有3.1mΩ，较高的耐压值可以保证开关管不被击穿，导通电阻非常小可以大大的减少功率损耗，提高电路的效率，因此选择CSD19535KCS。

（3）电容的选择。电容具有储能、滤波的作用，在电源的两端要接去耦电解电容并且它的耐压值要留1-2倍余量，同时旁边并联一个瓷片小电容，电容值为4.7uF时，加强去耦效果，使电路更加稳定工作。

2.2 整流电路的设计

芯片LT4320是理想二极管桥接器，驱动4个MOS管，支持从直流到600 Hz的电压校正。如果电源故障或短路，快速关闭使反向电流瞬变最小化。而LT4320是为直流到600 Hz的典型电压整流而设计的[9]。根据MOSFET的大小和操作负载电流，可以实现更高的操作频率。整流电路结构如图5所示。

2.3 Boost电路设计

Boost电路是能量回馈装置中的另一重要组成部分，可以提高并且稳定回馈给逆变电路直流电压，避免因并网的输入电压不够稳定而造成第1级电路无法带载。在图5的电路结构中，输入电压经整流电路整流后接入，C3、C4和C1是滤波电容，输出使用电阻分压采样。在程序设计中，PWM必须设定一个合理的最大值，否则有可能出现上电瞬间电源短路和输出电压过大而击穿储能电容等情况。Boost电路结构如图6所示。

图6 Boost电路

图7 电压电流采样电路

2.4 电压和电流采样反馈

电压与电流采样使用互感采样逆变参数方式，这样可以隔离采样电路和大电路，减少了对电路环路的影响[10]。然后接一信号放大器，调整增益后，送入OPA350，控制器对采样数据分组并进行软件中值滤波和平均值滤波处理；最后进入PID调节模式。以上过程利用HWCT102电流互感器和KTV19电压互感器实现。利用这两个互感器分别对电流和电压进行采样，然后进行整流以及滤波，再将所得信号输入单片机进行反馈。该方案使前级电路和后级电路实现隔离，有效的防止二者相互干扰，使电路输出更加稳定。将采样后的信号经过电流互感器进行隔离，经过电感滤波，二极管整流，电容滤波后输出。将采样后的信号经过电压互感器进行隔离，经过电感滤波，二极管整流，电容滤波后输出。电压电流采样电路图如图7所示。

2.5 MOS管驱动电路

大功率开关管驱动电路一般是采用自举方式来实现。通过分析可知，C2自举电容一直处在充放电状态，在逆变器中，将由单片机STM32F429产生的SPWM波的一路信号输入芯片ISO7220进行光耦隔离[11]。再将产生的两路信号分别输入驱动芯片LM5104中的高边输入和低边输入中，将产生的两路信号分别输入高边MOSFET和低边MOSFET中：采用芯片LM5104来实现。LM5104是高压、高速功率开关管驱动器[12]。能同时驱动开关管高边与低边输入。驱动能力强，效率高。驱动电路结构如图8所示。

图8 驱动电路

3 系统测试结果与分析

表1 逆变电路性能测试

由测量数据可以看出，输出最大电压为25.02V，输出最小电压为24.98V，波动范围是0.04V。

（2）逆变电路频率特性测试：在工作条件(1)的工作条件下，变流器1输出交流电的频率范围可设定为20Hz-100Hz，步进1Hz（见表2）。

表2 逆变电路频率特性测试

由表2数据可以看出，交流电频率进行步进时，电压波动仍然在测试允许范围内，电路工作稳定。

（3）能量回馈性能测试：直流电源输出功率测试方法：在输出电压是25V的情况下输出电流为2A，实现能量反馈，要求2A，50W输出时，效率尽可能高（见表3）。

由表3测量数据可以看出，当输入电压为39.80V，输入电流为0.36A时，在保证输出电流为2A的条件下，回馈补偿的功率达到最大，为14.328W。

表3 能量回馈装置补偿功率测试

4 结论

本文针对变流器负载时出现的能量耗散问题，设计了一个能量回馈实验装置。该装置通过HMI串口屏进行显示，通过触摸进行控制，可手动设置逆变频率，输出电压值及电流值，并且同时观测到此时PWM波的正占空比，还可以与上位机进行互动，方便校准，从而使电路更加完善，精准。本次设计在电流电压稳定时采用PID算法，使得电路更加稳定，还运用PFC功率因数校正，使电路的功率因素和效率得到有效提高。整流部分采用LT4320整流芯片控制CSD19535的开关从而达到整流的效果，从一定程度上提高了整流部分效率。该能量回馈系统通过两个变流器实现能量回馈，采用隔离变压器来保证两个直流输入电压输入值相等，以防止电流倒灌的现象。整体来说，该实验装置输出效率高，电压波动范围小，且能步进可调，较好地解决了逆变器带负载时出现能量耗散问题。

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Energy Feedback Experimental System Based on STM32

MA Shuang-bao1,2, HU Jiang-yu1, JIA Shu-lin1, GAO Meng-yuan1, XUE Yong1,2

(1. School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China; 2. The Goverment key Laboratory of Digital Textile Equipment of Hubei Provence, Wuhan Hubei 430200, China)

In order to solve the problem of energy dissipation caused by loads in electronic devices, this paper develops an experimental device for energy feedback in inverter circuits. The system uses an STM32F429 as the main controller to reverse the input DC voltage to 25V, 50Hz sinusoidal AC voltage, with a maximum current up to 2A, and an inverter frequency of 20-100Hz in steps of 1Hz; the energy feedback part of the inverter output is fed into the input DC power supply by an isolation transformer, rectifier with PFC function, synchronous DC/DC boost and other circuits. In order to achieve the energy feedback function of the inverter circuit. The system has been tested with energy feedback function, in the inverter output 2A current, DC power supply feedback function up to 14.3W, while the system on the input DC voltage, inverter output voltage and current real-time monitoring, with reliable performance, fast adjustment, high precision, small output ripple and other advantages.

Energy feedback experiment; STM32F429; synchronous boost; PID control

马双宝（1979-），男，副教授，博士，研究方向：智能检测与控制.

湖北省数字纺织装备重点实验室项目（DTL2018023）；湖北省高校学生工作精品项目和实践育人特色项目（2019XGJPB2009）.

TM46

A

2095－414X(2020)06－0003－05