該全數字式正弦波逆變電源的設計方案分為前後兩級，前級采用推挽升壓電路將輸入的直流電升壓到350V左右的母線電壓，後級采用全橋逆變電路，逆變橋輸出經濾波器濾波後
，用隔離變壓器進行電壓采樣，電流互感器進行電流采樣，以形成反饋環節，增加電源輸出的穩定性。升壓級PWM驅動及逆變級SPWM驅動均由STM32單片機產生，減小了硬件開支。基於上述方案試製的400W樣機，具有輸出短路保護
、過流保護及輸入過壓保護
、欠壓保護功能，50Hz輸出時頻率偏差小於0.05Hz，滿載(400W)效率高於87%，電壓精度為220V±1%，THD小於1.5%。

逆變電源應用廣泛
，特別是精密儀器對逆變電源的性能要求更高。高性能逆變電源不僅要求工作穩定、逆變效率高、輸出波形特性好、保護功能齊全
，還要求逆變電源小型化、智能化、並且具備可擴展性。文中提出一種基於STM32係列單片機STM32F103VE的純數字式正弦逆變電源，該電源的全部功能由單片機控製實現，具有輸出電壓
、頻率穩定，效率高
，保護功能齊全的特點。

係統設計

係統的整體框架如圖1所示。係統采用高頻逆變方案，即前級升壓加後級逆變的結構，這樣可以避免使用笨重的工頻變壓器
，有效的降低了電源的體積、重量及成本，提升電源的效率。電路的工作原理是
，12V的直流輸入電壓經過濾波後由推挽升壓和全橋整流升壓到350V的直流母線電壓，再經過全橋逆變電路轉變為220V/50Hz的工頻交流電，采樣電路對相應點進行采樣
，以實現閉環控製及保護功能。
由(you)於(yu)大(da)電(dian)流(liu)條(tiao)件(jian)下(xia)，功(gong)率(lv)管(guan)驅(qu)動(dong)信(xin)號(hao)占(zhan)空(kong)比(bi)過(guo)小(xiao)會(hui)導(dao)致(zhi)發(fa)熱(re)嚴(yan)重(zhong)，效(xiao)率(lv)降(jiang)低(di)，故(gu)逆(ni)變(bian)電(dian)源(yuan)的(de)前(qian)級(ji)采(cai)用(yong)準(zhun)開(kai)環(huan)的(de)控(kong)製(zhi)方(fang)式(shi)，即(ji)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)在(zai)一(yi)定(ding)範(fan)圍(wei)內(nei)時(shi)，驅(qu)動(dong)信(xin)號(hao)占(zhan)空(kong)比(bi)開(kai)到(dao)最(zui)大(da)並(bing)保(bao)持(chi)不(bu)變(bian)


，輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)過(guo)高(gao)時(shi)，減(jian)小(xiao)占(zhan)空(kong)比(bi)
，維(wei)持(chi)母(mu)線(xian)電(dian)壓(ya)在(zai)一(yi)定(ding)範(fan)圍(wei)內(nei)。這(zhe)樣(yang)做(zuo)的(de)好(hao)處(chu)是(shi)
，可(ke)以(yi)使(shi)前(qian)級(ji)升(sheng)壓(ya)獲(huo)得(de)較(jiao)高(gao)的(de)效(xiao)率(lv)。
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係統硬件設計

逆變電源硬件結構如圖2所示。主要包括直流推挽升壓電路、正弦逆變電路、輸出濾波電路、驅動電路、采樣電路、主zhu控kong製zhi器qi和he點dian陣zhen液ye晶jing構gou成cheng。其qi中zhong
，直zhi流liu升sheng壓ya部bu分fen將jiang輸shu入ru電dian壓ya升sheng高gao至zhi輸shu出chu正zheng弦xian交jiao流liu電dian的de峰feng值zhi以yi上shang的de母mu線xian直zhi流liu電dian壓ya，正zheng弦xian逆ni變bian部bu分fen將jiang母mu線xian直zhi流liu電dian壓ya逆ni變bian後hou經jing輸shu出chu濾lv波bo電dian路lu得de到dao正zheng弦xian式shi交jiao流liu電dian

，采cai樣yang電dian路lu則ze對dui母mu線xian電dian壓ya、母線電流、輸出電壓
、輸出電流
、輸入電壓進行采樣
，以實現短路保護、過壓欠壓保護、過流保護、閉bi環huan穩wen壓ya等deng功gong能neng。驅qu動dong電dian路lu的de功gong能neng是shi將jiang驅qu動dong信xin號hao的de邏luo輯ji電dian平ping進jin行xing匹pi配pei放fang大da
，以yi滿man足zu驅qu動dong功gong率lv管guan的de要yao求qiu。控kong製zhi電dian路lu的de功gong能neng是shi產chan生sheng驅qu動dong信xin號hao，並bing對dui采cai樣yang信xin號hao進jin行xing處chu理li，以yi實shi現xian複fu雜za的de係xi統tong功gong能neng。點dian陣zhen液ye晶jing的de功gong能neng是shi顯xian示shi係xi統tong工gong作zuo信xin息xi，如ru果guo輸shu出chu電dian壓ya、電流以及保護信息等。
1)主控製器

主控製器選用STM32F103VE增強型單片機
，STM32係列單片機是意法半導體公司專門為高性能、低成本

、低功耗的嵌入式應用設計的產品。此單片機采用哈佛結構，使處理器可以同時進行取址和數據讀寫操作，處理器的性能高達1.25MIPS/MHz。支持單周期硬件乘除法
，最高時鍾頻率72M，最大可達512kB片上Flash及64kB片上RAM。同時具有多達30路PWM及3個12位精度的ADC等眾多適合做逆變及電機驅動的外設。在本係統中用於產生PWM、SPWM驅(qu)動(dong)信(xin)號(hao)，並(bing)對(dui)采(cai)樣(yang)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)處(chu)理(li)，以(yi)完(wan)成(cheng)穩(wen)壓(ya)反(fan)饋(kui)及(ji)保(bao)護(hu)功(gong)能(neng)
，並(bing)驅(qu)動(dong)點(dian)陣(zhen)液(ye)晶(jing)顯(xian)示(shi)係(xi)統(tong)信(xin)息(xi)。考(kao)慮(lv)實(shi)際(ji)的(de)功(gong)率(lv)管(guan)及(ji)驅(qu)動(dong)芯(xin)片(pian)的(de)速(su)度(du)
，升(sheng)壓(ya)PWM波的頻率為20kHz，逆變SPWM波的頻率為18kHz。根據調製方法的不同，SPWM驅動信號形式可以分為：雙極性、單極性和單極性倍頻。由於雙極性調製失真度小，故本設計中SPWM采用雙極性驅動方式。

2)點陣液晶

選用LPH7366型點陣液晶，具有超低功耗的特點。用於顯示係統當前的工作狀態
，如輸出電壓、輸出電流、輸入電壓等信息。同時指示係統是否處於保護以及處於何種保護狀態。

3)輔助電源

為係統不同部分提供不同的電壓電需求，由直流輸入電壓經LM2596—5V降壓到5.0V後一部分為采樣電路供電，另一部分經LDO穩壓器LM117—3.3V穩壓到3.3V供處理器及點陣液晶使用。同時，由推挽變壓器的一個輔助繞組得到20V左右的電壓
，經整流濾波及LM2596-ADJ穩壓到15V後供驅動電路使用。

4)驅動電路
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選用東芝半導體公司生產的高速光耦隔離型IGBT/MOSFET驅動芯片TLP250。TLP250具有隔離電壓高、驅動能力強、開關速度快等特點。驅動電路的原理圖如圖3所示。
在推挽升壓驅動(U1
、U2)中，TLP250負責驅動信號幅值與電流的匹配，而對於全橋逆變驅動(U3、U4

、U5
、U6)
，不但要考慮驅動電平和驅動能力，還要考慮好上下管驅動信號的隔離問題。為簡化設計，全橋逆變的上管驅動(U3、U5)采用了自舉供電的方式，減少隔離電源的使用數目。

對逆變橋的驅動電路

，為避免上下管直通

，設計中需要考慮死區問題。STM32單片機的PWM模(mo)塊(kuai)具(ju)有(you)死(si)區(qu)功(gong)能(neng)
，本(ben)設(she)計(ji)采(cai)取(qu)了(le)軟(ruan)件(jian)死(si)區(qu)方(fang)法(fa)。這(zhe)樣(yang)做(zuo)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)好(hao)處(chu)是(shi)，對(dui)不(bu)同(tong)的(de)功(gong)率(lv)管(guan)隻(zhi)需(xu)改(gai)變(bian)軟(ruan)件(jian)設(she)計(ji)即(ji)可(ke)獲(huo)得(de)最(zui)佳(jia)的(de)死(si)區(qu)參(can)數(shu)。

5)采樣電路

輸shu出chu電dian壓ya采cai樣yang用yong於yu反fan饋kui穩wen壓ya，輸shu出chu電dian流liu采cai樣yang用yong於yu過guo載zai保bao護hu
，母mu線xian電dian流liu采cai樣yang用yong於yu短duan路lu保bao護hu，母mu線xian電dian壓ya采cai樣yang用yong於yu限xian製zhi母mu線xian電dian壓ya虛xu高gao，輸shu入ru電dian壓ya采cai樣yang用yong於yu輸shu入ru過guo壓ya/欠壓保護。輸出采樣中使用了電流互感器與電壓互感器
，大大減小了係統幹擾，提高了係統的可靠性。取樣電路的原理圖如圖4所示。
對於輸出電流取樣，本設計中使用了5A/5mA電流互感器。由於電流互感器的輸出為毫伏級的交流信號
，為了能夠被單片機內部AD模塊采集到，必須將其整流成直流信號並加以放大。而普通二極管整流電路對毫伏級電壓是無效的，因此，此處采用了由運算放大器(U11，LM358)構成的小電壓整流電路。實際測試表明



，該電路有效解決了毫伏級信號的采樣問題。
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係統軟件設計

為了提高係統的可讀性以及代碼效率，軟件采用狀態機思想設計
，圖5所示為係統的狀態轉換圖。係統上電複位後進入SAMPLE采樣狀態，若檢測到采樣完成標誌FINISH則進入JUDGE狀態進行判斷，如果FAULT不為0即有故障信號(過壓/欠壓、過載、短路)，則進入PROTECT狀態關閉輸出，並跳轉到WAIT狀態等待故障信號消除。當故障信號消除後，係統軟重啟

，開始新的采樣及檢測。JUDGE狀態後如果未檢測到故障信號

，則進入NORMAL正常狀態，進行電壓調整。
係統上電後，首先完成各個外設的初始化，主要包括係統時鍾、定時器、GPIO口
、ADC、DMA、中斷及SPI的初始化。在此，定時器和中斷一旦初始化完成，PWM及SPWM波就會生成。考慮到過流、短路保護及反饋穩壓的實時性要求較高
，故在中斷內完成。欠壓
、過壓對實時性要求低，放在主程序內。為提升係統的性能
，ADC采樣使用DMA方(fang)式(shi)傳(chuan)輸(shu)數(shu)據(ju)

，傳(chuan)輸(shu)完(wan)成(cheng)後(hou)，發(fa)出(chu)中(zhong)斷(duan)申(shen)請(qing)，對(dui)采(cai)集(ji)到(dao)的(de)數(shu)據(ju)進(jin)行(xing)簡(jian)單(dan)濾(lv)波(bo)處(chu)理(li)，其(qi)他(ta)功(gong)能(neng)函(han)數(shu)調(tiao)用(yong)此(ci)數(shu)據(ju)完(wan)成(cheng)相(xiang)應(ying)的(de)保(bao)護(hu)及(ji)穩(wen)壓(ya)功(gong)能(neng)。主(zhu)程(cheng)序(xu)的(de)流(liu)程(cheng)圖(tu)如(ru)圖(tu)6所示。 [page]
調試與實驗

根據以上思想試製一台400W的樣機
，采用IRF3205作為推挽升壓的功率管
，HER307作為整流二極管，全橋逆變功率管則采用IRF840。前級升壓的PWM波頻率設置為20kHz

，後級SPWM波的頻率設置為18kHz，輸出濾波電感L為1mH，輸出濾波電容C為4.7μF。實際測試正弦交流輸出電壓精度為220V±1%
，頻率精度為50Hz±0.1%
，THD小於1.5%
，逆變效率大於87%，其滿負載時的試驗波形如圖7所示(輸出經20kΩ/100kΩ電阻分壓測到)。
結束語

文中完整地討論了以STM32danpianjiweizhukongzhiqideshukongzhengxianbonibiandianyuandesheji，bingduiqizhongshejiguanjianwentijinxinglexiangxidetaolun。zhenduigaoduandianzishebeiduinibiandianyuandegenggaoyaoqiu

，tichuleyizhongyouxiaodejiejuetujing。shiyonggaishejifanganzaijianhuanibiandianyuandeyingjianshejidetongshi，dadatishengledianyuandepinzhiyuxingneng

，juyouhengaodetuiguangjiazhi。

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