係統總體方案

1、總體設計框圖

如圖1所示，逆變器係統由升壓電路、逆變電路
、控製電路和反饋電路組成。低壓直流電源DC12V經過升壓電路升壓、整流和濾波後得到約DC170V高壓直流電，然後經全橋逆變電路DC/AC轉換和LC濾波器濾波後得到AC110V的正弦交流電。
逆變器以ARM控製器為控製核心，輸出電壓和電流的反饋信號經反饋電路處理後進入ARM處理器的片內AD，經AD轉換和數字PI運算後

，生成相應的SPWM脈衝信號，改變SPWM的調製比就能改變輸出電壓的大小，從而完成整個逆變器的閉環控製。

2、SPWM方案選擇

2.1、PWM電源芯片方案

采用普通的PWM電源控製芯片，如SG3525、TL494、KA7500等(deng)，此(ci)類(lei)芯(xin)片(pian)的(de)優(you)點(dian)是(shi)能(neng)夠(gou)直(zhi)接(jie)的(de)產(chan)生(sheng)脈(mai)寬(kuan)調(tiao)製(zhi)信(xin)號(hao)，但(dan)是(shi)它(ta)缺(que)點(dian)是(shi)波(bo)形(xing)線(xian)性(xing)不(bu)好(hao)

，而(er)且(qie)振(zhen)蕩(dang)發(fa)生(sheng)器(qi)是(shi)依(yi)賴(lai)充(chong)放(fang)電(dian)電(dian)路(lu)而(er)產(chan)生(sheng)波(bo)形(xing)，當(dang)要(yao)PWM芯片產生SPWM信號需要附加額外很多電路。

2.2、CPU軟件方案

采用CPU產生SPWM脈衝
，如單片機
、ARM或DSP等，此種方法的優點是脈寬可以通過軟件的方式來調節
，不僅精度較高，而且外圍電路也很簡單便宜。

終上所述

，選擇STM32F107(ARM)完成SPWM脈衝的產生和整個逆變器的控製。
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3.係統硬件電路設計

3.1CPU控製器

CPU是整個逆變器的核心部分
，主要負責反饋信號的采集、數字PI閉環計算、PWM波輸出、參數設置和外部通信。CPU采用的是ST公司最新推出的STM32F107係列ARM芯片。該係列芯片采用ARM公司32位的CortexM3為核心，最高主頻為72MHz,Cortex核心內部具有單周期的硬件乘法和除法單元，所以適合用於高速數據的處理。芯片具有三個獨立的轉換周期
，最低為1μs的高速模數轉換器
，三個獨立的數模轉換器帶有各自獨立的采樣保持電路，所以特別適合三相電機控製
、數字電源和網絡應用。芯片還帶有豐富的通訊單元

，包括1個以太網接口、5個異步串行接口、1個USB從器件、1個CAN器件、I2C和SPI等模塊。

3.2驅動和逆變電路

逆變主電路如圖2所示采用基於H橋的單相全橋逆變電路。單相全橋逆變電路主要由Q1、Q2
、Q3
、Q4四個MOSFET構成。在AC於OUT之間如果加入負載就構成了逆變回路。控製Q1
、Q2
、Q3


、Q4按一定的順序導通、截止就能夠得到所要的正弦波形。
對於本設計，開關管的選擇主要以它的額定電壓和額定電流為依據。這裏選擇額定電壓為500V,額定電流為20A的IRFP460N溝道增強型MOS管為開關管。可滿足設計的要求。為了限製MOSFET門極的驅動電流，需要在門極串聯限流電阻，防止由過流導致的器件損壞。
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2.3濾波電路

經過兩路SPWM信號的驅動在負載電阻上產生的電壓波形是按正弦規律變化的方波。它是一個雙極性的SPWM波形。實際需要的是頻率為50Hz的正弦波
，因此需要將SPWM波進行濾波。一般的PWM逆變器采用LC低通濾波器。對於LC濾波器的設計，首先考慮濾波器的截止頻率
，LC濾波器的截止頻率見式(1)。


綜合考慮濾波器輸出電壓諧波失真度、係統的動態響應以及體積、重量等因素，選取截止頻率
，選取。

2.4推挽升壓電路

推挽升壓電路采用兩個參數相同的MOSFET管和升壓變壓器組成，推挽變壓器的特點是效率高
，損耗低
，適用於低輸入高輸出。推挽升壓電路如圖3所示
，采用兩個MOS管分別開通的結構，選取IPRF250場效應管，額定電流為30A，額定電壓為250V
，在可以滿足要求的同時內阻較小，是最為合理的選擇。
3.係統軟件設計

CPU主要功能是完成閉環PI控製算法、發送SPWM脈衝

、故障保護、數據顯示和遠程通信。係統軟件主要是對STM32芯片的編程，開發環境采用德國Keil公司KeiluVision4軟件，編程語言采用C語言。
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程序由主程序和若幹子程序：通信程序、采樣子程序、PWM中斷程序、顯示程序等組成。進入PWM中斷後，首先對各路反饋信號進行采集和處理，該流程圖如圖4所示，然後經數字PI調節器運算後產生PWM脈衝輸出
，經驅動電路隔離放大後驅動MOSFET
，實現整個逆變電源係統的閉環控製。
逆變器采用全數字控製，所有參數均能通過顯示麵板進行設置，數碼管夠實時顯示逆變器係統的輸入電壓
、輸入電流、輸出電流
、輸出電壓
、運行狀態、故障信息等
，當發生故障時，CPU將所有PWM脈衝全部封鎖，然後將過壓
、過流
、過載等故障信息顯示出來
，並且蜂鳴器發聲報警。

實驗結果

其中圖5(a)是CPU發出的兩路互補對稱的SPWM脈衝波形，死區時間是3us；圖5(b)是全橋逆變電路其中一個橋臂上下MOSFET的驅動波形；圖5(c)是逆變器輸出交流正弦電壓波形；圖5(d)是逆變器電流輸出波形。從圖中我們可看出逆變器輸出電壓波形幾乎不失真，輸出電流THD控製在5%以內，達到了很好的控製效果。
總結

本文提出的一種ARM控製的逆變器設計方案，是基於ARM(STM32F107)的全數字控製的逆變器，其具有高精度、小體積
、全(quan)數(shu)字(zi)等(deng)特(te)點(dian)，所(suo)有(you)電(dian)源(yuan)參(can)數(shu)直(zhi)接(jie)通(tong)過(guo)人(ren)機(ji)界(jie)麵(mian)設(she)定(ding)並(bing)存(cun)儲(chu)
，並(bing)具(ju)備(bei)與(yu)上(shang)位(wei)機(ji)遠(yuan)程(cheng)通(tong)信(xin)的(de)功(gong)能(neng)。實(shi)驗(yan)表(biao)明(ming)，該(gai)方(fang)案(an)中(zhong)做(zuo)設(she)計(ji)的(de)逆(ni)變(bian)器(qi)能(neng)夠(gou)實(shi)現(xian)軟(ruan)啟(qi)動(dong)功(gong)能(neng)，當(dang)出(chu)現(xian)過(guo)流(liu)、過壓
、過載情況時
，能夠迅速封鎖PWM脈衝和關斷MOSFET
，並及時將故障信息顯示出來，實現了逆變器的智能化。

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