基于ARM控制的逆变器电源电路设计方案

引言

随着现代电力电子技术的飞速发展，逆变器作为将直流电能转换为交流电能的装置，在电力供应、可再生能源发电及不间断电源系统等领域得到了广泛应用。ARM微控制器以其高性能、低功耗和丰富的外设接口，成为逆变器控制系统的理想选择。本文将详细介绍一种基于ARM控制的逆变器电源电路设计方案，包括主控芯片的选择、电路结构设计、控制策略及软件实现等方面。

一、系统总体方案设计

逆变器电源电路主要由升压电路、逆变电路、控制电路和反馈电路组成。低压直流电源（如DC12V）经过升压电路升压、整流和滤波后得到高压直流电（如DC170V），再经全桥逆变电路DC/AC转换和LC滤波器滤波后得到所需的交流电（如AC110V或AC220V）。ARM控制器作为核心控制单元，负责采集输出电压和电流的反馈信号，经处理后生成相应的SPWM（正弦脉宽调制）脉冲信号，通过改变SPWM的调制比来控制输出电压的大小，从而实现逆变器的闭环控制。

二、主控芯片的选择及作用

1. 主控芯片型号

在逆变器控制系统中，常用的ARM主控芯片包括STM32系列、LPC系列、NXP的LPC系列以及三星的S3C系列等。其中，STM32系列因其高性能、低功耗和丰富的外设接口而备受青睐。以下以STM32F107系列为例进行详细介绍。

• 型号：STM32F107

• 制造商：意法半导体（STMicroelectronics）

• 核心：基于ARM Cortex-M3内核

• 主频：最高可达72MHz

• 外设接口：包括以太网接口、异步串行接口（USART）、USB接口、CAN接口、I2C接口和SPI接口等

• 特点：高性能、低功耗、丰富的外设接口、易于编程和调试

2. 主控芯片的作用

• 数据采集与处理：通过ADC（模数转换器）采集输出电压和电流的反馈信号，并进行数字信号处理，以生成精确的SPWM脉冲信号。

• 控制策略实现：根据采集到的数据，通过数字PI控制器进行闭环控制，调整SPWM脉冲信号的占空比，从而控制输出电压的大小和稳定性。

• 故障保护与报警：实时监测逆变器的工作状态，一旦发现过压、过流、过载等故障情况，立即封锁PWM脉冲输出，并通过蜂鸣器或LED指示灯发出报警信号。

• 人机交互：通过数码管或液晶显示屏实时显示逆变器的输入电压、输入电流、输出电压、输出电流、运行状态和故障信息等，方便用户进行监控和管理。

三、电路结构设计

1. 升压电路

升压电路主要由推挽升压电路和升压变压器组成。推挽升压电路采用两个参数相同的MOSFET管和升压变压器，通过交替导通和截止两个MOSFET管，将低压直流电源升压为高压直流电。升压变压器起到隔离和升压的作用，确保高压直流电的稳定性。

2. 逆变电路

逆变电路采用全桥逆变电路，由四个MOSFET管（Q1、Q2、Q3、Q4）组成。通过控制这四个MOSFET管按一定的顺序导通和截止，可以得到所需的正弦波形交流电。在选择MOSFET管时，需要考虑其额定电压和额定电流，以满足设计需求。

3. 反馈电路

反馈电路主要由霍尔传感器和运算放大器组成。霍尔传感器用于采集输出电压和电流的信号，并将其转换为电信号输入到运算放大器中进行放大和滤波处理。处理后的信号通过ADC接口输入到ARM控制器中进行数字信号处理。

4. 驱动电路

驱动电路用于将ARM控制器输出的SPWM脉冲信号放大为能够驱动MOSFET管的信号。通常采用专用的驱动芯片（如IR2110）来实现这一功能。驱动芯片具有高速响应和低功耗的特点，能够确保MOSFET管的可靠工作。

四、控制策略及软件实现

1. 控制策略

逆变器控制策略主要包括电压控制策略和电流控制策略。电压控制策略通过调整SPWM脉冲信号的占空比来控制输出电压的大小；电流控制策略则通过实时监测输出电流的大小，并根据需要进行调整，以确保输出电流的稳定性和精度。

在实际应用中，通常采用电压和电流双闭环控制策略。即先通过电压控制策略调整输出电压的大小，再通过电流控制策略对输出电流进行微调，以实现逆变器的精确控制。

2. 软件实现

软件实现部分主要包括ARM控制器的初始化、数据采集与处理、控制策略实现、故障保护与报警以及人机交互等功能。

• 初始化：包括时钟配置、ADC初始化、USART初始化、中断配置等。

• 数据采集与处理：通过ADC接口采集输出电压和电流的信号，并进行数字信号处理，以生成精确的SPWM脉冲信号。

• 控制策略实现：根据采集到的数据，通过数字PI控制器进行闭环控制，调整SPWM脉冲信号的占空比，从而控制输出电压的大小和稳定性。

• 故障保护与报警：实时监测逆变器的工作状态，一旦发现过压、过流、过载等故障情况，立即封锁PWM脉冲输出，并通过蜂鸣器或LED指示灯发出报警信号。

• 人机交互：通过数码管或液晶显示屏实时显示逆变器的输入电压、输入电流、输出电压、输出电流、运行状态和故障信息等，方便用户进行监控和管理。

五、实验验证与结果分析

为了验证上述设计方案的有效性，进行了实验验证。实验结果表明，该逆变器电源电路能够稳定地输出所需的交流电，并且具有较高的效率和精度。在负载变化时，输出电压和电流能够迅速调整并保持稳定。此外，该逆变器还具有较好的故障保护功能和人机交互界面，方便用户进行监控和管理。

六、结论与展望

本文介绍了一种基于ARM控制的逆变器电源电路设计方案，包括主控芯片的选择及作用、电路结构设计、控制策略及软件实现等方面。实验结果表明，该设计方案具有较高的效率和精度，能够满足实际应用需求。未来，可以进一步优化控制策略和提高系统稳定性，以满足更广泛的应用场景。