基于STM32单片机的微电网模拟系统设计

电子电路设计与方案

基于STM32单片机的微电网模拟系统设计

李红丽，马耀锋

(郑州工程技术学院，河南郑州，450044 )

基金项目：河南省科技厅科技攻关项目（172102210604);河南省高等学校重点研究项目（16B51000);中州大学科技创新团队（智能 制造科技创新团队）

摘要：本系统主要由主控电路和三相逆变电路模块组成。采用DC直流电源供电，STM32单片机输出一个模拟量，控制EG8030输出SPWM 波，经三相对称整流桥输出三相交流到三相对称Y型负载。采用电流互感器和电压互感器进行电流、电压采样，反馈到单片机形成闭环控 制，采集到的数据可实时液晶显示。逆变器1和逆变器2并联到母线，实现共同向负载输出功率，负载可调整。

关键词：STM32; EG8030;三相对称整流桥

1整体方案设计

■ 1.1方案分析与比较

1.1.1主控桃的逸择

方案一 ：STM32直接输出SPWM波

使用STM32单片机直接输出6路SPWM波，直接控制 MOS管实现三相逆变。该方案电路简单，主拓扑结构简单，控制容易，但是程序较为复杂，不易操作。且带负载能力不高。

方案二：使用EG8030芯片

采用STM32EG8030芯片，硬件闭环实现SPWM输出，并且实时调压。只需单片机给一个模拟量便可控制其产生三 路相位差为120度的SPWM波。并且采用MOS开关管组 成全桥逆变电路，再与电感电容滤波组成主电路。该方案电 路比较稳定，使用分离器件少，不易受干扰。

综合考虑，本设计选用方案二〇

1.1.2三相逆变电路的挪

方案一：三相电压型逆变电路。用三个单相逆变电路可 以组合成一个三相逆变电路。但在三相逆变电路中，应用 最广的还是三相桥式逆变电路。采用MOS管作为开关器件 的三相电压型桥式逆变电路，可以看成由三个半桥逆变电路 组成。

方案二：三相电流型逆变电路。图给出的是三相桥式电 流型逆变器，图中的GTO(VT1~VT6)作为开关管。直流 侧串接的大电感Ld使输入电流平直，构成电流内阻特性。这种工作方式是120度导电方式，即每个桥臂_周期内导电120度，按VT1~VT6的顺序每隔60度依次触发导通。

综合考虑，本设计选用方案二〇

■ 1.2总体方案设计

系统主要由四个部分组成：STM32单片机模块，EG8030,三相整流桥，三相Y形对称负载。如图1所示，我们采用STM32先输出模拟量，使EG8030芯片输出SPWM波，再利用芯片FSB44104A产生三相交流电，这 个器件内部含驱动器和保护电路。然后通过电压和电流采 集电路对电压、电流进行采样，并将采样到的信号反馈到STM32单片机，进行PID调节，输出模拟量给EG8030, 从而控制交流电的适当改变。系统可以检测到交流电压的输 出，从而可以根据设定值确定模拟量。

2硬件电路设计

■ 2.1主控核心

主控采用STM32F104处理器，如图2所示。STM32系 列是为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设 计的ARMc〇rtex-M3内核。运行速度快，时钟频率很高，ADC接口比较多，并且内置3个12位A/D转换器，2个 12位的D/A转化器，其高级定时器可产生带死区互补的PWM波，是同类产品中性价比最高的处理器。通过STM32 输出DAC模拟量来控制EG8030输出SPWM波。

■ 2.2 EG8030芯片原理及应用

EG8030是一数字化的、功能完善的自带死区控制的三 相纯正弦波逆变发生器芯片，可配置的四种工作模式可应用 于DC-DC-AC两级功率变换构架或DC-AC单极工频变压器 升压变换构架，如图3所示。外接16MHz晶体振荡器，能 产生高精度、失真和谐波都很小的三相SPWM信号。并具 备完善的采样机构，能够采集电流信号、三相电压信号，实 B寸处理，实现输出稳压和各项保护功能。STM32外接显示屏，可以便于调节。

电子电路设计与方案

33V卜.十匕如r i

PA2. 16

MO 323

DC-RS

PC5

PBO 26

BQQT1 2E

SDA 30

33^"

PC14_09C32_IN

PC15 _03C32_OUT

PDO_OSC_IN

PD 1O SC OUT

N R C T_

PCD_ADC12_IN10

PC1_ADC12_IN11

PC2_ADC12_IK12

PC3_ADC12_IN13

VSSA

V D D A

PA0_^XU P_U SART2_CTS

P A1_U S AKT2_RTS

P A2_U S AKT2_TK

PA3 USAKT2 KX

VSS_4

VDD_4

gTM32FI03XX_PIK64

VDD_3

VSS_3

PB9_TIM4_CH4

PBB_TIM4_CH3

BOOTO

PB7_L2a_SDA

PBe_I2Cl_SCL

PB5_I2C 1_SMBA1

IKTRSTT

JTDO

PD2

：12

PC I：

PCI

PC10

J T O I

J ld C S W C LK

VDD_2

VSS_2

JTMS,SV\r D ib

PA4_SPI1_NSS

PA5_SP11_SCK

PAtf_SPIl_MISO

PA12_USBDP

PA11_USEDM

PA 10_U SART1_RX

PC4_ADC12_IN14

PC5_ADC12_IK15

PBO

P A S_U SAKT1_CK.

PCS

PCS

PB1

PB2_DOOTl

PB10J 2C2_SCT,X J S A R13 _1X

PB11_I2C2_AKr3_RX

PC?

PC6

PB15_SPI2J\IOSI

PB 14_SP I2_MI SO

VSS_1

VDE>_1

PB13_SPI2_3CK.

PB12_S»I2_NSS

3.3 V

LED2

LED1

-|3 3V

图2 S T M32最小系统

■ 2.3FSB44104A桥电路

FSB44104A是智能功率模块，如图4所示，不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且内部集成有过 电压，过电流和过热等故障检测电路，可将检测信号送到 MCU。通过由EG8030送出的6路SPWM波，自动导通关 断内部的M0SFET，省去了驱动电路和功率电路，极大的 简化了硬件电路。

3软件设计

系统使用STM32F103单片机作为主控，输出SPWM波，具有液晶屏显示，按键调节等功能，电压采样和电流采样可 反馈到单片机，单片机进行PID调节输出电压，软件流程 图如图5所示。4测试方案与测试结果

■4.1测试仪器清单

序号仪器名称型号仪器指标生产厂家数量1

电能质量和能量

分析仪

Fluke 435标称频率:40-70H z FLUKE1