基于stm32单片机的单相有源逆变电路的设计

基于STM32的单相正弦波逆变器设计李加升;李稳国;宋歌【摘要】考虑当前光伏发电、风力发电等新能源逆变入网的需要,在比较了现有逆变器的基础上,针对低压小功率的逆变,设计了一种基于STM32的单相正弦波逆变器.该逆变器主要由控制模块、全桥式逆变模块、同步BOOST电路、信号采集与调理模块、信息显示模块、欠压过流保护模块等构成.逆变器采用SPWM正弦脉宽调制,经过IR2104产生两路反相的SPWM波,驱动4个开关管IRF540工作,并利用STM32完成电流/电压采样、调试和液晶显示的数据处理.经实际测式,该逆变器获得了较高的转换效率,较低的输出电压/电流误差.【期刊名称】《湖南城市学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(026)003【总页数】4页(P54-57)【关键词】全桥逆变;同步BOOST;SPWM控制【作者】李加升;李稳国;宋歌【作者单位】湖南城市学院信息与电子工程学院,湖南益阳 413000;湖南城市学院信息与电子工程学院,湖南益阳 413000;湖南城市学院信息与电子工程学院,湖南益阳 413000【正文语种】中文【中图分类】TM464在光伏发电、风力发电等新电源被广泛应用的今天，逆变技术的研究被广泛关注，而低压小功率的逆变电源是电子设备必不可少的部分．随着电力电子技术的发展和对电气设备在性能上的要求，以及不同应用领域对电源的技术要求，各行业对逆变电源的要求也在不断提高．在许多的电子设备中，要求逆变电源系统可靠性高、稳定度好、调节特性优良，而且体积小、重量轻[1-2]．而控制信号产生电路是逆变器的核心，其性能优劣将直接影响整个逆变器的好坏．正弦波脉宽调制(SPWM)是逆变电路的核心技术，目前SPWM的产生方法有很多种，最基本的方法就是利用分立元件，采用模拟、数字混合电路产生SPWM[3-4]．文献[5]提出了一种用数、模硬件电路产生SPWM的方法，此方法硬件电路复杂；文献[6]采用SPWM专用芯片SA828系列与微处理器直接连接生成SPWM，此方法生成的SPWM波形参数受专用芯片限制；文献[7]利用FPGA来生成SPWM波，虽然生成的SPWM波质量性能较好，可以灵活改变输出波形参数，但成本也相对较高．本文采用ARM 公司的32位单片机STM32作为主控芯片对单相正弦波逆变器进行了设计．基于STM32的单相正弦波逆变器方框图见图1．系统主要由STM32主控模块、驱动模块、同步BOOST模块、全桥逆变模块、信息采集模块、欠压过流保护模块及键盘显示模块组成，同步BOOST电路和全桥逆变模块组成系统的主电路．系统由单片机产生一路PWM，经驱动模块功率放大后，变为两路反相带死区的PWM，控制同步BUCK中的两个开关管，实现直流电输出升压．全桥逆变电路由单片机产生的2路反相SPWM波，经过驱动模块后生成的4路SPWM波信号控制．SPWM波控制逆变电路4个开关管的通断，将升压后的直流电转换为交流电[8]．系统采用互感采样将交流输出电压电流反馈给单片机进行PID调节，实现稳压功能．将交流电压信号经过过零比较器后得到同频率的方波，再由单片机进行频率采样显示在液晶屏上，并可通过按键设定交流电输出频率，与采样频率比较后，进行PID调节，实现频率可调．通过控制欠压过流保护模块中的继电器通断，可以实现欠压过流保护．控制模块由STM32芯片及外围电路构成的最小系统，主要用于信号的采集和发出控制信号；数据采样模块以ADS1115芯片为核心，电压互感器和电流互感器采集输出端电压电流并通过BOOST输出[9]；由过零比较器为主要核心构成的定时器捕获模块是为了得到交流输出频率和功率因子；同步BOOST电路使用开关管取代BOOST电路的续流二极管，并用两路反相的PWM驱动；全桥逆变模块通过单片机产生SPWM波控制4个开关管构成全桥式滤波电路，可提高效率；LCD12864模块显示电源的相关主要参数；过流欠压保护模块用于增强电路的安全性，通过检测电源的电压电流，从而控制继电器对整个电路进行保护．STM32单片机拥有512 KB的系统内可编程Flash、112个的快速I/O端口、11个定时器、实时时钟RTC、2个12位的us级的A/D转换器（16通道）、SPI串行端口，以及3种可以通过软件选择的省电模式．单片机主要起到电流电压采样、功率因数测量、信息显示以及过流欠压保护的作用，STM32最小系统部分由晶振电路、复位电路、显示电路组成．单片机最小系统需晶振电路来产生时钟频率．STM32电路采用8 MHz的晶振，CPU最高工作频率可达72 MHz．LCD12864带中文字库的12864内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块，其分辨率为128×64，内置8 192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集，利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面．可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示．主电路由同步BOOST电路和全桥逆变电路组成，见图2．系统通过单片机产生PWM波控制BOOST电路升压，将BOOOST输出电压输送到逆变电路，同时利用正弦脉宽调制技术产生SPWM波给逆变电路实现DC-AC．STM32单片机产生1路PWM，经过I2104后变为两路反相带死区的PWM，控制同步BOOST电路中开关管的通断，由电感周期性充放电和后级电容滤波，使电压输出升高．利用电阻取样法将输出电压采集，反馈给单片机与设定值比较得到误差值，再根据误差值进行稳压调节．逆变部分则是由单片机产生两路反相的SPWM波，经过驱动芯片IR2104驱动后变成4路SPWM波分别驱动全桥的4个开关管，通过单片机的定时器功能每隔50 us取正弦波对应的1个占空比值，1个正弦波分为400个点，则逆变后的波形的周期T =50 us*400=20 000 us=20 ms，频率为f =1/T =50 Hz．由此可实现固定输出50 Hz的交流电．为了提高输出电压、电流控制精度，信号采集模块选用16位采样芯片ADS1115进行采样．系统首先通过电压互感器和电流互感器分别将输出电压、电流成比例缩小，再输入AD637将交流输出换算为真有效值后，由ADS1115采样后反馈给单片机．AD采样电路图见图3．欠压过流保护采用继电器控制电路的通断实现保护．单片机将反馈的电压值和电流值与设定值相比较，当电压低于20±0.5 V或高于28±0.5 V、电流超过1.7±0.1A时，单片机的PA.2口发出一个电平，通过对继电器开关的控制来实现对电路的保护，通过软件控制欠压过流保护具有自恢复功能．AD及继电器保护电路图如图4所示．开启总电源，系统进入初始化状态．然后，对输入电流、电压进行采样，若输出电压大于28 V或低于20 V、电流值大于1.7 A，则驱动继电器断开主回路，完成过流保护，5 s后控制继电器使电路正常工作．若电压电流值在正常范围内，则进行稳压调节，并通过液晶显示．本系统的主程序流程图如图5所示．在输入直流电压Us=21.5 ～26.5 V的条件下，使用数字万用表测量交流电压输出，用示波器测量输出电压波形及频率，测量结果见表1．负载采用50 Ω/50 W 可调滑线变阻器，在直流输入电压Us=24 V、负载为5 Ω时，调整输出交流电压为36 V，然后将负载电阻为10 Ω，测量输出电压的变化范围，具体数据参见表3，经计算最大变化范围为0.283 V．负载采用50 Ω/50 W，调整输出电压测出输入输出电压和电流，并计算出效率，具体数据见表3．由表3数据可知，输出效率最低时为83.1%．逆变系统设计时，设计的功能是当检测到当电压低于20±0.5 V或高于28±0.5 V、电流超过1.7±0.1 A时，继电器断开，以实现保护的目的．经实际测试，当电流为1.7±0.05 A时，继电器断开，具备过流保护及自恢复功能．本文设计了一种基于STM32的正弦波逆变器，主要通过BOOST升压，经全桥逆变后，结合SPWM的控制转换为交流电，再进行PID调节，实现稳压功能．结合STM32和LCD12864液晶显示器，实现友好的人机交互界面．利用了过流欠压保护技术，为逆变器提供了有力的安全保障．经组装和测试后，该逆变器能够实现输入直流电压Ui=21.5～26.5 V范围时，输出频率为f0=50±0.5 Hz的交流电压U0=36±0.5 V，输出可调频率20～80 Hz，电能转换效率达83%以上，其他各项指标均达到较为满意的效果．【相关文献】[1]王兆安, 刘进军. 电力电子技术[M]. 5版. 北京: 机械工业出版社, 2013.[2]张凯, 王祥. 基于STM32的新型SPWM逆变电源[J]. 电气自动化, 2012, 34(3): 52-54.[3]吕小涛. 基于DSP的正弦波逆变电源研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2009.[4]王小龙, 陈畅, 龚敏. 一种新型过流保护电路的设计[J]. 电子与封装, 2010, 87(7): 16-19.[5]罗秦. 基于STM32的DC-AC电源设计与研究[D]. 天津: 天津理工大学, 2015.[6]宗荣芳. 基于protel DXP的电路设计仿真[J]. 电子工程师,2005, 31(1): 41-47.[7]江国栋, 徐丽萍. 基于AD型单片机的中功率升压开关稳压电源设计[J]. 南京工业职业技术学院学报, 2009, 9(2): 12-13.[8]高玉峰, 胡旭杰, 陈涛, 等. 开关电源模块并联均流系统的研究[J]. 电子工程, 2011(02): 210-212.[9]付运旭. 高频全桥逆变电源设计与测试[D]. 济南: 山东大学,2012.。

基于STM32的单相用电器分析监控装置的设计与实现一、引言随着人们对能源的需求不断增长，对电能的高效利用和监控也变得越来越重要。

单相用电器是家庭中常见的用电设备，对其进行分析和监控可以帮助用户了解用电情况并采取相应的能源节约措施。

本文基于STM32单片机设计了一种单相用电器分析监控装置，主要包括硬件系统设计和软件系统设计两个方面。

二、硬件系统设计1.系统框架设计本系统的硬件框架主要由STM32单片机、电流传感器、电压采样电路、通信模块和显示模块等组成。

其中，STM32单片机作为控制核心，通过电流传感器和电压采样电路获取用电器的电流和电压信号，并通过通信模块将数据传输给上位机进行分析和显示。

显示模块可以实时显示用电器的电流、电压、功率等信息。

2.电流传感器设计电流传感器用于测量用电器的电流并输出相应的电压信号。

常用的电流传感器有霍尔传感器和互感器等，本系统选择互感器作为电流传感器。

互感器通过测量电流在线圈上产生的磁感应强度来获取电流的大小。

3.电压采样电路设计电压采样电路用于测量用电器的电压并输出相应的电压信号。

电压采样电路一般由电阻和电容等组成，通过对电压进行采样，可以得到电压的大小。

4.通信模块设计通信模块用于将获取的用电数据传输给上位机进行分析和显示。

本系统选择无线通信模块进行数据传输，常用的无线通信模块有Wi-Fi、蓝牙和LoRa等，可以根据具体需求选择合适的通信模块。

5.显示模块设计显示模块用于实时显示用电器的电流、电压、功率等信息。

常见的显示模块有LCD屏幕和LED灯等，可以根据实际需要选择合适的显示模块。

三、软件系统设计1.系统初始化在系统初始化阶段，首先进行STM32单片机外设的初始化，包括电流传感器和电压采样电路的配置，通信模块和显示模块的初始化设置。

2.电流和电压采样在电流和电压采样过程中，通过互感器和电压采样电路读取电流和电压的值，并进行相应的处理。

可以使用STM32内置的ADC模块进行模拟电压和电流的采样。

图1 系统的功能结构图图2 系统的流程图6773 2019.1关重要的重用，保障了数据在远程传输的稳定性，电参数采集系统目前应用在三相交流电路中比较多，后期在智能家居，物联网生活的世界必不可少。

1 系统设计1.1 系统的功能结构图如图1所示，电参数采集系统以STM32F103ZET6单片机作为主控MCU，通过电压、电流互感器获取市电上电线变化特征参量转化为弱电参量，通过STM32内部ADC进行模数转换，并通过一系列数值计算和相应算法，得到所需的电量参数。

并通过LCDTFT彩屏实时显示出来，并增加按键以供人机交互使用。

1.2 系统的流程图图2中，电参数采集分为四个部分，分别是数据的同步、电压采集、电流采集、LCD显示。

在数据同步的过程中可上传至机智云云端，可实现用手机远程监控，同时数据也可下传至硬件电路端，通过MCU实时浮点运算，对数据进行更新与反馈。

电压与电流采集分别经过运算放大电路和相角检测电路，之后可获取相关信息，包括用电器工作的频率，以及市电总线上相位的变化。

TFTLCD显示端，不停刷新电参数显示的数据以及当前的环境数据变化，具体信息可通过按键来切换。

图3 系统电源电路图4 电压互感与电流互感信号放大电路6874ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD2019.11.3 构建开发环境MDK5编译开发环境：MDK5作为强大的编译软件，提供了丰富的内核库和单片机种类库，包含链接、下载、仿真、调试，支持多种公司的仿真器与调试器，如JLink、ST_Link、ulink等，为开发STM32单片机缩短了时间，提高了开发效率。

使用MDK5可实现对一些基于RAM内核的高级单片机的编程与调试，可以完成对ST公司的STM32F1系列的单片机的开发与调试。

ST—Lnk仿真器：在程序调试的过程中可借助ST-Link 进行程序的单步调试，大大缩短了开发过程中的难题。

2 单相用电器分析监控装置的硬件设计2.1 硬件电路设计系统电路设计包括：单片机MCU主控电路、信号采样放大电路、信号处理电路、TFT彩屏显示电路、独立按键切换电路、电源整流滤波稳压电路。

基于STM32单相正弦波逆变电源的设计作者：唐涛杨冰李稳国兰岳旺吴航来源：《科教导刊·电子版》2018年第06期摘要针对传统线性电源输出功率低、稳定性差、带负载能力不强等问题，设计并制作了一种效率高、稳定性强的开关稳压式电源。

该开关电源系统主要是由STM32单片机、驱动模块、DC-DC升压模块、DC-AC逆变模块、采样调频模块等组成。

以DC-DC升压模块和DC-AC逆变模块为电路主拓扑，由STM32单片机产生的信号经过驱动模块放大增幅后进行控制调节，采样调频模块进行采样反馈和频率调节。

测试结果表明，该开关电源系统具有过压欠压保护功能，输出交流电压的幅值频率可调，且效率达到86%以上。

关键词 STM32单片机 DC-DC DC-AC中图分类号：G632.3 文献标识码：A0引言随着电子技术的飞速发展，各种电子装置对电源功率的要求越来越大，对电源效率和稳定性的要求也越来越高。

因此，开关电源技术得以飞速发展。

传统线性稳压电源虽然电路结构简单、工作可靠，但它存在效率低（40%-50%）、体积大、工作温度高及调整范围小等缺点，而开关式稳压电源效率可达85%以上，且稳压范围宽。

相比传统线性稳压电源，开关电源所具有的电能转换效率高、体积小、重量轻、控制精度高和快速性好等优点，为它在小功率范围内取代线性电源奠定了良好基础，并且还迅速地向中大功率范围推进。

文献[2]提出的开关电源稳定性好，但电源转换效率不高。

针对上述问题，本文提出了单相正弦波逆变电源的设计。

该设计主拓扑电路由DC-DC升压模块和DC-AC逆变模块构成。

其中，DC-DC升压模块采用两路B00ST并联结构，提高了输入电流，有利于电流分配调节。

而DC-AC逆变模块采用全桥逆变结构。

与半桥逆变结构相比，全桥逆变的开关电流减小了一半，在大功率场合得到了广泛应用，且稳定性更好。

本系统使用的开关管均是金属氧化物场效应管（MOSFET），该管能够有效地减少功率损耗，提高系统效率。

基于单片机的逆变电源设计摘要：为了适应当今新能源发展速度，逆变电源技术也在不断更新换代。

本文介绍了一款基于STM32芯片的SPWM逆变电源系统。

采用BOOST升压技术和SPWM逆变技术，将180V的直流电转换成220V的工频优质正弦交流电。

直流电经过升压斩波电路进入控制电路，在经过LC低通滤波器，滤除高次谐波，得到频率可调的正弦波交流输出。

本系统由升压模块，逆变模块，控制模块，反馈模块，保护模块构成具有良好的性能并实现了数字智能化为家用电器提供了一种可靠、优质的交流电源。

关键词：STM32逆变电源SPWM升压斩波电路1.课题研究背景和意义在日新月异的今天，新能源的应用范围越来广阔，而对于如何将其所转化的电输入到电网或者设备所需要的稳压恒频、体积小、重量轻、噪音低、效率高的交流电成为了成为逆变电源研制领域所要解决的问题。

逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变换的装置，它的作用是将输入的高低不同压，大小不同频的电转化为电网、设备、用户所需频率的交流电输出。

目前逆变电源所跨领域之大，所涉范围之广逆变电源的改进不仅能在新能源中有着不可缺少的作用，还在车载电器、野外作业、应急抢险和移动办公中有着重要的地位；而各行各业要求着逆变电源朝着更高的效率，更低的成本和更高的可靠性，还必须环保无污染，但是传统的逆变电源难以实现以上要求。

因而研究数字化、模块化的绿色逆变电源技术对当今提出的节能，高效，绿色，环保工业口号实现具有重要意义。

1.课题研究内容本论文基于当前新能源发展活跃的背景下市场对逆变电源特定负载性能和外特性功能要求下，设计了一种还具备安全可靠、高效、高功率因素、低噪音、绿色无污染的基于STM32单片机芯片的逆变电源。

1.系统总体设计1.系统设计指标采用STM32单片机作为控制主控芯片来设计一款能产生可靠、优质的交流正弦逆变电源。

开关频率：21.5KHz输入电压：直流电48V输出电压：交流电220V/50Hz输出功率：5kw逆变效率：90％1.1.总体设计方案本文采用TL494芯片与 STM32芯片来分别控制前一部分直流升压电路和后一部分的逆变电路。

基于STM32的智能逆变电源设计
李国洪;刘帅;李文兵
【期刊名称】《天津理工大学学报》
【年(卷),期】2015(031)006
【摘要】高性能模块化、高频数字化、智能化是逆变电源技术的方向发展.因此,本文研究并设计了一种新的逆变电源系统,利用STM32芯片具有独立的程序和存储器空间,结合该芯片的高速运算能力和强大的控制功能,采用单相全桥逆变电路,增强电路的稳定性和动态性能.实验结果表明,设计的电路系统结构简单、可靠性高、成本低、灵活性好.
【总页数】3页(P23-25)
【作者】李国洪;刘帅;李文兵
【作者单位】天津理工大学自动化学院天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室,天津300384;天津理工大学自动化学院天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室,天津300384;天津市拓朴方得科技有限公司,天津300110
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
【相关文献】
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3.基于STM32系列单片机的数控正弦波逆变电源设计与实现 [J], 赵有以;杨美君;
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基于 STM32的单相逆变器系统的设计和实现辽宁工业大学电子与信息工程学院 110000摘要:本设计以STM32单片机为主控芯片，采用SPWM双极调制方式，以单相全桥逆变电路为主电路，实现双逆变器并网供电。

提出了一种新的主从控制方法，通过控制主从机SPWM调节的不同速度来实现外电路对内电路电压的电流控制。

提出控制系统软启动和过流后重启的思路，保证系统始终处于安全运行状态，并能快速反应。

两个单片机之间的通信是通过UART来完成的，实现从电路跟随主电路的输出相位，高精度采样系统的设计采用SPI通信方式实现。

关键词：单相逆变；并联均流；STM32；SPWM1引言能源是社会发展的原动力。

目前，传统化石燃料仍是现代社会使用的主要能源材料，但目前已探明的储量和消费水平无法估计长期稳定供应。

因此，化石燃料造成的能源危机和污染使可再生能源研究成为重中之重。

逆变器的工作过程是将光伏板产生的直流电流转换成稳定高效的交流电，可以直接提供给用户。

它由逆变器部分、控制部分和输出滤波部分组成。

这使得光伏逆变器的研究成为利用太阳能解决能源危机不可缺少的环节，其性能直接影响逆变器的效率和逆变器的能源质量。

微型光伏逆变器以其维护方便、安全性高等优点，被广泛应用于分布式单机光伏发电系统中。

此外，光伏转换器因其适应不同条件的能力、扩展方便和成本低而在市场上更具竞争力。

因此，要保证离网光伏发电系统高效稳定运行，开发一种可靠、高效、经济的微型光伏逆变器就显得尤为重要[1]。

2并网逆变器系统硬件设计2.1选择主控芯片本设计采用标准ARM结构、Cortex-M内核的STM32单片机作为主DSP，专为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用而设计，大大提高了信号处理效率。

STM32F103ZET6有60个中断源，可以匹配本系统中的各种外设和控制逻辑。

与其他单片机相比，具有功耗低、频率高、操作简单、调试方便、性能稳定性高等优点。

微控制器内置的UART和SPI通信模块可以满足系统中主从和交流通信的通信需求。