基于STM32的能量反馈型电子负载设计

2017-02-03雷新颖王成苏力

电子设计工程 2017年21期

雷新颖，王成，苏力

（西安航空学院电子工程学院，陕西西安710077）

为了使UPS能够满足不同情况的应用，对其进行老化或性能测试的实验中需要使用不同性质的负载。电子负载是可以设置阻性、容性和感性等不同状态的负载，对此项工作带来很大的方便。普通电子负载所耗费的能量以热能的形式散失，当对UPS长时间老化时，浪费的能量巨大。能量反馈型电子负载可以在作不同性质负载得同时，将从UPS所获得的电能反馈回电网，从而节约大量能源[1]。

能量反馈型电子负载控制系统比较庞大，一般采用计算能力强大的DSP进行控制。但DSP系统价格较高，与单片机相比且容易受到干扰。普通的8位或16位单片机计算能力弱，工作速度慢，不能用来控制能量反馈型电子负载。STM32单片机是一种工作速度快，功能强大的32位单片机，现在应用越来越广。文中采用STM32为控制器[3,7]，使用滞环控制法[4,8]和数字PID算法[2]对系统进行控制，设计能量反馈型电子负载。

1 系统方案设计

能量反馈型电子负载包括主电路和控制电路。主电路采用AC/DC/AC变换结构，包括前后两级，前级是整流级，后级是逆变级[1]。整流级直接作为UPS的负载，从UPS获得电能，将电能存储在整流级和逆变级之间的大电容上。逆变级负责将电容上的电能反馈进电网。控制电路以STM32单片机为核心，对前后两级进行控制。控制电路的主要功能有3个：第一，通过控制流入整流级的电流，可以实现阻性、容性和感性等不同状态的负载。第二，逆变级输出的电流要与电网电压同频同相，保证功率因数为1。第三，通过自动调节反馈电流的大小，保证中间大电容上的电压稳定。

图1 系统框图

把整流级作为一个控制对象，流入整流级的电流是被控制量。从控制角度来看，电子负载运行在阻性状态时，设置的流入整流级电流与整流级输入端的电压频率和相位相同；电子负载运行在容性状态时，设置的流入整流级电流与整流级输入端的电压频率相同，相位超前90°；电子负载运行在感性状态时，设置的流入整流级电流与整流级输入端的电压频率相同，相位滞后90°。控制思路就是使实际流入整流级的电流时刻跟随设置的流入整流级电流。采用的具体控制方法是滞环控制方法。

逆变级的控制如同整流级，把逆变级也作为一个控制对象，逆变级输出电流是被控制量。从控制角度来看，逆变时，设置的逆变级输出电流与逆变级输入端的电压同频同相。

工作时，中间大电容上电压太低，流入整流级的电流和逆变级输出的电流波形将出现畸变。电压太高将损坏器件，危害系统安全。所以必须对大电容上的电压进行控制，使其稳定。整流级输出的电流一部分流入中间大电容上，一部分流入逆变级。电容上的电压既受到整流级影响，又受到逆变级影响。整流级的工作状态是根据使用要求设置好的，不能改变。电容上的电压的调节通过逆变级进行调节。电容上的电压升高时，增大逆变电流降低它；反之电容上的电压降低时，减小逆变电流升高它。

对整个系统，两级之间的大电容是被控对象，大电容上电压是被控量，逆变级可以看成执行机构，那么逆变级输出电流的控制闭环和大电容上电压的控制闭环组成了双闭环控制系统。逆变级输出电流的控制闭环是内环，大电容上电压的控制闭环是外环，如图2所示。内环采用滞环控制算法，外环采用常用的PID算法进行控制。整流系统可以看为干扰环节，整流级采用滞环算法单独控制。

图2 控制系统框图

2 硬件设计

整流级和逆变级的主电路基本相似，都由单相H桥、交流侧大电感、直流侧大电容组成，如图3所示。整流级的交流侧是主电路的输入端，接被测设备输出端，如UPS输出端。逆变级的交流侧是主电路的输出端，接电网。直流侧的大电容共用，大电容起存储电能的作用。单相H桥的4个桥臂各由一个IGBT和一个与其反向并联的二极管组成。当某一桥臂IGBT导通时，电流可以流过该IGBT，而反向的电流可以随时流过该桥臂的二极管。IGBT选用FGA25N120型号。控制电路直接控制的是4个桥臂IGBT的通断，通过控制IGBT的通断实现对流过电感L电流瞬时值增大或减小的调整。交流侧电感起滤波、储能和相位匹配等作用[1]。

图3 主电路

整个控制电路的框图如图4所示，操作模块设置两个电位器和3个开关。一个电位器用来设置流入整流级电流幅值，另一个用来设置流入整流级电流的相位。一个开关是设置相位是超前还是滞后，一个是控0制系统开关，还有一个是总开关。两个驱动模块都带有死区保护功能。

图4 硬件框图

控制电路的核心是单片机，其负责检测和控制的变量比较多，因此选择了工作速度快，功能强大的32位单片机，型号为STM32F103RBT6。单片机的PC6～PC9经过驱动电路[9]分别控制逆变级的4个IGBT，单片机的PC10～PC13经过驱动电路分别控制整流级的4个IGBT。PA8引脚用于输入设置相位是超前还是滞后的开关信号。外部中断0对应的PA0引脚，用于输入整流级交流电压的过零点信号。外部中断1对应的PA1引脚，用于逆变级输出交流电压的过零点信号。定时器2用于中断方式，起定时修改相角的作用。此单片机中有两个12位ADC，可以用16个外部通道。用第8～12通道输入5个模拟信号[6]。

3 软件设计

控制程序利用ST公司提供的库函数，采用C语言编写[12]。程序由主函数、外部中断0服务函数、外部中断1服务函数、定时器重点服务函数和与初始化有关的函数组成。为了减小计算量，程序中利用数组存储正弦函数值。数组共360个元素，对应0°～360°每个整度数的正弦值。

在主程序中，首先进行初始化，包括时钟系统设置，引脚设置，中断系统设置，外部中断设置、ADC系统的设置和变量赋初值。完成后进入循环。循环中，先对大电容上电压进行判断，如果超限则立刻停机，防止大电容爆炸。如果正常则完成后续工作，对电流进行采样，计算设置电流此刻瞬时值，对逆变级和整流级进行控制。如图5所示。

定时器中断服务程序用来，更新相角值。每来一次定时器中断，相角值加1°。并且使相角在0°～360°循环。整流级和逆变级各有各的相角。

外部中断0用于整流级控制，起到同步流入整流级电流相位与整流级输入端电压相位的作用。输入电压的每个上升沿，来一次外部中断0的申请，进行一次他们相位的同步。

外部中断1用于逆变级控制，起到同步流出逆变级电流相位与电网电压相位的作用。输入电压的每个上升沿，来一次外部中断0的申请，进行一次他们相位的同步。在外部中断1的中断服务中，还要完成对大电容上电压控制。控制算法采用遇限消弱的PID控制算法[15]。

图5 主程序流程图

4 实验结果

为了调试方便，保证安全，采用变压器对整流级交流侧输入电压降压，对逆变级输出交流电压进行升压。两变压器的高压侧一起接电网。主电路通电后，控制电路还没工作之前，通过二极管的整流作用，对大电容C充电，其两端电压可以达到变压器低压侧交流电压的最大值。控制电路工作后，如果整流级工作在整流状态，大电容C上的电压将进一步上升，而系统自动调整逆变级输出电流，可以使大电容C上的电压稳定。系统正常工作时，要求大电容C上的电压稳定，因此先调试逆变级，再调试整流级，最后整体调试。大电容的电容取2 000 μF，交流侧两个大电感取2 mH[5]。

图6是系统工作时，用虚拟仪器采样并绘制的波形图。图6中的每张波形图中有4条曲线，每幅图中最低下的正弦波是电网电压曲线，中间的直线为大电容C上的电压，上边两条带毛刺的正弦波是系统输入输出电流曲线，幅值较大的曲线是流入整流级的电流曲线，幅值较小的是逆变级输出的电流曲线。这两条电流曲线的毛刺比整流级或逆变级单独工作时电流曲线上的毛刺要严重，这说明采用一个STM32单片机对整个系统控制，速度有些低，可以考虑采用两个STM32单片机分别控制前后两级。

图6 波形图

图6（a）是系统运行在阻性状态波形图，此时输入电流与输入电压同频同相，逆变电流与电网电压反相（设流入系统为电流正向），大电容C上的电压稳。系统输出电流随系统输入电流增大而增大，减小而减小，但输出电流总比流入系统的电流小，这是系统的损耗所致。

图6（b）是系统运行在容性状态波形图，此时系统输入电流相位超前输入电压90°。图6（c）和图6（d）时系统运行在感性状态波形图，系统输入电流相位滞后输入电压，系统运行在感性状态。图6（c）中输入电流相位滞后输入电压45°，此时系统输出电流的相位与电网电压反相，逆变级工作在逆变状态。图6（d）中输入电流相位滞后输入电压90°。当系统输入电流相位超前或滞后输入电压90°时，整流级向大电容充电的有效电流为零，为了保持大电容C上的电压稳定，需要逆变级向大电容进行微弱的充电。逆变级在控制系统的控制下，处于弱整流状态。