Автономный инвертор напряжения система управления

В настоящее время, несмотря на развитый рынок трёхфазных автономных инверторов напряжения (АИН) и преобразователей частоты, изготавливаемых для электропривода переменного тока, а также для систем электропитания различных ответственных потребителей, существует область технических задач, решить которые с помощью предлагаемого рядом зарубежных фирм готового оборудования невозможно по техническому несоответствию с требованиями заказчика. Также следует отметить, что существует необходимость обеспечения оборонной промышленности страны отечественными разработками. В связи с этим, крайне актуальными являются исследование и разработка трехфазных АИН, применяемых в авиакосмической технике и оборудовании морского базирования. Одним из основных этапов разработки АИН является проектирование системы управления. Любое управление силовым преобразователем в конечном итоге сводится к регулированию времени открытого состояния силового транзистора по отношению к периоду его работы. Известно, что такой метод управления получил название широтно-импульсной модуляции (ШИМ) [1]. Если для сравнения рассмотреть область однофазных преобразователей, в которых преобладающее применение получили полумостовые и мостовые топологии (мощностью 0,5–3 кВт), то построение систем управления данными силовыми схемами не вызывает особых трудностей и перекрывается широким классом производимых промышленностью интегральных ШИМ-контроллеров. При этом, учитывая последнюю тенденцию к построению цифровых (цифро-аналоговых) систем управления силовыми преобразователями [3], для класса трёхфазных инверторов разработано большое количество методов управления [6]. Но при их реализации для решения практических задач, требующих формирования выходного напряжения с повышенными частотами (1–2 кГц), систему управления необходимо разрабатывать собственными силами ввиду отсутствия готовых интегральных решений в виде трёхфазных ШИМ-контроллеров.

Известно, что АИН представляет собой статический преобразователь постоянного напряжения Ed в переменное с помощью полупроводниковых ключей (S1-S6), в качестве которых могут использоваться полевые MOSFET-транзисторы, либо IGBT [2]. Управление транзисторами моста осуществляет система управления (СУ) в соответствии с одним из существующих алгоритмов, с целью обеспечения стабилизированным переменным трехфазным напряжением нагрузки (Zн).

В настоящее время существуют три основных класса СУ: аналоговые, цифровые, смешанные (цифро-аналоговые). Аналоговые СУ уступают сегодня место смешанным, и вектор развития направлен на применение в силовых преобразователях чисто цифровых СУ [3]. Однако скорости работы современных микроконтроллеров и АЦП не столь высоки, чтобы обеспечить необходимое быстродействие цифровой СУ силового преобразователя, функционирующего на частотах 50–100 кГц и более.

Рассмотрим смешанную систему управления (рис. 1), в которой пропорционально-интегро-дифференцирующий (ПИД) регулятор выполнен традиционно с помощью операционных усилителей. Линейное напряжение с выхода инвертора измеряется датчиком напряжения (ДН) и в качестве сигнала отрицательной обратной связи суммируется с сигналом уставки Uуст. Сигнал с выхода ПИД регулятора масштабируется и переводится в цифровой ряд с помощью аналого-цифрового преобразователя, затем подаётся в цифровой формирователь импульсов (ЦФИ), который в соответствии с алгоритмом обеспечивает импульсами управления трёхфазный АИН, используя блок драйверов (БД) для согласования маломощных сигналов управления с низким входным сопротивлением силовых транзисторов. Особый интерес для исследований и разработки в представленной структурной схеме представляет ЦФИ, являющийся прототипом аналогового ШИМ-контроллера, формирующего импульсы управления в функции от суммы сигналов уставки и обратной связи.

Рис. 1. Структурная схема АИН с цифро-аналоговой системой управления

Известно, что с развитием микропроцессорной техники широкое применение получили алгоритмы векторной ШИМ [5, 6]. При реализации этой разновидности ШИМ дважды за период выходной частоты каждая фаза инвертора становится неуправляемой и коммутации силовых ключей в ней не происходит. Для каждой фазы выходного напряжения, дважды за период выходной частоты, наступает интервал, равный π/6, когда значение напряжения этой фазы максимально по модулю (рис. 2). Согласно алгоритму векторной ШИМ на время этого интервала соответствующий ключ (S1–S6), должен оставаться открытым, вне зависимости от коэффициента модуляции Км, который есть не что иное, как сигнал уставки Uуст в относительных единицах, изменяющийся в диапазоне 0–1 (рис. 3). Согласно методу векторной ШИМ период работы (2π) каждой фазы транзисторного моста разделен на 6 равных интервалов по 60 эл. град. (π/3). Развивая далее этот метод, разобьём каждый π/3-интервал на 8 ШИМ-интервалов по 7,5 эл. град. (π/24).

Рис. 2. An, Bn, Cn – сигналы фазных управляющих напряжений; Mn – сигнал предмодуляции 3-й гармоникой

Рис. 3. Управляющие сигналы, предмодулированные 3-й гармоникой при коэффициенте модуляции km = 1 (а) и km = 0,7 (б)

Таким образом, модуляционное число ШИМ-преобразования М = 48. Рассмотрим случай, когда частота выходного напряжения АИН fвых выбрана равной 1 кГц, тогда частота коммутаций силовых ключей fк = М·fвых = 48 кГц. В этом случае длительность периода ШИМ ТШИМ = 1/48·103 = 20,833 мкс. Практический опыт работы с современными полупроводниковыми приборами показывает, что в режиме жёсткой коммутации ключей работа на данной частоте является близкой к максимальной с точки зрения потерь на переключение в транзисторах. То есть для увеличения частоты выходного напряжения АИН необходимо использовать транзисторы с минимальными динамическими потерями.

Известно, что сигнал ШИМ формируется сравнением напряжения пилообразной развёртки с сигналом управления, при помощи устройства сравнения, например в аналоговых системах – это обычный аналоговый компаратор [1]. Так как в данном случае система формирования импульсов проектируется полностью цифровой, то сравнение производится на цифровых компараторах, а в качестве развертки двухсторонней ШИМ на интервале π/24 используется треугольная цифровая развертка, обеспечиваемая реверсивным счетчиком (рис. 4). Примем заполнение счётчика развёртки или цифрового генератора пилообразной развёртки (ЦГПР) равным N = 500, тогда на интервале 0. π/48 счёт идет от 0 до 500, а на интервале π/48. π/24 – от 500 до 0.

Исходя из максимального значения заполнения N = 500 длительность периода генератора тактовых импульсов счётчика будет равной ТШИМ/2N = 20,833 нс, частота соответственно равна 48 МГц. То есть частота микросхемы ПЛИС, на которой реализуется цифровой схема, должна быть не менее указанной частоты.

При реализации данного вида векторной ШИМ [5] дважды за период выходной частоты со сдвигом π в течение интервалов π/3 управление каждой фазы инвертора делают пассивным, т.е. коммутации силовых ключей с частотой ШИМ в ней не происходит. При этом открыт либо верхний, либо нижний фазный ключ в соответствии с алгоритмом управления. Другие две фазы с помощью ШИМ управляются разворотом длительности 48 кГц импульсов по синусоидальному закону. Таким образом средняя частота коммутации каждого силового ключа в 1,5 раза ниже по сравнению с классической ШИМ, что соответственно снижает потери на переключение.

Рассмотрим один из шести π/3 интервалов, когда один ключ полностью открыт, а два других переключаются с частотой 48 кГц, ширина импульсов при этом меняется во времени по гармоническому закону с предмодулированной 3-й гармоникой. Примем середину развертки цифровой пилы N/2 за уровень условной нулевой линии фазных развёрток (рис. 4), тогда синусоидальное напряжение развертки фазы примет вид

где – коэффициент увеличения амплитуды основной гармоники с учётом добавления 3-й; θ – начальная фаза, а напряжение предмодуляции для данного интервала

Рис. 4. Эталонные синусоидальные функции, предмодулированные 3-й гармоникой, и сигнал развертки треугольной цифровой пилы

Для второй и третьй фаз полученные выражения будут иметь такой же вид, но начальная фаза θ будет сдвинута на 2π/3. После несложных преобразований получим формулы для подсчёта коэффициентов, представляющих собой ширину импульсов изменяемых во времени:

Расчёт полученных коэффициентов для каждого π/3 интервала одинаков, и их значение изменяется в функции от коэффициента модуляции КМ, значение которого определяется сигналом обратной связи, полученным с датчика напряжения и оцифрованным АЦП. Возможны два способа обработки полученной информации. Первый – расчёт интервальных коэффициентов А1, А2 «на лету», во время работы системы, второй – заполнение ячеек матрицы коэффициентов, с последующей выборкой строки с номером, соответствующим значению КМ в диапазоне 0–1, разбитым на приемлемый (по точности стабилизируемого напряжения) ряд значений. Наиболее надежным представляется второй вариант, когда ЦФИ будет состоять из микроконтроллера и ПЛИС. При этом на микроконтроллер возлагается функция начального подсчета коэффициентов и заполнения матрицы значений с последующей передачей в ПЛИС, где полученная матрица используется для дальнейшей выборки значений с целью передачи их на входы цифровых компараторов.

Основной алгоритм работы ЦФИ реализуется на ПЛИС, функциональная схема ЦФИ представлена на рис. 5. Значения коэффициентов А1, А2, расcчитаны по вышеуказанным формулам и записаны в блоки матриц. Каждый блок содержит по 256 строк, что соответствует 8 бит в двоичной системе (при 8-разрядном АЦП), значение коэффициента КМ = 1 соответствует максимальному значению выхода АЦП, т.е. заполнению выходного байта единицами. Таким образом, необходимо создать 16 матриц по 256 строк в каждой, по 8 матриц для каждого коэффициента, в соответствии с делением π/3 сектора на 8 интервалов.

Рис. 5. Функциональная схема цифрового формирователя импульсов

а б

Рис. 6. Осциллограммы напряжения с выхода инвертора, при изменяющемся сигнале задания: а – частота задания 50 Гц; б – частота задания 100 Гц

На цифровые компараторы Z-К подаются выбранные значения из соответствующей матрицы и цифровой сигнал пилообразной развертки, тогда на выходе каждого компаратора одновременно сформируется прямоугольный импульс необходимой ширины. С помощью регистра сдвига РС и логических устройств ЛУ, построенных на элементах логического И, формируются временные последовательности длительностью π/3, состоящие из 8-ми импульсов. Полученные таким образом временные последовательности подаются на устройство распределения импульсов РИ, которое в соответствии с организацией логики работы ключей моста подает на соответствующий транзистор необходимый сигнал управления.

Практическая реализация разработанного метода [4] осуществлена с помощью устройства, содержащего 32-битный контроллер со встроенным АЦП и микросхемы ПЛИС, на которой спроектирован непосредственно ЦФИ. С целью проверки быстродействия работы системы на вход АЦП был подан синусоидальный сигнал с различной частотой (рис. 6), при этом осциллограммы снимались с выхода инвертора. Из представленных осциллограмм видно, что СУ обладает устойчивостью и хорошими динамическими свойствами.

Таким образом, разработанная с помощью метода векторной ШИМ цифро-аналоговая система управления 3-фазным АИН [4] обладает необходимым быстродействием для формирования и стабилизации выходного напряжения повышенной частоты (1–2 кГц), имеет улучшенные массогабаритные показатели и может использоваться для любого 3-фазного АИН с симметричной нагрузкой.

Лукутин Б.В., д.т.н., профессор кафедры электроснабжения промышленных предприятий, Энергетический институт, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск;

Михальченко С.Г., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой промышленной электроники, факультета электронной техники, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, г. Томск.

Источник

DC/AC инвертор: принцип работы, схемотехника, встроенное ПО

Импульсные преобразователи и силовая электроника в целом, всегда оставались чем-то сакральным для большинства любителей и профессионалов в области разработки электроники. В статье освещается пожалуй самая интересная тема в среде DIY-щиков и фанатов альтернативной энергетики — формирование синусоидального напряжения/тока из постоянного.

Думаю многие из вас наверняка видели рекламу, либо читали статьи, где была фраза «чистый синус». Вот именно о нем и пойдет речь, но не о маркетинговой составляющей, а о исключительно технической реализации. Я постараюсь максимально понятно рассказать о самих принципах работы, о стандартных (и не очень) схемотехнических решениях и самое главное — напишем и разберем ПО для микроконтроллера STM32, которое и сформирует нам необходимые сигналы.

Почему STM32? Да потому, что сейчас это самый популярный МК в СНГ: по ним много обучающей русскоязычной информации, есть куча примеров, а главное эти МК и средства отладки для них — очень дешевые. Скажу прямо — в коммерческом проекте я бы поставил только TMS320F28035 или подобный DSP из серии Piccolo от TI, но это уже совсем другая история.

Важно одно — STM32 позволяет стабильно управлять простыми «бытовыми» силовыми преобразователями от которых не зависит ~~судьба мира~~ работа какой-нибудь АЭС или ЦОДа.

Вот такую картину управляющих сигналов необходимо получить, чтобы превратить ток постоянный в переменный. И да — тут именно синус! Как в том фильме: «Видишь суслика? — Нет. — А он есть. »

Интересно узнать каким образом формируется синус? Хочется узнать как все-таки качают ~~нефть~~ киловатты энергии? Тогда добро пожаловать под кат!

1. Топологии для формирования синусоидального сигнала

Если спросить у толпы электронщиков: «Как можно сформировать синусоидальный сигнал?», то посыпятся предложения с десятком различных методов, но какой нужен нам? Давайте оттолкнемся от изначальной задачи — нам нужно превратить, например, 380В 10А в переменное напряжение 230В. В общем это «классический» случай, его мы можете увидеть в любом хорошем on-line UPS или инверторе. Получается нам надо преобразовать мощность около 4 кВт да еще и с хорошим КПД, не слабо, да? Я думаю подобное условие поубавит количество вариантов «рисования» синуса. Так что же нам остается?

В силовых преобразователях до 6-10 кВт применяется две основные топологии: полный мост и «полумост» со сквозной нейтралью. Выглядят они следующим образом:

1) Топология со сквозной нейтралью

Данная топология очень чаще всего встречается в бюджетных ИБП с синусом на выходе, хотя и такие авторитеты как APC и GE не брезгуют применять ее даже на достаточно больших мощностях. Что же их побуждает к этому? Давайте рассмотрим достоинства и недостатки данной топологии.

Плюсы:

Минусы:

Необходимость двухполярного источника питания. Как видите на схему инвертора надо подавать ±380В и еще ноль
Удвоенное количество высоковольтных конденсаторов. Высоковольтные конденсаторы большой емкости и с малым ESR на мощностях от 3-4 кВт начинают составлять от 20 до 40%
стоимости компонентов
Применение электролитических конденсаторов в «делителе». Они сохнут, подобрать конденсаторы с одинаковыми параметрами практически нереально, а если учесть, что параметры электролитов меняются в процессе эксплуатации, то и бессмысленно. Заменить на пленку можно, но дорого

Основные плюсы и минусы определены, так когда необходима это топология? Мое субъективное мнение: на мощностях до 500-1000 Вт, когда основополагающим требованием является стоимость, а не надежность. Явный представитель такого ширпотреба — это стабилизаторы от «А-электроника»: дешево, кое-как работает да и ладно. Для 60% потребителей в нашей стране этого достаточно и доступно по цене. Делаем выводы.

Мостовая топология… наверное самая понятная и самая распространенная топология в силовых преобразователях, а главное доступная разработчикам даже с небольшим опытом. После 10 кВт вы не встретите ничего другого кроме моста одно- или трехфазного. За что же его так любят?

Плюсы:

Минусы:

Увеличенное количество силовых транзисторов, а значит необходимо более серьезное охлаждение. Увеличение цены на транзисторах, но за счет меньшего количества конденсаторов это скорее даже плюс
Повышенная сложность драйвера, особенно при требованиях к наличию гальванической развязки

Как видите из реальных минусов мостовой топологии лишь повышенное требование к охлаждению транзисторов. Многие подумают: «Тепла выделяетсябольше — значит КПД ниже!». Не совсем так… За счет уменьшенных выбросов ЭДС и более «жесткой» системы управления КПД у двух приведенных топологий примерно равный.

В 70% случаев мне приходится применять мостовую схему не только в DC/AC инверторах, но и в других преобразователях. Это связано с тем, что проектирую в основном промышленные решения и все чаще для европейских заказчиков, а там принято на дорогие промышленные устройства давать гарантию 5-15 лет. Классическое требование: «Хотим железку, чтобы можно было давать гарантию 10 лет», тут уже выбирать не приходится. Конечно, когда люди хотят устройство с минимальной ценой, то тут необходимо уже отталкиваться от конкретной задачи при выборе топологии.

Небольшой итог: в данной статье будет приведено ПО для работы мостового преобразователя (Н-мост или Full Bridge), но сам принцип формирования синуса одинаковый для всех топологий. Код можно будет также адаптировать и под 1-ю топологию, но это вы уже сами.

2. Формирование переменного тока с помощью мостового преобразователя

Для начала давайте разберем как вообще работает мостовой преобразователь. Смотрим на схемку и видим транзисторы VT1-VT4. Они позволяют нам подавать на нашу абстрактную нагрузку (резистор, например) тот или иной потенциал. Если мы откроем транзисторы VT1 и VT4, то получится следующее: VT4 один конец нагрузки подключит к минусу (GND), а транзистор VT1 подключит к +380В, на нагрузке появится разность потенциалов «380В — 0В», которая не равна нулю, а значит через нагрузку начнет протекать ток. Я думаю все помнят, что ученые договорились — ток протекает «от плюса к минусу». Получаем такую картину:

Что мы получили открыв VT1 и VT4? Мы подключили нашу нагрузку к сети! Если резистор заменить на лампочку, то он она бы просто загорелась. И еще мы не просто включили нагрузку, а определили направление тока, протекающего через нее. Это очень важно! А что было в это время с VT2 и VT3? Они были закрыты… совсем… намертво… Что будет если все таки VT2 или VT3 были так же открыты? Смотрим:

Предположим, что открылись транзисторы VT1, VT4 и VT2. Вспоминаем закон Ома, смотрим сопротивление канала у высоковольтных транзисторов, например, IPP60R099P7XKSA1 и видим 0.1 Ом, у нас их 2 последовательно — значит сопротивление цепи VT1 и VT2 у нас около 0.2 Ом. Теперь посчитаем ток, которые пойдет через эту цепь: 380В / 0.2 Ом = 1900А. Думаю всем понятно, что это КЗ? Так же думаю всем понятно почему VT2 и VT3 должны быть закрыты?

Данный «феномен» называется — сквозной ток. И именно с ним идет большая война в силовой электронике. Как его избежать? Создать систему управления, алгоритм которой будет жестко запрещать одновременной открытие лишнего транзистора.

Зачем же нужны тогда транзисторы VT2 и VT3? Помните я писал, что очень важно направление тока? Давайте вспомнит что такое переменные ток. Собственно это ток, который имеет что-то переменное, в данном случае направление тока. У нас в розетке протекает ток, который меняет свое направление 100 раз в секунду. Давайте теперь закроем VT1 и VT4, а затем откроем транзисторы VT2 и VT3 и получим такую картину:

Как видите направление тока (обозначено стрелками) изменилось на противоположное. Использование моста позволило нам менять направление тока, о чем это говорит? Да, мы получили переменный ток!

Прошу обратить внимание, что у моста есть как бы 2 диагонали: первая диагональ образована VT1+VT4, а вторая диагональ образована с помощью VT2+VT3. Данные диагонали работают по очереди, коммутирую ток сначала в одну сторону, а потом в другую.

Вот мы получили переменный ток, скажите вы, но не все так просто… У нас есть стандарт — сетевое напряжение. Оно нормируется двумя основными параметрами: напряжение и частота. Давайте пока разберемся с частотой, ибо вопрос напряжения простой и чисто схемотехнический.

И так частота… что о ней известно — она 50 Гц (бывает 60Гц в Штатах). Период сигнала равен 20 мс. Синусоида штука симметричная в данном случае, а значит наши 2 полуволны (положительная и отрицательная) имеют одинаковую длительность, то есть 10 мс + 10 мс. Надеюсь тут все понятно.

Что это значит в физическом смысле? Да то, что нам нужно менять направление тока в нагрузке каждые 10 мс. Получаем, что сначала у нас открыта 10 мс диагональ VT1+VT4, а затем она закрывается и на следующие 10 мс открывается диагональ VT2+VT3.

Давайте отвлечемся немного на принцип управления транзисторами. Я использую полевые N-канальные транзисторы с изолированным затвором (Mosfet).

«Открытый транзистор» — это транзистор, на затвор (G) которого подали положительный потенциал (+10..18В) относительно истока (S) и транзистор изменил сопротивление канала (S-D) с бесконечно большого (2-100 МОм) на малое (обычно 0.1 — 1 Ом). То есть транзистор начал проводить ток.

«Закрытый транзистор» — это транзистор, затвор (G) которого подтянули к истоку (S) и его сопротивление изменилось с маленького до бесконечно большого. То есть транзистор перестал проводить ток.

Для лучше ознакомления с принципом работы полевого транзистора или IGBT — советую вам прочитать пару глав в книге Семенова «Основы силовой электроники» или другой источник, можно и википедию для начала.

Для управления мы подаем сигнал с Широтно-Импульсной Модуляцией или более привычная аббревиатура — ШИМ. Особенность данного сигнала в том, что у него есть 2 состояния: нижнее напряжение (GND) и верхнее напряжение (VCC), то есть подавая его на затвор транзистора мы или открываем его или закрываем — иного не дано. Про ШИМ тоже советую почитать дополнительно, ибо я вам описал ~~для ленивых~~ поверхностно.

И так, для того, чтобы у нас мост менял направление тока каждые 10 мс нам нужно подать на него ШИМ сигнал, период которого равен 20 мс, а скважность 50%. Это значит, что у нас из 20 мс плечо половину времени (10 мс) открыто и проводит ток, а другую половину закрыто. Подавать такой ШИМ нам надо на все ключи, но с одним условием — на диагональ VT1+VT4 мы подаем прямой ШИМ, а на диагональ VT2+VT3 уже инверсный. Если говорить более по-умному, то сигнал, подаваемый на диагонали должен иметь сдвиг 180 0 . Я думаю в этот момент у вас голова закипела в попытках понять текст, поэтому смотрим на его визуальное представление:

Теперь все понятно? Нет? Тогда подробнее… Как видите я отметил специально моменты открытия и закрытия транзисторов: открываются на «плюсе» и закрываются на «минусе». Также сигналы противоположны, то есть инверсные: когда синий сигнал «плюс», то зеленый сигнал «минус». Синий сигнал мы подаем на один на одну диагональ, а зеленый сигнал на другую — как видно на осциллограмме, наши диагонали никогда не открываются одновременно. Переменный ток готов!

Смотри на период. Специально показал осциллограмму с выходов контроллера, чтобы мои слова не были абстракцией. Период сигнала составляет 20 мс, одна диагональ открыта 10 мс и создает положительную полуволну, другая диагональ так же открывается на 10 мс и создает уже отрицательную полуволну. Теперь надеюсь всем понятно, а кто и сейчас не понял — пишите в ЛС, проведу для вас индивидуальное занятие на пальцах. В подтверждение моих слов осциллограмма показывает наши заветные 50 Гц! Только расслабляться рано…

Мы получили переменный ток с частотой 50 Гц, но в розетке у нас синусода, а тут меандр — не дело. Формально можно подавать меандр на выход и питать им большинство нагрузок, например, импульсному блоку питанию все равно: синус или меандр. То есть для включения ноутбуков, телефонов, телевизоров, телефонов и прочего вам уже хватит, но если вы подключите двигатель переменного тока, то все будет очень плохо — он начнет греться и КПД его ощутимо меньше, а в итоге скорее всего сгорит. Вы думаете у вас нет двигателей дома? А компрессор холодильника? А циркулярный насос отопления? Последние вообще горят как будто из дерева сделаны. Такая же ситуация с глубинными насосами для скважин, да и вообще много с чем. Получается, что синусоидальный сигнал на выходе инвертора, стабилизатора или ИБП все таки бывает важен. Что же — надо его создать! Сейчас начнется совсем взрыв мозга…

3. Формирование синусоидальной формы сигнала с помощью ШИМ

Если говорить откровенно, то я не знаю как данный раздел преподнести на доступном языке. Вдруг кто не поймет, то прошу вас или погуглить дополнительно, или написать в комментарии или ЛС — попытаюсь персонально вам объяснить. Глаза боятся, а руки делают…

Давайте посмотрим как выглядит обычный график синуса:

Видим 2 оси: одна ось с периодом пи, пи/2 и далее, вторая с амплитудой от -1 до +1. В нашей задаче период измеряется в секундах и составляет 20 мс или 10 мс на каждую полуволну. Тут все просто и понятно, а вот с амплитудой веселее — просто примите как аксиому, что амплитуда у нас от 0 до 1000. Это значение скважности, которую устанавливает микроконтроллер, то есть 100 — это 10%, 500 — 50%, 900 — 90%. Логика думаю понятна. В следующей главе вы поймете почему от 0 до 1000, а пока перестроим наш график под наши значения:

Вот так выглядит график синуса ~~курильщика~~, который соответствует нашей задачи. Как видите отрицательный полупериод я не обозначил, т.к. у нас он реализуется не с помощью синусоидального сигнала, а с помощью изменения направления тока переключением диагоналей моста.

По оси Х у нас время, а по оси Y скважность нашего ШИМ-сигнала. Нам нужно нарисовать синус с помощью ШИМа. Вспоминаем геометрию в школе, как мы строили графики? Правильно, по точкам! А сколько точек? Давайте построим синус по нескольким точкам О1(0,0) + О2(5,1000) + О3(10,0) + О4(15, -1000) + О5(20, 0) и получаем такой синус:

Построили и видим, что в принципе данный сигнал больше похож на синус чем обычный меандр, но это все равно не синус пока что. Давайте увеличим количество точек. Это кстати называется «дискретность сигнала» или в данном случае «дискретность ШИМа». А как узнать координаты этих точек? С крайними то просто было…

Расчет значений для формирования синуса

Как выше я говорил — синус у нас вполне себе симметричный. Если мы построим 1/4 периода, то есть от 0 до 5 мс, то дублируя этот кусок дальше — мы можем строить синус бесконечно долго. И так формула:

И так по порядку:

n — значение скважности в данной дискретной точке
A — амплитуда сигнала, то есть максимальное значение скважности. У нас это 1000
pi/2 — 1/4 периода синуса попадает в pi/2, если считаем 1/2 периода, то pi
x — номер шага
N — количество точек

Давайте для примера сделаем удобно условие, что у нас 5 точек. Получается у нас 1 шаг = 1 мс, это позволит легко график построить. Шаг дискретизации считается просто: период в котором строим график (5 мс) делим на количество точек. Давайте приведем формулу к человеческому виду:

Получаем шаг дискретизации 1 мс. Формулу для вычисления скважности оформим, например, в excel и получим следующую таблицу:

Теперь вернется к нашему графику синуса и построим его снова, но уже для большего количества точек и посмотрим как он изменится:

Как видим сигнал куда больше похож на синус, даже с учетом моего мастерства в рисовании, а точнее в уровне лени)) Я думаю результат не требует объяснений? По результатам построения выведем аксиому:

Чем больше точек, чем выше дискретизация сигнала, тем идеальнее форма синусоидального сигнала

И так, сколько же точек будем использовать… Понятно, что чем больше, тем лучше. Как посчитать:

Использую для статьи старенький микроконтроллер STM32F100RBT6 (отладка STM32VL-Discovery), его частота 24 МГц.
Считаем сколько тактов будет длиться период 20 мс: 24 000 000 Гц / 50 Гц = 480 000 тиков
Значит половина периода длится 240 000 тиков, что соответствует частоте 24 кГц. Хотите повысить несущую частоту — берите камень шустрее. 24 кГц наши уши все таки услышат, но для тестов или железки, стоящей в подвале пойдет. Чуть позже я планирую перенести на F103C8T6, а там уже 72 МГц.
240 000 тиков… Тут логично напрашивается 240 точек на половину периода. Таймер будет обновлять значение скважности каждые 1000 тиков или каждые 41,6 мкс

С дискретностью ШИМа определились, 240 точек на пол периода с запасом хватит, чтобы получить форму сигнала как минимум не хуже, чем в сети. Теперь считаем таблицу, так же в excel как самый простой вариант. Получаем такой график:

Исходник таблицы и значений можно взять по ссылке — тут.

4. Управление мостовым преобразователем для формирования синуса

Мы получили таблицу синуса и что с ней делать? Нужно передавать эти значения с определенным шагом дискретизации, который у нас известен. Все начинается с того, что таймер инициализировался — время 0, скважность ноль. Далее мы отсчитываем шаг дискретизации 41,66 мкс и записываем в таймер значение ШИМа из таблицы 13 (0,13%), отсчитываем еще 41,66 мкс и записываем 26 (0,26%) и так далее все 240 значений. Почему 240? У нас 120 шагов на 1/4 периода, а нам надо нарисовать 1/2 периода. Значения скважности те же, только после того как они достигли 1000 мы записываем ее в обратной последовательность и получаем спад синуса. На выходе мы будем иметь вот такую осциллограмму:

Как видите мы получили кучу значений ШИМа в четко заданном периоде и его длительность составляет: 240 шагов х 41,66(!) мкс = 9998,4 мкс = 9,9984 мс

10 мс. Мы получили половину периода для частоты сети 50 Гц. Сигнала как видите опять два и они в противофазе, как раз то, что нужно для управления диагоналями моста. Но позвольте, где же синус спросите вы? Настал момент истины! Давайте теперь сигнал с выхода микроконтроллера подадим на ФНЧ, я сделал простой ФНЧ на RC-цепочки с номиналами 1,5 кОм и 0,33 мкФ (под рукой просто были) и получил такой результат:

Вуаля! Вот он наш долгожданный синус! Красный луч осциллографа — это сигнал до ФНЧ, а желтый луч — сигнал уже после фильтрации. ФНЧ обрезал все частоты выше 321 Гц. У нас остался основной сигнал 50 Гц, ну и конечно его гармоники с небольшой амплитудой. Если хотите идеально очистить сигнал, то сделайте ФНЧ с частотой среза около 55-60 Гц, но пока это не важно, нам надо было лишь проверить получился ли у нас синус или нет. Кстати… у меня синхронизация осциллографа включена по желтому лучу (стрелка справа экрана) и мы видим внизу экрана его частоту — идеальные 50 Гц. Что еще можно пожелать? Пожалуй все, осталось определиться какой сигнал и куда подавать. Давайте рассмотрим такую картинку:

Если вы обратите на саааамую первую осциллограмму в статье, то увидите, что сигнал в желтом и синем лучше имеют одинаковую фазу, то есть они в одно время становятся положительными и открывают транзисторы. Эти 2 сигнала открывают диагональ VT1+VT4. Соответственно 2 других сигнала так же имеют одинаковую фазу и открывают другую диагональ. Теперь мы не просто меняем направление тока, но и задаем амплитуду с помощью ШИМ таким образом, чтобы она изменялась по синусоидальному закону. Теперь рассмотрим эту же схемку, но уже с токами:

Как видим ток через нагрузку протекает в противоположную сторону, меняя направление с частотой 50 Гц, а модулированный ШИМ, подаваемый на транзисторы VT1 и VT2 позволяет нарисовать синусоидальную форму сигнала на полуволнах.

ФНЧ (фильтр низкой частоты) выполнен на индуктивности L1 и конденсаторе C2. Частоту среза для данного фильтра советую считать менее 100 Гц, это позволит минимизировать пульсации напряжения по выходу.

На десерт покажу часть схемы реального устройства с подобной топологией и фильтром, она большая, поэтому скачиваем PDF-ку тут.

5. Борьба со сквозными токами

Я думаю не для кого не секрет, что нет ничего идеального? Тоже самое и с Mosfet-ами, у них есть ряд недостатков и мы рассмотрим один из них — большая емкость затвора. То есть, чтобы нам открыть транзистор надо не просто подать напряжение, но и этим самым напряжением зарядить конденсатор, поэтому фронт и спад сигнала затягивается. Это приводит к тому, что на границе сигналов может возникать момент времени, когда один транзистор еще полностью не закрылся, а другой уже начал открываться.

Подробнее о данном явление советую почитать, например, в этой статье. Я лишь расскажу как с ним бороться. Чтобы транзисторы успели нормально закрыться до открытия следующего плеча между управляющими сигналами вводят dead-time или проще говоря — временную задержку. У нас такая задержка будет введена между управляющими сигналами на транзисторах VT3 и VT4, т.к. именно они обеспечивают коммутацию полуволн. На транзисторах с модулируемым ШИМом (VT1 и VT2) такие задержки уже есть — синус начинается со скважности 0% и заканчивается тоже 0%. Эта задержка длиной в 1 шаг дискретизации, то есть 41.6 мкс.

И так — надо реализовать мертвое время между синим и зеленым лучом/сигналом. На любом контроллере такую задержку можно сделать программным способом, но это не есть хорошо — программа подвиснет или задержится и пыщ-пыщ ваше устройство ~~и квартира~~ уже объяты огнем. Поэтому в силовой электронике стоит применять только аппаратные средства. На всех специализированных motor control аппаратный deadtime предусмотрен на всех выходах ШИМа и каналах, но STM32 это все таки МК общего назначения, поэтому тут все проще, но нашу функцию он выполнит.

Нам понадобится таймер TIM1, только он умеет вставлять аппаратную задержку между сигналами, в разделе про написание ПО я расскажу как это сделать, а сейчас смотрим на результат и на то, что вообще должно быть:

Чтобы увидеть задержку «растягиваем» сигнал на осциллографе, т.к. он имеет небольшую длительность около 300 нс. Необходимое время длительности deadtime необходимо рассчитывать для каждой конкретной задачи, чтобы защитить транзисторы от сквозных токов. Длительность задержки настраивается при иннициализации (настройке) таймера TIM1. Данная задержка присутствует и на фронте и на спаде сигнала.

6. Написание встроенного ПО для микроконтроллера STM32

Вот мы и подошли наверное к самой важной и интересной части. Физику процесса мы разобрали, принцип работы вроде понятен, необходимый минимум защит тоже определен — осталось только все это реализовать в реальном железе. Для этого я использую платку STM32VL-Discovery, получил ее кстати еще в 2011 году во времена, когда ST раздавали отладки бесплатно на своих конференциях и с тех пор она лежала запакованная — открыл упаковку всего пару месяцев назад, вроде срок годности не прошел))) Выглядит мой «стенд» для написание кода вот так:

Теперь пройдемся по подключению. Так как мне необходимо формировать два сигнала с разной частотой, то пришлось задействовать выходы ШИМ на разных таймерах. TIM1 формирует сигнал, который задает основную частоту 50 Гц и подает их на транзисторы VT3 и VT4. Используется канал ШИМа №3 + его комплементарный выход. Да да, в STM32 аппаратный deadtime можно настроить только между обычным и комплементарным выходом одного канала, что мне сильно не понравилось. Сам процесс формированию синуса передан таймеру TIM2, тут уже не нужна задержка (ранее писал почему) и он вполне сгодится для формирование модулированного сигнала на VT1 и VT2.

Используемые выходы:

PA10 — обычный выход ШИМ, канал №3 таймера TIM1, который генерирует 50 Гц на транзистор VT3
PB15 — комплементарный выход канала №3 таймера TIM1, который подается на транзистор VT4
PA0 — выход ШИМ канала №1 таймера TIM2. Подает модулированный сигнал на VT1
PA1 — выход ШИМ канала №2 таймера TIM2. Подает модулированный сигнал на VT2

Проект реализован в среде Keil 5, он будет в конце статьи прикреплен к архивом. Рассказывать как создавать проект и подобные очевидные вещи надеюсь не стоит, если такие вопросы возникают, то советую посмотреть как это делать в гугле или на youtube. Весь код написан на CMSIS (регистры), т.к. использовать в системе управления преобразователем какие-либо дополнительные уровни абстракции просто грех! У ST это библиотеки SPL и более актуальные HAL. Для интереса поработал и с теми и с теми, вывод — хлам полный. HAL так вообще безумно тормознутый и для приложений с жестким реал-таймом просто не подходит от слова совсем. В некоторых критичных моментах регистры были в разы быстрее, об этом кстати нашел не одну статью на просторах интернета.

Некоторые наверняка спросят: «А почему не задействовать DMA?» Сделать это можно и нужно, но данная статья носит скорее ознакомительный характер, да и сам МК не делает ничего сложного в плане вычислений, поэтому в производительность ядра тут точно не упереться. DMA — это хорошо, но без DMA можно обойтись без каких-либо потенциальных проблем. Давайте уточним, что нам нужно сделать в программе:

Создать массив с нашими 240 точками синуса
Настроить цепи тактирования на частоту 24 МГц, выбрав источник внешний кварцевый резонатор
Настроить таймер TIM1 на генерацию ШИМ 50 Гц с включенным deadtime
Настроить TIM2 на генерацию ШИМ с несущей частотой 24 кГц
Настроить таймер TIM6, который генерирует прерывания с частотой 24 кГц. В нем мы будем отправлять следующее значение скважности из таблицы в таймер TIM2, а также чередовать генерацию полуволн

Ничего сложного, правда? Тогда поехали…

6.1. Создание таблицы синуса

Тут все просто, обычный массив. Единственное, что стоит помнить — у нас 120 точек от 0 до 1000. Нам нужно добавить в таблицу еще 120 точек, но в обратной последовательности:

6.2. Настройка системы тактирования

Настройка тактирования в STM32 весьма гибкая и удобная, но есть несколько нюансов. Сама последовательность выглядит следующим образом:

1) Переключаемся на тактирование от встроенной RC-цепочки (HSI) на внешний кварц (HSE), дальше ждем флага о готовности

2) Flash память контроллера работает несколько медленнее, чем ядро для этого настраиваем тактирование флеши. Если этого не сделать, то программа запустится, но будет периодически падать: пара кВт и нестабильное ПО — вещи несовместимые.

3) Выставляем делители для системной шины тактирования (AHB) и для шин периферии, коих аж две штуки: APB1 и APB2. Нам нужна максимальная частота, поэтому ничего не делим и коэффициенты деления делаем равными 1.

4) Настраиваем множитель частоты (PLL) предделитель, который стоит перед ним и делит частоту кварца на 2. Получаем, что 8 МГц поделили на 2 и получили 4 МГц. Теперь надо их умножить на 6, чтобы на выходе были 24 МГц. Перед записью регистров предварительно сотрем их содержимое на всякий случай.

5) Теперь надо включить множитель частоты (PLL) и дождаться флага о готовности:

6) И наконец-то настраиваем источник тактирования для системной шины (AHB) выход нашего множителя частоты, на котором заветные 24 МГц. Предварительно содержимое регистра чистим, устанавливаем нужный бит и ждем флага готовности:

В итоге у нас получается вот такая функция настройки тактирования:

6.3. Настройка таймера TIM1 и «мертвого времени»

Я приведу общую настройку таймера, она подробно описана в reference manual — назначение каждого регистра советую почитать. Да и базовые статьи по работе с ШИМ в интернете есть. Сам код у меня весьма неплохо прокомментирован, поэтому привожу сразу код функции инициализации таймера TIM1, а самые интересные моменты разберем:

Скважность у нас фиксированная и никогда не изменяется, как и частота. Именно этот таймер задает время и последовательность работы диагоналей:

Длительность паузы «мертвого времени» зависит сильно от временной параметра TDTS, которое настраивается тут:

Его длительность составляет 1 тик тактовой частоты. Если посмотреть в reference manual, то можно увидеть, что биты CKD могут, например, сделать Tdts равным 2, 8 тикам и прочее.

Самое же время паузы устанавливается тут:

Если отроете reference manual RM0041, то увидите вот такие формулы для расчета DT. Как видите параметр Tdts там основнополагающий:

6.4. Настройка таймера TIM2, формирующий синус

Тут все еще проще, объяснять что-то в настройке наверно нет смысла, ибо комментарии и так избыточны. Если будут вопросы — жду их в комментариях.

6.5. Настройка прерываний от таймера TIM6

Настраиваем сам таймер на частоту 24 кГц:

6.6. Реализация основного алгоритма управления

Основные события происходят в генерируемом таймером TIM6 прерывании. Прерывание генерируется каждые 41,66 мкс, если помните это наш шаг дискретизации. Соответственно в прерывании записывается значение скважности из таблицы в регистр CCRx. Также в данном прерывании определяется какая диагональ в данный момент времени отрисовывается, путем инверсии флага sin_status после каждого полупериода. Мы выводим 240 точек, инвертируем флаг, что вызывает переход управления к другому каналу, когда уже и он отрисовал, то флаг опять инвертируется и все повторяется. Код основного алгоритма:

Итоги

Скачиваем проект, компилируем и заливаем в ваш микроконтроллер и получаем рабочий инвертор. Вам остается только сделать мост и подавать на него сигналы:

Одну из своих схем моста я чуть ранее выложил в PDF-ке можете пользоваться сколько угодно, надеюсь она вам поможет в освоение силовой электроники.

Также в проект я натянул FreeRTOS. Конечно средствами RTOS нельзя реализовывать подобные задачи по управлению, т.к. простое переключение между задачами длится от 4 до 18 мкс и это если код хорошо написан и работе планировщика ничто не помешает. Это не позволяет получить систему управления, работающую в жестком реал-тайме. FreeRTOS я поставил для другого: интерфейсы связи (RS-485 Modbus RTU), регулировка выходной амплитуды напряжения, пересчет таблицы, синхронизация с сетью 230В и прочее. Все эти плюшки я тоже попробую реализовать на STM32, а возможно и напишу продолжение тематики статьи, если получатся интересные результаты и будет чем поделиться.

Надеюсь статья вам понравилась. Если у вас возникли вопросы по применению данного кода в реальном железе, то буду рад ответить на них. Также прошу не воспринимать данный код как что-то готовое, это ядро преобразователя, которое реализует основную функцию. Все «плюшки» и прочую избыточность вы можете добавить сами. Голое ядро проекта позволит вам понять как оно работает и не тратить кучу времени на разборку кода.

1) Проект в Keil 5 скачиваем — тут
Структура такая:
а) start_init — настройка частоты, выхода MCO для тестов, GPIO общего назначения (светодиоды/кнопки)
б) PWM — настройка ШИМа, таймеров и всего, что было задействовано при работе по управлению мостом
в) main.c — основной код

2) Reference manual для STM32F10x — тут

UPD1: хотелось бы поблагодарить пользователя sleip за ряд найденных ошибок, в основном в таблице синуса — она изменена. Те, кто использовали код или саму таблицу прошу скопировать ее снова, в статье уже исправленный вариант.

Источник