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 iPA2. 16MO 323DC-RSPC5PBO 26BQQT1 2ESDA 3033^"PC14_09C32_INPC15 _03C32_OUTPDO_OSC_INPD 1O SC OUTN R C T_PCD_ADC12_IN10PC1_ADC12_IN11PC2_ADC12_IK12PC3_ADC12_IN13VSSAV D D APA0_^XU P_U SART2_CTSP A1_U S AKT2_RTSP A2_U S AKT2_TKPA3 USAKT2 KXVSS_4VDD_4gTM32FI03XX_PIK64VDD_3VSS_3PB9_TIM4_CH4PBB_TIM4_CH3BOOTOPB7_L2a_SDAPBe_I2Cl_SCLPB5_I2C 1_SMBA1IKTRSTTJTDOPD2：12PC I：PCIPC10J T O IJ ld C S W C LKVDD_2VSS_2JTMS,SV\r D ibPA4_SPI1_NSSPA5_SP11_SCKPAtf_SPIl_MISOPA12_USBDPPA11_USEDMPA 10_U SART1_RXPC4_ADC12_IN14PC5_ADC12_IK15PBOP A S_U SAKT1_CK.PCSPCSPB1PB2_DOOTlPB10J 2C2_SCT,X J S A R13 _1XPB11_I2C2_AKr3_RXPC?PC6PB15_SPI2J\IOSIPB 14_SP I2_MI SOVSS_1VDE>_1PB13_SPI2_3CK.PB12_S»I2_NSS3.3 VLED2LED1-|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电子秘设计与方案H ： 二[W 1图4桥电路原理图2工业示波表Fluke 12540MHz FLUKE 13示波器TPS 20121G/s 100MH z Tektronix14数字万用表VC890C+VICTOR 15直流电源GPO-2303S0-30V ，3AGWINSTEK1■ 4.2测试方案及结果 4.2.1軸澜试采用电压互感器经过真有效值芯片AD 637把它整成直 流，就可以用STM 32采集。

用万用表检测到相电压有效值 归算到线电压有效值为24V ,使用示波器测出交流电频率为 50Hz 。

用电参数分析仪测试出THD 。

4.2.2测试过程(1)负载调整率的测试方法：在设置输入电压为24V ,输出电压为24V 的条件下，使负载电阻输出电流在0.2A ~2A 范围，测量输出电压，分别记为1^和1^2，则负载调整率 5,=[(11。

2- L y /u j x i o o %，即为负载调整率。

(2)电路效率测量：DC -AC 电路效率n =(P 〇/P s )X 100%，其中P 。

为输出功率，P s 为电源输入功率P fU 。

!。

，P S =US I S 。

(3) 交流母线总谐波畸变率的测量：电压谐波总畸变率VmD =(在二,/) / K 。

，其中V n 为n 个谐波，V o 为基波。

4.2.3测雌果1、首先仅让逆变器1向负载输出功率(1)当输入电流为42V ，负载电流为2A 时。

输出的交 流电电压有效值记录在表1中（误差要求U =24V ±0.2V )。

表1测置输出电压f 〇(HZ)Us(V)丨0㈧U 〇(V)误差5041223.760.01%(2)在输入电压调为42V ，输出交流母线电压设置为 24V 的条件下，调节负载电阻使输出电流在0.1A -2.0A 范围 内变化时，测量输出电压。

测量结果记录在表2中（负载 调整率要求在Su <0.3%)。

表2测置负载调整串u s(v)丨〇㈧u 〇(v)调整率420.124.030.26%4212.123.93(3)交流母线电压总谐波畸变率测量结果如表3所示(VT H D <3〇/〇)。

表3谐波酿率m a nV0(V)V thd0.06203245.56%(4) DC -AC 变换器数据如表4所示。

表4效率表US(V)Is (A)U 〇(V)l 〇㈧42.0221.2023.68 2.01效率 rH P jp jx io o o /c ^gs .so %2、逆变器1和逆变器2共同向负载输出功率(1)逆变器1和逆变器2共同向负载输出功率，数据(下转第100页)实验研究电流水平很小，而接地故障在用户界内所检测的零序电流水 平要明显增加。

因此在采用用户分界开关过程中，就可以按 照这一标准有效的界定10kV中的接地故障情况。

电源侧0—<故障#__£：F F K(分界开关）Z C T—M--------------负荷側〇q_r\■!--------------------/4/n l图2电源侧的故障接地示意图2.2.2中性点经小电阻接地方式在定陶电网中，_般的接地电流主要集中在300A-500A 的范围内，当用户界内单相接地发生后，ZCT检测结果显 示均为接地电流，而用户界外的则为单相接地故障，因此 ZCT依然能够检测出/。

2为零序电流。

根据上述结果，在接地故障电流检测过程中，可以采用 下列方法快速的判断故障：（1)当用户界内出现单相接地 故障后，控制器检测到零序故障电流后，则会自动启动延时 计时。

此时由于零序电流值要明显大于系统所设定的零序 电流固定值，因此当计时超时零序保护动作延时时间设定值 后，则会自动实施保护动作。

这样，控制器就能及时的完成 分闸，切除用户界内的故障。

（2)中性点不接地系统或者 中性点经消弧线圈接地系统，当发现单相接地故障之后，则 变电站不跳闸，此时看门狗（分界开关）能够按照零序保护 动作所确定的延时保护时间整定值来快速的识别故障。

■ 2.3设计要点根据定陶电网的实践经验，为了能够让10kV用户分界 开关获得更有效的应用，就需要从更全面的角度对其进行分析，寻找提高用户分界开关运行效率的方法[2]。

本文认为，在应用用户分界开关中，需要遵照下列的设计原则，才能让其在10kV配电网系统中发挥更大的作用：(1)可靠性原则。