Постоянный ток (DC - Direct Current) - электрический ток, не меняющий своей величины и направления с течением времени.

В реальности постоянный ток не может сохранять величину постоянной. Например, на выходе выпрямителей всегда присутствует переменная составляющая пульсаций. При использовании гальванических элементов, батареек или аккумуляторов, величина тока будет уменьшаться по мере расхода энергии, что актуально при больших нагрузках.

Постоянный ток существует условно в тех случаях, где можно пренебречь изменениями его постоянной величины.

Постоянная составляющая тока и напряжения. DC

Если рассмотреть форму тока в нагрузке на выходе выпрямителей или преобразователей, можно увидеть пульсации - изменения величины тока, существующие, как результат ограниченных возможностей фильтрующих элементов выпрямителя.
В некоторых случаях величина пульсаций может достигать достаточно больших значений, которые нельзя не учитывать в расчётах, например, в выпрямителях без применения конденсаторов.
Такой ток обычно называют пульсирующим или импульсным. В этих случаях следует рассматривать постоянную DC и переменную AC составляющие.

Постоянная составляющая DC - величина, равная среднему значению тока за период.

AVG - аббревиатура Avguste - Среднее.

Переменная составляющая AC - периодическое изменение величины тока, уменьшение и увеличение относительно среднего значения .

Следует учитывать при расчётах, что величина пульсирующего тока будет равна не среднему значению, а квадратному корню из суммы квадратов двух величин - постоянной составляющей (DC ) и среднеквадратичного значения переменной составляющей (AC ), которая присутствует в этом токе, обладает определённой мощностью и суммируется с мощностью постоянной составляющей.

Вышеописанные определения, а так же термины AC и DC могут быть использованы в равной степени как для тока, так и для напряжения.

Отличие постоянного тока от переменного

По ассоциативным предпочтениям в технической литературе импульсный ток часто называют постоянным, так как он имеет одно постоянное направление. В таком случае необходимо уточнять, что имеется в виду постоянный ток с переменной составляющей.
А иногда его называют переменным, по той причине, что периодически меняет величину. Переменный ток с постоянной составляющей.
Обычно берут за основу составляющую, которая больше по величине или которая наиболее значима в контексте.

Следует помнить, что постоянный ток или напряжение характеризует, кроме направления, главный критерий - постоянная его величина, которая служит основой физических законов и является определяющей в расчётных формулах электрических цепей.
Постоянная составляющая DC, как среднее значение, является лишь одним из параметров переменного тока.

Для переменного тока (напряжения) в большинстве случаев бывает важен критерий - отсутствие постоянной составляющей, когда среднее значение равно нулю.
Это ток, который протекает в конденсаторах, силовых трансформаторах, линиях электропередач. Это напряжение на обмотках трансформаторов и в бытовой электрической сети.
В таких случаях постоянная составляющая может существовать только в виде потерь, вызванных нелинейным характером нагрузок.

Параметры постоянного тока и напряжения

Сразу следует отметить, что устаревший термин "сила тока" в современной отечественной технической литературе используется уже нечасто и признан некорректным. Электрический ток характеризует не сила, а скорость и интенсивность перемещения заряженных частиц. А именно, количество заряда, прошедшее за единицу времени через поперечное сечение проводника.
Основным параметром для постоянного тока является величина тока.

Единица измерения тока - Ампер.
Величина тока 1 Ампер - перемещение заряда 1 Кулон за 1 секунду.

Единица измерения напряжения - Вольт.
Величина напряжения 1 Вольт - разность потенциалов между двумя точками электрического поля, необходимая для совершения работы 1 Джоуль при прохождения заряда 1 Кулон.

Для выпрямителей и преобразователей часто бывает важными следующие параметры для постоянного напряжения или тока:

Размах пульсаций напряжения (тока) - величина, равная разности между максимальным и минимальным значениями.
Коэффициент пульсаций - величина, равная отношению действующего значения переменной составляющей AC напряжения или тока к его постоянной составляющей DC.

Электрическая энергия сопровождает нас на каждом шагу. Без нее немыслима жизнь любого человека. На протяжении жизни мы в той или иной мере сталкиваемся с проявлениями электричества. Более плотно это происходит, как правило, при поломке электрических приборов. И для того, чтобы разобраться в их устройстве и схемах, полезно знать, что переменный и постоянный ток обозначается как AC и DC ток.

Источники электрической энергии

Изначально источниками электричества были только лишь химические гальванические элементы одноразового действия. В дальнейшем появились многоразовые аккумуляторы. Примечательно, что полярность химических источников не в состоянии меняться сама по себе. С целью получения постоянного напряжения в промышленных масштабах применяются генераторы , а иногда и солнечные батареи.

Электронная техника, в свою очередь, питается от сети переменного напряжения, а для получения постоянного используются блоки питания. До требуемых показателей переменный ток понижают с помощью трансформаторов и впоследствии выпрямляют. При этом частоту пульсаций снижают сглаживающие фильтры, стабилизаторы и регуляторы напряжения.

В современном мире распространены импульсные блоки питания. В них частота пульсаций выходного электричества сглаживается интегрирующими элементами. Они концентрируют электрическую энергию и отдают ее в нагрузку. В итоге получается требуемое постоянное напряжение.

Электрическую энергию способны конденсировать также и электролитические конденсаторы. При разряде такого конденсатора во внешней цепи возникает переменный ток. Если же он разряжается через резистор, в этом случае возникает постепенно уменьшающийся (однонаправленный) переменный ток. При использовании индукционной катушки в цепи образуется двунаправленный переменный ток. Электролитические конденсаторы могут обладать огромной емкостью , достигающей сотен микрофарад. При разряде таких конденсаторов через большое сопротивление электричество уменьшается медленнее и во внешней цепи протекает уже постоянное напряжение.

Существуют также и комбинации конденсаторов и химических источников - ионисторы. Они обладают способностью накапливать и отдавать значительное количество электричества. Характерный пример - электромобили.

Обозначения на схемах и в приборах

Общепринято, что направление электричества идет от контакта со знаком плюс к контакту со знаком минус.

Места с большими потенциалами имеют название «положительный полюс» и обозначаются значком + (плюс). Точки с меньшими потенциалами, соответственно, именуются «отрицательный полюс» и их обозначают знаком - (минус).

Изначально принято, что электроизоляция положительных проводов имеет красный цвет, провода же со знаком «минус» окрашивают в синий или черный цвета.

Условные обозначения на электроприборах: - или =. Однонаправленное электричество (в том числе постоянное) обозначается латиницей DC, или же используется символ Юникода - U+2393.

Аббревиатура AC и DC прочно укоренилась в повседневном обиходе и употребляется наравне с привычными названиями «переменный» и «постоянный»:

• обозначение постоянного напряжения (-) или DC (Direct Current);
• знак переменного тока (~) или AC (Alternating Current) - обозначение переменного тока.

Области применения DC напряжения

Использование постоянного напряжения позволяет увеличивать передаваемую электрическую энергию и затем передавать ее между энергетическими системами, которые используют переменный ток разных частот (к примеру, 50 и 60 герц).

Активно применяется постоянный ток и на транспорте. Электродвигатели с постоянным возбуждением используются в различных механизмах:

• электровозах;
• электропоездах;
• трамваях;
• троллейбусах;
• подъемниках и т. д.

Не обошлось без постоянного напряжения и в других областях науки и техники. Широко применяется он таким образом:

Электричество сопровождает нас везде: на работе и в быту. Страшно даже на минуточку вообразить, что же произойдет с человечеством, если оно в одночасье лишится электрической энергии.

Каждый домашний мастер и начинающий электрик при выполнении электромонтажных работ пользуется . Для того чтобы правильно прочитать любую из них, необходимо знать все значки и символы, в том числе обозначение постоянного и переменного тока. Эта символика присутствует на корпусах большинства современных измерительных аппаратов, позволяющих определять значение всех основных электрических параметров.

Как обозначаются различные токи

По своим специфическим качествам электрический ток разделяется на два основных типа:

• Постоянный ток. Обозначается прямой линией (—). Кроме того, используются символы DC - Direct Current, которые переводятся как постоянный ток.
• Переменный ток. Известен под собственным обозначением в виде змейки (~) и символов АС, означающих Alternating Current.

Отличительной особенностью постоянного тока является его направленность. Он протекает лишь в одном определенном направлении, условно принимаемое от положительного контакта «+» к отрицательному контакту «-». От этого свойства и происходит наименование этого тока DC, который присутствует в солнечных панелях, всех типах сухих батареек и аккумуляторах, предназначенных для питания маломощных потребителей.

В некоторых технологических процессах, таких как дуговая электросварка, электролиз алюминия или электрифицированный железнодорожный транспорт, необходим постоянный ток DC с высоким значением силы. Чтобы его создать, необходимо выпрямить переменный или воспользоваться любым из генераторов постоянного тока.

Переменный ток AC, в отличие от постоянного, способен к изменению своего направления и величины. Существует параметр, известный как мгновенное значение переменного тока, определяемое в конкретный момент времени. Частота, с которой изменяется направление тока, составляет 50 Гц, то есть данная перемена происходит 50 раз в течение одной секунды.

Переменный ток AC может быть однофазным или трехфазным. В первом случае необходимо только два провода: основной и дополнительный, он же обратный. Именно по основному проводнику протекает электрический ток, а обратный считается нулевым проводом.

Трехфазное переменное напряжение вырабатывается соответствующим генератором тока AC. В этом процессе участвуют три обмотки, каждая из которых является своеобразной однофазной электрической цепью. Между собой они сдвинуты по фазе под углом 120 градусов. Благодаря данной системе электроэнергией могут быть обеспечены сразу три сети, независимые друг от друга. Для этого понадобится уже порядка шести проводов - трех прямых и трех обратных.

При необходимости дополнительные провода возможно соединить между собой и получить в итоге общий проводник, называемый нулевым или нейтральным. В этом случае проводники переменного тока на схемах обозначаются символами L1, L2, L3, а нулевой провод - буквой N.

Обозначения токов в измерительных приборах

Общепринятое обозначение постоянного и переменного тока нашло свое отражение в различных измерительных приборах, в том числе и на . Вся необходимая символика наносится на лицевую панель того или иного устройства. Это позволяет измерить именно тот параметр, который необходим в данный момент.

Например, если на шкале выставлено положение АС, в этом случае можно проводить измерение значения переменного тока. Как правило, такие приборы предназначены для работы в электросетях с обычными напряжениями 220 или 380 вольт. Существуют модели с рабочими режимами в пределах 600 В и выше.

Если же мультиметр выставлен напротив отметки DC, то рабочий режим аппарата станет соответствовать постоянному току. В этом положении замеряется ток на аккумуляторах, батарейках и других источниках питания, вырабатывающих постоянный ток. В данном режиме требуется непременно соблюдать полярность полюсов. Диапазон измерений обычно составляет от нуля до нескольких тысяч вольт, в зависимости от характеристик конкретной модификации устройства.

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:

• Минимально возможное количество силовых транзисторов, а значит потери в 2 раза меньши и стоимость устройства тоже ниже
• Сквозной ноль. Это упрощает процесс сертификации, особенно CE и ATEX. Связано это с тем, что сквозной ноль позволяет системам защиты по входу (например, УЗО) срабатывать так же при возникновение аварии в выходных цепях после преобразователя
• Простая топология, что позволяем максимально уменьшить стоимость изделия при мелко-
  и средне серийном производстве

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.

2) Мостовая топология

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:

• Очень высокая надежность. Она в основном обусловлена качеством системы управления силовыми транзисторами и не зависит от деградации компонентов
• Входная емкость требуется в разы, а то и на порядок меньше. Необходимо лишь обеспечить расчетное значение ESR. Это позволяет использовать пленочные конденсаторы при сохранение себестоимости. Пленочные конденсаторы - не сохнут, лучше ведут в суровых температурах, рабочий ресурс на порядок выше, чем у электролитов
• Минимальные пульсации напряжения на транзисторах, а значит можно применить транзисторы на меньшее напряжение
• Простота и понятность алгоритмов работы. Это приводит к значительному уменьшению времени на разработку изделия, а также на его пуско-наладочные работы

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.

Что значит открыть транзистор и какой сигнал на него подавать

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:

1. Использую для статьи старенький микроконтроллер STM32F100RBT6 (отладка STM32VL-Discovery), его частота 24 МГц.
2. Считаем сколько тактов будет длиться период 20 мс: 24 000 000 Гц / 50 Гц = 480 000 тиков
3. 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.
4. 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 - .

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 .

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:

1. Создать массив с нашими 240 точками синуса
2. Настроить цепи тактирования на частоту 24 МГц, выбрав источник внешний кварцевый резонатор
3. Настроить таймер TIM1 на генерацию ШИМ 50 Гц с включенным deadtime
4. Настроить TIM2 на генерацию ШИМ с несущей частотой 24 кГц
5. 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:

Uint16_t sin_data = {13,26,39,52,65,78,91,104,117,130,143,156,169,182,195,207,220,233,246,258, 271,284,296,309,321,333,346,358,370,382,394,406,418,430,442,453,465,477,488,500, 511,522,533,544,555,566,577,587,598,608,619,629,639,649,659,669,678,688,697,707, 716,725,734,743,751,760,768,777,785,793,801,809,816,824,831,838,845,852,859,866, 872,878,884,891,896,902,908,913,918,923,928,933,938,942,946,951,955,958,962,965, 969,972,975,978,980,983,985,987,989,991,993,994,995,996,997,998,999,999,999,1000, 999,999,999,998,997,996,995,994,993,991,989,987,985,983,980,978,975,972,969,965, 962,958,955,951,946,942,938,933,928,923,918,913,908,902,896,891,884,878,872,866, 859,852,845,838,831,824,816,809,801,793,785,777,768,760,751,743,734,725,716,707, 697,688,678,669,659,649,639,629,619,608,598,587,577,566,555,544,533,522,511,500, 488,477,465,453,442,430,418,406,394,382,370,358,346,333,321,309,296,284,271,258, 246,233,220,207,195,182,169,156,143,130,117,104,91,78,65,52,39,26,13};

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

RCC->CR |= ((uint32_t)RCC_CR_HSEON); // Enable HSE while (!(RCC->CR & RCC_CR_HSERDY)); // Ready start HSE
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.

FLASH->ACR = FLASH_ACR_PRFTBE | FLASH_ACR_LATENCY; // Cloclk Flash memory
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.

RCC->CFGR |= RCC_CFGR_HPRE_DIV1; // AHB = SYSCLK/1 RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PPRE1_DIV1; // APB1 = HCLK/1 RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PPRE2_DIV1; // APB2 = HCLK/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.

RCC->CFGR &= ~RCC_CFGR_PLLMULL; // clear PLLMULL bits RCC->CFGR &= ~RCC_CFGR_PLLSRC; // clearn PLLSRC bits RCC->CFGR &= ~RCC_CFGR_PLLXTPRE; // clearn PLLXTPRE bits RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PLLSRC_PREDIV1; // source HSE RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PLLXTPRE_PREDIV1_Div2; // source HSE/2 = 4 MHz RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PLLMULL6; // PLL x6: clock = 4 MHz * 6 = 24 MHz
5) Теперь надо включить множитель частоты (PLL) и дождаться флага о готовности:

RCC->CR |= RCC_CR_PLLON; // enable PLL while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0) {} // wait till PLL is ready
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:

RCC->CFGR &= ~RCC_CFGR_SW; // clear SW bits RCC->CFGR |= RCC_CFGR_SW_PLL; // select source SYSCLK = PLL while((RCC->CFGR & RCC_CFGR_SWS) != RCC_CFGR_SWS_1) {} // wait till PLL is used
В итоге у нас получается вот такая функция настройки тактирования:

Void RCC_Init (void){ RCC->CR |= ((uint32_t)RCC_CR_HSEON); // Enable HSE while (!(RCC->CR & RCC_CR_HSERDY)); // Ready start HSE FLASH->ACR = FLASH_ACR_PRFTBE | FLASH_ACR_LATENCY; // Cloclk Flash memory RCC->CFGR |= RCC_CFGR_HPRE_DIV1; // AHB = SYSCLK/1 RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PPRE1_DIV1; // APB1 = HCLK/1 RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PPRE2_DIV1; // APB2 = HCLK/1 RCC->CFGR &= ~RCC_CFGR_PLLMULL; // clear PLLMULL bits RCC->CFGR &= ~RCC_CFGR_PLLSRC; // clearn PLLSRC bits RCC->CFGR &= ~RCC_CFGR_PLLXTPRE; // clearn PLLXTPRE bits RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PLLSRC_PREDIV1; // source HSE RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PLLXTPRE_PREDIV1_Div2; // source HSE/2 = 4 MHz RCC->CFGR |= RCC_CFGR_PLLMULL6; // PLL x6: clock = 4 MHz * 6 = 24 MHz RCC->CR |= RCC_CR_PLLON; // enable PLL while((RCC->CR & RCC_CR_PLLRDY) == 0) {} // wait till PLL is ready RCC->CFGR &= ~RCC_CFGR_SW; // clear SW bits RCC->CFGR |= RCC_CFGR_SW_PLL; // select source SYSCLK = PLL while((RCC->CFGR & RCC_CFGR_SWS) != RCC_CFGR_SWS_1) {} // wait till PLL is used }

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:

Void PWM_50Hz_Init (void){ RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_TIM1EN; // enable clock for TIM1 RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN; // enable clock for port A RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPBEN; // enable clock for port B RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_AFIOEN; // enable clock for alternative gpio /****************************** Setting PA10 **************************************/ GPIOA->CRH &= ~GPIO_CRH_CNF10; // setting out alternative push-pull for PWM GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_CNF10_1; GPIOA->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE10; GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_MODE10; // gpio speed 50 MHz /***************************** Setting PB15 ***************************************/ GPIOB->CRH &= ~GPIO_CRH_CNF15; // setting complementary for CH3N GPIOB->CRH |= GPIO_CRH_CNF15_1; GPIOB->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE15; GPIOB->CRH |= GPIO_CRH_MODE15; // gpio speed 50 MHz /************************** Config PWM channel ************************************/ TIM1->PSC = 480-1; // div for clock: F = SYSCLK / TIM1->ARR = 1000; // count to 1000 TIM1->CR1 &= ~TIM_CR1_CKD; // div for dead-time: Tdts = 1/Fosc = 41.6 ns TIM1->CCR3 = 500; // duty cycle 50% TIM1->CCER |= TIM_CCER_CC3E | TIM_CCER_CC3NE; // enable PWM complementary out TIM1->CCER &= ~TIM_CCER_CC3NP; // active high level: 0 - high, 1 - low TIM1->CCMR2 &= ~TIM_CCMR2_OC3M; TIM1->CCMR2 |= TIM_CCMR2_OC3M_2 | TIM_CCMR2_OC3M_1; // positiv PWM TIM1->BDTR &= ~TIM_BDTR_DTG; // clear register TIM1->BDTR |= TIM_BDTR_DTG_2 | TIM_BDTR_DTG_1 | TIM_BDTR_DTG_0; // value dead-time TIM1->BDTR |= TIM_BDTR_MOE | TIM_BDTR_AOE; // enable generation output /*******************************************************************************/ TIM1->CR1 &= ~TIM_CR1_DIR; // count up: 0 - up, 1 - down TIM1->CR1 &= ~TIM_CR1_CMS; // aligned on the front signal TIM1->
Скважность у нас фиксированная и никогда не изменяется, как и частота. Именно этот таймер задает время и последовательность работы диагоналей:

TIM1->CCR3 = 500; // duty cycle 50%
Длительность паузы «мертвого времени» зависит сильно от временной параметра TDTS, которое настраивается тут:

TIM1->CR1 &= ~TIM_CR1_CKD; // div for dead-time: Tdts = 1/Fosc = 41.6 ns
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:

TIM1->BDTR |= TIM_BDTR_DTG_2 | TIM_BDTR_DTG_1 | TIM_BDTR_DTG_0;
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.

Void PWM_Sinus_Init (void){ RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN; // enable clock for TIM2 RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN; // enable clock for port A RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_AFIOEN; // enable clock for alternative gpio /****************************** Setting PA0 ***************************************/ GPIOA->CRL &= ~GPIO_CRL_CNF0; // setting out alternative push-pull for PWM1_CH1 GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_CNF0_1; GPIOA->CRL &= ~GPIO_CRL_MODE0; GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_MODE0; // gpio speed 50 MHz /****************************** Setting PA1 ***************************************/ GPIOA->CRL &= ~GPIO_CRL_CNF1; // setting out alternative push-pull for PWM1_CH1 GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_CNF1_1; GPIOA->CRL &= ~GPIO_CRL_MODE1; GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_MODE1; // gpio speed 50 MHz /*************************** Config PWM channel ***********************************/ TIM2->PSC = 0; // div for clock: F = SYSCLK / TIM2->ARR = 1000; // count to 1000 TIM2->CCR1 = 0; // duty cycle 0% TIM2->CCR2 = 0; // duty cycle 0% TIM2->CCER |= TIM_CCER_CC1E; // enable PWM out to PA8 TIM2->CCER &= ~TIM_CCER_CC1P; // active high level: 0 - high, 1 - low TIM2->CCER |= TIM_CCER_CC2E; // enable PWM complementary out to PA9 TIM2->CCER &= ~TIM_CCER_CC1P; // active high level: 0 - high, 1 - low TIM2->CCMR1 &= ~(TIM_CCMR1_OC1M | TIM_CCMR1_OC2M); TIM2->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1M_2 | TIM_CCMR1_OC1M_1 | TIM_CCMR1_OC2M_2 | TIM_CCMR1_OC2M_1; // positiv PWM1_CH1 and PWM1_CH2 /*******************************************************************************/ TIM2->CR1 &= ~TIM_CR1_DIR; // count up: 0 - up, 1 - down TIM2->CR1 &= ~TIM_CR1_CMS; // aligned on the front signal: 00 - front; 01, 10, 11 - center TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN; // start count }

6.5. Настройка прерываний от таймера TIM6

Настраиваем сам таймер на частоту 24 кГц:

Void TIM6_step_init (void){ RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM6EN; // enable clock for basic TIM6 TIM6->PSC = 1-1; // div, frequency 24 kHz TIM6->ARR = 1000; // count to 1000 TIM6->DIER |= TIM_DIER_UIE; // enable interrupt for timer TIM6->CR1 |= TIM_CR1_CEN; // start count NVIC_EnableIRQ(TIM6_DAC_IRQn); // enable interrupt TIM6_DAC_IRQn }

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:

Void TIM6_DAC_IRQHandler(void){ TIM6->SR &= ~TIM_SR_UIF; if(sin_status == 0){TIM2->CCR1 = sin_data;} if(sin_status == 1){TIM2->CCR2 = sin_data;} sin_step++; if(sin_step >= 240){ sin_step=0; sin_status = sin_status ? 0: 1; } }

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.

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.

Виды коммутационных аппаратов, соответствующие категории применения и стандарты

Для конкретного вида коммутационного аппарата введены несколько категорий применения:

• пускатели и контакторы для работы в сетях:
  • переменного тока - АС-1 - АС-8, АС-11;
  • постоянного тока - DC-1 - DC-6, DC-11;
• рубильники (выключатели-разъединители, разъединители) для эксплуатации в сетях:
  • переменного тока - АС-20 - АС-23;
  • постоянного тока - ДС-20 - ДС-23;
• элементы управления (кнопки, переключатели, дополнительные контакты низковольтных аппаратов) для функционирования в сетях:
  • переменного тока - АС-12 - АС-15;
  • постоянного тока - DC-12 - DC-14;
• автоматические выключатели:
  • не селективные - А;
  • селективные - В.

Они определены в соответствующих стандартах:

• для низковольтной аппаратуры в целом - ГОСТ 12434 (действующий союзный стандарт);
• для конкретных аппаратов в частности (международные нормативные документы):
  • пускатели и контакторы - ГОСТ 50030 часть 4.1 ;
  • рубильники - ГОСТ 50030 часть 3 ;
  • элементы управления - ГОСТ 50030 часть 5.1 ;
  • автоматические выключатели - ГОСТ 50030 часть 2 .

Категории применения контакторов и пускателей

Род тока		Область применения
переменный	АС-1	Электроцепи сопротивления; неиндуктивная или малоиндуктивная нагрузка
	АС-2	Пуск и торможение противовключением электродвигателей с фазным ротором
	АС-3	Прямой пуск электродвигателей с короткозамкнутым ротором, отключение вращающихся двигателей (может предусматривать случайные повторно-кратковременные включения или торможение противотоком ограниченной длительности, например при наладке механизма)
	АС-4	Пуск и торможение противовключением электродвигателей с короткозамкнутым ротором. Для таких режимов работы используются спаренные контакторы, между которыми устанавливается механическая (и не всегда электрическая) блокировка (она не допускает единовременного включения аппаратов). В этом режиме контакторы имеют меньший номинальный ток и ресурс.
	АС-5а, AC-5b	Коммутирование разрядных электрических ламп и ламп накаливания соответственно
	AC-6a, AC-6b	Управление трансформаторами и батареями конденсаторов соответственно
	AC-7a, AC-7b	Коммутирование слабоиндуктивных и двигательных нагрузок в бытовых сетях соответственно
	AC-8a, AC-8b	Коммутирование герметичных двигателей компрессоров холодильников (сочетание двигателя и компрессора в одном корпусе) с ручным или автоматическим взводом расцепителей перегрузки соответственно
	AC-11*	Управление электромагнитами переменного тока
постоянный	ДС-1	Электропечи сопротивления; неиндуктивная или малоиндуктивная нагрузка
	ДС-2*	Пуск электродвигателей с параллельным возбуждением и отключение вращающихся двигателей с параллельным возбуждением
	ДС-3	Пуск электродвигателей с параллельным возбуждением, отключение неподвижных или медленно вращающихся электродвигателей, торможение противовключением
	ДС-4*	Пуск электродвигателей с последовательным возбуждением и отключение вращающихся электродвигателей с последовательным возбуждением
	ДС-5	Пуск электродвигателей с последовательным возбуждением, отключение неподвижных или медленно вращающихся двигателей, торможение противовключением
	ДС-6	Управление лампами с вольфрамовой нитью накаливания
	ДС-11*	Управление электромагнитами постоянного тока

Источники (ссылки указаны выше):
Приведенная таблица соответствует таблице 1 на странице 41 нормативного документа ГОСТ 50030 часть 4.1.
За исключением строк обозначенных *, которые добавлены из таблицы 2 на странице 3 стандарта ГОСТ 12434.

Категории применения рубильников

Под рубильниками понимаются следующие аппараты (их различия описаны в отдельной статье):

• выключатели-разъединители;
• разъединители;
• выключатели.

Чтобы на цифрах ощутить сложность режима работы в зависимости от категории применения, скачайте заводской каталог на рубильники серии ВР32, перейдите на страницу 4 и в таблице 2 (не спутайте с таблицей 1):

• сравните условный тепловой ток (2 колонка) с рабочим током (3 колонка);
• а также просмотрите количество циклов включения / отключения (предпоследняя колонка).

Род тока		Вариации применения
переменный	AC-20	Коммутация электрических цепей без тока или с незначительным током
	AC-21
	AC-22	Коммутация смешанных активных и индуктивных нагрузок, включая умеренные перегрузки
	AC-23	Коммутация нагрузок двигателей или других высокоиндуктивных нагрузок
постоянный	DС-20	Включение и отключение цепи без нагрузки или с незначительным током
	DС-21	Коммутация активных нагрузок, включая умеренные перегрузки
	DС-22	Коммутация смешанных активных и индуктивных нагрузок, включая умеренные перегрузки, например, двигателей (шунтовых) с параллельным возбуждением
	DС-23	Коммутация высокоиндуктивных нагрузок, например, двигателей (сериесных) с последовательным возбуждением

Источник (ссылка выше):
Приведенная таблица соответствует таблице 2 на странице 10 нормативного документа ГОСТ 50030 часть 3.
За исключением добавочных букв (пишутся после категории):

• А - частые коммутации;
• В - не частые коммутации.

Подробнее в описании стандарта-источника ГОСТ 50030.3 (ссылка выше, над таблицами).

Категории применения элементов управления

Под элементами управления понимаются:

• переключатели;
• дополнительные контакты низковольтных аппаратов.

Род тока	Категория применения	Варианты использования
переменный	АС-12	Контроль над омическими и неизменными во времени нагрузками
	АС-13	Контроль над не меняющимися с течением времени нагрузками
	АС-14	Управление электрическими магнитами небольшой мощности N ≤ 72 Вт
	АС-15	Контроль над электромагнитами с N ≥ 0,072 киловатт
постоянный	DС-12	Аналогично категории АС-12
	DС-13	Управление электрическими магнитами
	DС-14	Контроль над электромагнитами, имеющих ограничительный резистор

Источник (ссылка выше):
Приведенная таблица соответствует таблице 1 на странице 11 стандарта ГОСТ 50030 часть 5.1.

Категории применения автоматических выключателей

	Категория применения	Область задействования
	А	Не селективные автоматы.
	В	Выключатели, обладающие селективностью - имеют выдержку времени (зачастую регулируемую в процессе эксплуатации) в зоне короткого замыкания. То есть при коротком замыкании вводной автоматический выключатель выдержит заданное время, за которое сработает нижестоящий аппарат (ближайший к нагрузке), вследствие чего, отключится не весь объект, а только повреждённая линия.

Источник (ссылка вверху):
Приведенная таблица соответствует таблице 4 на странице 8 стандарта ГОСТ 50030 часть 2.

Технические характеристики низковольтных коммутационных аппаратов

Помимо категории применения, аппараты (в понятие включены все вышеперечисленные изделия) имеют следующие технические характеристики:
1. Номинальное напряжение работы.
2. Номинальную частоту переменного тока (50 или 60 герц).
3. Номинальный ток (долговременно проводимый ток, относительно которого выстраиваются другие характеристики в амперах).

4. Режимы работы контакторов или пускателей, и следовательно, трёхфазных электрических двигателей (выбирают один или несколько):

• продолжительный (более 8 часов в сутки):
• прерывисто-продолжительный (8 часов работы в сутки);
• кратковременный (период работы предпочтительно избирают из цепочки: 5, 10, 15 и 30 секунд; 10, 30, 60 и 90 минут);
• повторно-кратковременный (предпочтительное отношение рабочего периода должно быть: 15, 25, 40 или 60 %);
• перемежающийся (сочетание двух и более режимов из описанных выше).

Первые три режима работы (продолжительный, прерывисто-продолжительный и кратковременный) понимают как: работа - бездействие - работа - бездействие - и далее несколько циклов. Времени бездействия должно быть достаточно для остывания токопроводящих элементов контактора (в противном случае это будет повторно-кратковременный режим работы). Общее время работы в течение 1 суток не должно превышать указанного выше.

5. Допустимое количество циклов включения и отключения в течение 1 часа при работе в повторно-кратковременном режиме и соответствующий числу циклов класс.

.

Класс	Допустимое число циклов в течение 1 часа
0.01	1