2025年能量回馈的变流器负载试验装置（A题）的软件部分实现（全国大学生电子设计竞赛）

一、题目要求简述

二、控制方法总览

• 基础部分：逆变器带阻性负载
  • 用 电压有效值外环 + 电压瞬时值内环
  • 外环算有效值，PI调节得到幅值；内环用瞬时误差直接控制，生成SVPWM
    

• 发挥部分：逆变接整流器（能量回馈）
  • 逆变器：开环，直接给固定调制比输出约32V交流
  • 整流器：单电流环，用 PR控制器 让电流与逆变器电压同相
  • 启动逻辑：一键触发 → 逆变器先开 → 等2秒 → 整流器闭环自动切入
    
    

二、软件整体框架

• HRTIM定时器中断跑所有控制算法
• 中断里顺序做：
• 采样电压、电流
• 判断当前工作模式（基础/发挥）
• 执行对应控制策略
• 更新PWM占空比
• 主循环：屏幕刷新、保护
  -普通定时器中断：按键扫描、状态切换

三、控制算法具体代码实现

3.1 逆变器双环控制（基础部分）

• 有效值外环：

  • 滑动窗口计算有效值
    – 窗口大小配置为 5000 点（对应 25kHz 采样率下约 200ms 窗口）
    – 采用滑动平均策略，避免突变，保证数值稳定性

    // 滑动窗口RMS计算核心代码
    float32_t RMS_Update(rms_update_typedef* state, float32_t value) {
    state->sum_sq += value * value; // 累加平方值
    state->count++;
    float32_t rms = state->sum_sq / (float32_t)state->count; // 计算平均值
    if (state->count >= state->window_size) {
    state->sum_sq = rms * (state->window_size – 1); // 滑动更新
    state->count = state->window_size – 1;
    }
    state->rms_value = sqrtf(rms); // 开方得到RMS
    return state->rms_value;
    }

    • PI离散化与积分饱和防护
      • 防积分饱和策略 ：直接对PI输出进行硬限幅，限制范围为 [0, 33] （单位：V）

      // PI控制器调用（使用ARM CMSIS-DSP库）
      float v_set_o = invv.set_value * 0.57735f; // 目标值转换为相电压
      dsp_arm_pid_function(&pi_inv_a, v_set_o – invv.ao_rms_fit_value);
      // 积分饱和防护 – 输出限幅
      if(pi_inv_a.out > 33.0f) pi_inv_a.out = 33.0f;
      if(pi_inv_b.out > 33.0f) pi_inv_b.out = 33.0f;
      if(pi_inv_c.out > 33.0f) pi_inv_c.out = 33.0f;

• 瞬时值内环：
  • 给定参考：ref = 外环输出 * sin_table[index]// 参考值 = 外环输出 * sin_table[index]
    pr_inv_a.xi = pi_inv_a.out * 1.4142f * arm_sin_f32(theta) – invv.ao_fit_value;
    pr_inv_b.xi = pi_inv_b.out * 1.4142f * arm_sin_f32(theta – 2.0944f) – invv.bo_fit_value;
    pr_inv_c.xi = pi_inv_c.out * 1.4142f * arm_sin_f32(theta + 2.0944f) – invv.co_fit_value;
    pr_control(&pr_inv_a);
    pr_control(&pr_inv_b);
    pr_control(&pr_inv_c);

3.2 开环逆变 + PR整流（发挥部分）

• 逆变开环：直接设调制波幅值，无需反馈// 直接设置调制波幅值，无需反馈
  inv_saddle_sine.a = modulation_ratio_inv * arm_sin_f32(theta);
  inv_saddle_sine.b = modulation_ratio_inv * arm_sin_f32(theta – 2.0944f);
  inv_saddle_sine.c = modulation_ratio_inv * arm_sin_f32(theta + 2.0944f);
  saddle_wave_modulation_function(&inv_saddle_sine);

• 整流器PR电流环：
  • PR的离散公式：void pr_control(pr_typedef *p) {
    // 差分方程：y[n] = -a1*y[n-1] -a2*y[n-2] + b0*x[n] + b1*x[n-1] + b2*x[n-2]
    p->yo = –p->a1 * p->yo_1 – p->a2 * p->yo_2 +
    p->b0 * p->xi + p->b1 * p->xi_1 + p->b2 * p->xi_2;

    // 更新状态寄存器
    p->yo_2 = p->yo_1;
    p->yo_1 = p->yo;
    p->xi_2 = p->xi_1;
    p->xi_1 = p->xi;
    }
    void pr_init(pr_typedef *p, float kp, float kr, float fs, float wc, float wo) {
    p->Ts = 1 / fs;
    float temp = 4/p->Ts/p->Ts + 4*p->wc/p->Ts + p->wo*p->wo;
    p->b0 = (4*p->kp/p->Ts/p->Ts + 4*p->wc*(p->kp+p->kr)/p->Ts + p->kp*p->wo*p->wo) / temp;
    p->b1 = (–8*p->kp/p->Ts/p->Ts + 2*p->kp*p->wo*p->wo) / temp;
    p->b2 = (4*p->kp/p->Ts/p->Ts – 4*p->wc/p->Ts*(p->kp+p->kr) + p->kp*p->wo*p->wo) / temp;
    p->a1 = (–8/p->Ts/p->Ts + 2*p->wo*p->wo) / temp;
    p->a2 = (4/p->Ts/p->Ts – 4*p->wc/p->Ts + p->wo*p->wo) / temp;
    }

  • 电流参考怎么生成： float i_set_m = rec.set_value * 1.4142135623730950488016887242097f;
    pr_rec_a.xi = i_set_m * arm_sin_f32(theta) – rec.ao_fit_value;
    pr_rec_b.xi = i_set_m * arm_sin_f32(theta – 2.094395102f) – rec.bo_fit_value;
    pr_rec_c.xi = i_set_m * arm_sin_f32(theta + 2.094395102f) – rec.co_fit_value;
    pr_control(&pr_rec_a);
    pr_control(&pr_rec_b);
    pr_control(&pr_rec_c);

    rec_saddle_sine.a = –pr_rec_a.yo;
    rec_saddle_sine.b = –pr_rec_b.yo;
    rec_saddle_sine.c = –pr_rec_c.yo;

    if(rec_saddle_sine.a > 1.15f) rec_saddle_sine.a = 1.15f;
    if(rec_saddle_sine.a < –1.15f) rec_saddle_sine.a = –1.15f;
    if(rec_saddle_sine.b > 1.15f) rec_saddle_sine.b = 1.15f;
    if(rec_saddle_sine.b < –1.15f) rec_saddle_sine.b = –1.15f;
    if(rec_saddle_sine.c > 1.15f) rec_saddle_sine.c = 1.15f;
    if(rec_saddle_sine.c < –1.15f) rec_saddle_sine.c = –1.15f;

    saddle_wave_modulation_function(&rec_saddle_sine);
    ```
    –关键参数 ：
    – 采样频率 fs = 25000Hz
    – 截止频率 wc = 0.2*2π ≈ 1.256 rad/s
    – 谐振频率 wo = 50*2π ≈ 314.16 rad/s （电网频率）

3.3 SVPWM的尝试（简单提）

• 我也用了SVPWM，但能量回馈时电流3次谐波没改善
• 给新手一个结论：在这个应用里SVPWM未必是灵药，先跑通SPWMvoid saddle_wave_modulation_function(adc_ab_dq_typedef *saddle_sine) {
  // SVPWM调制计算
  float max_val = MAX(saddle_sine->a, MAX(saddle_sine->b, saddle_sine->c));
  float min_val = MIN(saddle_sine->a, MIN(saddle_sine->b, saddle_sine->c));

  float offset = (max_val + min_val) / 2.0f; // 三次谐波注入

  saddle_sine->a -= offset;
  saddle_sine->b -= offset;
  saddle_sine->c -= offset;
  }

四、给想上手的新手的几个建议

• 先调通基础部分的双环，不要一上来就SVPWM
• 所有波形都用串口或DAC引出来看，不要猜
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