光儲(chǔ)逆變器這個(gè)行業(yè)聊到后面大家都會(huì)認(rèn)同一句話它本質(zhì)不是“逆變”而是一臺(tái)要打進(jìn)電網(wǎng)、帶起負(fù)載、還得伺候好電池的可編程電源。而STM32在這臺(tái)電源里干的活遠(yuǎn)不只是“跑跑邏輯”而是把采樣、調(diào)制、保護(hù)、通信這些事在一個(gè)實(shí)時(shí)的框架里捏合起來(lái)。這篇是STM32在光伏儲(chǔ)能應(yīng)用的下篇。上篇我們把精力放在了主電路拓?fù)?、器件選型和硬件架構(gòu)上這篇我們把視角切換到控制鏈路本身ADC怎么采得準(zhǔn)、PWM怎么發(fā)得好、狀態(tài)機(jī)怎么設(shè)計(jì)不打架以及那些在調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)才能撞見、但datasheet里永遠(yuǎn)查不到的坑。內(nèi)容偏工程實(shí)戰(zhàn)適合剛轉(zhuǎn)行做光儲(chǔ)的嵌入式工程師也適合那些已經(jīng)在做電源、想從“能用”進(jìn)階到“好用”的同行。1. 換個(gè)視角看問題為什么非要把逆變器理解成“電源”先說清楚我這句話的意思。傳統(tǒng)電源設(shè)計(jì)里我們習(xí)慣把產(chǎn)品分為電壓源和電流源電壓源對(duì)外輸出穩(wěn)定電壓電流源對(duì)外輸出穩(wěn)定電流。光伏逆變器并網(wǎng)工作時(shí)它的控制目標(biāo)就是“向電網(wǎng)注入一個(gè)可控的正弦電流”所以從電網(wǎng)側(cè)看它就是一臺(tái)電流源。而離網(wǎng)模式下逆變器要獨(dú)立建立交流電壓給負(fù)載供電這時(shí)候它就是一臺(tái)電壓源。光儲(chǔ)系統(tǒng)比普通逆變器更復(fù)雜在于它有三個(gè)功率端口光伏輸入端口、電池端口、交流輸出端口。任何一個(gè)端口的變化都會(huì)影響另外兩個(gè)。光伏板功率飄忽不定電池的充放電狀態(tài)由BMS說了算交流側(cè)可能是并網(wǎng)也可能是離網(wǎng)三個(gè)端口之間靠直流母線電壓串聯(lián)在一起。所以這套系統(tǒng)的本質(zhì)是一臺(tái)多輸入多輸出的受控電源所有控制策略的終點(diǎn)都是讓能量按預(yù)期方向、預(yù)期大小流動(dòng)同時(shí)保證母線電壓穩(wěn)定。STM32在這個(gè)系統(tǒng)里的角色用一句話概括對(duì)外是通信節(jié)點(diǎn)對(duì)內(nèi)是實(shí)時(shí)控制器。它要通過CAN和BMS通信拿到電池允許的充電電流要通過ADC采樣光伏電壓電流算出MPPT的占空比要捕獲電網(wǎng)相位調(diào)整逆變橋的調(diào)制波還要在過流、過壓、過溫發(fā)生的瞬間比功率器件炸掉之前更快地封鎖PWM。這每一件事都不是孤立的它們共享同一個(gè)定時(shí)器時(shí)基、同一個(gè)ADC序列、同一個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)。我一直覺得做光儲(chǔ)嵌入式開發(fā)和做普通消費(fèi)電子有本質(zhì)區(qū)別。消費(fèi)電子里MCU是主角外設(shè)是陪襯而光儲(chǔ)逆變器里MCU是配角功率電路才是主角MCU的任務(wù)是“伺候好”功率電路。這個(gè)視角一旦建立很多軟件上的取舍就變得清晰——比如為什么電流環(huán)必須放在中斷里為什么CAN通信不能搶占控制周期為什么保護(hù)邏輯不能等主循環(huán)慢慢輪詢。理解了“逆變器本質(zhì)是電源”這個(gè)前提下面這些技術(shù)細(xì)節(jié)才有落腳的框架。2. 核心控制鏈路采樣、調(diào)制、保護(hù)三件事必須閉環(huán)一個(gè)并網(wǎng)逆變器的控制周期通常在一百微秒以內(nèi)。在這個(gè)周期里STM32要完成采樣、坐標(biāo)變換、PI運(yùn)算、PWM占空比更新這一整套動(dòng)作。但真正決定系統(tǒng)可靠性的并不是這套算法跑得多快而是三個(gè)基礎(chǔ)環(huán)節(jié)有沒有做好ADC采到的數(shù)值是不是真值、PWM發(fā)出的波形是不是符合預(yù)期、保護(hù)路徑是不是足夠短。這三個(gè)環(huán)節(jié)任何一個(gè)掉鏈子算法再漂亮也白搭。2.1 采樣鏈路ADC讀取精度才是控制精度的地基電流采樣常見兩種方案低功率用采樣電阻加差分運(yùn)放中大功率用霍爾傳感器或隔離放大器。采樣電阻方案便宜、線性度好但采樣電阻上的壓降會(huì)帶來(lái)?yè)p耗而且電阻功率選型要算清楚?；魻柗桨父綦x性好、不引入損耗但帶寬和溫漂要留意。無(wú)論是哪種信號(hào)進(jìn)入STM32 ADC之前都要經(jīng)過一級(jí)運(yùn)放調(diào)理把信號(hào)幅度映射到ADC的滿量程范圍。這里有一個(gè)非常容易被忽視的問題采樣時(shí)刻。開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷瞬間母線上會(huì)疊加極高的dv/dt和di/dt噪聲這時(shí)候ADC如果剛好在采樣讀到的數(shù)據(jù)必然包含大量毛刺。工程上通用的做法是讓PWM定時(shí)器的溢出事件或某個(gè)比較事件去觸發(fā)ADC啟動(dòng)把采樣點(diǎn)放在PWM波形的中點(diǎn)。因?yàn)橹悬c(diǎn)處開關(guān)管已經(jīng)穩(wěn)定母線電壓和電流都處于相對(duì)平靜的狀態(tài)。用生活類比來(lái)說就是不要在放鞭炮的時(shí)候去聽心跳采樣時(shí)機(jī)選對(duì)了后面濾波才能少干活。多通道采樣時(shí)還要注意通道切換的建立時(shí)間。STM32的ADC是單次轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)通道切換后采樣電容需要時(shí)間充電到輸入電壓如果采樣時(shí)間配得太短相鄰?fù)ǖ乐g會(huì)串?dāng)_。我自己的習(xí)慣是關(guān)鍵通道如母線電壓用獨(dú)立ADC或者獨(dú)立采樣序列并且每個(gè)通道最少配置1.5個(gè)采樣周期以上DMA方式搬運(yùn)結(jié)果避免CPU逐個(gè)讀取。軟件上再加一階低通濾波和中位值濾波兩級(jí)處理中位值濾波專門對(duì)付尖峰毛刺低通濾波負(fù)責(zé)平滑兩個(gè)濾波器疊加之后波形已經(jīng)相當(dāng)干凈。采樣基準(zhǔn)的問題也值得一提。ADC的參考電壓如果直接用MCU的工作電壓一旦母線波動(dòng)或電源紋波大參考就會(huì)飄。對(duì)光儲(chǔ)這種功率環(huán)境外部基準(zhǔn)源比如REF3030這類花不了幾塊錢卻能明顯提升采樣穩(wěn)定性。實(shí)在不想加外部基準(zhǔn)至少也要用內(nèi)部VREFINT做軟件校準(zhǔn)把零偏和增益誤差修正掉。2.2 PWM調(diào)制高級(jí)定時(shí)器不是拿來(lái)點(diǎn)燈的是拿來(lái)發(fā)波的STM32里能輸出互補(bǔ)PWM的定時(shí)器不外乎TIM1和TIM8這兩路高級(jí)定時(shí)器?；パa(bǔ)輸出是驅(qū)動(dòng)全橋/三相橋的剛需因?yàn)樯舷聵虮郾仨殗?yán)格保證先關(guān)斷一個(gè)、再開通另一個(gè)這個(gè)間隔就是死區(qū)。死區(qū)太短上下管直通炸模塊死區(qū)太長(zhǎng)電流波形畸變、THD劣化。IGBT通常在微秒量級(jí)MOSFET可以更短。具體數(shù)值要看柵極驅(qū)動(dòng)芯片的傳播延時(shí)和開關(guān)管的關(guān)斷延時(shí)一般留出兩倍余量比較穩(wěn)妥。調(diào)制算法上三相并網(wǎng)逆變器主流是SVPWM。它的母線電壓利用率比SPWM高大約15%意味著同樣的直流電壓能輸出更高的交流電壓而且諧波性能更好。SPWM含三次諧波注入實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、適合單相和小功率但三相系統(tǒng)建議直接上SVPWM。軟件實(shí)現(xiàn)SVPWM就是先判斷扇區(qū)再計(jì)算占空比核心是Clarke變換和扇區(qū)判斷這部分網(wǎng)上代碼很多但真正要命的是載波頻率選擇。載波頻率越高電流紋波越小、電感可以做得更小但開關(guān)損耗線性上升。并網(wǎng)逆變器用IGBT一般取8k~16k用碳化硅MOSFET可以到20k以上。載波頻率定了之后控制周期就是載波周期的兩倍對(duì)稱PWMADC觸發(fā)和中斷優(yōu)先級(jí)就要圍繞這個(gè)周期來(lái)設(shè)計(jì)。死區(qū)效應(yīng)在輕載時(shí)尤其明顯。死區(qū)期間電感電流流過續(xù)流二極管導(dǎo)致實(shí)際輸出電壓和理想電壓有偏差電流過零點(diǎn)附近會(huì)產(chǎn)生一段“平臺(tái)”失真。工程上有做死區(qū)補(bǔ)償?shù)母鶕?jù)電流方向?qū)φ伎毡茸銮梆佌{(diào)整但電流方向判斷不準(zhǔn)反而會(huì)越補(bǔ)越差。我的建議是先用示波器看電流過零波形確認(rèn)畸變是否真的影響并網(wǎng)電流THD再?zèng)Q定是否值得花精力做補(bǔ)償。小功率家用光儲(chǔ)產(chǎn)品死區(qū)補(bǔ)償往往是優(yōu)化項(xiàng)不是必須項(xiàng)。2.3 保護(hù)邏輯硬件先擋一刀軟件再算賬功率器件的損壞時(shí)間是微秒級(jí)的STM32哪怕中斷響應(yīng)再快也快不過比較器。所以**逐波限流cycle by cycle**這層保護(hù)必須用硬件實(shí)現(xiàn)電流采樣信號(hào)進(jìn)比較器超過閾值直接拉低PWM輸出這個(gè)周期內(nèi)的脈沖立即切斷不需要CPU參與。等下一個(gè)PWM周期到來(lái)再重新開通如果過流消失就恢復(fù)正常如果持續(xù)過流就繼續(xù)限流。這套機(jī)制的響應(yīng)時(shí)間在百納秒到微秒級(jí)是逆變器保護(hù)的真正第一道防線。IGBT驅(qū)動(dòng)芯片自帶的DESAT保護(hù)也很重要。DESAT引腳檢測(cè)集電極-發(fā)射極的飽和壓降管子退飽和說明電流過大或者短路了驅(qū)動(dòng)芯片會(huì)軟關(guān)斷并將故障信號(hào)送給MCU。很多功率模塊故障都是這個(gè)通道識(shí)別的。MCU這邊的固件保護(hù)主要處理的是過壓、欠壓、過溫這類“慢故障”。慢故障不代表可以慢處理一般推薦在1kHz~10kHz的中斷里巡檢一旦發(fā)現(xiàn)越限先按策略降功率或封鎖PWM同時(shí)記錄故障標(biāo)志。故障鎖存是必須的不能因?yàn)檫^溫信號(hào)短暫抖動(dòng)就反復(fù)啟停要在滿足復(fù)位條件比如溫度降到閾值以下并且用戶手動(dòng)復(fù)位之后才能清標(biāo)志。保護(hù)閾值的設(shè)計(jì)有個(gè)經(jīng)驗(yàn)硬件閾值要寬于軟件閾值。軟件率先介入通過降功率或者軟封鎖來(lái)恢復(fù)正常工況硬件閾值只是最后一道物理防線平時(shí)最好碰不到它。這樣既能保護(hù)設(shè)備又不會(huì)因?yàn)橐稽c(diǎn)小擾動(dòng)就動(dòng)不動(dòng)切機(jī)用戶體驗(yàn)會(huì)好很多。3. 通信與調(diào)試通道系統(tǒng)不是一塊孤立的控制板光儲(chǔ)逆變器從來(lái)不單機(jī)工作。它要跟BMS說電池剩余電量跟電表說當(dāng)前輸出功率跟EMS能量管理系統(tǒng)收調(diào)度指令可能還要跟手機(jī)App通信讓用戶遠(yuǎn)程看發(fā)電數(shù)據(jù)。這些通信鏈路看起來(lái)是“雜活”但往往直接決定系統(tǒng)能不能在真實(shí)場(chǎng)景里長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。3.1 CAN與BMS的握手先問清楚電池能承受多大的電流BMS是整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的“話事人”它最清楚當(dāng)前電池包的最高單體電壓、最低單體電壓、SOC和允許充放電電流。逆變器收到這些信息后要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整自己的充放電功率絕對(duì)不能自己想充多少就充多少。鋰電池一旦過充輕則衰減、重則起火這個(gè)責(zé)任在系統(tǒng)層面是“一票否決”的。CAN硬件設(shè)計(jì)上收發(fā)器推薦用帶隔離的方案因?yàn)楣β拾宓牡睾碗姵匕牡刂g存在電位差隔離可以避免共模干擾打壞MCU。終端電阻必須是兩個(gè)120歐姆跨接在總線兩端少一個(gè)或者多一個(gè)都會(huì)導(dǎo)致反射通信異常率升高。STM32的bxCAN外設(shè)相對(duì)老舊發(fā)送郵箱只有三個(gè)如果數(shù)據(jù)幀多建議用FIFO思路管理發(fā)送并且留一個(gè)郵箱給最高優(yōu)先級(jí)的故障幀。接收側(cè)配置好濾波器只放行本機(jī)關(guān)心的ID避免無(wú)效中斷搶占CPU時(shí)間。實(shí)際項(xiàng)目里BMS報(bào)文往往會(huì)定義心跳機(jī)制——BMS每100ms發(fā)一幀在線報(bào)文逆變器如果在500ms內(nèi)沒收到就認(rèn)為BMS失聯(lián)應(yīng)當(dāng)按安全的默認(rèn)策略降功率或關(guān)機(jī)。這個(gè)超時(shí)判斷不能只靠CAN中斷里計(jì)數(shù)要放到定時(shí)器或者主循環(huán)里去檢查因?yàn)橹袛嗬镉?jì)數(shù)如果沒人定時(shí)清很容易出現(xiàn)虛假在線。協(xié)議上還有一個(gè)容易踩的坑CAN報(bào)文的CRC和位填充是硬件做的但數(shù)據(jù)的有效性要軟件確認(rèn)。收到一幀電池電流指令先判斷是否在合理范圍內(nèi)比如0到200A再判斷變化率是否合理防止BMS本身發(fā)了一幀異常數(shù)據(jù)導(dǎo)致逆變器跟著犯錯(cuò)。3.2 串口和本地調(diào)試printf出去的東西要有用并網(wǎng)逆變器調(diào)試最常用的是串口。把printf重定向到UART用USB轉(zhuǎn)串口線連電腦實(shí)時(shí)打印母線電壓、電網(wǎng)相位、MPPT功率、電池電流這些關(guān)鍵量。這里有個(gè)實(shí)用技巧定義一套簡(jiǎn)單的命令行解析通過串口輸入指令就能修改PID參數(shù)、MPPT步長(zhǎng)、過壓保護(hù)閾值等運(yùn)行參數(shù)不用每次改一個(gè)參數(shù)就重新編譯燒錄。這個(gè)功能前期開發(fā)的投入成本不高后期現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試能省下大量來(lái)回改固件的時(shí)間。日志輸出一定要分級(jí)。錯(cuò)誤、警告、信息各自用不同的前綴和宏開關(guān)控制平時(shí)只開信息和錯(cuò)誤查問題的時(shí)候再開詳細(xì)調(diào)試日志。產(chǎn)品量產(chǎn)之后串口可以保留一個(gè)隱藏的診斷模式維護(hù)人員進(jìn)入診斷模式后能看到內(nèi)部狀態(tài)變量這比盲猜問題高效得多。另外采樣值和控制量打成日志是好事但日志頻率不要太高串口115200波特率每行50個(gè)字節(jié)一秒鐘也就打印兩百多次超過這個(gè)量日志本身就會(huì)拖延控制周期一定要控制好打印節(jié)奏。除了串口示波器才是控制環(huán)調(diào)試的真正主角。我的習(xí)慣是在板子上預(yù)留兩個(gè)DAC輸出或PWM濾波輸出把內(nèi)部控制量比如電流環(huán)PI輸出、鎖相環(huán)角度實(shí)時(shí)輸出到示波器上。這樣不用拆代碼加斷點(diǎn)就能看到控制量在動(dòng)態(tài)過程中的真實(shí)走向配合功率波形對(duì)比問題定位速度比純靠串口打點(diǎn)快一個(gè)數(shù)量級(jí)。4. 系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)與軟件架構(gòu)把“電源”跑穩(wěn)的核心采樣、PWM、通信這些模塊是零件真正把它們組裝成一套可靠系統(tǒng)的是狀態(tài)機(jī)和調(diào)度架構(gòu)。光儲(chǔ)逆變器至少包含這些狀態(tài)待機(jī)、軟啟動(dòng)、光伏MPPT、電池充電、電池放電、并網(wǎng)輸出、離網(wǎng)輸出、故障停機(jī)。狀態(tài)之間怎么切換、切換時(shí)PWM怎么處理、切換后控制目標(biāo)怎么變這是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)里最容易出bug的地方。4.1 狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)切換瞬間的控制“接力”先看一個(gè)最典型的切換場(chǎng)景離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)。離網(wǎng)模式下逆變器建立自己的電壓負(fù)載由逆變器供電并網(wǎng)模式下逆變器要跟電網(wǎng)同步、轉(zhuǎn)為電流控制。切換的瞬間如果處理不好輕則負(fù)載閃斷重則沖擊電流燒保險(xiǎn)。工程上通常分兩步先讓逆變器進(jìn)入電網(wǎng)電壓同步狀態(tài)通過軟件鎖相環(huán)把輸出相位鎖定到電網(wǎng)相位幅值也調(diào)整到與電網(wǎng)一致然后閉合繼電器繼電器閉合之后再把控制目標(biāo)從電壓控制切換為電流控制。關(guān)鍵是切換的瞬間PI控制器輸出的初始值要平滑銜接通常做法是先把電流環(huán)給定設(shè)為0等穩(wěn)定一兩個(gè)工頻周期后再逐漸加載目標(biāo)功率。同樣的道理也適用于并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)。電網(wǎng)失電瞬間逆變器必須在幾個(gè)毫秒內(nèi)從電流源切到電壓源模式否則負(fù)載感知到斷電就掉電了。這個(gè)切換速度取決于電壓環(huán)的響應(yīng)能力和中斷里能否快速更改變換狀態(tài)軟件上建議提前把電壓環(huán)的PID參數(shù)和初始占空比準(zhǔn)備好切換發(fā)生時(shí)直接無(wú)縫啟用而不是現(xiàn)場(chǎng)重新計(jì)算一遍。狀態(tài)機(jī)在代碼上的一個(gè)重要原則狀態(tài)入口和出口做集中處理不在主循環(huán)里散落一堆“if (狀態(tài) 某個(gè)值)”邏輯。每個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)enter函數(shù)、一個(gè)tick函數(shù)、一個(gè)exit函數(shù)切換只在指定的transition函數(shù)里發(fā)生這樣排查狀態(tài)卡死或者跳變問題會(huì)輕松很多。狀態(tài)機(jī)切換前要檢查所有前提條件比如并網(wǎng)繼電器閉合前必須確認(rèn)電網(wǎng)電壓和頻率在允許范圍內(nèi)MPPT啟動(dòng)前必須確認(rèn)母線電壓已經(jīng)建立否則一上來(lái)就是故障。4.2 MPPT與充放電策略能量管理的“三權(quán)分立”光伏側(cè)的核心算法是MPPT。最常見的擾動(dòng)觀察法PO思路非常簡(jiǎn)單往一個(gè)方向改變占空比觀察功率變化如果功率變大就繼續(xù)這個(gè)方向功率變小就反向。但實(shí)際使用中云層遮擋導(dǎo)致的功率突變會(huì)讓PO誤判擾動(dòng)步長(zhǎng)太大會(huì)在最大功率點(diǎn)附近來(lái)回震蕩步長(zhǎng)太小又會(huì)拖慢跟蹤速度。工程上會(huì)做變步長(zhǎng)處理功率變化大時(shí)用大步長(zhǎng)快速逼近接近最大功率點(diǎn)時(shí)用小步長(zhǎng)精細(xì)收斂。電導(dǎo)增量法理論上更優(yōu)但對(duì)采樣精度要求更高很多產(chǎn)品最后還是PO加變步長(zhǎng)的組合成本和復(fù)雜度都更可控。電池側(cè)的策略相對(duì)直接BMS下發(fā)允許充電電流逆變器按恒流充電電池電壓接近滿充時(shí)切換為恒壓模式電流自然下降。這個(gè)CC-CV切換邏輯要放在控制環(huán)外面由狀態(tài)機(jī)根據(jù)電池電壓主動(dòng)切換目標(biāo)值不能等PI控制器自己慢慢繞。另外還需要一個(gè)恒功率CP模式用于限制母線電壓或者響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度指令說白了就是“規(guī)定時(shí)間內(nèi)最多充多少瓦”。這三個(gè)功率端口光伏、電池、交流之間的協(xié)調(diào)最后都?xì)w結(jié)為母線電壓穩(wěn)定的問題。母線電壓是三個(gè)端口能量吞吐的中樞光伏輸入多了母線電壓就升高逆變器要多往電網(wǎng)送電或者加大電池充電功率把母線拉下來(lái)電網(wǎng)斷電時(shí)母線電量少了就要靠電池補(bǔ)。母線電壓控制環(huán)的帶寬通常不高但它是系統(tǒng)級(jí)穩(wěn)定性的關(guān)鍵PID參數(shù)不合適時(shí)三個(gè)端口會(huì)互相“搶能量”表現(xiàn)出來(lái)就是母線電壓低頻振蕩。調(diào)試時(shí)務(wù)必先用示波器看母線電壓的環(huán)路響應(yīng)再?zèng)Q定每個(gè)端口各自的內(nèi)環(huán)參數(shù)別一上來(lái)就盲目加PI增益。4.3 電網(wǎng)鎖相過零檢測(cè)只能做備份軟件PLL才能上強(qiáng)度并網(wǎng)控制需要知道電網(wǎng)電壓的實(shí)時(shí)相位用來(lái)做dq變換和電流指令合成。早期產(chǎn)品常用過零檢測(cè)加定時(shí)器捕獲每個(gè)周期抓一個(gè)過零點(diǎn)然后按50Hz勻速推算相位。這個(gè)方案在電網(wǎng)質(zhì)量好的時(shí)候能用但電網(wǎng)諧波大、頻率波動(dòng)快或者電壓跌落時(shí)過零檢測(cè)會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)甚至誤觸發(fā)鎖相環(huán)相位就會(huì)失真?，F(xiàn)代工程實(shí)現(xiàn)普遍用軟件鎖相環(huán)比如SOGI-PLL二階廣義積分器鎖相環(huán)。它在靜止坐標(biāo)系下構(gòu)造一個(gè)正交虛擬信號(hào)通過PI調(diào)節(jié)器把電網(wǎng)電壓的q軸分量調(diào)節(jié)到零從而跟蹤實(shí)時(shí)相位。SOGI本身是一個(gè)帶通濾波器對(duì)諧波有一定抑制能力配合PI可以做到幾個(gè)工頻周期內(nèi)收斂。在STM32上實(shí)現(xiàn)SOGI-PLL也就是在每個(gè)采樣周期跑一次二階濾波器加一次PI幾十微秒的運(yùn)算量對(duì)F103都算不上壓力。電網(wǎng)頻率的測(cè)量倒是可以用定時(shí)器捕獲來(lái)做用于頻率保護(hù)和電網(wǎng)異常判斷但相位跟蹤的重任必須交給軟件PLL這個(gè)分工組合是我比較推薦的架構(gòu)。4.4 實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)控制環(huán)放中斷業(yè)務(wù)邏輯放任務(wù)光儲(chǔ)逆變器的控制實(shí)時(shí)性要求非常高電流內(nèi)環(huán)周期通常在50到100微秒之間電壓外環(huán)在1到10毫秒之間。電流內(nèi)環(huán)必須用定時(shí)器中斷或者ADC中斷來(lái)調(diào)度不能放在操作系統(tǒng)的任務(wù)里跑因?yàn)槿蝿?wù)調(diào)度的抖動(dòng)會(huì)直接反映在電流波形上。如果用了FreeRTOS我建議把控制環(huán)拿到中斷上下文去執(zhí)行或者給控制任務(wù)設(shè)置最高優(yōu)先級(jí)并禁止時(shí)間片輪轉(zhuǎn)保證一到周期就立刻執(zhí)行。其他業(yè)務(wù)邏輯——通信解析、狀態(tài)上報(bào)、按鍵掃描、顯示刷新——放在主循環(huán)或者低優(yōu)先級(jí)任務(wù)里就可以了。這些邏輯的響應(yīng)哪怕是幾十毫秒對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性幾乎沒有影響。中斷里只做采樣、控制運(yùn)算和PWM更新不做串口打印、不做CAN發(fā)送更不做阻塞等待。很多人在中斷里加了teatime的浮點(diǎn)運(yùn)算導(dǎo)致中斷時(shí)間過長(zhǎng)后續(xù)所有任務(wù)都被拖慢這一點(diǎn)要特別注意。關(guān)于M3和M4的選擇如果項(xiàng)目還在選型階段建議直接選帶FPU的M4或M7內(nèi)核比如STM32F334、G474、F407或者H7系列。三相并網(wǎng)控制里涉及大量的Clarke、Park變換和PI運(yùn)算沒有FPU的話浮點(diǎn)計(jì)算會(huì)吃掉大量CPU周期控制周期做短就很難了。F334這類帶高分辨率定時(shí)器HRTIM的型號(hào)尤其適合光儲(chǔ)這種對(duì)PWM精度要求高的場(chǎng)景輸出分辨率能到幾百皮秒比普通定時(shí)器強(qiáng)很多。預(yù)算允許的話控制板選型優(yōu)先看這幾個(gè)系列而不是盯著F103不放。5. 調(diào)試手記與問題排查那些datasheet上查不到的坑這節(jié)內(nèi)容全部來(lái)自實(shí)戰(zhàn)。我不打算系統(tǒng)性地教某個(gè)模塊怎么用那東西看參考手冊(cè)就行。我想分享的是幾個(gè)我在光儲(chǔ)項(xiàng)目中真實(shí)遇到過、排查了很久才定位的問題每個(gè)問題都對(duì)應(yīng)一條可以復(fù)用的經(jīng)驗(yàn)。5.1 ADC多通道切換時(shí)數(shù)據(jù)串?dāng)_現(xiàn)象母線電壓采樣值和實(shí)測(cè)值偏差大尤其當(dāng)ADC序列里前一通道是高電壓信號(hào)時(shí)。排查到最后發(fā)現(xiàn)是通道切換后采樣電容沒有充分建立電壓——STM32的ADC在通道切換后內(nèi)部采樣電容需要時(shí)間充電到目標(biāo)電壓如果采樣時(shí)間配的過短前一通道的殘余電荷會(huì)殘留造成“串?dāng)_”。解決一是把各通道的采樣時(shí)間配置至少到2.5個(gè)周期以上二是把無(wú)關(guān)緊要的通道排在后面優(yōu)先保證關(guān)鍵通道的精度三是用DMA循環(huán)采集并丟棄每次序列的前兩次結(jié)果讓采樣電容充分穩(wěn)定。如果硬件允許關(guān)鍵信號(hào)母線電壓、兩路電流建議用同一個(gè)ADC的不同注入組利用注入通道的獨(dú)立采樣時(shí)間配置干擾可以壓到最低。5.2 CAN通信跑著跑著“失聯(lián)”現(xiàn)象系統(tǒng)運(yùn)行幾小時(shí)后上位機(jī)突然收不到數(shù)據(jù)重新上電又好了。用CAN分析儀抓總線發(fā)現(xiàn)器件進(jìn)入bus-off狀態(tài)。原因通常是總線上連續(xù)錯(cuò)誤太多CAN控制器自動(dòng)離線。背后的誘因往往是總線上某個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘偏差過大或者終端電阻匹配不良反射導(dǎo)致位錯(cuò)誤累積。解決CAN波特率不要卡在極限值預(yù)留余量終端電阻嚴(yán)格檢查收發(fā)器地線必須和總線共地隔離方案也要保證兩側(cè)地電位在安全范圍。軟件上必須做bus-off恢復(fù)STM32的bxCAN有主動(dòng)恢復(fù)模式但恢復(fù)之后要做狀態(tài)同步把自己節(jié)點(diǎn)重新接入由外部主機(jī)發(fā)現(xiàn)。之前項(xiàng)目里做的方案是bus-off后先等50ms然后恢復(fù)通信恢復(fù)之后先發(fā)一幀優(yōu)先級(jí)最高的“節(jié)點(diǎn)上線”報(bào)文通知主機(jī)讓主機(jī)重新分配發(fā)送任務(wù)。注意不要在bus-off期間頻繁重發(fā)越急越亂。5.3 定時(shí)器延時(shí)函數(shù)突然卡死現(xiàn)象程序里用HAL_Delay或者自己寫的while延時(shí)運(yùn)行一段時(shí)間后卡死在延時(shí)函數(shù)里看門狗把系統(tǒng)復(fù)位。排查發(fā)現(xiàn)SysTick的中斷被另外一個(gè)更高優(yōu)先級(jí)的中斷長(zhǎng)期擠占或者SysTick的重裝載值被某個(gè)庫(kù)函數(shù)改掉了。更多的情況是在ADC中斷里調(diào)用了延時(shí)函數(shù)而ADC中斷的優(yōu)先級(jí)高于SysTickSysTick一直得不到執(zhí)行延時(shí)函數(shù)永遠(yuǎn)數(shù)不完。解決第一中斷服務(wù)函數(shù)里絕對(duì)不要調(diào)用延時(shí)函數(shù)第二如果確實(shí)需要延時(shí)用DWT計(jì)數(shù)器做延時(shí)DWT是內(nèi)核調(diào)試單元不受SysTick優(yōu)先級(jí)影響精度高而且不會(huì)卡死第三SysTick的優(yōu)先級(jí)不要設(shè)成最低至少在定時(shí)器中斷和ADC中斷之下保證系統(tǒng)的時(shí)基不能被極端情況餓死。DWT延時(shí)的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上很多代碼就幾行值得封裝成工具函數(shù)存到自己的庫(kù)里。5.4 按鍵處理光儲(chǔ)設(shè)備的人機(jī)交互比想象中煩人現(xiàn)象設(shè)備面板上的按鍵按下之后程序要么沒反應(yīng)要么一次按了兩次。這是因?yàn)榘存I抖動(dòng)沒有正確處理。光儲(chǔ)設(shè)備的按鍵往往直接接在長(zhǎng)線纜上感應(yīng)到的工業(yè)干擾比玩具鍵盤嚴(yán)重得多。解決按鍵掃描不要在主循環(huán)里忙等放一個(gè)10ms的定時(shí)器中斷掃描。掃描邏輯用狀態(tài)機(jī)讀到低電平進(jìn)入“可能按下”狀態(tài)連續(xù)兩次都低電平才確認(rèn)為有效按下釋放也一樣做兩次確認(rèn)。按鍵消抖時(shí)間要超過振蕩周期實(shí)踐上20ms比較穩(wěn)妥。長(zhǎng)按和短按屬于給用戶的功能可以通過記錄按下持續(xù)時(shí)長(zhǎng)區(qū)分一般短按300ms以內(nèi)長(zhǎng)按1秒以上系統(tǒng)別在中斷里解析長(zhǎng)按邏輯只記錄事件主循環(huán)里根據(jù)事件執(zhí)行動(dòng)作。另外按鍵電路上最好加一個(gè)RC濾波和二極管防護(hù)軟件消抖解決不了所有問題硬件上先擋住一大半干擾后面會(huì)省心很多。5.5 打印日志淹沒控制節(jié)奏現(xiàn)象系統(tǒng)運(yùn)行基本正常但只要打開串口調(diào)試日志電流波形馬上出現(xiàn)毛刺逆變器甚至觸發(fā)過流保護(hù)。原因是日志打印阻塞了主循環(huán)或者串口中斷占用了太多CPU時(shí)間導(dǎo)致控制周期被拉長(zhǎng)PI控制器在一個(gè)周期內(nèi)執(zhí)行了兩次甚至三次運(yùn)算輸出突變。解決日志輸出加節(jié)流。一是按時(shí)間節(jié)流比如每200ms只輸出一幀調(diào)試數(shù)據(jù)二是按內(nèi)容節(jié)流用環(huán)形緩沖區(qū)異步打印中斷填緩沖區(qū)主循環(huán)低優(yōu)先級(jí)任務(wù)負(fù)責(zé)真正發(fā)送三是最狠的做法調(diào)試模式下關(guān)掉控制環(huán)只輸出開環(huán)測(cè)試數(shù)據(jù)避免日志干擾真實(shí)控制。我在自己項(xiàng)目里采用的方案是正常模式下只輸出錯(cuò)誤和告警調(diào)試模式下用命令行主動(dòng)開啟詳細(xì)日志并且日志通過DMA發(fā)送不占用CPU——這個(gè)組合目前用下來(lái)基本沒有副作用。5.6 浮點(diǎn)運(yùn)算性能不足導(dǎo)致的控制周期毛刺現(xiàn)象用STM32F103做三相并網(wǎng)控制控制周期寫的是100微秒實(shí)際用GPIO翻轉(zhuǎn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)周期抖動(dòng)達(dá)到30%以上電流波形自然也不干凈。原因是M3沒有FPUClarke變換和PI運(yùn)算的浮點(diǎn)庫(kù)調(diào)用開銷太大再加上中斷里可能有隱式類型轉(zhuǎn)換CPU在某個(gè)采樣點(diǎn)瞬間算不過來(lái)下溢事件被拖后PWM更新就發(fā)生了抖動(dòng)。解決選型時(shí)優(yōu)先帶FPU的M4/M7代碼里如果實(shí)在要跑在M3上把坐標(biāo)變換里的三角函數(shù)用查找表替代浮點(diǎn)運(yùn)算改造成Q格式定點(diǎn)運(yùn)算。還有一個(gè)容易忽略的點(diǎn)整個(gè)控制中斷代碼塊里的全局變量盡量聲明為volatile避免編譯器優(yōu)化掉重復(fù)加載這個(gè)雖然影響不大但積少成多。引腳翻轉(zhuǎn)測(cè)中斷延時(shí)的辦法建議常駐調(diào)試代碼里軟發(fā)布版本里可以留著排查偶發(fā)性毛刺時(shí)特別有用。5.7 PID參數(shù)整定示波器比憑感覺快控制環(huán)參數(shù)整定這塊很多新手喜歡用理論公式算一遍然后直接填參數(shù)試機(jī)。但功率電路的參數(shù)受到母線電容ESR、電感飽和特性、濾波電容寄生參數(shù)影響理論計(jì)算值和實(shí)際差個(gè)兩三倍都很正常。我的做法是從小PI增益開始先讓系統(tǒng)穩(wěn)定不振蕩然后慢慢加大P觀察母線電壓或電流波形直到出現(xiàn)輕微振蕩再回退一點(diǎn)之后加大I消除穩(wěn)態(tài)誤差同樣以波形臨界振蕩為參考。整定過程中一定要用示波器看控制量輸出比如電流環(huán)的PI輸出就是調(diào)制波如果調(diào)制波上下飽和說明增益過大或者母線電壓不夠。如果調(diào)制波形平滑但電流波形畸變大概率是采樣問題而不是PI問題先回頭查采樣別在參數(shù)上反復(fù)浪費(fèi)時(shí)間。這個(gè)“先波形后參數(shù)”的排查順序能幫你少走很多彎路。6. 寫在最后把系統(tǒng)裝進(jìn)腦子里從事光儲(chǔ)逆變器開發(fā)這幾年我最大的體會(huì)是如果一個(gè)工程師只是把自己定位成“寫MCU程序的”那他大概率會(huì)在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時(shí)被各種跨模塊的詭異問題折磨到懷疑人生。但如果能從“我做的是一臺(tái)受控電源”這個(gè)角度去理解整個(gè)項(xiàng)目很多設(shè)計(jì)決策會(huì)變得非常自然——采樣時(shí)機(jī)跟著PWM走保護(hù)層次從硬件到軟件逐級(jí)遞進(jìn)狀態(tài)切換優(yōu)先考慮能量流向是否安全通信和業(yè)務(wù)邏輯主動(dòng)避開控制周期。最后分享一個(gè)實(shí)用的小技巧。調(diào)試光儲(chǔ)逆變器時(shí)強(qiáng)烈建議在硬件設(shè)計(jì)階段就預(yù)留兩路DAC或者用兩路PWM經(jīng)過RC濾波引出模擬信號(hào)把母線電壓和一路電流的內(nèi)部控制量實(shí)時(shí)輸出給示波器。這樣你能同時(shí)看到功率波形和內(nèi)部控制量?jī)烧邔?duì)照問題定位速度會(huì)快得驚人。這個(gè)預(yù)留電路成本不到十塊錢但對(duì)開發(fā)調(diào)試效率的提升是巨大的。這個(gè)項(xiàng)目往后走還可以把單向逆變升級(jí)成雙向儲(chǔ)能變流把控制算法從PQ控制擴(kuò)展到虛擬同步機(jī)底層這套“電源思維”的軟件框架不需要推倒重來(lái)這正是我堅(jiān)持從電源本質(zhì)去理解光儲(chǔ)逆變器的原因。