基于STM32数字化逆变电源设计.docx
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基于STM32数字化逆变电源设计
摘要
逆变电源是电源领域中的重要部分。
传统逆变电源为模拟控制,由于模拟控制系统的缺陷是结构复杂、易受干扰以及难以调试等,相对而言数字化控制系统的优势在于结构简单、控制精度高以及容易进行算法升级等,所以逆变电源数字化是逆变电源的升级方向。
对逆变电源而言,高性能微处理器是全数字化控制核心。
所以研究设计基于STM32微处理器的逆变电源具有应用的价值与现实的意义。
首先,文章讲解了课题研究背景与目的,电源发展的现状,存在的一些问题以及逆变电源未来的发展走向。
然后分析了SPWM的调制技术,包括单极性控制与双极性控制,而且对二者进行了分析比较,结合本设计要求确定了调制方法。
然后描述了逆变电源的数字控制策略研究现状,并详细描述了数字PID技术及其在逆变电源系统中的应用。
其次,详细说明了以STM32为控制核心的逆变电源主电路设计过程:
首先详细分析了逆变电源主要的拓扑结构以及它的原理,选择了电压源型逆变电源主电路结构和以STM32为控制核心的控制电路。
将逆变电源硬件电路分解为逆变主电路、控制电路及辅助电路等进行详细分析与设计,其中重点介绍了主电路和控制电路的设计过程,给出了输入滤波电容,输出滤波器和高频变压器的计算公式以及设计参数。
然后,对逆变电源系统软件部分进行了设计。
描述了STM32的开发平台KeilMDK的开发特点;给出了逆变电源控制系统软件的主程序流程,对SPWM信号发生程序进行了详细的分析;然后详细阐述了ADC模块及数字PID程序的设计过程,并且对串口通信程序进行了设计,对于各个子程序给出了程序流程图。
最后,对试验样机进行调试,说明了模块调试方法,并对得到的试验结果进行了分析。
关键词:
逆变电源STM32全桥PID控制ADC模块
ABSTRACT
Inverterpowersupplyisakeypartofpowersupply.Traditionalinverterpowersupplyforanalogcontrol,duetothedefectsofanalogcontrolsystemiscomplex,aresusceptibletointerferenceanddifficulttodebug,digitalcontrolsystemhastheadvantageofrelativelysimplestructure,highcontrolprecisionandeasytoupgradethealgorithm,sotheinverterpowersupplydigitalinverterpowersupplyupgradedirection.Forinverterpowersupply,highperformancemicroprocessoristhecoreofdigitalcontrol.Therefore,theresearchdesignisbasedontheapplicationvalueandpracticalsignificanceoftheinverterpowersupplybasedonSTM32microprocessor.
Firstly,thepaperintroducesthebackgroundandpurposeoftheresearch,thecurrentsituationofpowersupply,theexistingproblemsandthefuturedevelopmenttrendofinverterpowersupply.ThentheSPWMmodulationtechnique,includingsinglepolaritycontrolandbipolarcontrol,isanalyzedandcompared,andthemodulationmethodisdeterminedbycombiningthedesignrequirements.Thentheresearchstatusofdigitalcontrolstrategyofinverterpowersupplyisdescribed,andthedigitalPIDtechnologyanditsapplicationininverterpowersupplysystemaredescribedindetail.
Second,detailstheSTM32ascontrolcoreofinverterpowersupplymaincircuitdesignprocess:
first,inverterpowersupplyareanalyzedindetailthemaintopologystructureandtheprincipleofchoosingthevoltagesourcetypeinverterpowersupplymaincircuitstructureandcontrolcircuitwiththeSTM32asthecore.Theinverterpowersupplyhardwarecircuitisdecomposedintoinvertermaincircuit,controlcircuitandauxiliarycircuit,etc.Adetailedanalysisanddesign,whichfocusesonthedesignprocessofmaincircuitandcontrolcircuit,theinputfiltercapacitorisgiven,andthecalculatingformulaofhighfrequencytransformerandoutputfilterdesignparameters.
Then,thesoftwarepartofinverterpowersupplysystemisdesigned.ThedevelopmentfeaturesofKeilMDK,thedevelopmentplatformofSTM32,aredescribed.Themainprogramflowofinverterpowercontrolsystemsoftwareisgiven,andtheSPWMsignalgeneratorisanalyzedindetail.ThenthedesignprocessofADCmoduleanddigitalPIDprogramisdescribedindetail,andtheserialportcommunicationprogramisdesigned,andtheprogramflowchartisgivenforeachsubroutine.
Finally,thetestprototypeisdebugged,themoduledebuggingmethodisexplained,andtheresultsobtainedareanalyzed.
Keywords:
sediment;rigidvegetation;settlingvelocity;turbulencecharacterize
第一章绪论
1.1课题的研究背景及意义.............................................
1.2逆变电源的发展概况...............................................
1.3逆变电源的发展方向...............................................
1.4论文主要章节和内容安排............................................
第二章逆变电源控制方案研究模型建立
2.1电路模型........................................................
2.2SPWM技术.......................................................
2.3仿真模型........................................................
2.3逆变电源控制方案.............................................
第三章逆变电源硬件电路设计
3.1逆变电源系统结构设计.............................................
3.2逆变电源主电路设计.............................................
3.3主控芯片的选取.............................................
第四章逆变电源系开统软件设计....................................
4.1KeilMDK集成发环境简介...........................................
4.2控制系统整体软件设计.............................................
4.3系统模块初始化部分.............................................
4.4正弦波信号的产生.................................................
4.5数字PI控制算法..................................................
4.6试验样机调试结果分析.............................................
第五章总结与展望.............................................
参考文献.............................................
发表论文和科研情况说明.............................................
致谢
第1章绪论
1.1课题的研究背景及意义
在中国民众经济迅速[1]发展和国内国外能源供给不足的局面下,为了提高利用清洁环保能源,电源技术的发展需要得到我们的重视。
现在最高新的技术的基本就是各种电源的技术研究,电源研究技术的更新将能够在节约能源包括提高生产效率生活方式等方面给现代社会带来特别大的进步[2]。
电源技术中逆变电源技术是重要的组成部分。
在现实的物质生产与人们生活中,我们把输入的直流电转变为输出交流电使用的转变过程就叫做逆变,实现逆变的电路也就是逆变电路。
逆变电源出现在二十世纪六十年代结尾,因为逆变电源具有高的牢靠性、高的平稳性、小体积质量和比较低的功耗等优点,让逆变电源在现在的生产和生活中得到了广泛应用。
逆变电源技术从被研究出来之后进步快速。
伴随着现代逆变电源技术研究的进步以及崭新的器件的不断研发,逆变电源能够做到对输出信号进行准确而快速的调节,这样就可以达到提升电能的性能使用,减少了用电设备对社会电网的污染等目的[3]。
随着人们对能源领域的研究不断的加强,逆变电源会在将来能源的开发和应用领域有着更多的展示机会。
1.2逆变电源的发展概况
从逆变电源出现伊始,元器件的不断更新就一直在逆变电源技术领域引领进步和创新,如果以逆变电源的开关管作为参考的话,逆变器的发展历史可以粗略的被分为三个阶段:
第1代逆变电源也被称为可控制硅逆变电源,它使用的开关器件是SCR(晶闸管),这是一种半控制的器件。
在这代技术中,逆变电源代替了转换器单元,可是晶闸管本身并没有制造断路的能力,所以在逆变电源中需要设置换流电路,这就使得逆变电源存在电路烦琐、高噪音污染和利用效率低等不可避免的缺点与问题。
而第2代逆变电源相对可控硅逆变电源则已经改进成首先选取全控型器件为逆变电源的主要元件。
完全控型器件包括GTO(可关断晶闸管)、GTR(电力晶体管)、MOSFET(功率MOS场效应晶体管)和IGBT(绝缘栅双极型晶体管)等等。
第2代逆变电源相比第1代逆变电源的第二个令人称赞的改进是对控制方法的优化,比如,采用了SPWM控制技术带输出电压有效值或平均值的反馈。
但是由于SPWM控制技术更多的是偏向以设计开关的关断模式来美化输出波形,却忘记了其对负载的影响和开关点的变化,也就带来了以下问题:
(1)对非线性的负载,逆变电源不能够很好的适应;
(2)低次谐波难以虑去,影响了输出波形的质量;
(3)动态性能较差;
(4)不利于满足三相电相位的要求。
第3代逆变电源相比于第2代则主要是进行了控制技术改进,取用了实时反馈控制的最新技术,它能够较好改善第2代逆变电源的缺点。
实时反馈控制技术主要有以下几种:
l)重复控制;2)谐波补偿控制。
3)无差拍控制;4)单一的电压瞬时值控制;5)双环电压瞬时值反馈控制。
其中带电流内环的电压瞬时值反馈控制因其技术实现难度不大,动态性能相较而言比较优越,加上其对各种负载的适应性很强等优点而被逆变电源行业所广泛采用[5]。
1.3逆变电源的发展方向
随着时代的不断进步,科技的不断发展,电力电子技术与控制方法也必须响应时代的要求而不断进步。
在学习与归纳的过程中,我认为未来逆变电源将朝向以下几个方向发展进化:
1、高频化
理论分析与综合实践表明:
升高供电频率能够大大减少用电设备和变压器的使用。
而当我们把供电频率提升到20KHz,那么用电设备的总量将减少到原来的5%-10%甚至更少,同时此举也或将节约到80%以上的材料以及20%以上的能耗。
而开关器件频率的不断上升,更将迫使设备固态化,也就使得电源设备的占用体积进一步缩小的同时电源动态性能得到卓越的提升。
2、模块化
我们所熟知的常用模块都是标准功率模块,虽然它们各自含有数量不一的电源单元。
专业电源开发公司在之前已经开发了智能化功率模块,智能化功率模块的出现不仅仅是缩小了逆变电源的体积,还更有利于逆变电源的整体设计。
部分制造公司针对“专用”功率模块设计了一种方法,它芯片化了一整个逆变电源系统的硬件,把电源的寄生参数降大幅度降低,从而极大程度上提高了整个电源的稳定性。
3、数字化
逆变电源的发展创新不过几十年。
在此之前,逆变电源控制是通过模拟控制电路来完成,但模拟控制电路本身又包括以下几个局限:
1)模拟控制电路的设计十分复杂繁琐,同时稳定性又相对偏低;2)模拟控制电路的设计比较理想,不能考虑到元件老化程度以及温度漂移的问题,因此减小了电源的应用范围;3)电源难以升级换代,创新能力不足;4)出现问题之后难以自动恢复。
随着数字电路技术的不断改进与DSP技术的不断发展,逆变电源目前已经能够实现数字化控制。
而数字化控制的优势在于:
(1)控制灵活:
通过数字化控制,使用方可以根据环境的不同要求来选择控制算法。
并且反馈控制技术的使用将提高系统整体的反应速度,便能够在不同的负载与环境下输出优良的输出波形。
(2)通信功能强大:
数字式逆变电源能够同上位机通信的同时监测自身运行,向上位机反馈运行参数,使得使用者对于电源系统的控制程度可以大大加强。
(3)具有在线可编程能力:
数字化逆变电源原则上可以利用上位机修改数字控制芯片中的参数以改变电源的输出性能,这不仅能够使逆变电源设计过程变得简单,更能够使得大量模拟器件的功能信息可以整合到数字控制芯片当中,减少模拟器件的使用数量并降低制造成本。
(4)卓越的性能:
数字化逆变电源能够对输出信号进行准确的采样处理,使得控制参数能够得到正确的纠正调整,也大幅度提高了逆变电源的性能。
(5)更高的性价比:
高集成度的数字化元件具有大批量生产的潜力,这就使得它单价降低,同时数字化逆变电源电路规模相对较小,器件数量少,使得逆变电源性价比很高。
综上所述,数字化方案是逆变电源领域以及产业未来优化的发展大方向之一。
4、绿色化
在科技不断发展的同时,环境保护要求在越来越多的领域都引起了足够多的重视与讨论。
世界对于绿色电源的第一要求是大幅度节能。
因为节约电能就可以说是意味着减少发电,而也正是发电环节对环境的破坏情况尤其严重;其次电源的使用不能反过来对供电网产生污染。
逆变电源的绿色化首先应该在输出端加装高效滤波器,其次还应该利用各种技术,降低其对电网的反向污染。
这些举措不仅能使电源耗损降低,还可以提高整个电网的运行可靠性[6]。
1.4论文主要章节和内容安排
本文参考国内外研究成果,结合自身对于逆变电源控制技术的理解与分析,设计了基于STM32的逆变电源。
第二章:
首先简述SPWM原理,然后着重分析两种逆变电源的调整控制方案,最终选定逆变电源的控制方案。
第三章:
详细说明了硬件设计的过程,分别分析设计了主电路、控制电路部分以及保护辅助电路,给出了各模块的硬件电路图并且对各模块工作原理与参数计算公式进行了详要说明,关键模块的参数也一一列出。
第四章:
表述了逆变电源软件设计过程。
对各模块程序的设计过程进行了详细的表述,绘出了流程图。
第五章:
给出逆变电源的相关实验波形以及数据,并作分析说明。
对本论文所做的工作进行了总结,并对后续的研究工作提出了一些合理化的建议和改进方向。
第二章逆变电源控制方案研究
逆变电源控制系统的功能就是调整逆变电源的相关参数或者说外设条件,使得逆变电源能够独立完成电能变换过程,于此同时输出的波形能够满足设计要求。
本文设计的电源控制系统主要采用了SPWM技术与数字PID控制技术,本章将对这两种技术方案进行详要简析。
2.1电路模型
图2-1为典型的单相SPWM逆变电路图,一般采用桥式逆变电路,属于电压型逆变器规模。
电路由全桥逆变器、LC滤波器和负载器件组成。
图中Q1~Q4为(IGBT)功率管,D1~D4为续流二极管,Vn则为逆变器的输出,v是电阻负载R的电压,Vd是直流母线电压,L和C分别为滤波电感,电容。
图2-1
我们需要思考的是的关键是在建模时怎样才能较好得处理负载的变化特性。
如果假设负载为阻性负载,模型会很简单,但实际上在应用中负载器件大多为非线性的负载,那么便会存在建模误差。
这里采取的方法是将负载电流作为一种外部的扰动输入,这样系统整体就变成了一个双输入单输出的系统,由此而创建的模型无论是在复杂程度的简化还是现实的实用性上都有很大的提升。
2.2SPWM技术简介
脉宽调制[7]即PWM(PulseWidthModulation)技术于二十世纪六十年代由德国科学家首先应用于改进逆变电源。
经过几十年的不断演化进步,随着自然采样、规则采样、低次谐波滤去等改进调制方法的不断提出与应用,PWM技术或许已经是当今相关领域所不可或缺的控制技术。
正弦脉宽调制也就是SPWM技术来源于通信领域。
它的原理是将参考波与载波进行比较,由此得到一组矩形波,这些矩形波在幅值上是相同的,而脉宽则是根据参考波的相位、幅值和频率来改变的,这就使得矩形脉冲中点与相应载波中点得以重合[8],并且相应的载波面积和矩形脉冲部分是相同的,这就可以得到2-1所示的脉冲序列,即SPWM波。
等效SPWM波形,脉冲的宽度变化符合正弦变化规律,只需按照相同系数调整脉冲宽度就可以使得等效正弦波幅值变化。
采用SPWM技术的逆变器的优势如下:
a)输出波形的幅值、频率和相位的改变仅仅只需使用简单的电路就可以在同个功率级内实现;
b)输出波形幅值的大小与接入网的功率因数没有太大关联;
c)能同时对输出波形进行调频调压;
图2-2正弦调制矩形脉冲序列波
其中调制方式根据逆变器输出的波形的正负极性的区别,可以分成单极性SPWM波和双极性SPWM波[9]。
对于单极性SPWM的逆变器的输出波形就只有正半轴部分(或者负半轴),对双极性SPWM波来说,逆变器的输出波形正负都是存在的。
下面本文会说明他们不同的原理。
还有所谓SPWM,就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方法,按正弦规律所排列的是脉冲宽度时间的占空比,这样一来输出波形只需经过适当的滤波就可以做到正弦波输出。
它被广泛地应用于直流交流逆变器等,高级一点的UPS就是一个典型的例子。
三相SPWM是使用SPWM模拟市电的三向输出,在变频器领域内被广泛的运用。
该方法的实现有以下几种思路。
1.1等面积法
该方案实际上就是SPWM法原理的直接转述,使用相同数量,等幅却不等宽的矩形脉冲序列替换掉正弦波,然后计算各脉冲的宽度和间距,并把这些数值保存到微机中,通过查表生成PWM信号控制开关器件的通断,以达到预期的目的.由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点,因此可以精准地计算出各开关器件的通断时间,这样所得到的波形就非常的接近了正弦波,但这样一来又会有计算烦琐,数据占用内存巨大以及不能满足随时可控的缺点。
1.2硬件调制法
硬件调制法是为了解决等面积法计算烦琐的缺点而研究出来的一种方案,它的原理是将希望得到的波形作为调制信号,将接受调制的信号当作载波,然后通过对载波的调制得到所希望的PWM波形。
一般说来都是采用等腰三角波当作载波的,而当调制信号波为正弦波的时侯,由此所得到的波形就是SPWM波形。
其实这个方法很简单,我们还可以使用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路,利用比较器来得到它们的交点,在交点的重合瞬间对开关器件的通断进行控制,就可以生成SPWM波。
但是,这种模拟电路结构就比较复杂了,控制精度难以把握。
1.3软件生成法
由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易,因此,软件生成法也就应运而生。
软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法,它有两种基本算法:
自然采样法和规则采样法.
1.3.1自然采样法
以正弦波为调制波,等腰三角波作为载波,两者之间进行比较,在两个波形的自然交点时控制开关器件的通断,这就是所谓的自然采样法。
它的优点是着这样得到的SPWM波形与正弦波最为接近,但又由于三角波和正弦波的交点存在任意性,脉冲中心在一个周期内是不等距的,所以脉宽表达式是一个超越方程,计算过程会变得非常烦琐。
1.3.2规则采样法
规则采样法是一种在工程应用中广泛使用的方法,一般采用三角波作为载波。
它的原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波的时候,再通过阶梯波与三角波的交点时侯控制开关器件的通和断,来实现SPWM法。
当三角波只在它的顶点(或底点)位置对正弦波进行采样时候,由阶梯波与三角波的交点所得到的脉宽,在一个载波周期(即
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