基于STM32的逆变电源设计.doc

目录长江大学毕业设计(论文)任务书XIX毕业论文(设计)开题报告XXI长江大学毕业论文(设计)指导教师评审意见XXVI长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语XXVII长江大学毕业论文(设计)答辩会议记录XXVIII摘要XXIX前言XXXI第一章 绪论11.1课题研究背景11.2国内外感应加热电源现状和应用前景31.2.1感应加热技术发展现状31.2.2感应加热电源技术的发展趋势41.3课题主要的研究内容61.3.1感应加热电源逆变部分61.3.2基于STM32F4单片机的控制器的设计61.3.3基于IAR开发环境的STM32软件的设计6第二章 STM32数字逆变系统的设计方法72.1 STM32数字逆变系统的总体结构72.1.1 STM32数字逆变系统结构框图的主要组成72.1.2 STM32数字逆变系统工作原理说明72.2 STM32数字逆变系统的主要结构详细介绍82.2.1 单相桥式并联谐振逆变电路82.2.2检测反馈单元112.2.3 STM32控制单元142.2.4 感应加热原理分析152.3 相关参数分析162.4 基于STM32F407的最小系统设计182.4.1 时钟电路设计182.4.2 复位电路设计192.4.3 程序下载接口电路设计202.4.4 最小系统设计21第三章 STM32F407程序设计213.1 STM32数控逆变器的总体程序设计213.1.1程序流程图223.1.2主函数程序分析223.2 STM32各程序模块的设计233.2.1数字化逆变器启动233.2.2逆变稳定运行273.2.3电压信号相位错误处理29一容错处理29二错误报警与保护293.2.4数字化逆变器停止29第四章 STM32逆变电源系统的软件调试与结论304.1 STM32F407-discovery开发板314.2 IAR开发软件与调试和下载界面314.3系统调试结果32结论35参考文献36致谢38导教师/职称 叶献方副教授 1.毕业设计(论文)题目：基于STM32的逆变电源设计2.毕业设计（论文）起止时间：2014年 3月 3 日2014 年5月30日3毕业论文(设计)所需资料及原始数据（指导教师选定部分）1 康华光.电子技术基础.模拟部分M.高等教育出版社，2006:66-2842 周俊杰，钱晓耀，陈上挺.一种基于PIC系列单片机的SPWM逆变电源J.机电工程，2008,25（4）：99-101. 3 ZHANG Kai-ru、XING Cheng-cheng、LIU Xiang-nan. A type of inverter power supply based on harmonic elimination PWM control. Shandong University of Science and Technology, 2013,25(3):1674-8042.4 廖冬初，聂汉平电力电子技术 华中科技大学出版社 2008年.5 谭浩强C语言程序设计 清华大学出版社 2004年.6 李宁基于MDK的STM32处理器的开发应用 北京航空航天大学出版社出版 2008年.7 丁卫东，郭前岗，周西峰.一种基于FPGA的SPWM波的实时生成方法J.计算机技术与发展，2001.21(2):211-214.8 徐健，赵冬娥，邓均，等. 复杂可编程器件和单片机在坐标测试中的应用J.探测与控制学报,2010,32(3)：61-64. 9 STM32F407系列参考手册 高性能数字信号控制器.4毕业论文(设计)应完成的主要内容1) 查阅与课题有关的近五年的文献并做好记录。2) 阅读与研究课题有关的英文参考资料不少于5万印刷符，写出3千字左右汉文译文。3) 写出3千汉字以上的开题报告。4) 完成不少于1.2万字的毕业论文。5毕业论文(设计)的目标及具体要求a) 掌握STM32F407单片机的工作原理，并完成基于STM32F407单片机的控制器的设计。b) 学习并熟悉感应加热电源工作原理。c) 深入理解并掌握感应加热电源的逆变部分工作原理。d) 根据系统的实现框图，完善好硬件的设计。e) 完成以逆变电源数字控制部分为主的总体方案设计。6、完成毕业论文(设计)所需的条件及上机时数要求1) 相关图书资料。2) 实验室的实验设备。3) 上机学时为100个小时。任务书批准日期 2014 年 2月 20 日 教研室(系)主任(签字) 任务书下达日期 2014年 2月 27 日 指导教师(签字) 完成任务日期 2014 年 5 月 30日 学生（签名） 辅 导 教 师 叶献方/副教授 开题报告日期 2014年3月15日 基于STM32的逆变电源设计导师现有课题。1、 研究目的与意义 近些年来，随着光伏并网发电系统和风力发电系统、车载电源等多种供电技术的发展，蓄电池等储能设备逐渐成为主要的供电装置，而上述系统一般为交流工频供电负载，因此，需要逆变电源将蓄电池的直流电能变换成交流电。此外，在交流不间断电源、变频调速器、应急电源 EPS(Emergence Power Supply)、岸电电源SPS（Shore Power Supply）等电源系统中，逆变电源也被广泛应用。逆变电源控制信号电路作为逆变电源的核心电子系统，其性能优劣、成本高低等直接影响整个电源系统的性能。基于STM32的逆变电源是数字化IGBT感应加热电源的一部分。利用STM处理器高速特性，取代锁相环器件，实现逆变频率的跟踪功能，以及对IGBT的软关断功能。数字化后的IGBT电源能提高系统可靠性、并增加控制功能。本文采用STM32为主控制芯片，具有控制灵活、稳定的特点，而且成本相对于以往的硬件电路低得多。具有很大的发展前景。2、 国内主要参考文献及资料名称1 康华光.电子技术基础.模拟部分M.高等教育出版社，2006:66-2842 周俊杰，钱晓耀，陈上挺.一种基于PIC系列单片机的SPWM逆变电源J.机电工程，2008,25（4）：99-101. 3 ZHANG Kai-ru、XING Cheng-cheng、LIU Xiang-nan. A type of inverter power supply based on harmonic elimination PWM control. Shandong University of Science and Technology, 2013,25(3):1674-8042.4 廖冬初，聂汉平电力电子技术 华中科技大学出版社 2008年.5 谭浩强C语言程序设计 清华大学出版社 2004年.6 李宁基于MDK的STM32处理器的开发应用 北京航空航天大学出版社出版 2008年.7 丁卫东，郭前岗，周西峰.一种基于FPGA的SPWM波的实时生成方法J.计算机技术与发展，2001.21(2):211-214.8 徐健，赵冬娥，邓均，等. 复杂可编程器件和单片机在坐标测试中的应用J.探测与控制学报,2010,32(3)：61-64. 9 STM32F407系列参考手册 高性能数字信号控制器.3、 国内外现状和发展趋势与研究主攻方向感应加热电源的发展与电力电子学及电力半导体器件的发展密切相关。50年代末半导体硅晶闸管的出现标志着以固态半导体器件为核心的现代电力电子学的开始。由此引起了感应加热电源技术以至整个电力电子学的一场革命，感应加热电源及其应用得到了飞速发展。感应加热电源技术的发展与功率半导体器件的发展密不可分，随着功率器件的大容量化、高频化发展，感应加热电源必将向着如下方向发展：大容量化、高频化、高功率因数、低谐波、应用范围扩大化、数字化、智能化控制。其中智能化指的是功率半导体集成电路本身。包括过电压、欠电压、过电流、过热等检测与保护功能。随着数字集成芯片,单片机,ARM,FPGA 的发展,电源的控制已经由模拟控制,模数混合控制,进入到全数字控制阶段。且随着感应加热处理生产线自动化控制程度及对电源可靠性要求的提高,感应加热电源正向智能化控制方案发展,具有计算机智能接口远程控制、故障自动诊断等控制性能的感应加热电源正成为下一代发展目标。而本文采用STM32为主控制芯片，具有控制灵活可以根据输出要求改变输出的幅值、频率以及功率因数等等，而且硬件电路简单、设备体积小、成本相对于以往的设计要低得多。具有很大的发展前景。STM32F4系列32位闪存微控制器使用了ARM公司最新的Cortex-M4内核,该内核集高性能、低功耗、低成本于一体，能够应用于诸多嵌入式领域。对于PWM控制，STM32具有独特的优势，即定时器可产生6路PWM输出，具有互补输出和死区控制；具有硬件上的乘法和除法单周期指令；STM32的嵌套向量中断控制器把中断之间延迟降到6个CPU周期等。基于STM32的逆变电源是数字化IGBT感应加热电源的一部分。利用STM处理器高速特性，取代锁相环器件，实现逆变频率的跟踪功能，以及对IGBT的软关断功能。数字化后的IGBT电源能提高系统可靠性、并增加控制功能。4、 主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路5.1主要研究内容以ARM系列STM32F407为主控芯片，利用芯片的定时计数器、AD转换功能实现对IGBT逆变电路进行实时可控的驱动，以及实时的输出检测，达到逆变部分有较高功率因数而且稳定的输出要求。最终要达到通过按键控制，来改变输出波形的幅值和周期，并通过LCD显示相关参数。5.2需要重点关注的问题解决思路需重点研究STM32单片机的硬件结构和编程方法及最小系统；以及IGBT硬件电路接法和滤波整形电路的设计。5.3解决思路努力学习STM32单片机在IAR环境下的编程技巧以及各外设的使用方法，查找相关文献数籍，以实际效果为标准，去设计更好的硬件电路。5、 完成毕业设计所必须具备的工作条件及解决办法实验设备;8051 STM32最小系统板;电脑（可以连接到校内网）、键盘、显示器件、IAR FOR ARM软件、Proteus 仿真软件解决办法：在校图书馆借相关的书籍，向学校实验室借用设备，购买相关器材，主动寻求老师和同学帮助6、 工作的主要阶段与时间安排安排在考研结束后,计划四月初开始.先利用开发板跑跑程序,学习一些运用STM32的必备知识;开始硬件电路的设计;编写程序:仿真:做成实物.可工作分为三个阶段：一是整体规划阶段，包括搜集材料、构思结构框架、学习熟悉所用的软件；二是上机的具体设计阶段，包括程序设计及代码的编写；三是例题验证阶段。 工作的进度与时间安排如下表： 时间安排（周）工 作 进 度 安 排第一周制定毕业设计安排；查询毕业设计开题报告的有关要求；搜集相关资料。第二周撰写毕业设计开题报告；查询英文翻译原稿。第三周完成毕业设计开题报告；完成英文翻译资料初稿；根据导师审定意见进行修改。第四周交英文翻译原稿；毕业设计方案审定。第五、六周学习STM32在IAR环境下的编程，做英文翻译。第七周设计并实验硬件电路，继续学习STM32单片机的相关外设应用和最小系统板的设计第八、九周编写相关程序，并且进行调试、仿真。第十周初步完成所设计程序和硬件电路的制作。第十一周整体验证自己的设计，完善不足之处。第十二周开始写毕业论文。第十三周完成毕业论文。第十四周毕业设计答辩，整理上交各种资料。8 指导老师审查意见长江大学毕业论文(设计)指导教师评审意见评审参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评审意见：指导教师签名： 评定成绩（百分制）：_分长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语评阅教师职 称评阅日期评阅参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评语：评阅教师签名： 评定成绩（百分制）：_分（注：此页不够，请转反面）长江大学毕业论文(设计)答辩会议记录电气11003班答辩地点一、答辩小组组成答辩小组组长：成 员：二、答辩记录摘要答辩小组提问（分条摘要列举）学生回答情况评判三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：_分 毕业论文(设计)最终成绩评定(依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业论文(设计)评分的相关规定)等级(五级制)：_答辩小组组长(签名) ： 秘书(签名)： 年 月 日院(系)答辩委员会主任(签名)： 院(系)(盖章)基于STM32的逆变电源设计【摘要】本设计是以感应加热电源中的逆变及其控制部分的设计为现实背景设计的。首先介绍了感应加热的一些基本知识，感应加热的国内外发展现状及其发展趋势等。然后根据目前在国内感应加热的逆变部分存在的不足,设计了一种新型的数字化控制的逆变电路。在国内，虽然在中频大功率感应加热电源方面有许多的研究,但是在控制方式上和选取的功率元件上却有不同,利用高速的ARM芯片去控制功率元件IGBT方面的研究并不多，特别是在输出功率因数的控制方面。数字化控制以其方便可靠地的优势必将是一种趋势, 而IGBT控制灵活,驱动简单,从而将逐步取代晶闸管,GTO等元件。本文设计的基于STM32的逆变电源设计，它是数字化IGBT感应加热电源的一部分。利用STM处理器高速特性，取代锁相环器件，实现逆变频率的跟踪功能，以及对IGBT的软关断功能。数字化后的IGBT电源能提高系统可靠性、并增加控制功能。本文主要以并联谐振型感应加热电源为研究对象,采用了IGBT为功率开关元件的主电路,利用STM32的高速特性，实现逆变频率的跟踪功能，控制输出能量的功率因数，最大限度降低加热电源的功耗，并减少对环境的电磁污染。通过在MATLAB环境下建立一个功率时变的并联谐振型感应加热系统的仿真模型,对整流调功、锁相环频率跟踪、逆变器的启动等仿真波形进行了重点分析并得出结论。在此理论基础上,设计了基于STM32F407感应加热电源的控制器,其中重点研究了锁相环频率跟踪系统、换向重叠时间、IGBT的通断特性、输出反馈延时和相序判断以及逆变器启动的全数字化控制。同时,设计了过压过流保护电路以及外围采样电路、检测电路,以便使电源和IGBT更安全的工作。最后,对本文所提出的控制方案进行实验验证,证明了本文理论计算分析的正确性和控制方案的可行性。 【关键词】 感应加热电源；IGBT； ARM； 逆变The design of the inverter power supply Based on the STM32Name: LuShanshan ,School of electronic informationProfessor：YeXianfang, Yangtze university Abstract This design is based on induction heating power supply of the inverter and the design of control part designed for realistic background. Firstly introduces some basic knowledge of induction heating, the development present situation at home and abroad and its development trend of induction heating, etc. Then according to the current in the shortage of domestic induction heating inverter part designs a new kind of digital control inverter circuit.In the domestic, while in the aspect of intermediate frequency high-power induction heating power supply has a lot of research, but on the control mode and selection of power components are different, the research of use the high speed ARM chip to control the IGBT power components is not a lot, especially in terms of the control of power factor. With the advantage of convenient and reliable Digital control will become a kind of trend. IGBT control flexible, simple drive, which will gradually replace the thyristor, decision and other components. In this paper, design of inverter power supply design based on STM32, it is part of the digital IGBT induction heating power supply. Using STM processor speed characteristics, instead of the phase-locked loop device, achieve the function of inverter frequency tracking, as well as to the IGBT soft shut off function. After digital IGBT power can improve the system reliability, and increase the control function. This article mainly type parallel resonant induction heating power supply as the research object, the main circuit of IGBT as the power switch component is adopted, using high speed characteristic of the STM32, achieve the function of inverter frequency tracking, control the power factor of the output energy, utmost reduce the power consumption of the heating power, and to reduce the electromagnetic pollution to the environment. Established in MATLAB environment through a time-varying type parallel resonant induction heating power system simulation model of the rectification work, phase-locked loop frequency tracking and inverter startup focuses on the simulation waveform analysis and conclusions. On the basis of the theory, design the controller based on STM32F407 induction heating power supply, which mainly studies the phase-locked loop frequency tracking system, overlapping commutation time, the on-off characteristics of IGBT, the output feedback delay and the phase sequence and run the full digital control of inverter. At the same time, design the over-voltage and over-current protection circuit and peripheral sampling circuit, detection circuit, so that the power source and IGBT work safer. Finally, experimental verification was carried out on the control scheme proposed in this paper, proved the correctness of the theoretical calculation and analysis in this paper and the feasibility of the control scheme. Keyword: Induction heating power supply; IGBT; ARM; inverter前言在现代工业生产中经常要用到感应加热电源，如对熔炼金属及对工件进行透热、淬火和弯管等。可控硅应用前多该领域多采用中频发电机，但自从晶闸管出现以后，六十年代后期发展了感应加热用晶闸管中频电源，八十年代IGBT感应加热电源逐渐开始应用，由于它们较中频发电机有若干技术经济上的优点，得到了越来越广泛的应用。且随着感应加热处理生产线自动化控制程度及对电源可靠性要求的提高,感应加热电源正向智能化控制方案发展,具有计算机智能接口远程控制、故障自动诊断等控制性能的感应加热电源正成为下一代发展目标。本设计是对传统感应加热电源的模拟部分进行改进，利用高速的可编程数字器件，去取代传统逆变电路中的锁相环，、触发电路等等。利用数字电路的控制灵活性，可以很容易做到模拟电路达不到的控制要求，比如逆变电路输出功率控制。本设计的主要目的就是通过高速数字芯片STM32控制全桥逆变电路的触发脉冲频率，从而达到控制输出功率因数的目的。本文在编写过程中的到了长江大学叶献方副教授的帮助和支持，在此表示衷心的感谢！第一章 绪论1.1课题研究背景感应加热电源是一种将三相工频（50Hz）交流电转变为单相中频交流电的装置。变频电路分为两种：交-交变频电路和交-直-交变频电路，前者的特点是将50Hz的交流电直接变成频率为f的中频交流电，没有直流中间环节，这种变频电路的优点是效率较高，但电路复杂，目前应用极少。交-直-交变频电路的特点是有直流环节，通过整流电路先将工频交流电整流成直流电，再通过逆变电路将将他变成频率为f的交流电。它具有电路简单调试方便，运行可靠，效率可达90%以上的特点，目前国内为应用较多。感应加热电源逆变电路输出的中频电能，通过感应线圈施加到负载上，进行感应加热。按照逆变电路和负载电路的不同组合，感应加热组要分为并联逆变电路和串联逆变电路。本文设计的加热电源采用的是交-直-交变频电路，先将工频交流电整流成为直流电，再通过逆变转化为所需要的电能形式和要求。而且本文研究的感应加热组为并联逆变电路。图1为电路主电路原理图图1. 并联谐振式交-直-交变频电路原理图如图所示，A为电路的三相桥式整流电路部分，将三相工频（50Hz）交流电转变为脉动的直流电。而且可以通过控制晶闸管触发脉冲来控制输出的直流电压的幅值。B为整流输出直流的滤波电路，将整流输出的脉动直流过滤成平滑的直流电，而且可以起到隔离50Hz工频网络与中频网络的作用。C是单相桥式逆变电路，有四个IGBT管组成，他的作用是通过控制其触发脉冲频率将输入直流电逆变为满足功率因数要求的交流电，为本文的重点研究环节。逆变输出交流电被送到负载电路D,D是由电容器和感应器组成的并联谐振电路对工件进行感应加热。本设计是基于并联型逆变输出设计的，并联逆变电路的主电路如图1中的D部分所示，为单相桥式逆变电路，其中T1，T2，T3和T4为4个IGBT管，负载为电容器与电感器的并联。它他的输入为整流器输出做平波处理后的直流电压，由于平波电感的存在，可以认为逆变器的输入为恒流源。IGBT的驱动脉冲由STM32的PWM输出控制，因此逆变电路输出电流为频率和幅值都可控的（幅值由整流电路确定，频率有触发脉冲的频率确定），控制T1、T4与T2、T3互补导通，故输入电流为方波电流如图2所示。而输出电压的幅值和相位由负载决定。通过傅里叶变换可知电流波形中含有明显的基波和谐波，接近谐振频率的基波电流通入并联谐振电路时震荡电路呈现很小的阻抗，所以方波电流通过并联谐振电路负载的时候，感应器负载电压非常接近正弦波形（如图3所示）。并联逆变电路对负载的适应能力强，目前这种电路应用十分的广泛，主要用于中频熔炼和透热的电源。图2.逆变电路输出电流波形图3.逆变器输出电压波形1.2国内外感应加热电源现状和应用前景感应加热电源的发展与电力电子学及电力半导体器件的发展密切相关。50年代末半导体硅晶闸管的出现标志着以固态半导体器件为核心的现代电力电子学的开始。由此引起了感应加热电源技术以至整个电力电子学的一场革命，感应加热电源及其应用得到了飞速发展。1.2.1感应加热技术发展现状目前, 在低频(0V是输出电压UO=+UM1, 当输入电压UI0V是输出电压UO=-UM2;图9过零比较器输出特性三有效值检测单元图10 有效值检测电路图由于输出电压并不十分标准的正弦波，利用图9的真值有效值转换电路，可以输出比较稳定平滑的电压值。再将电路的输出通入STM32的AD转换通道，可以准确测量输出电压的有效值。2.2.3 STM32控制单元图11 STM32F407实物图 图12 STM32F407管脚分配图STM32F4微控制器使用来自于ARM公司具有突破性的Cortex-M4内核,该内核是专门设计用于满足集高性能、低功耗、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求。Cortex-M4在系统结构上的增强,让STM32受益无穷;Thumb-2指令集带来了更高的指令效率和更强的性能;通过紧耦合的嵌套矢量中断控制器,对终端时间的响应比以往更迅速;所有这些又都融入了业界的功耗水准。具业界领先架构的Cortex-M4内核哈佛结构(1)1.25DMIPS/MHZ(2)Thumb-2指令集以16位的代码密度带来了32位的性能(3)单周期乘法指令和硬件除法指令(4)内置了快速的中断控制器,中断间的延迟时间降到只需6个CPU周期,从低功耗模式唤醒的工作时间只需6个CPU周期(5)与ARM7TDMI相比运行速度最多可快35%且代码可节省45%与传统单片机相比,