基于单片机的Buck型变换器控制电气工程专业.doc

基于单片机的Buck型变换器控制 Control of Buck Converter Based on Single - chip Microcomputer 摘要：对于电子产品而言，必不可少的供电电源，随着人们对电子产品的安全性能要求越来越高，变相的对供电电源提出了新的机遇和挑战。Buck型变换器控制的研究一直是该领域重要的一方面，对于直流斩波电路而言，研究最多是压斩波电路。本文研究了一种基于单片机STM32F10ZET6的Buck型变换器控制，由主回路、控制回路以及超前滞后校正器三方面组成，控制回路用于输出指定的频率和占空比的数字PWM脉冲波；主回路主要涉及电阻、电容以及电感的性能参数的选择；超前滞后校正器主要用于使稳定输出电压的作用。设计了闭环状态下的五种补偿方式进行补偿，通过对仿真图的比较分析，选择双零三极补偿；最后通过对Buck电路的闭环仿真，闭环控制的稳压作用很好的满足设计要求。 关键词：STM32；Buck型变换器；数字PWM； The buck converter control based on Single-chip Microcomputer Abstract：For electronic products, the essential power supply, with the increasing demand for the safety performance of electronic products, raises new opportunities and challenges for the power supply in disguised form. The research on the control of type Buck converter is always an important aspect of this field. For the DC chopper circuit, the voltage chopping circuit is the most studied. This paper studies a Buck converter MCU control based on STM32F10ZET6,control circuit and lead lag corrector three, used to specify the output frequency and duty ratio of the pulse wave digital PWM control circuit; the main circuit mainly relates to the resistance, capacitance and inductance parameters selection; lead lag corrector mainly used for the stable output voltage effect. The design of the five kinds of compensation under the condition of closed loop compensation, through a comparative analysis of the simulation map,finally through the closed loop simulation of Buck circuit, meet the design requirements and stabilizing effect of closed-loop control of the good. Key words: STM32;Buck converter;digital PWM; 目 录 第1章 绪论 1 1.1引言 1 1.2研究现状 2 1.3研究目的及意义 3 1.4研究的主要内容 4 第2章 Buck变换器的设计原理 6 2.1 Buck变换器基本工作原理 6 2.2 Buck变换器的调制方法 6 2.2.1 PWM调制模式 7 2.2.2 PFM调制模式 7 2.3 Buck变换器的控制模式 8 2.4闭环控制原理 8 2.4.1 降压斩波电路工作原理 9 2.4.2超前—滞后校正器原理 10 第3章 基于STM32的PWM发生器的设计 11 3.1 主控单片机的选型 11 3.2 程序设计 11 3.3硬件设计 11 3.3.1电源电路 11 3.3.2 复位电路 12 3.3.3 JTAG下载电路 13 第4章 Buck变换器的控制系统的设计 14 4.1 Buck变换器主电路设计 14 4.2 Buck变换器闭环控制的参数设计 16 4.2.1 Gvd(s)的传递函数分析 16 4.2.2 补偿环节Gc(s)的设计 18 第5章 Buck变换器仿真结果及分析 24 5.1 Buck变换器开环仿真结果及分析 24 5.2 Buck变换器的闭环仿真结果与分析 25 第6章 结 论 29 致 谢 30 参考文献 31 附录A 33 附录B 35 第1章 绪论 1.1引言 电压开关电源有诸多优点，比如它效率高、重量轻、能耗低，传统的稳压电源被逐步取代，特别是在通信家用电器等领域，因此，高频的开关电源登入了人们的日常生活舞台中［１］。随着中国科技的不断创新，开关电源行业逐步成为世界最大的生产基地，开关电源的需求也快速增长。供不应求的情况下，为了获得最快的速度和最佳性能，电子设备的功耗变得更加绿色、低功耗，也就是说电压电子设备应该变得越来越小，电流越来越大，由于各种电子器件的集成开发，整个形状的电流开关电源也越来越小，功能不断丰富，开关电源的稳定性以及可靠性逐渐被大家所重视，智能开关电源将成为未来趋势[3]。 根据调制和控制的组合，开关转换器可以分为基本控制和组合控制，任何开关转换器的控制电路必须具有包含在控制电路中的调制器。因此，开关转换器控制技术由“控制”和“调制”的组合形成，其对应于PWM和PFM的两种基本调制模式，并且恒定频率控制和频率转换控制基本上是调制技术。如表1.1所示，有电压型、电流型，也有充电型、磁通控制技术。 表1.1 按照调制与控制结合分类的开关变换器控制技术 在中国，电子市场的发展由信息和电器领域的迅猛发展而得以推动，特别是在电讯领域。功率模块在通信、汽车、电力控制和军事领域起着重要的作用。在市场应用中，2015年全球开关电源市场总额达30亿美元，据统计，模块化电源的全球市场规模从2010年的30亿美元增长到2016年的50亿美元。开关转换器的分类更加完善和完整，它可以使工程师了解研究学者对其研究的程度，其中，调制技术、控制技术和各种其它技术规则都只作为开关电源的一个分支。目前，开关电源广泛应用于通讯、信息、家用电器，中国的开关电源市场预计总共超过70亿元，开关电源的比例将会越来越大。 1.2研究现状 电力电子技术经历了几个不同的发展阶段，每个阶段都伴随着一些新技术和材料的诞生和广泛应用。对于逆变器的逆变整流器阶段，随着关闭管道晶间的研发成功，而且电源技术也带来了类型的升级。这种变化是由于半导体技术的飞速发展，人们开发出了许多优良的半导体开关管属性，这种技术开始转移并应用于电源开关等领域。研发的第一个DC-DC，其性能与现今研发的DC-DC的性能相差甚远，对于现阶段的小型微处理器技术，目前已经发展的非常成熟，可以集成在高功率密度的DC-DC中使用。首先，它可以代替许多模拟电路，减少模拟组件的数量，因为这些功能依赖于微控制器上运行的微型程序的改变，所以技术很容易保密。另外，微型微控制器方案的变化也可以使用相同的硬件电路生产不同参数的DC-DC转换器，简化复杂的工作设备准备，缩短开发周期。 一般来说，对于半导体功率器件而言，高频控制是需要通过开关断开，称为转换器。基于部分转换器用作系统，通过反馈链路保证输出电压的稳定性，并且链路是闭环，然后添加必要的保护装置叫做开关电源[6]。计算机电源的这项技术已经广泛应用于各种电子通信设备等。随着信息通信、移动通信产业的兴起，生活中的开关电源开始无处不在。 开关电源决定电源开关是否是开关器件，转换直流电源以满足不同需求高品质的直流，交流开关电源在交流和直流电之间转换。由于模拟开关电源的价格相对较低，结构比较简单，所以开关电源使用多种模拟控制方式做控制器。开关电源的技术开发模拟现在比较成熟，开发过程明确，性能相对稳定，可以承受长时间的测试，可靠性非常高。但是开关电源各种器件仿真的设计也是常用的模拟器件，放大器等器件组成的补偿电路，开关电路补偿电路对精度和稳定性的精度有很大的影响，因此在模拟开关电路中，模拟放大器的参考电源的精度和稳定性都非常高。 随着分布式电源系统的应用，电力系统的快速发展需要DC-DC电源，其所需的性能也越来越高，除了用于去除常规所确定的电性能，所需的要求是越来越小的体积，因此，高功率密度的开发设计，更高的转换效率，低成本和高性能的DC-DC转换器已成为现有的目标。许多电力电子技术工程师从20世纪80年代末增加了DC-DC转换器的体积，减少了功率密度，增加了电源开关的操作周波数，结果体积在其精力大为减少，但效率变低，热值增加时体积减小，高温切换改善MOSFET开关仍是较快的大大减少速度，MOSFET的开关损耗驱动损耗大大增加。电源开关的调节与控制技术，其中大量的工作也使科研人员得到了很多的成果。20世纪初开始，经历了开关转换器的控制技术，获得的是大量的研究成果，这对电气和电子技术的发展作出了巨大贡献，不同控制技术可以通过开关和转换器表现出不同的方法。表1.2按照控制本质和原理分类的开关变换器控制技术。 表1.2按照控制本质和原理分类的开关变换器控制技术 1.3研究目的及意义 电子设备在各个领域中有着非常重要的作用，而Buck型控制器的研究在电子设备中是不可忽视的。电子设备中薄的、成本带来小、高效率的开发。作为小型、轻量、高效率的代表，所述开关电源已经被广泛应用于各种电子信息设备。对于开关电源，其自身的有着许多方面值得研究，特别是在它能在较大电流和较低电压下，能作为关断开关。对于斩波电路，是开关源不可缺少的部分，它主要的作用是驱动相应的开关，使其在一定的电压和电流下，正常的开启或关闭。BUCK降压斩波电路是一个直流斩波器最基本的电路，MOSFET驱动器的功率晶体管具有大容量，高电压，电流大等性能。MOSFET和功率晶体管之间波数特征，在数万赫兹频率范围能工作顺利，因此，高频周波的应用处于领先地位。 数字控制开关功率转换器其控制得到了增加，其灵活性和可靠性也是得到了提升，类似物意味着分立元件的数量，这些因素用于确定软件换能器的性能、成本。其体积减小能实现复杂的算法功能和全系统的控制功能，是开关电源的发展趋势。数字控制这些优势，显著的提高着功率转换器的综合性能，由模拟控制的功率转换器，其系数朝向电力电子功率转换器中的数字控制的开关之前混合控制，相对损耗的模拟控制系统，当数字控制获得一些低孔隙率的大的发展趋势，设计周期短，还有诸如容易由分割模块集群管理和控制方便地引入复杂和微妙的控制策略的优势。然而，一些数字控制方法通常非常复杂，有些还运用到了矩阵运算。 DC-DC转换器的开关是以实现实时控制算法内完成的，只是需要微处理器切换频率周期，但是未到达相对复杂的控制算法。同时切换DC-DC转换器控制，通常采用一个脉冲宽度来调整传统的PWM控制变换器，固定开关频率的显著负载相对而言，很容易做到连续导通模式，非常低或非常高的系统被控制和稳定化，以及缺乏限位开关转换器的输入