基于STM32的单细胞电动进样数字化电源设计及控制方法研究

发布时间：2017-04-06 15:22

  本文关键词：基于STM32的单细胞电动进样数字化电源设计及控制方法研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着计算机及嵌入式微处理器技术的发展与应用,数字化控制开始进入开关电源控制领域。与模拟控制技术相比,数字控制技术具有许多优点,例如,数字控制不仅能够实现较为复杂的控制算法,而且能够实现电源系统工作状态的实时监控,还能实现电源参数灵活设定、电源故障的在线诊断等。嵌入式微处理器的外部设备资源丰富及处理速度快等优势使得其被广泛应用于单细胞电动进样数字化电源的设计和研发之中。数字化缩短了单细胞电动进样数字化电源控制电路的设计研发周期,只需修改程序代码就能实现控制算法的改进和升级。因此,单细胞电动进样电源的数字化设计已成为当前设计的一大热点。本文依托于国家自然科学基金项目“一种多分析模式多功能的微流控芯片单细胞分析仪的研制(批准号：21327007)”,针对单细胞电动进样数字化电源的输出电压纹波系数小、输出电压范围宽且可调等性能指标要求和特点,本文研制出了一种基于STM32的单细胞电动进样数字化电源,以提高电源的输出电压范围、灵活性、精度和降低输出电压纹波系数。本文研制的数字化开关电源具有以下特点：(1)成本低廉,结构简单；(2)采用]正负对称倍压整流电路,能有效抑制输出电压纹波；(3)能够实现较宽范围电压(160V-630V)输出且可调；(4)采用STM32嵌入式微处理器实现数字化控制。本文研究的重点内容及取得的成果主要体现在以下几个方面：(1)对开关电源的基本工作原理及主电路半桥拓扑结构工作原理进行了详细的分析；同时对电流、电压的双闭环PID控制策略进行了研究,在此基础上对开关电源的稳压控制进行探索。(2)研究了单细胞电动进样数字化电源系统控制策略,重点研究了BP神经网络与PID算法相结合的复合控制方法。首先介绍了常规PID控制理论及模拟PID、数字PID控制系统,并给出了PID参数整定过程及规律,结合常规PID控制,研究了一种BP神经网络和PID相结合的复合控制算法,以克服了PID参数调节过程复杂的问题,从而实现PID参数的自整定；还将本文研究的控制算法与常规PID控制方法进行了仿真对比,仿真结果表明,本文研究的控制算法能有效改善系统超调,提升系统动态和稳态性能。(3)给出了单细胞电动进样数字化电源样机的硬件设计过程,同时给出各模块硬件电路原理图及高频变压器等关键模块参数的计算公式。(4)开发完成了单细胞电动进样数字化电源样机的软件设计,深入阐述了互补对称的两路PWM控制信号、PID稳压控制及输出隔离采样的软件实现过程。(5)通过对稳压控制策略进行深入的理论分析及仿真研究,研制了基于STM32的单细胞电动进样数字化电源样机,并对其性能指标进行了上电测试。通过对研制的样机电源在空载及带载、输入电压突变两种情形下的示波器测试波形分析,验证了本文所研究电源在抵御外界干扰情况下的可靠性及稳定性。
【关键词】：数字化电源 电动进样 单细胞 PID STM32
【学位授予单位】：广西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN86
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 选题的背景与意义9-10
• 1.1.1 选题的背景9-10
• 1.1.2 选题的意义10
• 1.2 本文所研究数字化电源的国内外现状及发展趋势分析10-13
• 1.2.1 单细胞电动进样数字化电源主电路拓扑研究现状11
• 1.2.2 STM32数字化控制的研究现状11
• 1.2.3 STM32控制应用现状11-12
• 1.2.4 单细胞电动进样数字化电源的发展趋势分析12-13
• 1.3 课题研究的主要内容13-15
• 第2章 单细胞电动进样数字化电源总体方案选择15-25
• 2.1 开关电源基本工作原理及本文研究电源主电路拓扑选择15-19
• 2.1.1 开关电源基本工作原理15
• 2.1.2 本文所研制电源的主要性能指标15
• 2.1.3 本文所研究电源主电路拓扑结构选取15-19
• 2.2 主电路半桥拓扑结构工作原理及器件选择19-23
• 2.2.1 半桥型拓扑结构的工作原理19-21
• 2.2.2 器件参数选择21-22
• 2.2.3 半桥型拓扑结构的输出功率分析22-23
• 2.3 本文所研究电源设计方案的确定23-24
• 2.3.1 主电路拓扑结构23
• 2.3.2 本文所研究电源总体原理框图23-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第3章 神经网络与PID复合控制策略及建模仿真研究25-41
• 3.1 本文所研究电源系统控制策略研究25-35
• 3.1.1 常规PID控制理论及控制系统25-28
• 3.1.2 BP神经网络在PID控制中的应用28-35
• 3.2 本文所研究电源系统建模与仿真研究35-40
• 3.2.1 基于Matlab/Simulink的单细胞电动进样数字化电源系统模型建立35-38
• 3.2.2 模型仿真结果分析38-40
• 3.3 本章小结40-41
• 第4章 单细胞电动进样数字化电源硬件电路设计41-53
• 4.1 硬件电路总体设计原理41
• 4.2 功率主电路设计41-48
• 4.2.1 EMI滤波器电路设计41-44
• 4.2.2 本文所研究电源主电路设计44-45
• 4.2.3 高频变压器电路设计45-46
• 4.2.4 正负对称倍压整流电路设计46-48
• 4.3 控制电路设计48-51
• 4.3.1 控制电路主控芯片STM32F103V8T6功能简介48
• 4.3.2 输出电压、电流隔离采样电路设计48-50
• 4.3.3 MOSFET驱动电路设计50
• 4.3.4 过压、过流保护电路设计50-51
• 4.4 辅助电源电路设计51
• 4.5 电路板电磁兼容性(EMC)研究51-52
• 4.6 本章小结52-53
• 第5章 单细胞电动进样数字化电源软件设计53-60
• 5.1 STM32嵌入式软件开发环境及功能介绍53
• 5.2 软件总体框架设计53-55
• 5.3 电压、电流A/D采样及均值滤波模块程序设计55-56
• 5.4 PID稳压控制模块程序设计56-57
• 5.5 互补PWM信号产生模块程序设计57-58
• 5.6 按键及显示模块程序设计58-59
• 5.7 本章小结59-60
• 第6章 样机调试及测试结果分析60-66
• 6.1 主电路调试60-63
• 6.1.1 输入电压突变情形下输出电压的波形分析60-61
• 6.1.2 空载和带载情形下输出电压信号调试及分析61-62
• 6.1.3 输出电压纹波分析62-63
• 6.2 MOS开关管PWM驱动波形调试及测试分析63-65
• 6.2.1 基于Keil软件的MOS开关管PWM驱动波形仿真分析63-64
• 6.2.2 MOS开关管PWM驱动波形的示波器测试分析64-65
• 6.3 测试结果分析65
• 6.4 本章小结65-66
• 第7章 总结与展望66-68
• 7.1 总结66
• 7.2 展望66-68
• 参考文献68-70
• 附录70-71
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果71-72
• 致谢72-73

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 李卓函;孟祥泉;王峰;宋彤;;基于相关系数辨识的PID自整定控制器[J];仪表技术与传感器;2011年04期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 马成;数字化高频逆变电镀电源的研究[D];华南理工大学;2011年

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本文编号：289140