基于ARM的数字电源控制器设计

作者:杨成;贺明智; 刊名:仪器仪表与分析监测 上传者:毛晓群

【摘要】随着数字控制理论的日益成熟及发展,基于微处理器的全数字控制系统因其高可靠性、高灵活性、易维护性等特点,逐渐应用于开关电源控制系统。相比TI公司的DSP系列, ST公司基于ARM的STM32具有封装小、成本低、性能强等特点,被广泛应用于嵌入式系统。根据数字电源控制原理,本文设计了基于STM32F334芯片的数字电源控制器,在满足控制性能的同时,相对DSP控制器降低了数字电源控制系统的成本。配合STM32CubeMx配置软件和HAL库,基于STM32的数字电源控制系统能有效减小开发周期,增强可移植性。

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《仪器仪表与分析监测》 2019 年第 2 期 基于 ARM 的数字电源控制器设计 Design of Digital Power Controller based on ARM 杨成 贺明智 (北京交通大学, 北京海淀 100044) [摘 要] 随着数字控制理论的日益成熟及发展, 基于微处理器的全数字控制系统因其高可靠性、 高灵活性、 易维护性等特点, 逐渐应用于开关电源控制系统。 相比 TI 公司的 DSP 系列, ST 公司基于 ARM 的 STM32 具有封装小、 成本低、 性能强等特点, 被广泛应用于嵌入式系统。 根据数字电源控制原理, 本文设计了基于 STM32F334 芯片的数字电源控制器, 在满 足 控 制 性 能 的 同 时 , 相 对 DSP 控 制 器 降 低 了 数 字 电 源 控 制 系 统 的 成 本 。 配 合STM32CubeMx 配置软件和 HAL 库, 基于 STM32 的数字电源控制系统能有效减小开发周期,增强可移植性。 [关键词] STM32; 数字电源控制器 [中图分类号] TP273 [文献标识码] A 引言 数字信号处理器 DSP 因其快速的计算速度,丰富的外设被广泛应用于数字电源控制系统。 工业数字电源为保证运行可靠性, 大多采用 PID 控制算法。 由于该算法运算量较小, 若采用基于 DSP 的数字控制系统, 存在性能过剩, 成本较高, 移植复杂等不足。 STM32F334 系列是 ST 公司专为数字电源推出的基于 ARM Cortex-M4 的混合信号处理器, 内部集成数字信号处理器及浮点运算单元,工作频率为 72MHz。 STM32F334R8T6 是 F334 系列存储容量最大, GPIO 口最多的一款芯片, 具有64KB Flash, 16KB RAM, 51 个 GPIO, 7 个 16 位定时器, 1 个 32 位定时器, 21 个 12 位 ADC 通道,3 个 12 位 DAC, 一组 SPI, 一组 I2C, 一组 CAN 及 3 组 USART 等。 本文设计了基于该芯片的数字电源控制器, 在满足大部分工业数字电源控制系 统需求的同时, 降低了成本, 增强了程序移植性。 1 原理与设计 数字电源一般由功率电路和数字控制器组成。为确保产品稳定性, 工业电源一般采用电压电流双闭环控制算法计算 PWM 信号占空比, 通过开关信号控制电源启动停止、 模式切换等, 模拟信号设定输出值, 利用 RS485 进行远程通信。 因此数字电源控制系统应具有至少 3 路 ADC, 2 路PWM 信号输出及一路 USART, 分别用于电压电流信号及输出设定信号采集, PWM 信号输出及远程通信。 除此之外, 还应根据需求配置若干外部中断用于接收保护信号和控制输入信号。 以原边半桥电路副边全波整流的 DC-DC 电源为例, 其 系统框图见图 1。 1.1 电压采集电路设计 在采集输出电压时, 为提高安全性, 选择带有 - 6 - 图 2 输出电压采集电路 图 3 PWM 电平转换电路 图 1 数字电源系统框图 电气隔离的霍尔电压传感器 CHV-25。 由于此传感器输出为 0~25mA 电流信号, 而 STM32F334R8T6 的 ADC 引脚识别的信号为 0~3.3V 电压信号, 因此选择 120Ω 采样电阻将电流信号转为 MCU 能识别的电压信号, 输出电压采集电路见图 2。 1.2 PWM 电平转换电路 由于 STM32F334R8T6 输出的 PWM 是高电平为 3.3V 的 TTL 信号,

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