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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Design of Digital Power Controller based on ARM杨成贺明智(北京交通大学,北京海淀100044)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,抗干扰能力和驱动能力较弱。因此,本文利用74HC245电平转换芯片提高了PWM信号电压等级,增强了PWM信号的抗干扰和驱动能力。同时,在74HC245输入端接下拉电阻,增强信号稳定性。电平转换电路见图3。1.3 TTL转RS485电路RS485的抗干扰能力强,成本较低,因此被广泛应用于工业通信。本文通过MAX485电平转换模块将MCU串口输出的TTL信号转化为RS485信号,增强通信信号的抗干扰能力,满足工业通信要求。TTL转RS485电路见图4。表1 ADC采样转换表图5光耦隔离电路图6电压放大电路图4 TTL转RS485电路1.4外部数字中断电路在实际应用中,通常需要配置若干外部中断接口,用来获取用户的操作指令或保护信号。本文采用了TLP181光电耦合模块对输入的数字信号进行电平转换及信号隔离,保证内部信号电平符合MCU要求。光耦隔离电路见图5。1.5 DAC输出放大电路STM32F334R8T6内部DAC模块输出电压范围为0~3.3V,而工业中常用的模拟控制信号为0~10V。因此,需在DAC输出引脚外接电压放大电路,扩大电压范围,满足工业需求。电压放大电路见图6。2实验2.1电压采集电路测试STM32F334R8T6的ADC为12位,当工作于单端模式时,采样电压范围为0~3.3V,

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