基于STM32的功率变换器通用控制器设计外文翻译资料

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基于STM32的功率变换器通用控制器设计

Hiba Helali,Adel Bouallegue,Adel Khedher

苏斯大学电气工程实验室

摘要：本文主要阐述的是使用基于STM32的数字命令来控制不同类型的转换器。 该过程通过产生管理每个转换器的功率切换器的功能的信号来实现。通用控制器允许通过安装的微动开关选择所需的功率转换器。

关键字：电源转换器，通用控制器，微控制器，PWM调制，STM32。

1. 介绍

开关电源转换器已经广泛应用于半导体技术，数据中心和服务器电源应用的开发。在这些领域，需要具有低输出电压和高输出电流的数千瓦数功率转换器。 [1,5]提出了几项关于服务器功率的研究。有两个主题需要遵循，如高效率和低待机功耗。该领域基于功率转换器和电子开关的控制。这些设备的控制通过控制信号提供。这些信号可以由诸如数字或模拟的电路产生。我们的项目是基于数字控制，因为它比模拟电路更可靠，强大，精确和自适应。已经提出通过使用DSP（数字信号处理器）[6,7]或（FPGA现场可编程门阵列）[8,9]对功率转换器进行数字控制的许多研究。在本文中，我们将介绍与这些命令一起使用的不同类型的电源转换器，命令和算法。然后，我们将详细介绍从STM实现代码获得的各种仿真结果。最后，我们将比较最后提到的结果与MATLAB中获得的结果。

1. 最佳PWM方法

许多电子系统使用以脉宽调制（PWM）工作的功率转换器作为控制元件。 PWM有以下几种策略： - 正弦三角形PWM控制：基于低频调制波（参考电压）和高频载波三角波之间的比较。 [10] - PWM控制滞后：基于参考电流与逆变器产生的电流之间存在的误差进行比较，是一种非线性控制。 [11] - PWM控制周期性采样：确保在方波时钟和固定频率（采样频率）的转换期间构成有源滤波器的半导体的开关。 -Vector PWM控制：该方法基于由数学方程式计算的矢量，用于表示转换器的不同状态。该方法通常用于通过FPGA产生功率转换器信号。前述方法允许切换角度的实时计算。然而，在我们的工作中，我们需要事先以适当的方式进行计算，这样便于控制变频器。因此，我们选择最佳PWM方法，如图1所示。实际上，这种技术使我们能够将角度存储在EPROM中。 [13]

图1.PWM最优控制

通过该方法获得的输出电压由等于基波U₁振幅与最大值U / 2的比的调制指数I_M和表示切换角度theta;₁,theta;₂,...,theta;_N的周期N的移位脉冲数表示。 且theta;₁lt;theta;₂lt;... lt;theta;_Nlt;pi;/ 2。这些角度主要取决于I_M的值。此外，该技术的发展是基于使用傅立叶级数理论的输出电压的周期性和对称性的。

在我们的项目中，我们选择N的情况是均匀的，然后theta;_Nlt;60°。而N的数量是均匀的，所以余弦项是零。所以a_n=0。

另外，因为

所以偶次谐波不存在，b_n表示为

把（4）的结果带入（5）中得

最后，我们得到，

如果我们把RMS不调制电压的U₁₀^rsquo;，比如

RMS调制电压为一般谐波次序n,由下面式子给出，

为了写这个系统的方程，我们应该将表达式中的n替换为1,3,5，...，（2N-1），这允许我们有一个N个方程的系统，其中第一个是基本方程， 其余的术语与其他谐波有关。 [13]为了计算N角度指令，取消对应于谐波的（N-1）方程，给出以下系统：

为了解决这个方程组，我们使用牛顿拉夫逊方法。 这种方法是假设如果所有系统的函数具有小于ε的值，则必须足够低以考虑谐波为零，才会发生收敛。适用于牛顿拉夫逊方法的系统由向量 涉及通过角度指令对与谐波贡献相对应的函数的导数的输出电压矢量的谐波。

该系统由2N-1功能组成：

1. 算法设计

我们的目标是使用STM32微控制器套件控制各种功率转换器，该套件的特点是采用32位RISC架构，并集成了ARM Cortex M4，这是一款支持16种不同寄存器的32位微处理器。开发套件STM为操作和 控制转换器。 使用的模块有：

bull;GPIO（通用输入输出）模块，由输入输出端口组成，分为7个模块（A，B，C，D，E，F和G）。

bull;定时器：这是一个振荡器电路，以一定的频率传送用于执行顺序操作的脉冲。

定时器的功能基于它们的寄存器和模式，如：

- 寄存器计数器CNT：显示计数器的状态。

- PSC预分频器寄存器：该寄存器我们找到时钟预分频器计数器的值。

- 自动加载registerARR：存储期间的值。

- 定时器系统：它是一个24位定时器，用于产生操作系统的中断。

- PWM方法：它允许以可变占空比生成周期性信号。

此外，PWM模式包括以固定频率产生逻辑信号0或1.该信号等效于如图2所示的电压值0或3V。

图2.PWM信号

为了提供PWM信号，我们使用至少有四个通道的定时器，每个通道都有一个捕捉比较寄存器CCRX和一个ARR寄存器。 为了产生这个信号，我们必须使用一个计数器来确定信号的频率，并在计数器值和定义占空比的固定值之间不断进行比较，如图3所示。

图3.定时器产生PWM信号

功率转换器的通用控制是通过选择图4主算法的X值进行的。

图4.主算法

1. 对于这种类型的转换器，我们使用lt;Delaygt;功能作为中断来产生控制信号。 该算法由图5给出。

图5.整流器算法

B.调光控制算法调光器的控制是基于两个功率开关的指令，具有相同的整流器过程。 调光算法如图6所示。

图6.调光算法

C.斩波控制算法我们尝试通过产生PWM信号（脉冲宽度调制）来控制各种斩波开关。 在可逆斩波电流和电压的情况下，我们应该使能定时器的4个通道（它们具有相同的周期，但每个都有自己的工作），并将它们分别连接到四个开关。 斩波器控制由图7所示的算法提供。

图7.断路器算法

D.逆变器控制算法三相逆变器的指令是基于给出每个控制角度的最佳PWM方法。 我们使用三个表，其中包含与相位TAB1，TAB2和TAB3分别相关的角度值。 在我们的代码中，我们使用中断和定时器在两个逻辑电平之间切换。 我们遵循三个阶段的相同策略，但区别在于TABx。 （图8）

图8.逆变器算法

1. 实验结果

在本节中，我们展示了通过Matlab仿真获得的控制信号曲线，并在STM32 Kit上进行了实验。

1. 仿真结果

由脉冲发生器（带Matlab）产生的不同功率转换器开关的控制信号。 根据图9，我们注意到组件1和3的开关具有相同的控制信号，组件2和4以相同的方式进行控制。

图9.整流器控制信号

在图10中我们可以发现，调光信号有三个周期。（T=0.02）

图10.调光控制信号

零件1和4的控制信号是相似的。同样2和3也是相似的。

图11.断流器控制信号

在逆变器的情况下，我们使用给出一个周期的控制角的Matlab代码。为了获得三臂的波，我们对特定情况采用了最优PWM的方法：N对并低于60°。

图12.逆变器控制信号

A.实验结果

在这部分中，我们介绍由STM32 Kit中实现的代码生成的不同信号。 实际上，使用示波器“LeCroy”记录这些信号。 图13，图14，图15，图16描述了以前提到的算法的仿真结果。

通过调用主代码中的整流器的功能，配置的引脚给出了注入晶闸管栅极的控制信号（如图13所示）。

图13.STM32产生的整流控制信号

控制功能调光器遵循与整流器相同的原理，除了在这种情况下，仅使用两个引脚，并且每个引脚都连接到两个晶闸管之一。

图14.STM32产生的调光控制信号

斩波器的控制需要产生如图15所示的两个相同的四个信号。

在图16中，我们发现三臂逆变器的控制信号; 第一臂的信号对应于第二臂，并且呈现第三级的控制信号。

图15.四象限断流器产生的控制信号

图16.STM32产生的逆变控制信号

比较这两种模拟的结果，我们注意到它们的相似性证实了本文提出的方法的效率。

1. 结论

该项目的目的是设计基于开发套件STM32F4发现的不同功率转换器类型的通用数字控制算法。

开发的算法在Matlab中用于仿真，然后在STM32 Kit中进行实验。 获得的结果表明模拟和实验信号之间的相似性，这证实了所使用的算法的验证。 此外，单个板可以被普遍地用于通过机械切换器来控制不同类型的功率转换器。

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