基于某STM32地逆变电源设计.docx

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基于某STM32地逆变电源设计

导教师/职称叶献方\副教授

1.毕业设计（论文）题目：

基于STM32的逆变电源设计

2.毕业设计（论文）起止时间：

2014年3月3日～2014年5月30日

3．毕业论文（设计）所需资料及原始数据（指导教师选定部分）

[1]康华光.电子技术基础.模拟部分[M].高等教育出版社，2006:

66-284

[2]周俊杰，钱晓耀，陈上挺.一种基于PIC系列单片机的SPWM逆变电源[J].机电工程，2008,25（4）：

99-101.

[3]ZHANGKai-ru、XINGCheng-cheng、LIUXiang-nan.AtypeofinverterpowersupplybasedonharmoniceliminationPWMcontrol.ShandongUniversityofScienceandTechnology,2013,25（3）:

1674-8042.

[4]廖冬初，聂汉平《电力电子技术》华中科技大学出版社2008年.

[5]谭浩强《C语言程序设计》清华大学出版社2004年.

[6]李宁《基于MDK的STM32处理器的开发应用》北京航空航天大学出版社出版2008年.

[7]丁卫东，郭前岗，周西峰.一种基于FPGA的SPWM波的实时生成方法[J].计算机技术与发展，2001.21

（2）:

211-214.

[8]徐健，赵冬娥，邓均，等.复杂可编程器件和单片机在坐标测试中的应用[J].探测与控制学报,2010,32（3）：

61-64.

[9]STM32F407系列参考手册高性能数字信号控制器.

4．毕业论文（设计）应完成的主要内容

1）查阅与课题有关的近五年的文献并做好记录。

2）阅读与研究课题有关的英文参考资料不少于5万印刷符，写出3千字左右汉文译文。

3）写出3千汉字以上的开题报告。

4）完成不少于1.2万字的毕业论文。

5．毕业论文（设计）的目标及具体要求

a）掌握STM32F407单片机的工作原理，并完成基于STM32F407单片机的控制器的设计。

b）学习并熟悉感应加热电源工作原理。

c）深入理解并掌握感应加热电源的逆变部分工作原理。

d）根据系统的实现框图，完善好硬件的设计。

e）完成以逆变电源数字控制部分为主的总体方案设计。

6、完成毕业论文（设计）所需的条件及上机时数要求

1）相关图书资料。

2）实验室的实验设备。

3）上机学时为100个小时。

任务书批准日期2014年2月20日教研室（系）主任（签字）

任务书下达日期2014年2月27日指导教师（签字）

完成任务日期2014年5月30日学生（签名）

辅导教师叶献方/副教授

开题报告日期2014年3月15日

基于STM32的逆变电源设计

导师现有课题。

1、研究目的与意义

近些年来，随着光伏并网发电系统和风力发电系统、车载电源等多种供电技术的发展，蓄电池等储能设备逐渐成为主要的供电装置，而上述系统一般为交流工频供电负载，因此，需要逆变电源将蓄电池的直流电能变换成交流电。

此外，在交流不间断电源、变频调速器、应急电源EPS（EmergencePowerSupply）、岸电电源SPS（ShorePowerSupply）等电源系统中，逆变电源也被广泛应用。

逆变电源控制信号电路作为逆变电源的核心电子系统，其性能优劣、成本高低等直接影响整个电源系统的性能。

基于STM32的逆变电源是数字化IGBT感应加热电源的一部分。

利用STM处理器高速特性，取代锁相环器件，实现逆变频率的跟踪功能，以及对IGBT的软关断功能。

数字化后的IGBT电源能提高系统可靠性、并增加控制功能。

本文采用STM32为主控制芯片，具有控制灵活、稳定的特点，而且成本相对于以往的硬件电路低得多。

具有很大的发展前景。

2、国内主要参考文献及资料名称

[1]康华光.电子技术基础.模拟部分[M].高等教育出版社，2006:

66-284

[2]周俊杰，钱晓耀，陈上挺.一种基于PIC系列单片机的SPWM逆变电源[J].机电工程，2008,25（4）：

99-101.

[3]ZHANGKai-ru、XINGCheng-cheng、LIUXiang-nan.AtypeofinverterpowersupplybasedonharmoniceliminationPWMcontrol.ShandongUniversityofScienceandTechnology,2013,25（3）:

1674-8042.

[4]廖冬初，聂汉平《电力电子技术》华中科技大学出版社2008年.

[5]谭浩强《C语言程序设计》清华大学出版社2004年.

[6]李宁《基于MDK的STM32处理器的开发应用》北京航空航天大学出版社出版2008年.

[7]丁卫东，郭前岗，周西峰.一种基于FPGA的SPWM波的实时生成方法[J].计算机技术与发展，2001.21

（2）:

211-214.

[8]徐健，赵冬娥，邓均，等.复杂可编程器件和单片机在坐标测试中的应用[J].探测与控制学报,2010,32（3）：

61-64.

[9]STM32F407系列参考手册高性能数字信号控制器.

3、国内外现状和发展趋势与研究主攻方向

感应加热电源的发展与电力电子学及电力半导体器件的发展密切相关。

50年代末半导体硅晶闸管的出现标志着以固态半导体器件为核心的现代电力电子学的开始。

由此引起了感应加热电源技术以至整个电力电子学的一场革命，感应加热电源及其应用得到了飞速发展。

感应加热电源技术的发展与功率半导体器件的发展密不可分，随着功率器件的大容量化、高频化发展，感应加热电源必将向着如下方向发展：

大容量化、高频化、高功率因数、低谐波、应用范围扩大化、数字化、智能化控制。

其中智能化指的是功率半导体集成电路本身。

包括过电压、欠电压、过电流、过热等检测与保护功能。

随着数字集成芯片,单片机,ARM,FPGA的发展,电源的控制已经由模拟控制,模数混合控制,进入到全数字控制阶段。

且随着感应加热处理生产线自动化控制程度及对电源可靠性要求的提高,感应加热电源正向智能化控制方案发展,具有计算机智能接口远程控制、故障自动诊断等控制性能的感应加热电源正成为下一代发展目标。

而本文采用STM32为主控制芯片，具有控制灵活可以根据输出要求改变输出的幅值、频率以及功率因数等等，而且硬件电路简单、设备体积小、成本相对于以往的设计要低得多。

具有很大的发展前景。

STM32F4系列32位闪存微控制器使用了ARM公司最新的Cortex-M4内核,该内核集高性能、低功耗、低成本于一体，能够应用于诸多嵌入式领域。

对于PWM控制，STM32具有独特的优势，即定时器可产生6路PWM输出，具有互补输出和死区控制；具有硬件上的乘法和除法单周期指令；STM32的嵌套向量中断控制器把中断之间延迟降到6个CPU周期等。

基于STM32的逆变电源是数字化IGBT感应加热电源的一部分。

利用STM处理器高速特性，取代锁相环器件，实现逆变频率的跟踪功能，以及对IGBT的软关断功能。

数字化后的IGBT电源能提高系统可靠性、并增加控制功能。

4、主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路

5.1主要研究内容

以ARM系列STM32F407为主控芯片，利用芯片的定时\计数器、AD转换功能实现对IGBT逆变电路进行实时可控的驱动，以及实时的输出检测，达到逆变部分有较高功率因数而且稳定的输出要求。

最终要达到通过按键控制，来改变输出波形的幅值和周期，并通过LCD显示相关参数。

5.2需要重点关注的问题解决思路

需重点研究STM32单片机的硬件结构和编程方法及最小系统；以及IGBT硬件电路接法和滤波整形电路的设计。

5.3解决思路

努力学习STM32单片机在IAR环境下的编程技巧以及各外设的使用方法，查找相关文献数籍，以实际效果为标准，去设计更好的硬件电路。

5、完成毕业设计所必须具备的工作条件及解决办法

实验设备;8051STM32最小系统板;电脑（可以连接到校内网）、键盘、显示器件、IARFORARM软件、Proteus仿真软件

解决办法：

在校图书馆借相关的书籍，向学校实验室借用设备，购买相关器材，主动寻求老师和同学帮助

6、工作的主要阶段与时间安排

安排在考研结束后,计划四月初开始.先利用开发板跑跑程序,学习一些运用STM32的必备知识;开始硬件电路的设计;编写程序:

仿真:

做成实物.

可工作分为三个阶段：

一是整体规划阶段，包括搜集材料、构思结构框架、学习熟悉所用的软件；二是上机的具体设计阶段，包括程序设计及代码的编写；三是例题验证阶段。

工作的进度与时间安排如下表：

时间安排（周）

工作进度安排

第一周

制定毕业设计安排；查询毕业设计开题报告的有关要求；搜集相关资料。

第二周

撰写毕业设计开题报告；查询英文翻译原稿。

第三周

完成毕业设计开题报告；完成英文翻译资料初稿；

根据导师审定意见进行修改。

第四周

交英文翻译原稿；毕业设计方案审定。

第五、六周

学习STM32在IAR环境下的编程，做英文翻译。

第七周

设计并实验硬件电路，继续学习STM32单片机的相关外设应用和最小系统板的设计

第八、九周

编写相关程序，并且进行调试、仿真。

第十周

初步完成所设计程序和硬件电路的制作。

第十一周

整体验证自己的设计，完善不足之处。

第十二周

开始写毕业论文。

第十三周

完成毕业论文。

第十四周

毕业设计答辩，整理上交各种资料。

8指导老师审查意见

长江大学毕业论文（设计）指导教师评审意见

评审参考内容：

毕业论文（设计）的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。

学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文（设计）是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。

评审意见：

指导教师签名：

评定成绩（百分制）：

_______分

长江大学毕业论文（设计）评阅教师评语

评阅教师

职称

评阅日期

评阅参考内容：

毕业论文（设计）的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。

学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文（设计）是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。

评语：

评阅教师签名：

评定成绩（百分制）：

_______分

（注：

此页不够，请转反面）

长江大学毕业论文（设计）答辩会议记录

电气11003班

答辩地点

一、答辩小组组成

答辩小组组长：

成员：

二、答辩记录摘要

答辩小组提问（分条摘要列举）

学生回答情况评判

三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：

_______分

毕业论文（设计）最终成绩评定（依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业论文（设计）评分的相关规定）

等级（五级制）：

_______

答辩小组组长（签名）：

秘书（签名）：

年月日

院（系）答辩委员会主任（签名）：

院（系）（盖章）

基于STM32的逆变电源设计

【摘要】本设计是以感应加热电源中的逆变及其控制部分的设计为现实背景设计的。

首先介绍了感应加热的一些基本知识，感应加热的国内外发展现状及其发展趋势等。

然后根据目前在国内感应加热的逆变部分存在的不足,设计了一种新型的数字化控制的逆变电路。

在国内，虽然在中频大功率感应加热电源方面有许多的研究,但是在控制方式上和选取的功率元件上却有不同,利用高速的ARM芯片去控制功率元件IGBT方面的研究并不多，特别是在输出功率因数的控制方面。

数字化控制以其方便可靠地的优势必将是一种趋势,而IGBT控制灵活,驱动简单,从而将逐步取代晶闸管,GTO等元件。

本文设计的基于STM32的逆变电源设计，它是数字化IGBT感应加热电源的一部分。

利用STM处理器高速特性，取代锁相环器件，实现逆变频率的跟踪功能，以及对IGBT的软关断功能。

数字化后的IGBT电源能提高系统可靠性、并增加控制功能。

本文主要以并联谐振型感应加热电源为研究对象,采用了IGBT为功率开关元件的主电路,利用STM32的高速特性，实现逆变频率的跟踪功能，控制输出能量的功率因数，最大限度降低加热电源的功耗，并减少对环境的电磁污染。

通过在MATLAB环境下建立一个功率时变的并联谐振型感应加热系统的仿真模型,对整流调功、锁相环频率跟踪、逆变器的启动等仿真波形进行了重点分析并得出结论。

在此理论基础上,设计了基于STM32F407感应加热电源的控制器,其中重点研究了锁相环频率跟踪系统、换向重叠时间、IGBT的通断特性、输出反馈延时和相序判断以及逆变器启动的全数字化控制。

同时,设计了过压过流保护电路以及外围采样电路、检测电路,以便使电源和IGBT更安全的工作。

最后,对本文所提出的控制方案进行实验验证,证明了本文理论计算分析的正确性和控制方案的可行性。

【关键词】感应加热电源； IGBT；ARM；逆变

Thedesignoftheinverterpowersupply

BasedontheSTM32

Name:

LuShanshan,Schoolofelectronicinformation

Professor：

YeXianfang,Yangtzeuniversity

[Abstract]Thisdesignisbasedoninductionheatingpowersupplyoftheinverterandthedesignofcontrolpartdesignedforrealisticbackground.Firstlyintroducessomebasicknowledgeofinductionheating,thedevelopmentpresentsituationathomeandabroadanditsdevelopmenttrendofinductionheating,etc.Thenaccordingtothecurrentintheshortageofdomesticinductionheatinginverterpartdesignsanewkindofdigitalcontrolinvertercircuit.

Inthedomestic,whileintheaspectofintermediatefrequencyhigh-powerinductionheatingpowersupplyhasalotofresearch,butonthecontrolmodeandselectionofpowercomponentsaredifferent,theresearchofusethehighspeedARMchiptocontroltheIGBTpowercomponentsisnotalot,especiallyintermsofthecontrolofpowerfactor.WiththeadvantageofconvenientandreliableDigitalcontrolwillbecomeakindoftrend.IGBTcontrolflexible,simpledrive,whichwillgraduallyreplacethethyristor,decisionandothercomponents.Inthispaper,designofinverterpowersupplydesignbasedonSTM32,itispartofthedigitalIGBTinductionheatingpowersupply.UsingSTMprocessorspeedcharacteristics,insteadofthephase-lockedloopdevice,achievethefunctionofinverterfrequencytracking,aswellastotheIGBTsoftshutofffunction.AfterdigitalIGBTpowercanimprovethesystemreliability,andincreasethecontrolfunction.Thisarticlemainlytypeparallelresonantinductionheatingpowersupplyastheresearchobject,themaincircuitofIGBTasthepowerswitchcomponentisadopted,usinghighspeedcharacteristicoftheSTM32,achievethefunctionofinverterfrequencytracking,controlthepowerfactoroftheoutputenergy,utmostreducethepowerconsumptionoftheheatingpower,andtoreducetheelectromagneticpollutiontotheenvironment.EstablishedinMATLABenvironmentthroughatime-varyingtypeparallelresonantinductionheatingpowersystemsimulationmodeloftherectificationwork,phase-lockedloopfrequencytrackingandinverterstartupfocusesonthesimulationwaveformanalysisandconclusions.Onthebasisofthetheory,designthecontrollerbasedonSTM32F407inductionheatingpowersupply,whichmainlystudiesthephase-lockedloopfrequencytrackingsystem,overlappingcommutationtime,theon-offcharacteristicsofIGBT,theoutputfeedbackdelayandthephasesequenceandrunthefulldigitalcontrolofinverter.Atthesametime,designtheover-voltageandover-currentprotectioncircuitandperipheralsamplingcircuit,detectioncircuit,sothatthepowersourceandIGBTworksafer.Finally,experimentalverificationwascarriedoutonthecontrolschemeproposedinthispaper,provedthecorrectnessofthetheoreticalcalculationandanalysisinthispaperandthefeasibilityofthecontrolscheme.

[Keyword]:

Inductionheatingpowersupply;IGBT;ARM;inverter

前言

在现代工业生产中经常要用到感应加热电源，如对熔炼金属及对工件进行透热、淬火和弯管等。

可控硅应用前多该领域多采用中频发电机，但自从晶闸管出现以后，六十年代后期发展了感应加热用晶闸管中频电源，八十年代IGBT感应加热电源逐渐开始应用，由于它们较中频发电机有若干技术经济上的优点，得到了越来越广泛的应用。

且随着感应加热处理生产线自动化控制程度及对电源可靠性要求的提高,感应加热电源正向智能化控制方案发展,具有计算机智能接口远程控制、故障自动诊断等控制性能的感应加热电源正成为下一代发展目标。

本设计是对传统感应加热电源的模拟部分进行改进，利用高速的可编程数字器件，去取代传统逆变电路中的锁相环，、触发电路等等。

利用数字电路的控制灵活性，可以很容易做到模拟电路达不到的控制要求，比如逆变电路输出功率控制。

本设计的主要目的就是通过高速数字芯片STM32控制全桥逆变电路的触发脉冲频率，从而达到控制输出功率因数的目的。

本文在编写过程中的到了长江大学叶献方副教授的帮助和支持，在此表示衷心的感谢！

第一章绪论

1.1课题研究背景

感应加热电源是一种将三相工频（50Hz）交流电转变为单相中频交流电的装置。

变频电路分为两种：

交-交变频电路和交-直-交变频电路，前者的特点是将50Hz的交流电直接变成频率为f的中频交流电，没有直流中间环节，这种变频电路的优点是效率较高，但电路复杂，目前应用极少。

交-直-交变频电路的特点是有直流环节，通过整流电路先将工频交流电整流成直流电，再通过逆变电路将将他变成频率为f的交流电。

它具有电路简单调试方便，运行可靠，效率可达90%以上的特点，目前国内为应用较多。

感应加热电源逆变电路输出的中频电能，通过感应线圈施加到负载上，进行感应加热。

按照逆变电路和负载电路的不同组合，感应加热组要分为并联逆变电路和串联逆变电路。

本文设计的加热电源采用的是交-直-交变频电路，先将工频交流电整流成为直流电，再通过逆变转化为所需要的电能形式和要求。

而且本文研究的感应加热组为并联逆变电路。

图1为电路主电路原理图

图1.并联谐振式交-直-交变频电路原理图

如图所示，A为电路的三相桥式整流电路部分，将三相工频（50Hz）交流电转变为脉动的直流电。

而且可以通过控制晶闸管触发脉冲来控制输出的直流电

压的幅值。

B为整流输出直流的滤波电路，将整流输出的脉动直流过滤成平滑的直流电，而且可以起到隔离50Hz