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基于STM32F4中PWM的可控恒流源系统设计毕业论文

 2020-03-14 12:03  

摘 要

恒流源是一种保证电流恒定不变的电能变换设备,使用恒流源可以保障各种电子设备正常运行,近几年来恒流源不管是在研究领域还是在实际应用领域都取得了飞速发展,未来恒流源的发展反向必将趋向于智能化。

本文论述了以STM32F4为控制核心,通过生成PWM波形进而实现控制恒流源的方案。设计总共分为5个模块,分别是升压模块,恒流模块,报警模块,限幅模块,以及控制模块。升压模块采用boost升压电路(DC/DC升压电路),采用精密放大器LM358构成恒流模块的主体。控制模块则使用STM32F4的定时器功能实现PWM波形输出进而控制恒流模块输出相应的电流,限幅模块用来限制输出电压,保证负载电压不至于过高,使电路工作在安全电压下,报警模块用来检测负载两端电压是否超过限定值,保证电路出现在故障时可以及时发现。

本次论文分为5章进行介绍,第1章为绪论,主要介绍了恒流源目前的应用方向以及未来恒流源的发展前景。第2章介绍了恒流源硬件电路设计方案,主要包括升压电路与控制电路的设计与选择,恒流模块的设计与元器件选择和详细的数据计算与分析,同时对设计所需要的芯片进行了详细的介绍。第3章介绍了本次设计所用到的单片机STM32F4中定时器的构造与功能,STM32F4生成PWM波形的原理以及相应的软件设计。第4章介绍了利用MULTISIM仿真软件对本恒流源硬件电路的各个模块进行仿真,以及用keil仿真软件对软件部分进行仿真,并且对仿真结果进行分析。第5章为结论,总结了本次基于STM32F4中PWM可控恒流源设计的成果。

关键词:可控恒流源;PWM控制;STM32F4;电路仿真。

Abstract

The constant current source is used as a power conversion device for power transmission and is a guarantee for the normal operation of various electronic devices. In recent years, the constant current source has been widely applied and developed in both theoretical and practical production. The intelligence and high efficiency of constant current source is an inevitable trend of its development.
This article discusses the STM32F4 as the control core, through the generation of PWM waveforms to achieve control of constant current source program. The design is divided into 5 modules, which are boost module, constant current module, alarm module, limiting module, and control module. The boost module uses a boost circuit (DC/DC boost circuit) and uses the precision amplifier LM358 to form the main body of the constant current module. The control module uses the timer function of STM32F4 to realize the PWM waveform output. The limiting module is used to limit the voltage across the load, so that the circuit works under a safe voltage. The alarm module is used to detect whether the voltage across the load exceeds the limit value, to ensure that the circuit appears in time of failure can be found.
The full text is divided into five chapters. The first chapter is an introduction. It mainly introduces the application fields and development status of the constant current source. Chapter 2 introduces the selection of hardware circuit design solutions, including the design and selection of boost circuits and control circuits, the design and component selection of constant current modules, and detailed data calculation and analysis. A detailed introduction was given. The third chapter introduces the structure and function of STM32F4 chip timer, the principle of PWM waveform generated by STM32F4 and the corresponding software design. The fourth chapter introduces the use of MULTISIM simulation software to simulate each module of the constant current source hardware circuit, and uses KEILsimulation software to simulate the software part, and analyzes the simulation results. The fifth chapter is the conclusion and summarizes the results of the PWM controlled constant current source design based on STM32F4.

Keywords: controllable constant current source; PWM control; STM32F4; circuit simulation.

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1恒流源的应用 1

1.1.1恒流源在电真空器件中的应用 1

1.1.2恒流源在充电器中的应用 1

1.1.3恒流源在电子仪表中的应用 1

1.1.4恒流源在半导体器件参数测量中的应用 2

1.1.5恒流源在集成电路中的应用 2

1.1.6恒流源在其它领域中的应用 2

1.2 恒流源的发展历程 2

1.3 国内外研究现状 3

第2章 硬件方案设计 4

2.1总体方案 4

2.2升压模块设计 4

2.2.1boost升压电路 4

2.2.2 XL6009升压电路设计 5

2.2.3升压模块实际电路 6

2.3恒流模块设计 7

2.3.1恒流模块方案1 7

2.3.2恒流模块方案2 8

2.4限幅模块设计 10

2.4.1下限幅电路 10

2.4.2上限幅电路 11

2.4.3双向限幅电路 11

2.5报警模块设计 12

2.6控制模块硬件部分设计 13

2.6.1滤波电路 13

2.6.2控制模块设计 14

第3章 软件设计 15

3.1 STM32F4简介 15

3.2STM32F4定时器介绍 15

3.3 PWM概述 18

3.3.1原理介绍 18

3.3.2 STM32F4的PWM模式 18

3.3.3 PWM输出软件设计 20

第4章 仿真结果 23

4.1硬件仿真结果 23

4.2软件仿真结果 26

第5章 结论与展望 27

5.1结论 27

5.2展望 27

参考文献 28

致 谢 29

第1章 绪论

当今社会电力电子技术不断取得突破,电力电子行业蓬勃发展,越来越多的智能化和数字化设备开始进入市场,逐渐被消费者认可。现在社会人们对智能化以及数字化产品的需求日益增多,特别是电子设备。其中设备的精度和稳定性是最令人关注的问题。当然稳定的电源是良好电子设备可以正常工作的前提。电源的稳定性越高,则设备可以在越理想的条件下工作,设备的效率和使用寿命也随之增加。因此,现在社会人们对稳定的数控恒流设备需求越来越高,现代社会,数控恒压系统已经开发完备,相关技术也日渐成熟,但是数控恒流源领域的发展与研究相对落后,处于研究初级阶段,仍需进一步开发,所以现在高性能智能化的数控恒流源有很大的发展前景。

1.1恒流源的应用

1.1.1恒流源在电真空器件中的应用

恒流源在电真空器件中得到了广泛的应用,这些电真空器件的灯丝冷阻抗一般都很低,当在灯丝两端加上额定电压使其在最佳工作电压下工作,则流过灯丝的电流会瞬间增大到一个很大的值,通常情况下这个电流会是额定电流的好多倍,突然间流过太高的电流会大大的降低灯丝的使用年限,还有可能直接将灯丝烧坏,破坏器件,从而引发一系列事故,所以要用恒流源来供应电压,这样可以保证流过灯丝的电流保持恒定不变且低于其正常工作时的额定电流。这样不仅可以保护元器件,同时也可以保护电路。特别是采用价格高昂的电真空管时,必须采用恒流源供电。

1.1.2恒流源在充电器中的应用

在使用普通充电器充电时,当被充电器件的充电电压逐渐升高时,这时充电电流反而会逐渐降低,这是充电器的充电效率会逐渐降低,如果使用可控恒流源来进行充电,则可以保证充电器充电电流维持在一个恒定值,这样可以提高充电器的充电效率。而且使用恒流源充电,当电压降低时不会影响充电效率[1]

1.1.3恒流源在电子仪表中的应用

使用恒流源来校验电流表。在电子仪表中,使用恒流源可以保证传输电流保持不变,当传输线阻抗由于外部条件如湿度温度等因素发生变化时,输出的电压信号并不会产生影响,造成检测结果不准确。其中输入信号是有恒流电源直接提供的,这样可以便于信号的检测与计算,可以实现模拟信号与数字信号的直接转换。这有利于配合使用气动仪器和数字仪器。

1.1.4恒流源在半导体器件参数测量中的应用

在测量半导体器件的参数时常使用恒流源来供电。例如,如测量二级管的反向电压或者管压降时,测量所用电流值已经被规定,将恒流源接在二级管两端,可以通过改变恒流源两端电流,直接通过电压表来读取不同二极管的击穿电压。这样做可以加快检测速度,同时可以把对测试仪器的损耗降到最低,并且恒流源可以有效限制二极管两端的反向电流,这样可以保护二极管不受到损害。同样晶体管的反向压降也需要用恒流源来检测,类似的,必须使用恒定电流源来测量半导体参数。因为半导体器件制作材料的原因使其电阻率受外界条件影响较大,比如温度,湿度,光照强度等等。如果使用稳压电源测试电流会随着电阻率的变化而变化。这就会造成测试结果不准确。所以使用恒流源来供电以保持测试电流恒定不变。

1.1.5恒流源在集成电路中的应用

在集成电路方面恒流源也起到了至关重要的作用,主要是应用在模拟集成电路中。恒流源的主要用途有下列几个方面:a.恒流源可以用偏执电路,可以使晶体管有稳定可靠的偏执电流,这样可以使晶体管工作在一个稳定的工作点,以此来提高晶体管的工作安全性;b.恒流源可以用来接在三极管的集电极端为集电极提供有源负载,这样可以使放大器的增益得到很大的提高。

1.1.6恒流源在其它领域中的应用

除了上述介绍之外,在许多其他的领域可控恒流源都发挥着很重要的作用。比如恒流源可以用来产生稳定的磁场,而稳定的磁场在现代的一些大型一起上均具有重要作用,比如CT扫描仪。核磁共振检测仪等等,任何需要稳定磁场作为工作条件的设备都必须用恒流源供电。恒流源还可以作为某些大型设备比如大容量直流电机的启动电源,这样可以提高启动质量。

1.2 恒流源的发展历程

恒流源的发展到目前为止共经历了三个阶段,分别是电真空器件恒流源,晶体管恒流源,集成电路恒流源。

第一阶段,电真空器件恒流源阶段。该阶段大约从上世纪50年代开始。当时的电力电子技术正处于发展阶段,镇流管作为为数不多的具有稳定电流功能的器件,常常被用来稳定电路电流,其中最常用的就是将电子管电流稳定到需要的值。不过由于电子管工作条件的限制,用晶体管来搭建恒流源电路不是一种可行的办法,但是用电子管就可以搭建性能较为优良的高压电流恒流源。

第二阶段,晶体管恒流源阶段。进入60年代以后,半导体行业可以说赢来了发展的绝佳时期,这个阶段,各种新型的,高性能的晶体管开始出现并得到了广泛的应用,晶体管开始逐渐取代电子管在恒流源设计中的地位,晶体管恒流源随之得到了快速的发展。晶体管恒流电路的一大优点是它可以集成在一个封闭的芯片中,可以作为一个独立的器件使用。不过晶体管的稳定度较低,晶体管恒流源的稳定性也随之降低,所以晶体管恒流源适用于对电路稳定性要求不高的场合,当电路稳定性要求太高时,晶体管恒流源就达不到要求了。

第三阶段,集成电路恒流源。到70年代时,由于电力电子技术的不断发展,加快了半导体技术的研究与不断创兴,半导体集成技术开始产生并且飞速发展,这样大大加快了恒流源的发展进程,恒流源步入了一个新的阶段。过去恒流源的设计一直采用独立的原件组装而成,现在只需要全部集中在一个集成电路芯片中就可以了,同时外加少量的元器件就可以了。集成电路恒流源相比上述两个阶段的恒流源,不管是使用价值还是性能都得到了显著的提高。

1.3 国内外研究现状

进入二十一世纪以来,我国的电力电子技术得到了快速的发展,电气产业的不断壮大,国家优惠政策的大力扶持以及科研工作者的不断创新与进取,为电气行业的发展提供了良好的平台和可靠的保障,我国由最开始的仿照学习到现在自主创兴,再到自主设计高端产品,恒流源技术在不断发展,不过和国外先进的技术相比,我们还是有很多的不足,比如智能化不够,创新力不强,产品的稳定性不高,研发投入不足,国际市场占有率较低等等。尤其我国目前在对直流恒流源的网络化以及智能化等方面的研究较少。虽然我国目前已经在加快恒流源研究进程,并且取得了突破性的进展,但和国外的比较起来,效果仍然不是很理想,还有很大的差距。目前,我国的电源制造商或是经销商销售的恒流源有一大部分是代理日本,德国,或是台湾的产品,我国自主生产的恒流源市场占有率太低,国内厂家虽然也在之间研制并且生产数控恒流源,但大多数都是局限于对输出进行控制。相比与国外先进的恒流源设备,竞争力明显不足,总体来说,我国的恒流源设备智能化程度太低,技术还是相对落后,要想打破国外对恒流源市场的垄断,必须加快发展进程,在当今竞争如此激烈的国际环境下,我们的形式不容乐观。

第2章 硬件方案设计

2.1总体方案

如图2.1所示,可控恒流源系统由五部分组成,分别是升压模块、恒流模块、限幅模块、报警模块、控制模块。

升压模块就是将电池电压通过升压电路升高到一定值,再用升压后的电压值为恒流模块供电,保证恒流模块可以正常工作。例如将5V的直流电压转变为12V直流电压[2]

恒流模块是设计中的重点,主要是接受控制模块的电压信号,之后输出实验所需的恒定电流。

限幅模块就是让负载两端电压保持在给定范围内,保证负载在安全电压下工作,起到保护负载的作用;例,限定上限电压值值为5V,当电压低于5V时,限幅模块不工作;当负载电阻增加时,因为流过负载的电流不变,那么负载两端的电压会增大。当电压超过设定值5V时, 限幅电路工作,将负载两端电压限制在5V,以达到保护电路的作用。

报警模块是由电压比较器和TL431搭建而成的,当负载两端电压低于事先设定好的电压值的时候,报警模块处于关闭状态,LED灯不亮,如果由于电路故障如限幅模块损坏使得负载两端电压高于设定电压值的时候,报警模块处于开通状态,这时LED灯点亮,提示电路产生故障。

控制模块就是通过STM32F4单片机输出PWM波形,之后通过低通滤波将PWM信号转换为直流信号,控制恒流模块输出相应的电流信号。

图2.1可控恒流源系统

2.2升压模块设计

2.2.1 boost升压电路

方案1升压原理:由于电感具有储能特性,所以直流电压通过开关管的通断对电感进行充放电,电感会产生方向不断变化的感应电势;当感应电势方向与电源方向一致时,他与电源电压共同作用在负载两端,使负载端电压升高。

图2.2.1boost升压电路原理图

如图2.2.1所示,当开关T闭合时,电源的电压会全部加在电感上电感两端电压等于电源电压,即。此时电感在开关T关断前会不断储存电能,这时电感上的感应电势与电源电势方向相反;当开关T断开时,电感两端电压为电源电压减去电容两端的电压,即,在这个过程中流过电感的电流会慢慢减少,电感储能也相应会减少,这时候电感上的感应电势方向改变为原来相反,此时负载两端的电压为电源电压与电感电压之和,其中电路中的电容起到滤波的作用 [3]

2.2.2 XL6009升压电路设计

图2.2.2 XL6009升压电路[4]

如图2.2.2所示。图2.2.1中的开关T在上述电路2.2.2中是直接用芯片中的电子开关管来代替。图中XL6009是一种特殊类型的芯片,常被用来设计升压电路。1脚是GND接地端,2脚EN为使能端,高电平有效。该脚在不接时为高电平。3脚SW内部含有一个电子开关可以保证芯片产生足够的驱动电流。其中可以通过脉宽调制电路来控制场效应管的导通或关断,以此来控制其占空比。4脚VIN为电源输入端,需要接入5V的低压直流电,5脚为负反馈端。输出电压由外部连接的电阻部分电压电路检测,当输出电压升高时,电阻两端电压升高,反馈端FB感受到控制驱两端电压的变化进而控制内部电路使高频开关的占空比降低,这样可以使电压保持稳定在某一个值上。只需要改变和的值就可改变该电路的输出值。由图可知5脚对地的基准电压值始终保持在1.25V。所以升压电路的输出电压为:

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