buck-boost电路的arm单片机控制器的设计——毕业论文(编辑修改稿)

buck-boost电路的arm单片机控制器的设计——毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

而且桥式整流二极管上还有压降，也不能精确反应输入的电压。 所以采用由集成运放组成的精密整流电路。 图 所示为全波精密整流电路 [3]。 其是由半波精密整流与反相求和电路叠加而成。 其工作原理如下： 当 U2＞ 0 时，由于反相端输入使集成运放的输出 U01＜ 0，从而导致二极管 D5 导通，互感器 全波整流 滤波 鞍山科技大学本科生毕业设计 (论文 ) 第 9 页 D6 截止，电路实现反相比例运算，输出电压 图 全波精密整流电路 UO2=－（ R31/R32） U2=2U2 （ ） 当 U2＜ 0 时，使集成运算的输出 U01＞ 0，从而导致二极管 D5 截止， R31 中电流为零，因此输出电压 UO2=0 () 分析图 中由集成运放所组成的反相求和运算电路可知输出电压： U03=－（ R27/R30） UO2－（ R27/R29） U2=－ UO2－ U2 () 当 U2＞ 0 时， UO2 =－ 2 U2， UO3=2 U2－ U2= U2。 当 U2＜ 0时， UO2=0， UO3=－ U2 , 所以 UO3=|U2| () 其波形如图 所示。 图 全波精密整流电路波 鞍山科技大学本科生毕业设计 (论文 ) 第 10 页 滤波电路 整流电路的输出电压仍含有较大的脉动成分，为此还要进行滤波，减小输出电压的脉动，使最后的输出电压平滑接近直流。 电容滤波器是最常见也是最简单的滤波电路，在整流电路的输出端并联一个电容即构成了电容滤波电路。 滤波电容容量较大，因此一般采用电解电容，在接线时要注意电解电容的正负极。 电容滤波电路利用电容的充放电作用，使输出电压趋于平滑。 图 滤波后的波形 当变压器幅边电压 U2处于正半周并且数值大于电容两端电压 Uc 时，电流一路流经负载电阻 RL，另一路 对电容 C充电。 电容两端电压 UC与 U2 相等见图。 图中曲线的ab段，当 U2上升到峰值后开始下降，电容通过 RL放电，其电压 UC也开始下降，趋势与 U2基本相同，见图 中曲线 bc段。 但是由于电容指数规律放电，所以当 U2 下降到一定数值后， UC的下降速度小于 U2的下降速度， UC 大与 U2，见图中 cd 段。 当 U2的负半周幅值变化到恰好大于 UC 时， U2再次对电容 C 充电， UC上升到 U2的峰值后又开始下降，电容放电。 就这样充电放电，重复上述过程。 滤波电路效果取决于放电时间。 电容越大，负载电阻越大，滤波后输出电压越平滑，并且 其平均值越大。 滤波电路输出电压波形难于用解析式来描述，近似估算时，可以将波形近似为锯齿波，如图 所示。 图中 T为电网电压的周期。 设电容每次充电均可以达到 U2的峰值（即Uomax=U2） 然后按 RLC 放电的起始斜率直线下降，经过 RLC 交于横轴，且在 T/2处的数 图 电容滤波电路输出电压平均值的分析 鞍山科技大学本科生毕业设计 (论文 ) 第 11 页 值为最小值 Uomin 则输出电压平均值为： U0(AV） =(Uomax+Uomin)/2 () 由图 按相似三角形关系可得 (UomaxUomin)/Uomax=(T/2)/RLC () 导出 Uomin=(1T/2RLC)Uomax () 将式（ ）代入式（ ）中，可得 U0(AV)=Uomax(1T/4RLC)= 2 U2(1T/4RLC) () 式（ ）表明，当负载开路，即 RL=。 ，时， U0(AV)= 2 U2,当 RLC（ 3— 5） T/2 时， U0(AV)  U2 () 检测回路的电路图如下图所示。 图 检测回路 IGBT 驱动电路 的设计 IGBT 的门极驱动条件密切关系到他的静态和动态性能，如果门极电路设计不当，就会引起误触发等一些问题，因此设计时一定要考虑过流保护等问题。 IGBT 的驱动电路有集成的和分立式之分。 大多数 IGBT 的生产厂家为了解决 IGBT 的可靠性问题，都生产与其相配套的混合集成驱动电路，如日本富士公司的 EXB 系列，东芝的 KT 系列等。 这些专用驱动电路抗干扰能力强，集成化程度高，速度快，保护功能完善，其性 比分立式电路要好。 所以本次设计采用集成的驱动电路。 选用日本富士公司的 EXB8 快速型 IGBT 专用模块 [2]。 它信号延迟时 间不超过 1uS，最高工作频率可达到 4050 他只需要外部提供一个 +20V电源供电。 其功能原理图如 所示。 其中方框 1 是过流保护电路，脚 6 是短路过流信号的输入端，该信号取自 IGBT 集 鞍山科技大学本科生毕业设计 (论文 ) 第 12 页 图 EXB841 的功能原理图 极电压，利用过流保护时 Uce 上升作为保护信号。 脚 4 是过流保护信号的输出端。 脚 4用于连接外部电容，以防止过流保护电路误动作，实际上大多场合并不需要该电容，故此驱动电路没有用到脚 4。 保护电路的内部输出加到电压放大电路 3，他在过流时切断导通信号，使放大器的输出置低位。 T5 和 T4 是功 率放大级，接成推晚式，当电路 3 输出端置高位时， T4 导通，输出正栅压 +15V 相反，当 3 置低位时， T4 关断， T5 导通，输出负栅压 5V使 IGBT 关断。 脚 2 接 +20V驱动电源； 脚 3 接 IGBT 栅极，是驱动电路的输出端； 脚 1 接 IGBT 射极； 脚 9 为零电位。 当关断 IGBT 时， T5 导通， 3 脚与 9 脚接通， 3 脚接近 0 电位， R10 和 DZ2 使③脚对①脚产生负 5V 的关断负栅压。 方框 2 是光耦器 （ ISOI） 起信号离作用，使驱动器的输出可与 IGBT 栅路采用直接偶合方式，光耦器的输出端是脚 15，脚 14，输出信 号加到电压放大器 3 上。 EXB841 的硬件连接电路如图 所示。 3 脚接 IGBT 的门极， 6 脚接 IGBT 的集电极， 1脚接 IGBT 的射极， 9脚、 2 脚接入 +20V 电源，由 5 脚引出的光电耦合器作为过流信号的输出， 14脚、 15 脚是驱动信号的输入。 在 EXB841 芯片内集成了一个光电耦合器， 14 脚、 15脚就连接在发光二极管的两端。 由于直接输入驱动信号的电压不是很大，驱动信号采用灌电流输入方式。 灌电流方式使发光二极管更亮，信号不易丢失。 在 15 脚经过限流电阻接 +5V 电压，若需要驱动 IGBT时将 14脚置成低电平，这样就将电 流灌入发光二极管中。 鞍山科技大学本科生毕业设计 (论文 ) 第 13 页 图 EXB841 的硬件连接电路 同步电路 输入的由于是单相交流电压，在正半周和负半周都要有不同的 IGBT 导通，所以必须加一个同步电路，来检验电源是在正半周还是在负半周，输入给 ARM 单片机，使其对不同的 IGBT 加以控制，控制电路如图 所示。 图 同步电路 同步比较器是由电压互感器，过零比较器和光电耦合器组成。 电压互感器将 380V的高电压变比成低电压进入过零比较器。 当运算放大器运用范围超出了其传输特性的线性区时就进入 非线性区 ,集成放大器具有很高的开环增益 ,当它在开环情况下 ,其输出值 不是偏向正饱值和就是负饱和值 ,因此只要输入端有微小的信号 ,就会使放大器输出端处于饱和工作状态。 比较器就是利用着一点来设计的。 Ug 为比较输入信号， UR 是参考电压，本设计中 UR=0。 放大器处于开环工作状态，具有很高的增益，当输入信号电 Ug 小于参考电压时（即输入电压处于负半周），集成运 鞍山科技大学本科生毕业设计 (论文 ) 第 14 页 图 同步电路波形图 放处于负饱和状态，运放输出为 0；当输入信号电压 Ug 升高到略大于参考电压时（即处于正半周）时， 集成运算放大器立即转入正饱和状态，运放输出电压 Uom。 如图 所示。 这样运放输出的方波的频率与电源的频率是同步的。 当 U0 高电平输出时驱动发光二极管， P0。 12 管脚输入高电平；当 U0 为低电平时，发光二极管不发光， 管脚输入低电平。 这样 ARM 单片机就可以通过查询 管脚的电平 来控制不同的 IGBT导通。 因为运算放大器只通过电阻就与变压器相连，为防止过大的干扰损坏运算放大器，所以在运算放大器的正负向输入端反并联两个二机管以保护运算放大器。 其中，互感器的变比为 100： 1。 键盘显示 键盘与单 片机的连接分为矩阵式和独立式两种，矩阵式用于按键较多的情况下，且控制复杂。 本设计只需要四个按键即可，所以采用独立式，直接在 管脚接四个键。 MAX7219 是一种串行接口的 8 位数码管显示驱动器。 它与通用微处理器只有 3 根串行线相连 .最多可驱动 8个共阴数码管或 64个发光二极管，它内部有 8 8K静态 RAM，动态扫描电路以及段、位驱动器。 它的特点有：串行接口的传输速率可达 10MHz，独立的发光二极管段控制；译码与非译码两种显示方式可选；数字、模拟两种亮度控制方 鞍山科技大学本科生毕业设计 (论文 ) 第 15 页 式。 可以级联使用。 因为它与微处理器只有 3 根连线，印制板走线简单，占片用系统软、硬件资源少，它适用范围广。 由于 M A X7219 具有较多优点，所以我们用它来组成显示电路。 如图 所示。 图 显示电路 DIG0DIG7：接在数码管的公共端上，用于位驱动。 LOAD ：加载数据控制引脚。 CLK：串行时钟输入引脚。 SEGA－ SEGDP： 7 个 断码和小数点输出。 鞍山科技大学本科生毕业设计 (论文 ) 第 16 页 3 软件设计 软件设计部分是斩波控制的核心部分，是实现控制功能的重要环节。 软件主要完成对 PWM 脉冲的调制。 将检测 回来的电压与设定电压相比较产生偏差 E，根据偏差 E 的值选择控制算法，改变 PWM 的输出。 根据控制器的实际要求，软件设计采用模块化的结构，编程的主要任务包括：初始化，键盘输入，进行 LED 显示， A/D 转换， PID 算法，产生并改变用于控制的 PWM 波形等。 系统主程序流程图如图 所示。 初始化模块包括复位初始化 ，相应寄存器初始化，全局变量的设定等系统初始化设置任务。 键盘显示模块用于设定值输入和显示。 A/D 转换模块是将检测住回路的输出电压完成由模拟量向数字量的转化。 初始化 ARM 单片机 有自己的初始 化文件。 复位 初始化程序 ResetInint(在 Start 文件中 )，调用 Initstack 子程序 (在 Start 文件中 )来初始化各个模式下的堆栈，调用TargetResetInit()函数（在 文件中）来初始化与目标系统相关的设置，最后调用ADS 提供的 — main，初始化运行时库，并进入用户的 main()函数。 其中要设置的模块有PWM 脉宽调制器， A/D 转换器， GPTO 等。 脉宽调制器的设置 在 硬件设置部分已经介绍主电路需要的四个 IGBT，而且 T1 和 T3 需要在正半周开通，且他们 的触发脉冲是互补的， T2 和 T4 要在负半周开通 ,他们的脉冲也是需要互补的 ,下面我们就来解决这两个问题，同步电路就是检测当前电源是在正半周还是负半周。 将PWM 的四个输出端分别和 — 通过与门 （ 或与非门 ） 输出，即使 PWM 一直有脉冲输出，只要 分别 控制 — 高低电平，就可以控制四个 IGBT 在何时导通 ， 在何时关断。 下面要解决脉冲互补的问题。 T1 和 T3 是互补的， PWM1 和 通过与非门输出到1EXB841，而 PWM3 和 通过与门输出到 3EXB841 这样就可以做到脉冲互补，T2 和 T4 也是这样触发的。 所以 PWM1 的 PWM1 到 PWM4 通道的初始化程序是一样的。 初始化程序为： PWMPCR=0X1E00； //使能 PWM1PWM4，模式为单边沿控制 鞍山科技大学本科生毕业设计 (论文 )。