摘要

本次设计采用STM32F407VET6为主控制核心，搭建典型的BUCK电路，通过单片机采集输出电压，与目标值比较，控制占空比，产生稳定的直流输出电压；构建H桥电路，通过单片机输出SPWM波，直流电压逆变成交流电压。通过调试，BUCK输出电压能在4V-7V的范围内以步长为0.5V的大小调节，带载能力在4Ω及以上；H桥逆变电压的输出频率能在50HZ-200HZ范围内以步长为50HZ的大小调节。

关键词：STM32F407VET6、BUCK闭环电路、H桥逆变电路

 

1.课程设计要求

搭建典型的BUCK电路，通过单片机采集输出电压，与目标值比较，控制占空比，产生稳定的直流输出电压；构建H桥电路，通过单片机输出SPWM波，直流电压逆变成交流电压。

要求做到：                                                                                            

1.BUCK电路闭环，在一定的负载范围内，电压保持稳定。

2.交流逆变，电压、频率可调。

2.要求分析

1.BUCK降压电路通过控制驱动开关管通断的PWM波占空比，达到调节输出电压的目的。

2.要求负载变化时，输出电压能够稳定，要设置反馈环节：反馈的输入是BUCK电路的输出电压，反馈的输出是控制PWM波的占空比。

3.H桥电路是典型的直流逆变交流电路，负载位于两组桥臂之间，通过配合四个桥臂的通断达到更改负载两端电压极性的目的。

4.遵循有效值相等的原则，直流电压的开通与关断时间应按照正弦关系变化。控制策略有许多种，其中查表的方法耗时较少，适合于stm32平台。

5.H桥输出电压仍为高低电平，为得到较好的交流电压波形，需要加大电容、大电感滤波。

3.硬件设计

3.1 BUCK主电路

   BUCK电路搭建如图3-1所示，MOSFET型号选用为IRFP-460，耐压值较大。电感L1感值为5mH，输出滤波电容容值为470uF，续流二极管型号为1N4007。BUCK电路的带载能力与开关管频率、电容值、电感值有关。

     

图3-1 BUCK主电路图

3.2 H桥电路

   H桥主电路搭建如图3-2所示，MOSFET型号选用为CSD18532KSC，为大功率MOS管。输出滤波电感选为1.5mH，电容选型为金属化聚丙烯膜电容器，容值为22uF。

     

图3-2 H桥主电路

3.3驱动电路

STM32串口输出的PWM波不能直接控制开关管的开通与关断，需要加上驱动电路放大PWM波信号，以保证其驱动的能力。选用IR2104驱动芯片，芯片有使能端口和自带死区，可以避免短路的情况发生。

     

图3-3 驱动电路图

3.4 OLED显示电路

OLED即有机发光二极管，由于同时具备自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、使用温度范围广等优点，被认为是下一代平面显示器新兴运用技术。本次设计采用0.96寸OLED屏，有三色可以显示，且分辨率较高。

0.96寸OLED模块原理图如图3-4所示。其外扩引脚CON4，引脚1为GND引脚，使用时接地，引脚2为Vcc引脚，使用时接+5V电源。该OLED模块使用I2C方式通讯，引脚3、4分别为SCL、SDA引脚，与STM32的I/O口相连，实现通讯的功能。

     

图3-4 OLED显示模块

3.5稳压电路

LM7812、LM7805三端稳压集成电路IC芯片元器件，适用于各种电源稳压电路，输出稳定性好、使用方便、输出过流、过热自动保护。电路中STM32需要5V供电、OLED需要5V供电、IR2104半桥驱动需要12V供电，需在电路中构建如图3-5的稳压电路供电。

     

图3-5 稳压电路

3.6 STM32F4引脚电路

   STM32F4是由ST（意法半导体）开发的一种高性能微控制器。其采用了90 纳米的NVM 工艺和ART（自适应实时存储加速器）。根据前面硬件电路的控制需求，配置相关的引脚如图3-5所示。在应用中，所有元器件引脚必须共地才能正常工作。

     

图3-6 STM32F4引脚电路图

4.软件设计

4.1主程序

     

图4-1 主程序框图

   如图4-1为主程序的框图。STM32上电后，进行定时器、I2C通讯、按键引脚初始化等配置，最后进入程序主循环。

4.2 AD采集
    STM32F4系列一般都有3个ADC，这些ADC可以独立实用。STM32F4的ADC是12位逐次逼近型的模拟数字转换器，它有19个通道，可测量16个外部源、2个内部源。这些通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行，ADC的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。

   在此次设计中只使用了1个ADC通道转换，在非扫描模式下，关闭连续转换，右对齐方式存储。反馈通道上产生的误差无法消除，因此需要对采集到的ADC信号做滤波处理，以避免AD采集中可能出现的波动对程序控制产生影响。

4.3 PID调节

     

图4-2 PID控制原理框图

当负载变化时，要求BUCK电路的输出能稳定在设定值，则需引进反馈控制。本次选用增量式PID控制，PID控制的原理框图如图4-2所示。

比例环节的作用是对偏差瞬间作出反应。偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，使控制量向减小偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数       ，比例系数       越大，控制作用越强，则过渡过程越快，控制过程的静态偏差也就越小；但是       越大，也越容易产生振荡，破坏系统的稳定性。故而，比例系数       选择必须恰当，才能使过渡时间小的同时，静差小而稳定。

只要存在偏差，则积分部分的控制作用就不断增加；只有在偏差       0时，它的积分才能是一个常数，控制作用才是一个不会增加的常数。积分部分可以消除系统的偏差，但是也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。积分常数       越大，积分的积累作用越弱，这时系统在过渡过程中不会产生振荡；但是增大积分常数       会减慢静态误差的消除过程，消除偏差所需的时间也较长，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。

微分环节的作用是阻止偏差的变化。它根据偏差变化的趋势（变化速度）进行控制。偏差变化的越快，微分控制器的输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正。微分作用的引入，将有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，特别对高阶系统非常有利，它加快了系统的跟踪速度。但微分的作用对输入信号的噪声很敏感，对那些噪声较大的系统一般不用微分，或在微分起作用之前先对输入信号进行滤波。

代码实现中，需要将读到的AD值与目标值进行比较，对偏差部分通过乘系数、累加等方式达到PID控制的目的。使用PID对驱动MOS管的PWM波进行调制时，需要将输出值进行限幅，避免出现溢出而导致的程序问题。

4.4 OLED显示

OLED显示模块也采用I2C通讯方式与单片机通讯。I2C通讯只需要两个引脚，一个数据线，一个时钟线。数据线用来传递数据，时钟线决定数据传输的速度。当时钟线为高电平时，数据线上的数据才会被认为是有效的。数据线的数据有四种状态，分别为高电平、低电平、下降沿和上升沿，当时钟线为高电平时，这四种状态分别表示1、0、起始位和停止位。

在不发送任何数据的时候，数据线和时钟线都为高电平。当开始发送数据时，时钟线位高电平同时数据线从高电平变为低电平，发送一个下降沿，表示开始发送数据。发送完起始位后，时钟线变为低电平，在发送的每一位的数据之前时钟线都有一段低电平，目的是为了给数据线电平变化做准备。当时钟线变为高电平时，此时数据线若是高电平，则传输1；此时数据线若是低电平，则传输0。传输完一位后时钟线继续变为低电平，位数据线的电平变化做准备。当时钟线为高电平，数据线发送上升沿时，表示数据停止发送。

OLED模块显示之前需要初始化，相关初始化的要求模块的使用手册中已经给出。根据本次设计的要求，需要显示的内容有测量的电压值及目标电压值。因为OLED显示中文字符串较难，占用的空间较大，而显示英文有专门的码表可以查询，因此显示信息全采用英文显示。

4.5硬件开关

为实现改变BUCK电路输出电压值、控制H桥逆变频率的功能，将硬件开关接入STM32的I/O口。设置输出电压值、逆变频率为相关标志位，当按键开关按下时，单片机收到底电平，对相应的标志位改变，从而实现改变状态的功能。

5.调试

5.1 BUCK闭环降压电路的调试

将BUCK电路的输出端连接至电子负载，通过调整电子负载的阻值，观察电路输出电压能否稳定的情况。从图5-1可以看出，负载为600Ω时输出电压可以稳定在目标值4V。

     

图5-1 目标输出4V负载600Ω

   负载阻值改变后，调整时间短，PID控制起到了良好的效果。将负载的阻值降至3.9Ω时，此时输出电流为1A，输出电压无法继续调整，BUCK电路开始失压，如图5-2所示。

     

图5-2 目标输出4V负载3.9Ω

按下按键，更改输出电压的目标值，观察输出电压能否稳定在目标值附近，图5-3、5-4、5-5、5-6、5-7、5-8输出电压的目标值分别为4.5V、5V、5.5V、6V、6.5V和7V。

     

图5-3 目标输出4.5V负载100Ω

     

图5-4 目标输出5V负载100Ω

     

图5-5目标输出5.5V负载100Ω

     

图5-6 目标输出6V负载100Ω
     

图5-7 目标输出6.5V负载100Ω

     

图5-8 目标输出7V负载100Ω

5.2 H桥逆变电路的调试

接示波器观察STM32输出端口的两路PWM波，发现其符合互补且占空比呈正弦规律变化的趋势。

     

图5-9 I/O口输出PWM波形

     

图5-10 两路I/O口输出的互补波形

   电路上电后，接示波器观察其输出电压的波形，如图5-11所示，可以看出输出电压具有良好的正弦波波形。调整示波器的时间轴，观察输出波形的局部图像，如图5-12所示。可以观察到细小的开关通断产生的尖峰脉冲。

     

图5-11 输出50HZ波形

     

图5-12 50HZ输出局部放大波形

   按下按键，更改逆变输出电压的频率，图5-13、5-14、5-15的输出电压频率分别为100HZ、150HZ、200HZ。随着输出电压频率的升高，输出电压的峰峰值也在同步减小，分析可能是由于频率升高导致的输出LC滤波效果增强，导致电容充电时间减少，输出波形峰峰值下降。

     

图5-13 输出100HZ波形

     

图5-14 输出150HZ波形

     

图5-15 输出200HZ波形

6.心得体会

因对电源电路的搭建有着浓厚的兴趣，所以抓住ARM课程设计的机会，对两种典型的拓扑电路——BUCK电路、H桥逆变电路进行调试。要求BUCK电路具有闭环的效果，当负载变化时输出电压可以稳定；要求H桥逆变电路能够输出波形较好的交流电压，且电压、频率可调。电路的搭建完成了预期的效果。

在调试的时候也出现了许多问题，这些问题是之前理论学习的过程中没有出现过的：

1.空载时BUCK电路的输出电压很难稳定

最开始BUCK电路搭建完毕后，在没有带载的情况下调试，发现输出电压的振荡非常大。因为加了PID环节，所以怀疑是PID参数整定的稳定。但是在不断地更改PID值之后，发现效果还是不明显，振荡仍然非常大。遂加载调试，结果加载之后BUCK电路的输出稳定效果非常好。再对BUCK基本拓扑进行分析的时候发现，之前理论要求时都是求额定负载下电路的电感、电容、控制信号占空比参数。在没有带载的情况下，储能电路部分所流过的电流很小，且电感L与输出电容C之间容易产生振荡，因此很难稳定BUCK电路空载的输出电压。

2.BUCK电路带载能力较差

在电路带负载测试时，PID调节的效果较好。但是在电路负载阻值减小时，发现电路的输出电压不能稳定在输出值，阻值越小，失压越严重。经查阅资料和向老师同学请教，怀疑是电感值太小、储能小的原因。因此后期改为三个功率电感的并联，带载能力有所提高。

3.H桥逆变输出电压的平滑

H桥逆变电路的输出电压在没有滤波之前与STM32输出口的波形相似，只是幅值的变大。为了得到目标的正弦电压波形，在H桥的输出端加了大电容、大电感滤波。另外在调频的过程中，频率升高后，交流电压的输出峰峰值在变小。分析是开关频率增大后，电感的储能时间减小，LC滤波环节的效果更明显，导致输出电压的峰峰值减少。

通过这次有意义的动手实践，我明白了从书本到实际还是有一定的距离这个道理。ARM嵌入式系统课程的学习让我受益匪浅，顾敏明老师授课认真负责，特别是在身体抱恙的情况坚持授课，体现了教师的高尚品德。ARM的学习也让我掌握了一门新的控制技能，希望能在之后的比赛、工作中能发挥更大的作用。

附录

主电路图：

     

作品图：