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首页基于STM32的双向DC-DC变换器的设计与实现
本系统主要由 BUCK 降压模块、BOOST 升压模块、测控模块、辅助电源模块 组成。其中BUCK 降压模块和BOOST 升压模块的驱动选用具有波形互补的可编程 芯片IR2104、电流采样选用TI 公司专用高边电流采样芯片INA282;测控模块采 用低功耗单片机STM32 对输出电压、输出电流实现闭环PI 控制。 系统可以实现:在充电模式下,充电电流在 1~2A范围内步进可调且步进值 为 0.05A,电流控制精度 1.30%左右;充电电流变换率为 0.87%;充电效率可达 到 97.11%,具有测量、显示充电电流以及过充保护功能。在放电模式下,放电 效率可达到96.54%且电压能保持在 30V左右。
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Ⅰ
基于 STM32 的双向 DC-DC 变换器的设计与实现
摘 要:航天器由若干分系统组成,电源分系统是不可或缺部分,它是航天器的
能源提供装置。目前世界上 90%以上的航天器都采用太阳能电池阵-蓄电池组构
成的光伏电源系统,采用双向 DC-DC 变换器来取代传统的蓄电池充、放电模块可
以有效的提高电源系统的功率密度。本课题拟设计一种基于 STM32 的双向 DC-DC
变换器及其合适的控制方案,在实际应用中,可满足大功率电源系统的要求。
本系统主要由 BUCK 降压模块、BOOST 升压模块、测控模块、辅助电源模块
组成。其中 BUCK 降压模块和 BOOST 升压模块的驱动选用具有波形互补的可编程
芯片 IR2104、电流采样选用 TI 公司专用高边电流采样芯片 INA282;测控模块采
用低功耗单片机 STM32 对输出电压、输出电流实现闭环 PI 控制。
系统可以实现:在充电模式下,充电电流在 1~2A 范围内步进可调且步进值
为 0.05A,电流控制精度 1.30%左右;充电电流变换率为 0.87%;充电效率可达
到 97.11%,具有测量、显示充电电流以及过充保护功能。在放电模式下,放电
效率可达到 96.54%且电压能保持在 30V 左右。
关键字:双向 DC-DC 变换器;BUCK 电路; BOOST 电路; PI 闭环控制
Ⅱ
The Design and Implementation of
Bi-directional DC-DC converter on STM32
Abstract:
Spacecraft consists of several sub-systems, power supply subsystem is an
integral part of it is the spacecraft's energy supply means. Currently more than 90
percent of the world's spacecraft solar arrays are used - photovoltaic power systems
consisting of battery, Bi-directional DC-DC converter to replace the traditional battery
charging and discharging module can effectively improve the power density of the
power supply system. This paper intends to design a bi-directional DC-DC converter,
and suitable control scheme based STM32, in practical applications, to meet the
power requirements of the power system.
The system consists of modules buck BUCK, BOOST boost module, control
module, the auxiliary power supply module. Wherein the drive module and BOOST
BUCK buck boost module selection has a waveform complementary programmable
chip IR2104, current sampling selection of TI's dedicated high-side current sense chip
INA282; control module uses low-power microcontroller STM32 output voltage,
output current to achieve PI closed-loop control.
System can be implemented: in the charging mode, charging current is within the
range of 1 ~ 2A and step adjustable step value of 0.05A, the current control accuracy
of about 1.30%; 0.87% conversion rate of the charging current; charging efficiency
can reach 97.11% with measurement, display the charging current and overcharge
protection. In discharge mode, the discharge efficiency can reach 96.54% and the
voltage can be maintained at 30V.
Keywords:
Bi-directional DC-DC converter; BUCK circuit; BOOST circuit; PI
closed-loop control
目 录
第一章 绪 论.....................................................................................................................................
1
1.1 课题背景.............................................................................................................................
1
1.2 双向 DC-DC 变换器的研究意义.........................................................................................
2
1.3 国内外研究和应用现状.....................................................................................................
3
1.4 论文主要的研究内容.........................................................................................................
4
第二章 双向 DC-DC 变换器拓扑结构的研究..................................................................................
6
2.1 双向 DC-DC 变换器的基本原理与类型............................................................................
6
2.2 双向 DC-DC 变换器的电路拓扑.........................................................................................
9
2.3 双向 DC-DC 变换器方案的设计.......................................................................................
10
第三章 双向 DC-DC 变换器硬件电路分析及参数设计................................................................
12
3.1 双向 DC-DC 变换器的硬件电路分析..............................................................................
12
3.2 BUCK-BOOST 电路器件的选择及参数设计.....................................................................
15
3.3 电流采样电路分析及参数设计.......................................................................................
17
3.4 MOSFET 管驱动电路设计..................................................................................................
18
3.5 辅助电源设计...................................................................................................................
19
第四章 双向 DC-DC 变换器的软件设计.........................................................................................
21
4.1 软件设计方法...................................................................................................................
21
4.2 主函数程序设计...............................................................................................................
21
4.3 按键模式的识别...............................................................................................................
22
4.4 恒流恒压模式的设计.......................................................................................................
22
第五章 双向 DC-DC 变换器调试、实验结果与分析....................................................................
25
5.1 测试仪器............................................................................................................................
25
5.2 测试方法...........................................................................................................................
25
5.3 测试实验数据...................................................................................................................
25
5.4 测试结果分析...................................................................................................................
27
第六章 总结与展望.........................................................................................................................
28
6.1 总结...................................................................................................................................
28
6.2 展望...................................................................................................................................
28
[参考文献].......................................................................................................................................
29
附录(一):项目课题获奖情况及总体实物图..........................................................................
31
附录 1.1 项目课题获奖情况..................................................................................................
31
附录 1.2 双向 DC-DC 变换器的总体实物图.........................................................................
34
附 录(二) 程序清单.................................................................................................................
35
1
第一章 绪 论
1.1 课题背景
航天器由若干分系统组成,分为有效载荷和航天器平台两大类。有效载荷主
要是直接执行特殊的航天任务,而航天器平台主要由航天器结构和服务与支持系
统构成。服务与支持系统主要包括电源装置、姿态控制装置、轨道控制装置、无
线电测控装置、数据保管等等。因此,电源分系统是极其重要的,它是航天器所
有能源供给装置。若电源部分工作不正常,则整体就将失去作用,变为毫无用处。
电源重量占航天器重量的 15%~25%。分为化学电源、太阳电池电源和核电源三
类。目前世界上 90%以上的航天器都采用太阳能电池阵构成的光伏电源发电系
统。主功率供电回路的额定电压(母线电压)三个等级:
(1)低压——28V,适用功率等级:1200W;
(2)中压——42 或 50V,适用功率等级:2000W 水平;
(3)高压——100V 或以上,适用功率等级:4000W 水平。
载人飞船轨道运行高度为 300~400Km,轨道周期约为 91min,其中轨道最
长,阴影时间 37min,最短光照时间 54min。飞船电源分系统组成部分如表 1 所
示。
表 1 飞船电源分系统组成
电源名称
电源类型
配置舱段
用途
备注
主电源
太阳电池阵-镉镍
蓄电池系统
推进舱
待发段、发射段、自主
运行段向整船供电
留轨电源
太阳电池-镉镍蓄
电池系统
轨道舱
留轨使用期间
有留轨任务需要时,飞
船配置留轨电源,否则
不配置
返回/着陆
电源
锌银蓄电池组
返回舱
返回、着陆、等待期间
供电
应急电源
锌银蓄电池组
推进舱
补充峰值功率、应急飞
行供电
2
目前,我国的航天电源部分调节器主要依赖于从欧洲等国家进口,需要耗费
巨资,对我国载人航天的航天器产生极其不利的影响。因此,具有自主知识产权
的电源部分调节器的研制,具有很重要的意义和深远的影响。
1.2 双向 DC-DC 变换器的研究意义
在传统的太阳能电池阵构成的光伏电源发电系统,传统的蓄电池充、放电模
块很难保证太阳能阵在太阳光线充足时产生多余的能量不会导致航天器的过热
以及储能装置蓄电池组的过充电,而且功率密度点较大,成本高,系统结构相对
复杂。
太阳能光伏电源发电系统是将太阳能转换成电能的发电系统,它的主要部件
是由太阳能电池组、太阳能控制器、储能装置蓄电池(组)和太阳跟踪控制系统
组成。其特点是高可靠性、寿命长以及对环境不产生污染、能独立进行发电且并
网运行,受到世界各国电网公司的喜欢,发展前景十分广阔。
太阳电池的发电功率通过“分流调节”全部变换为母线功率,一部分直接给
负载供电,另一部分则通过“充电调节”变换为充电功率为储能装置蓄电池组充
电;蓄电池组功率通过“放电调节”变换为母线功率。对太阳电池发电功率的使
用优先级依次为供电、充电、分流。充电功率可以视作母线的可调负载。太阳能
电池光伏电源发电系统工作原理如图 1 所示。
图 1 光伏电源发电系统工作原理
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