基于STM32G4系列MCU的3kW数字LLC电源控制

基于STM32G4系列MCU的3kW数字LLC电源控制代码

一、硬件配置与资源分配

1. MCU选型与外设配置

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// 使用STM32G474RBT6芯片
#define HRTIM_INSTANCE    TIM1      // 高分辨率定时器
#define ADC_INSTANCE      ADC1      // 高精度ADC
#define PWM_FREQ          250000    // 250kHz开关频率
#define RESONANT_FREQ     175000    // 175kHz谐振频率

// 外设初始化
void Peripherals_Init(void) {
    __HAL_RCC_TIM1_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE();
    
    // HRTIM配置（用于PWM生成）
    TIM_HandleTypeDef htim1;
    htim1.Instance = HRTIM_INSTANCE;
    htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    htim1.Init.RepetitionCounter = 0;
    HAL_TIM_Base_Init(&htim1);
    
    // ADC配置（同步采样）
    ADC_HandleTypeDef hadc1;
    hadc1.Instance = ADC_INSTANCE;
    hadc1.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;
    hadc1.Init.ScanConvMode = DISABLE;
    HAL_ADC_Init(&hadc1);
}

二、核心控制算法实现

1. 非线性PID控制器

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typedef struct {
    float Kp, Ki, Kd;
    float prev_error;
    float integral;
} PID_Controller;

float Nonlinear_PID(PID_Controller *pid, float error) {
    // 分段式增益调整（根据负载区间）
    if(error > 10.0f) {
        pid->Kp = 1.2f; pid->Ki = 0.001f; pid->Kd = 0.5f;
    } else if(error > 5.0f) {
        pid->Kp = 0.8f; pid->Ki = 0.0005f; pid->Kd = 0.3f;
    } else {
        pid->Kp = 0.5f; pid->Ki = 0.0001f; pid->Kd = 0.1f;
    }
    
    float P = pid->Kp * error;
    pid->integral += error;
    float I = pid->Ki * pid->integral;
    float D = pid->Kd * (error - pid->prev_error);
    
    pid->prev_error = error;
    return P + I + D;
}

2. 谐振腔状态观测器

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// 基于龙贝格观测器的谐振电流重构
float Resonant_Current_Observer(float Vcr, float Lr, float Cr) {
    static float x_hat = 0.0f;
    static float P[2][2] = {{1.0f, 0.0f}, {0.0f, 1.0f}};
    
    // 状态方程
    float dxdt = (Vcr - x_hat) / (Lr * Cr);
    x_hat += dxdt * 1e-6f;  // 1μs时间步长
    
    // 协方差更新
    P[0][0] += 1e-12f;
    return x_hat;
}

三、中断服务程序设计

1. HRTIM中断（10μs周期）

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void HRTIM_TIM1_IRQHandler(void) {
    if(__HAL_TIM_GET_FLAG(&htim1, TIM_FLAG_UPDATE)) {
        // 1. 同步ADC采样
        HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)&adc_buffer, 2);
        
        // 2. 计算开关频率
        float Vout = adc_buffer[0] * 3.3f / 4095.0f;
        float error = Vout_ref - Vout;
        float freq_adj = Nonlinear_PID(&pid_controller, error);
        
        // 3. 动态调整死区时间
        uint32_t deadtime = Calculate_DeadTime(freq_adj);
        __HAL_TIM_SET_DEADTIME(&htim1, deadtime);
        
        // 4. 触发PWM更新
        HAL_TIM_PWM_Start_DMA(&htim1, TIM_CHANNEL_1, pwm_buffer, 2);
    }
}

四、关键外设配置代码

1. PWM初始化（半桥拓扑）

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void PWM_Init(void) {
    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
    
    // 主通道配置
    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    sConfigOC.Pulse = 500;  // 初始占空比50%
    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, TIM_CHANNEL_1, &sConfigOC);
    
    // 死区时间配置
    TIM_BreakDeadTimeConfigTypeDef sBreakDeadTimeConfig = {0};
    sBreakDeadTimeConfig.DeadTime = 480;  // 480ns死区
    HAL_TIMEx_ConfigBreakDeadTime(&htim1, &sBreakDeadTimeConfig);
}

2. ADC同步采样配置

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void ADC_DMA_Init(void) {
    ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
    
    // 配置通道1（输出电压采样）
    sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0;
    sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;
    HAL_ADC_ConfigChannelAttenuation(&hadc1, ADC_CHANNEL_0, ADC_ATTENUATION_11DB);
    
    // 配置通道2（谐振电流采样）
    sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_1;
    sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_2;
    HAL_ADC_ConfigChannelAttenuation(&hadc1, ADC_CHANNEL_1, ADC_ATTENUATION_11DB);
    
    // 启动DMA传输
    HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)&adc_buffer, 2);
}

五、调试与优化技巧

1. 波形捕获与分析

使用STM32的探针功能捕获关键信号：

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// 在调试器中启用探针
__HAL_DBGMCU_FREEZE_TIM1();
HAL_Delay(100);  // 捕获100ms波形
__HAL_DBGMCU_UNFREEZE_TIM1();

2. 动态参数调整

通过串口接收实时参数：

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void USART1_IRQHandler(void) {
    if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE)) {
        char cmd = USART_ReceiveData(USART1);
        switch(cmd) {
            case 'P': pid_controller.Kp = USART_ReceiveData(USART1)/10.0f; break;
            case 'I': pid_controller.Ki = USART_ReceiveData(USART1)/1000.0f; break;
            case 'D': pid_controller.Kd = USART_ReceiveData(USART1)/100.0f; break;
        }
    }
}

六、完整工程结构

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LLC_Control/
├── Src/
│   ├── main.c
│   ├── hrtim.c      // HRTIM驱动
│   ├── adc.c        // ADC采样管理
│   └── pid.c        // 非线性PID实现
├── Inc/
│   ├── stm32g4xx_hal_conf.h
│   └── main.h
├── Middlewares/
│   └── USB_Device/  // 调试接口
└── Startup/
    └── startup_stm32g474xx.s

参考代码 3KW数字LLC源代码 www.youwenfan.com/contentcsj/70066.html

七、性能优化建议

代码优化：

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// 使用查表法替代浮点运算
const uint16_t PID_LUT[100] = {0x1000, 0x1200, ...};  // 预计算参数表

编译优化：

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# Makefile配置
CFLAGS += -O3 -mcpu=cortex-m4 -mfpu=fpv4-sp-d16 -mfloat-abi=hard

硬件加速：启用STM32的FPU单元使用DMA进行ADC数据搬运

八、调试注意事项

硬件连接：确保谐振电容与电感阻抗匹配添加RC缓冲电路抑制电压尖峰

保护机制：

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// 过流保护逻辑
if(adc_buffer[1] > 3.5f) {
    HAL_TIM_PWM_Stop(&htim1);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, SET);  // 关闭使能信号
}