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目录第一章绪论1.1课题背景·*······*···*·····*···‘1.2双向DC-D变换器的研究意义1121.3国内外研究和应用现状1.4论文主要的研究内容.第二章双向DG-DG变换器拓扑结构的硏究.34662.1双向DC-DG变换器的基本原理与类型2.2双向DC-DG变换器的电路拓扑2.3双向DCDC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.3.1双向DG-DG变换器的硬件电路分析.…123.2BUCK-B00sT电路器件的选择及参数设计3.3电流采样电路分析及参数设计173.4 MOSFET管驱动电路设计183.5辅助电源设计.19第四章双向DG-DG变换器的软件设计4.1软件设计方法214.2主函数程序设计4.3按键模式的识别.224.4恒流恒压模式的设计……第五章双向DG-DG变换器调试、实验结果与分析255.1测试仪器∴255.2测试方法255.3测试实验数据5.4测试结果分析…27第六章总结与展望6.1总结286.2展望.28[参考文献]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D-DC变换器的总体实物图,34附录(二)程序清单…..35第一章绪论1.1课题背景航天器由若下分系统组成,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裝置、姿态控制裝置、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,它是航大器所有能源供给装置。若电源部分工作不止常,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。日前世界上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:200水平(3)高压—100V或以上,适用功率等级:4000V水平。载人飞船氿道运行高度为300~400Km,轨道周期约为9lmin,其中轨道最长,阴影吋间37min,最短光照时间54min。飞船屯源分系统组成部分如表1所表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太阳电池阵-镉镍待发段、发射段、自主主电源推进舱蓄电池系统运行段向整船供电有留轨仁务需要时,飞留轨电源太阳电池镉都轨道舱留轨使用期间船配置留轨电源,否电池系统不配置返回/着陆返回、着陆、等待期旧锌银蓄电池组返回舱电源供电补充峰值功率、应急飞应急电源锌银蓄电池组推进舱行供电目前,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DDG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允电,而且功率密度点较大,成木高,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,一部分直接给负毂供电,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。正丹线充电控制放电调节负载太阳能电池太阳能电池分流控制蓄电池组充电阼供电阵负母线图1光伏电源发电系统工作原理双向DC-DC转换器是连接正负母线电压与储能系统(如储能装置蓄电池组)的关键,所以使转换器的效率变髙极其重要。本文提出了一种降低功耗,提高整机效率的方案,使得对双问DCDC转换器的探讨变得更加具有意义。1.3国内外研究和应用现状20世纪后期,太阳能电池阵-储能装置蓄电池组构成的光伏电源发电系统的休积和重量庞大,著名外国学者提出了一种基于BCK/B0OST双向DCDC直流转换器来代替原有光伏电源发电系统的允电、放电模块,从而实现电压的稳定20世纪90年代,中国工程院院士陈清泉教授将基于BUCK/ BOOST双向DC-DC变换器在电动车领域使用,同年,外国专家研制了用大功率的水冷式DC-DC变换器即基于BUCK/ BOOST双向DC-DC直流转换器来驱动电动车,由于基于BUCK/BO0ST双向DC-DC变换器的输入输出电压的忙负极相反,不适合在电动车上应用,因此,他提出了一种基于BUCK-BO0ST级联型的双向DC-DC变换器,变换器的电源输入端与电压输出端的负端共用。经过4年时间,美国著名大学-弗吉尼亚大学教授李泽元开始研究在燃料电池上双向DC-DC变换器的配套应用。由此可见,用于载人航天的航天器电源和电动车辆的技术更新对双向DC-DC变换器的发展具有巨大的推动作用,随着开关直流变换器技术即脉宽调制技术的实现,给双向DCDC变换器的发展带来了曙光。1994年,有一位著名的澳大利亚学者发表论文,总结出几种非隔离型双向DC-DC变换器拓扑结构,主要是在CM0S开关管上反向并联具有快速、低功耗的二极管,且在二极管上反并联CMOS开关管,从而构成非隔离方式的双向DC-DC变换器种类有:BUCK-B0OST变换器、BUCK/B0OST变换器、CUK变换器和SEPI-ZETA变换器2004年,由我国学者张方华博士对推挽正激移相式、级联式、正反激组合式双向DC-DC直流变换器做了深入的研究。提出∫很多新型的应川电路,研究∫其控制模型,采用PI补偿环节的单电压闭环实现了系统闭环稳定。双向DC-DC变换器的硏究是近年来开关电源技术研宄的一个热门话题。2006年梁永春博士探讨了由反激式并联输入、串联输出构成的反激逆变器,提出了种同步整流的控制方案,极大地简化了髙频链逆变器的控制,使得整流二极管的导通损耗大幅度降低,整个电源系统的效率提高到85.8%。1.4论文主要的研究内容要求:设计一种双向DC-DC变换器,实现电池组的充电、放电功能。系统结构如图2所示,电池组由5节18650型、容量2000~3000mAh的锂离子电池串联组成。所用电阻阻值误差的绝对值不大于5%辅助电源测控电路3BS1 Rs-5Q2电双向DCDC池变换电路组RL=302直流稳压电源图2电池储能装置结构框图1.基本要求接通S、S3,断开S2,将装詈设定为充电模式(1)U2=30V条件下,实现对电池恒流充电。保障充电时电流l在1~2A范围内能够步进可调,步进值应≤0.1A,电流的控制精度≥5%。(2)设定1=2A,调整直流稳压屯源输出电压,使U2在2436V范围内变化时,要求充电电流I的变化率不大于1%(3)设定l1=2A,在U2=30V条件下,变换器的效率n1≥90%(4)测量并显示充电电流,在I-1~2A范围内测量精度不低于2(5)具有过充保护功能:设定l1=2A,当U1超过阈值U=24±0.5V时,停止充电。2.发挥部分(1)断开S1、接通S2,将装置设定为放电模式,保持U2=30±0.5V,此时变换器效率n2≥95%(2)接通S1、S2’断开S3’调整直流稳压电源输出电压,使直流电源电4压U在32~38V范围内变化时,双向DC-DC变换器能够自动切换工作模式即可自动切换充放电模式并保持输出电压U2=30±0.5V。(3)在满足要求的前提下简化结构、减轻重量,使双向DC-DC变换器、测控电烙与辅助电澒三部分的总重量不大于500g。(4)其他第二章双向Dc-D变换器拓扑结构的研究2.1双向DCDc变换器的基本原理与类型2.1.1双向DC-DG变换器的基本原理双向DC-DC变换器是把育流电压转换成另一个数值的电压,它是由软件控制导通的CW0S开关管、储能电感、续流二极管、具有滤波作用的电容、负毂等构成的,通过具有滤波功能的负载电路和直流电压时而使开关管时而接通或者时而关断,仗得另一端即负载上得到另一个直流电压2.1.2D0DG变换器的类型目前,国内外将双向DCDC变换器的拓扑结构主要划分为非隔离式和隔离式两大类。非隔离型拓扑的主要有:BUCK降压式、 BOOST升压式、BUCK- BOOST升降压型等拓扑。非隔离型拓扑如图3所示。隔离型拓扑的主要有:止激、反激、推挽、半桥、全桥型变换器(1)隔离型变换DYYYCD(a)BUCK变换器拓扑(b) BOOST变换器拓扑DL(c)BUCK- BOOST变换器拓扑图3非隔离型变换器拓扑以最基木的BUCK降压式变换器和BO0ST升压式变换器为例,介绍其工作原理。BUCK降压式变换器:当CMOS开关管Q接通时,电源Vin通过电感L给电容C充电;当开关管断开时,电感L通过快速、低功耗二极管D续流,电压逐渐降低。此时,电容上的电流由正逐渐降为零,最后变成负向,进而使开关管又一次导通,使得电感上电流增加。其储能电感L上电流波形如下图4所示tImar1-min(a)BUCK电感电流连续时波形(b)BUCK电感电流断续时波形图4BUCK电感电流波形BO0ST升压式变换器:当开关管Q导通吋,电源向电感L储能,电感L电流增加,负载由电容C供电;当开关管Q关断时,电感电流减小,电感电势与输入电压叠加,迫使二极管D导通,一起向负载供电,并同时向电容C充电。其电感电流波形如图5所小7
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制造执行系统（MES）选型与实施指南
制造执行系统（MES）选型与实施指南,带详细目录，文档里面内容可复制。35.5石化行业MES应用案例.35.6小结6036汽车行业需求要点分析…,61361汽车行业生产管理特点362汽车行业合规性363汽车行业典型加工工艺路线一-以某乘用车企业为例..O5364汽车行业MES需求分析64365汽车行业MES应用案例.67366小结37机械行业需求要点分析…16937.1机械行业生产管理问题6937.2机械行业合规性.7237.3机械行业典型加工工艺路线一一以某阀门企业为例…37.4机械行业MES需求分析.……73375机械行业应用案例37.6小结4MES市场发展综述41中国MES市场活跃度分析…17842MES厂商分类………17843中国MES市场厂商分析…4.4中国MES市场主流厂商技术特点分析.45存在的问题及趋势.955MES应用实施分析…975.1概述9752MES系统的需求分析方法521MESs需求分析误区分析.995.2.2MES需求分析范例.53MES选型要点分析∴1065.31MEs选型流程.着着··,1065.32MES招标文件要点分析.108533MES技术评标要点分析…..:.:...::::::.1105.34MES合同签署要点分析1454MES系统实施要点分析.118541详细需求分析……118②542需求变更管理12254.3二次廾发管理.544上线前策划.124545项目验收6MES应用成熟度分析………1277MES典型案例分析…7.1MES助力闪迪实现严密地制造执行监控…13072MES打开DFAC的生产管理黑箱1367.3MES实现约克空调管控一体化.427.4乘“需"而入搭建个性MES平台(未确认)∴…14775MES华润双鹤质量与成本的平衡点(未确认)7.6三星MES案例160附录1MES相关名词解释附录2MES主流厂商、产品与解决方案介纲附2.1 Camstar mes解决方案介绍(木确认)162附2.2明基逐鹿MES解决方案介绍(确认)164附2.3速威MES解决方案介绍(确认66附2.4易往信息MES解决方案介绍(确认)…附2.5三星 SDS MES解决方案介绍(确认)附2.6罗克韦尔MEs解决方案介绍(未确认)172附27开目MES解决方案介绍(确认)174附2.8艾普工华MES解决方案介绍(确认)176附2.9大连华铁海兴MES解决方案介绍(确认)….附2.10西门子MES解决方案介绍(资料不全)…178附2.11灵蛙MES解决方案介绍(木确认)179绪论当前中囻制造企业正努力通过成木缩减、加强质量管理和投产周期的缩短等更加精细化的手段以提升企业竞争力。对于很多制造企业来说,虽然凵经应用了ERP、CRM、PLM等企业级管理软件,但生产制造过程仍然犹如〃箱”,对生产现场的管控能力十分薄弱车间管理者和企业管理人员不能实时、透明地了解生产线上的实际状况,虽然企业的ERP系统下达了生产计划,但是计划的有效执行却依然难以保证。4加工信息不能及时反馈,包括在制品加工信息和工位状态信息等车间在制品的收、发以及工序件的搬运明细无法统计,从而导致在制品库存积压,增加了库存资金占用。斗无法对产品质量指标进行在线检测、统计、显示,尚未建立产品质量追溯体系。无法收集与核算企业各生产工序的成本,通过对生产成本的控制,优化资金流,实时得到动态成本信息。难以实时地采集生产过程的相关信息,如进度信息、关键质量信息等,因此无法快速地对生产变动做出响应。无法对设备进行实时监控,防止设备突发故障车间工人的生产效率无法统计,人力成本无法准确掌握。到底牛产现场发生了什么?制造过程的“黑箱”已绎蒙住了管理层的眼睛,束缚了管理层的手脚长期的实践表明,信息化深化应用是制造企业实现自主创新和转型升级必要支撑。制造业信息化是一个长期的过程,经历了从单元应用、部门应用到企业级应用的过程。很多企业的生产车间虽然实现了自动化和规范管理,但是还缺乏信息系统的支撑,导致ERP应用过程中,生广计划下达之后的执行情况不能及时反馈,使ERP应用难以真正实现对企业的实时管控,也难以实现对生产过程的追溯。同吋,由于缺乏信息化应用系统,车间的⊥人、设各物料等资源还不能合理的调度,导致车间的生产效率不高,生产质量也得不到根木保障。在这种背景下,制造执行系统( Manufacturing Execution System,MES)邀渐成为广大制造企业关注的热点。总的来说,MES系统能在以下方面提升企业的管理水平透明化生产:通过实时的数据采集,及时了解车间的生产情况以及质量状况,将生产计划的执行及时反馈给ERP,打开生产过程中的黑箱。敏捷性生产:掌控所有的生产资源,包括设备、人员、物料信息等,能快速应对生产现场紧急状况,对生产作业计划进行调整并合理调度保让生产顺利进行。生产可追溯:建立完整的生产数据档案,形成全面的正反向追溯体系,界定责任减少召回损失。4生产质量改善:实时采集生产过程中的质量数据,关注事中控制,事后分析,从而持续改善产品质量及时预警:自定义各项生产指标,实时监控指标执行情况,以邮件、短信、看板等多种方式实时主动知会生产中的异常状况,提前发现、及时处理、减少损失。绩效分析:对生产绩效、人员绩效、设备绩效进行分析,为车间、工厂乃至整个集团绩效的改善提供依据。e- works research的研究衣明,中国制造企业对MES需求迫切,但存在盲从的状況;供应商热情很高,概念层出,版木不断,同时进入及准备进入该领域的供应商跃跃欲试,良莠不齐,目前的中国MES市场与2000年前后ERP领域概念满天飞的乱象有些类似。形成目前MES热潮的原因主要有:1.ER在广泛应用的过程中,应用效果并未达到 Gartner给出的ERP原始定义的广度和深度。很多企业用MES完成ERP“未尽的事业”。2.行法规的追溯要求促进了MES系统的广泛应用。3.制造企业广泛采取两级计划体制。车间需要制定详细的作业计划,并付诸实施。4.流程行业信息化的五级模型,确立了MES的地位。5.制造企业精细化管理的需求,管理的粒度更细。MES系统具有很强的行业特性。不同行业、不同生产模式的企业,对于MES的需求有极大的差异。因此,热溯之下,制造企业更应冷静思考如何进行MES的选型与实施,有效规避风险,确保MES应用取得应有效果e- works research的研究表明,企业在MES实施及应用过程中不可避免地面临以下问题需求不清:由于对MES的理解有限,导致对于MES的需求难以准确把握,或需求含糊;希望过高:认为MES是万灵药,能解决之前其他系统实施吋遗留的难题,如信息及时反馈、质量管理、高纵计划排程等,但理想与现实存在较大差距边界不清:MES在功能上与其他信息系统在功能上有一些重叠,如何让芥定不同系统之间的边界?MES又该如何与下、上层系统之间得到集成?重点含糊:MES有11个标准模块,哪些模块是关键,实旌先后如何?士个性淹没:牛产模式的个性决定了MES需求的个性,呈现很强的行业特点。如何在不失先进性的同时有效把握自身的个性化需求?选型难定:面对众多的MES不同的解决方案,企业如何拨开迷雾,进行科学选型?准备不足:MES是需要大量的基础数据来支撑的,而且很多数据是需要从前期的信息系统中获得,由于准备不足,随着MES实施的深入,相关问题集中爆发。评估缺失:蚀乏合理的、科学的MES的应用评估体系,价值难以凸显,持续深化应用乏力些MEs供应商虽然对MES的相关理论及自身产品非常熟悉,但是对制造企业的真正需求缺乏理解和分析。销售人员为了获得订单,盲目承诺满足企业的功能需求,导致实施过程中才发现系统满足不了客户的需求,需要进行大量二次开发,增加了实施成本。述问题成为企业实施和应用MES的难题,甚至直接导致了个业MES项目流产总之,虽然MES的应用热潮已经来临,但对于广大的中国制造企业而言MES还处于刚刚起步阶段,很多企业还处于概念理解、需求认知和应用摸索阶段。为此,e- works research积聚业内专家资源、深入了解企业需求、洞察主流供应商技术发展趋势的基础上,站在中立、客观、全面的角度,发布《制造执行系统(MES)选型与实施指南》,有效地帮助制造企业全面了解MES技术与发展现状,推进MES在制造企业的顺利实施和成功应用。本《指南》的内容和结构划分为:第1章MES的定义与发展。正本清源,介绍MES的定义与MES的背景和发展历程,阐述 e-works research对MES的理解。第2章企业对MES系统的功能需求。本章阐述MES系统应该具各的基本性能和核心功能,并综述了不同行业间的MES应用差别。第3章典型行业MES需求要点。不同行业、不同企业对MES的功能需求有很大的不同,本章挑选了电子、食品饮料、钢铁、石化、汽车和机械,六个有代表型的行业,分析每个行业的MES个性化需求。第4章MES市场发展综述。本章详细了中国MEs市场的发展情况,对市场中的厂商进行了分类,并分析了主流厂商的技术特点。第5章MES应用实施分析。本章详述企业在进行MES实施时应注意的问题,包括明确项目范围、形成项目团队、确定项目需求、合理选择供应商、有计划组织实施及实施上线后的定期评估及持续优化等环节。第6章MES应用成熟度分析。本章介绍了MES深化应用五级戊熟度模型,每个级别MES应用应达到的效果。第7章MES典型案例分析。木章选取了有代表性的6个MES应用案例,为不同行业的企业实施MES提供实例参考。附录1MES相关名词解释。常用的MES名词解释附录2MES主流厂商、产品与解决方案介绍。介绍了国内外主流的MES产品和解决方案1MES的定义与发展1MES的发展历程从20世纪70年代后半期开始,就已经出现了一些解决单一问题的车间管理系统,如设各状态监控系统、质量管理系统,以及涵盖生产进度跟踪、生产统计等功能的生产管理系统。各个企业引入的只是单一功能的软件产品或系统,而不是整体的车间管理解决方案。1990年11月,AMR( Advanced Manufacturing research)明确提出MES概念。AMR提出三层结构的信息化体系结构,将位于计划层和控制层之间的执行层叫做MES,确立了MES的地位。此后,SA( The Instrumentation Systems and Automation Society,仪表、系统和自动化协会)描述了MES模型,包括了工厂管理(资源管理、调度管理、维护管理)、工厂工艺设计(文档管坦、标准管理、过程优化)、过程管理(回路监督控制、数据采集)和质量管理(sQC-统计质量管理、LIMS-实验室信息管珄系统)4个主要功能,并由实时数据库支持。在20世纪90年代初期,MES的重点是生产现场的信息整合。MESA( Manufacturing Execution System Association,制造执行系统协会)于1997年提岀了MESs功能组件和集成模型,该模型包括11个功能模块。这一时期,大量的硏究机构、政府组织参与了MES的标准化工作,进行相关标准、模型的研究和开发,其中涉及分有对象技术、集成技术、平台技术、互操作技术和即插即用等技术进入2000年后,MES作为信息化应用的重要组成部分得到了市场的广泛关注,MES领域的并购十分活跃,越来越多的北美和欧洲MES软件厂商进入中国,中国本土不少自动化厂商,以及PLM和ERP软件厂商也开始进入MES市场。随着企业加强精细化管理,以及面临着越来越严格的质量追溯和管控需求,越来越多的大中型制造企业开始重视MES的应用,并丌始进行MES选型与实施,并在MES应用和集成方面取得显著成效。国际主流MES丿商在推广MES的过程中,进一步提出了制造运行管理(MOM)以及制造智能(M)等新理念,赋予了MES更加丰富的内涵。各大厂商通过技术的革新搭建了基于SOA架构的软件平台,并在数据库、应用技术、系统功能、可配置性等方面都有重要的突破12MES的定义国外不同的组织和研究机构形成了很多MES的理论和体系,包括MES的定义、定位模坦、功能模型、数据流模型,甚至实施方法模型,但是并没有统-ε比较著名的有以卜几个:1、AMR对MES的定义美国先进制造研究机构AMR将MES定义为“位于上层计划管理系统与底层⊥业控制之间的、面向车间层的管理信息系统〃,为操作人员、管理人炅提供计划的执行、跟踪以及所有资源(人、设备、物料、客户需求等方面)的当前状态。AMR提山了决策层、执行层和控制层的企业信息集成三层业务模型:第层决策层(ERP)主要为企业提供全面管理决策;第二层执行层(MES)主要负责车间缴的协调、跟踪、发现并监控相关趋勢;第三层控制层(SFC)直接负责工)生产控制的环节2、MESA对MES的定义制造执行系统协会MESA对MES的定义为MES能通过信息传递,对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。当工厂里有实时事件发生时,MES能对此及时做出反应、报告,并利用当前的准确数据对他们进行指导和处理。这种对状态变化的迅速响应使得MES能够减少内部没有附加值的活动,有效的指导工厂的产运作过稈,从而使其既能提高工厂及时交货能丿、改善物料的流通性能,又能提高牛产回报率。MES还通过双向的直接通讯在企业内部和整个产品供应链中提供有关产品行为的关键任务信息。MESA对MES的定义强调了以下三点:(1)MES是对整个车间制造过程的优化,而不是单一解决某个生产瓶颈。(2)MES必须提供实时收集生产过程数据的功能,并做出相应的分析和处理(3)MES需要与计划层和控制层进行信息交互,通过企业的连续信息流来实现企业信息集成。3、ISA对MES的定义关国标准化组织(ISA)从1997年启动编制《SA95企业控制系统集成标准》,其日的
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