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标题: 嵌入式全栈计划思路：STM32G4+ChibiOS+FreeRTOS+PID控制+PFC算法构建高效智 [打印本页]
作者: 南飓风    时间: 2024-7-17 05:36
标题: 嵌入式全栈计划思路：STM32G4+ChibiOS+FreeRTOS+PID控制+PFC算法构建高效智
智能电源管理系统是一个基于STM32G4微控制器的高性能数字电源控制解决方案。本项目旨在计划一个功能全面、高效稳定的电源管理系统,可广泛应用于工业控制、新能源、通信设备等范畴。
1.1 系统主要特点

1.2 技术栈概览


2. 系统计划

2.1 硬件计划

系统硬件架构如下：

 
2.1.1 核心控制器

选用STM32G474RE,其主要特性包括：

2.1.2 电源转换电路

采用同步整流Buck/Boost拓扑，主要组件：

Buck/Boost拓扑答应系统在输入电压高于或低于输出电压时都能正常工作，提高了系统的顺应性。同步整流技术显著提高了转换服从，特别是在高电流输出时。
2.1.3 电流检测

采用Texas Instruments的INA226高精度电流检测芯片：

将INA226与一个10mΩ精密分流电阻配合使用，可以实现高达±8.192A的电流测量范围。
2.1.4 通信接口

2.1.5 人机界面


2.1.6 数据存储

采用Winbond W25Q64JVSSIQ 8MB SPI Flash：

2.1.7 温度监测

使用MAX31855KASA+热电偶数字转换器：

2.2 软件计划

软件架构采用分层计划，如下图所示：

 
2.2.1 操纵系统

采用ChibiOS/RT 21.11.1实时操纵系统：

2.2.2 主要软件模块

2.2.3 使命分别

使命名称优先级周期功能形貌controlTask高100μs电源控制算法执行adcTask高200μsADC数据采集和处置惩罚protectionTask高1ms系统保护查抄communicationTask中10ms通信协议处置惩罚uiTask低50ms用户界面更新dataLogTask低1s数据记录到Flash 2.2.4 关键算法实现

2.2.4.1 PID控制算法

PID（比例-积分-微分）控制是电源管理系统中最核心的算法之一，用于精确控制输出电压和电流。
  1. typedef struct {
  2.     float Kp, Ki, Kd;           // PID参数
  3.     float error_sum, last_error; // 积分误差和上一次误差
  4.     float output_min, output_max; // 输出限幅
  5. } PID_Controller;
  7. float PID_Update(PID_Controller* pid, float setpoint, float measurement) {
  8.     float error = setpoint - measurement;
  9.    
  10.     // 比例项
  11.     float P = pid->Kp * error;
  12.    
  13.     // 积分项（带积分限幅）
  14.     pid->error_sum += error;
  15.     pid->error_sum = CLAMP(pid->error_sum, -10.0f, 10.0f);
  16.     float I = pid->Ki * pid->error_sum;
  17.    
  18.     // 微分项
  19.     float D = pid->Kd * (error - pid->last_error);
  20.     pid->last_error = error;
  21.    
  22.     // 计算输出
  23.     float output = P + I + D;
  24.    
  25.     // 输出限幅
  26.     output = CLAMP(output, pid->output_min, pid->output_max);
  27.    
  28.     return output;
  29. }
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说明：

2.2.4.2 自顺应PID参数调整

为了应对差别负载条件，我们实现了一个简单的自顺应PID参数调整算法。
  1. void PID_Adapt(PID_Controller* pid, float error) {
  2.     float abs_error = fabs(error);
  3.     if (abs_error > 5.0f) {
  4.         pid->Kp *= 1.1f;  // 误差大时增大Kp
  5.     } else if (abs_error < 1.0f) {
  6.         pid->Kp *= 0.9f;  // 误差小时减小Kp
  7.     }
  8.     pid->Kp = CLAMP(pid->Kp, 0.1f, 10.0f);  // 限制Kp的范围
  9. }
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说明：

2.2.4.3 软启动算法

软启动算法用于在系统启动时缓慢增长输出电压，制止突然的电流打击。
  1. typedef struct {
  2.     float target_voltage;       // 目标电压
  3.     float current_voltage;      // 当前电压
  4.     float ramp_rate;            // 斜率 (V/s)
  5.     uint32_t last_update_time;  // 上次更新时间
  6. } SoftStart;
  8. void SoftStart_Init(SoftStart* ss, float target, float rate) {
  9.     ss->target_voltage = target;
  10.     ss->current_voltage = 0.0f;
  11.     ss->ramp_rate = rate;
  12.     ss->last_update_time = HAL_GetTick();
  13. }
  15. float SoftStart_Update(SoftStart* ss) {
  16.     uint32_t now = HAL_GetTick();
  17.     float elapsed_time = (now - ss->last_update_time) / 1000.0f;
  18.     ss->last_update_time = now;
  20.     ss->current_voltage += ss->ramp_rate * elapsed_time;
  21.     if (ss->current_voltage >= ss->target_voltage) {
  22.         ss->current_voltage = ss->target_voltage;
  23.         return -1.0f;  // 软启动完成
  24.     }
  25.     return ss->current_voltage;
  26. }
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说明：
使用这个软启动算法可以实现电压的平滑上升，淘汰启动时的浪涌电流，保护电源和负载。在实际应用中，可以将这个算法集成到主控制循环中，在系统启动或重启时调用。
2.2.4.4 动态功率因数校正 (PFC) 算法

动态功率因数校正算法用于改善电源的功率因数，提高能源利用服从。

  1. typedef struct {
  2.     float voltage_rms;   // 电压有效值
  3.     float current_rms;   // 电流有效值
  4.     float power_factor;  // 当前功率因数
  5.     float target_pf;     // 目标功率因数
  6.     float duty_cycle;    // PWM占空比
  7. } PFC_Controller;
  9. void PFC_Update(PFC_Controller* pfc, float voltage, float current) {
  10.     // 更新RMS值（使用简化的移动平均法）
  11.     pfc->voltage_rms = (pfc->voltage_rms * 0.9f) + (fabsf(voltage) * 0.1f);
  12.     pfc->current_rms = (pfc->current_rms * 0.9f) + (fabsf(current) * 0.1f);
  13.    
  14.     // 计算功率因数（简化计算，假设电压和电流同相位）
  15.     float apparent_power = pfc->voltage_rms * pfc->current_rms;
  16.     float active_power = voltage * current;
  17.     pfc->power_factor = active_power / apparent_power;
  18.    
  19.     // 调整PWM占空比以改善功率因数
  20.     float pf_error = pfc->target_pf - pfc->power_factor;
  21.     pfc->duty_cycle += pf_error * 0.01f;  // 简单的比例调节
  22.    
  23.     // 限制占空比在有效范围内
  24.     pfc->duty_cycle = CLAMP(pfc->duty_cycle, 0.1f, 0.9f);
  25. }
  27. float PFC_GetDutyCycle(PFC_Controller* pfc) {
  28.     return pfc->duty_cycle;
  29. }
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说明：
使用说明：

留意事项：
改进建议：
示例代码扩展：
  1. // 添加相位检测功能
  2. void PFC_DetectPhase(PFC_Controller* pfc, float voltage, float current) {
  3.     // 使用零交叉检测或其他方法检测相位
  4.     // 这里仅为示意，实际实现可能更复杂
  5.     static float last_voltage = 0;
  6.     if (voltage >= 0 && last_voltage < 0) {
  7.         // 电压零交叉点
  8.         pfc->voltage_phase = 0;
  9.     }
  10.     if (current >= 0 && pfc->last_current < 0) {
  11.         // 电流零交叉点，计算相对于电压的相位差
  12.         pfc->current_phase = (HAL_GetTick() - pfc->last_voltage_zero) / (1000.0f / 50.0f) * 360.0f;
  13.     }
  14.     last_voltage = voltage;
  15.     pfc->last_current = current;
  16. }
  18. // 更精确的功率因数计算
  19. float PFC_CalculatePowerFactor(PFC_Controller* pfc) {
  20.     return cosf(pfc->current_phase * PI / 180.0f);
  21. }
  23. // 添加到主更新函数
  24. void PFC_Update(PFC_Controller* pfc, float voltage, float current) {
  25.     PFC_DetectPhase(pfc, voltage, current);
  26.     // ... 其他更新逻辑 ...
  27.     pfc->power_factor = PFC_CalculatePowerFactor(pfc);
  28.     // ... 继续原有的控制逻辑 ...
  29. }
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3. 系统集成

3.1 硬件集成

3.2 软件集成

3.3 固件更新机制

实现基于CAN总线或RS485的在线固件更新功能：
  1. typedef struct {
  2.     uint32_t firmware_version;
  3.     uint32_t firmware_size;
  4.     uint32_t crc32;
  5. } FirmwareHeader;
  7. bool UpdateFirmware(uint8_t* new_firmware, uint32_t size) {
  8.     FirmwareHeader* header = (FirmwareHeader*)new_firmware;
  9.    
  10.     // 验证固件
  11.     if (CalculateCRC32(new_firmware + sizeof(FirmwareHeader), size - sizeof(FirmwareHeader)) != header->crc32) {
  12.         return false;
  13.     }
  14.    
  15.     // 擦除Flash
  16.     FLASH_Erase(FIRMWARE_START_ADDRESS, header->firmware_size);
  17.    
  18.     // 写入新固件
  19.     FLASH_Write(FIRMWARE_START_ADDRESS, new_firmware + sizeof(FirmwareHeader), header->firmware_size);
  20.    
  21.     // 验证写入
  22.     if (memcmp((void*)FIRMWARE_START_ADDRESS, new_firmware + sizeof(FirmwareHeader), header->firmware_size) != 0) {
  23.         return false;
  24.     }
  25.    
  26.     // 更新启动标志
  27.     UpdateBootFlag(header->firmware_version);
  28.    
  29.     return true;
  30. }
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4. 测试与验证

4.1 单元测试

使用Unity测试框架对关键模块进行单元测试：
  1. void test_PID_controller(void) {
  2.     PID_Controller pid = {1.0f, 0.1f, 0.01f, 0, 0, -100, 100};
  3.     TEST_ASSERT_FLOAT_WITHIN(0.1f, 50.0f, PID_Update(&pid, 100, 50));
  4.     TEST_ASSERT_FLOAT_WITHIN(0.1f, 25.0f, PID_Update(&pid, 100, 75));
  5. }
  7. void test_soft_start(void) {
  8.     SoftStart ss;
  9.     SoftStart_Init(&ss, 12.0f, 1.0f);
  10.     TEST_ASSERT_FLOAT_WITHIN(0.1f, 1.0f, SoftStart_Update(&ss));
  11.     // Simulate 1 second passing
  12.     ss.last_update_time -= 1000;
  13.     TEST_ASSERT_FLOAT_WITHIN(0.1f, 2.0f, SoftStart_Update(&ss));
  14. }
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4.2 集成测试

测试用例示例：
  1. void test_full_system_startup(void) {
  2.     // 模拟系统启动
  3.     SystemInit();
  4.    
  5.     // 验证软启动
  6.     TEST_ASSERT_TRUE(WaitForVoltageStable(12.0f, 5000));  // 等待电压稳定在12V，超时5秒
  7.    
  8.     // 验证PFC功能
  9.     TEST_ASSERT_FLOAT_WITHIN(0.05f, 0.98f, GetPowerFactor());  // 功率因数应该接近1
  10.    
  11.     // 验证通信功能
  12.     TEST_ASSERT_TRUE(TestCANComm());
  13.     TEST_ASSERT_TRUE(TestModbusComm());
  14. }
  16. void test_load_transient_response(void) {
  17.     // 设置初始负载
  18.     SetLoad(5.0f);  // 5A负载
  19.    
  20.     // 等待系统稳定
  21.     Delay(1000);
  22.    
  23.     // 突然增加负载
  24.     SetLoad(10.0f);  // 增加到10A
  25.    
  26.     // 检查电压恢复时间
  27.     uint32_t recovery_time = MeasureVoltageRecoveryTime(11.5f, 12.5f);
  28.     TEST_ASSERT_LESS_THAN(500, recovery_time);  // 恢复时间应小于500ms
  29. }
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4.3 EMC/EMI 测试

5. 项目总结

本智能电源管理系统项目乐成实现了以下目标：

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