摘要：為了提高電源的輸出電壓精度和減小負(fù)載調(diào)整率，采用STM32單片機(jī)作為控制核心設(shè)計(jì)數(shù)控可調(diào)電源.硬件包括主電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、檢測(cè)電路、輔助電源電路、液晶顯示電路和保護(hù)電路.單片機(jī)通過(guò)檢測(cè)電路采集輸出電壓和電流信號(hào)，采用模糊自適應(yīng)PID和PWM算法控制輸出電壓達(dá)到期望值并趨于穩(wěn)定.實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示：本數(shù)控電源空載輸出電壓精度達(dá)99.4%，負(fù)載輸出電壓精度為98%，且具有輸出電壓雙向可調(diào)、步進(jìn)幅度可設(shè)置、實(shí)時(shí)顯示和保護(hù)等功能.

關(guān)鍵詞：STM32；可調(diào)直流電源；模糊自適應(yīng)PID；數(shù)控

中圖分類號(hào)：TN86；TP368.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Design of Numerical Control Adjustable DC Power Supply Based on STM32

DAI Wen－jun， HU Yan－li， KAN Xu－yue

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Huainan Normal University， Huainan 232038， Anhui， China）

Abstract：In order to improve the output voltage accuracy of the power supply and reduce the load adjustment rate， STM32 single chip microcomputer is used as the control core to design the NC adjustable power supply. The hardware includes main circuit， drive circuit， control circuit， detection circuit， auxiliary power circuit， liquid crystal display circuit and protection circuit. The single chip microcomputer collects the output voltage and current signal through the detection circuit， and uses fuzzy adaptive PID and PWM algorithms to control the output voltage to reach the expected value and tends to be stable. The experimental results show that the precision of no－load output voltage is 99.4%， the precision of load output voltage is 98%. It has the functions of bidirectional adjustable output voltage， adjustable step amplitude， real－time display and protection.

電源是各種電子設(shè)備必不可少的組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)設(shè)備的安全性與可靠性指標(biāo).隨著科技的發(fā)展，各種先進(jìn)設(shè)備已經(jīng)普及到生產(chǎn)、生活和科研等各個(gè)領(lǐng)域，也對(duì)電源的精度和性能有了更高的要求，因此，許多設(shè)備逐漸采用高精度的數(shù)控電源，比如在電力通信領(lǐng)域，通信電源是各種電力數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制等終端設(shè)備的能源保障[1－2]；UPS電源在軌道交通領(lǐng)域的作用是保障列車運(yùn)行的信號(hào)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定和可持續(xù)工作[3－4].

數(shù)控直流電源的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)主要集中在控制芯片、電源變換原理等方面.在控制芯片方面，大部分采用基于馮諾依曼結(jié)構(gòu)的8051系列單片機(jī).文獻(xiàn)[5－6]采用ATMEL公司的51系列單片機(jī)，文獻(xiàn)[7－8]采用中國(guó)宏晶科技公司的51系列單片機(jī)，文獻(xiàn)[9]采用意法半導(dǎo)體公司STM8單片機(jī)，文獻(xiàn)[10]采用ATMEL公司的AVR單片機(jī).上述控制芯片均為8位元的單片機(jī)，屬于入門級(jí)控制芯片，在數(shù)據(jù)處理方面，精度有限.所以一些ARM芯片和數(shù)字信號(hào)處理器被應(yīng)用到數(shù)控電源的設(shè)計(jì)中.文獻(xiàn)[11]所設(shè)計(jì)的便攜式數(shù)控直流電源采用基于ARM Cortex內(nèi)核的STM32控制器，其在電源設(shè)計(jì)中可以采用更優(yōu)的控制技術(shù)，發(fā)揮更高的性能.在電源變換原理方面，主要分為D/A轉(zhuǎn)換芯片和電力電子變換電路兩大類[5－6，8，10－11].經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成模擬量，再通過(guò)集成運(yùn)算放大器構(gòu)成調(diào)理電路產(chǎn)生直流電壓，采用獨(dú)立按鍵調(diào)整單片機(jī)數(shù)字量值從而調(diào)節(jié)電壓的輸出值.這種變換方法一般是對(duì)于電壓固定的直流電源進(jìn)行變換，產(chǎn)生可調(diào)的電壓值，且輸出范圍比較小，功率取決于提供的直流電源，控制方式一般采用開(kāi)環(huán)控制，不能做到動(dòng)態(tài)調(diào)整，精度較低.文獻(xiàn)[9，12－13]采用的是基于電力電子開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成的變換電路，一般采用AC－DC－DC變換方式，將輸入的工頻50 Hz的220 V的交流電源進(jìn)行整流（AC－DC變換），在經(jīng)過(guò)變換電路（DC－DC）實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié).這種電源變換需要根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)的輸出實(shí)際電壓與設(shè)定值的誤差調(diào)節(jié)控制變換電路開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通和關(guān)段的控制脈沖.這種方法稱為脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM），屬于閉環(huán)控制，精度較高，可實(shí)現(xiàn)大功率輸出.

根據(jù)以上文獻(xiàn)綜述，本文基于高性能單片機(jī)STM32和電力電子器件實(shí)現(xiàn)數(shù)控可調(diào)電源的硬件電路設(shè)計(jì)；基于模糊自適應(yīng)PID控制算法和PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)和減小輸出電壓誤差，提高精度.

1電源電路硬件設(shè)計(jì)

1.1電源電路結(jié)構(gòu)

本電源將電壓值220 V、頻率50 Hz的輸入交流電通過(guò)變壓器轉(zhuǎn)換為同頻率的26 V交流電，再通過(guò)整流橋和濾波電容器獲得36 V直流電（AC－DC）.經(jīng)直流調(diào)壓電路按照設(shè)定值控制輸出（DC－DC），采用OLED液晶顯示屏，實(shí)時(shí)顯示電壓設(shè)定值、輸出值和電流值.電源硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1中，檢測(cè)電路采用串聯(lián)分壓的方式采集電壓，采用1 Ω電阻作為采樣電阻，檢測(cè)電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，利用單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換功能，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)輸出電壓和電流的功能.工作電源電路通過(guò)三端穩(wěn)壓芯片78L05將12 V的輸入電源經(jīng)過(guò)渡為5 V輸出，再經(jīng)AMS1117低壓降穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)為3.3 V給單片機(jī)供電，同時(shí)12 V的輸入電源也為直流調(diào)壓電路的開(kāi)關(guān)管控提供驅(qū)動(dòng)電壓.

1.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路的原理如圖2所示.當(dāng)STM32單片機(jī)控制電路產(chǎn)生的PWM信號(hào)的3.3 V高電平[JP2]進(jìn)入驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路輸出15 V的電壓給NMOS的柵極，使NMOS導(dǎo)通；當(dāng)STM32單片機(jī)控制電路產(chǎn)生的PWM信號(hào)的0 V低電平進(jìn)入驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路輸出-7 V的電壓給NMOS的柵極，使NMOS關(guān)斷.PWM1和PWM2分別接STM32單片機(jī)的PA7和PC6端口.

1.3直流調(diào)壓電路設(shè)計(jì)

直流調(diào)壓電路采用半橋電路，如圖3所示.整流電路輸出的36 V直流電壓接入主電路中，通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片IR2101S輸出信號(hào)控制型號(hào)為IRF640的NMOS管的導(dǎo)通與關(guān)斷.當(dāng)IRF640柵極為高電平時(shí)導(dǎo)通，低電平時(shí)關(guān)斷.同時(shí)設(shè)計(jì)了輸出電壓LC濾波電路，保證輸出電壓無(wú)雜波影響.

1.4故障保護(hù)電路設(shè)計(jì)

保護(hù)電路如圖4所示，主要針對(duì)欠壓、過(guò)壓及過(guò)流等故障現(xiàn)象對(duì)主電路進(jìn)行保護(hù).當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，故障保護(hù)電路會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低電平，STM32對(duì)應(yīng)的外部中斷引腳的高電平被拉低，觸發(fā)中斷信號(hào)，STM32將進(jìn)入中斷保護(hù)程序.在中斷保護(hù)程序中，PWM信號(hào)的輸出被關(guān)閉，PWM輸出設(shè)置變?yōu)楦咦钁B(tài)并保持低電平，IGBT功率器件將處于關(guān)閉狀態(tài)，保護(hù)三極管處于斷開(kāi)狀態(tài)，主電路將會(huì)一直被及時(shí)有效保護(hù).硬件自動(dòng)完成整個(gè)故障保護(hù)觸發(fā)過(guò)程，能快速準(zhǔn)確地應(yīng)對(duì)和處理各種故障狀態(tài).

根據(jù)原理圖繪制PCB，通過(guò)制板焊接完成數(shù)控電源如圖5所示.

2控制策略

將設(shè)定電壓值與檢測(cè)到的實(shí)際電壓值之間的偏差及偏差的變化值輸入到模糊自適應(yīng)PID控制器獲取PWM信號(hào)的占空比值，然后動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)PWM信號(hào)控制DC－DC變換電路開(kāi)關(guān)的通斷，實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié).控制策略結(jié)構(gòu)如圖6所示.

模糊自適應(yīng)PID控制算法的表達(dá)式可表示為[14]：

3測(cè)試結(jié)果與分析

3.1空載輸出電壓測(cè)試

將數(shù)字萬(wàn)用表接在輸出端口兩側(cè)，測(cè)量電路實(shí)際輸出電壓，觀察電路輸出電壓大小與預(yù)期值是否符合.共進(jìn)行了3次空載試驗(yàn).各試驗(yàn)的電壓范圍為5 V～30 V，設(shè)定電壓調(diào)整步長(zhǎng)為1 V.詳細(xì)的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所列.測(cè)試1的11 V設(shè)定值、測(cè)試2的20 V設(shè)定值和測(cè)試3的26 V和30 V設(shè)定值的測(cè)試結(jié)果如圖8所示.

表1所列的測(cè)試數(shù)據(jù)中，實(shí)際輸出電壓值與期望值之間的絕對(duì)誤差最小值為0.01 V，最大值為0.17 V.根據(jù)表中的數(shù)據(jù)計(jì)算每個(gè)輸出電壓的平均絕對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差，繪制兩類誤差曲線，如圖9和圖10所示，并對(duì)誤差曲線進(jìn)行線性回歸統(tǒng)計(jì).

圖9的誤差曲線顯示，電壓的絕對(duì)誤差隨輸出電壓值的增加而增大.根據(jù)圖10所示的相對(duì)誤差曲線，該電源的相對(duì)誤差在0.3%～0.6%之間，精度較高.

3.2負(fù)載輸出電壓測(cè)試

將直流電動(dòng)機(jī)作為負(fù)載連接到輸出端口，用數(shù)字萬(wàn)用表與直流電動(dòng)機(jī)并聯(lián)測(cè)量輸出的實(shí)際電壓值，觀察電源的輸出電壓是否與負(fù)載的期望值一致.測(cè)試數(shù)據(jù)采集結(jié)果如表2所列.設(shè)定電壓為5 V和8 V來(lái)測(cè)量電壓和電流，測(cè)試結(jié)果如圖11所示.

根據(jù)表2所示的負(fù)載測(cè)試數(shù)據(jù)，當(dāng)負(fù)載輸出電壓在5 V～10 V之間時(shí)，絕對(duì)誤差為0.05 V～0.15 V，相對(duì)誤差小于2%.表1中的空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)空載輸出電壓在5 V～10 V之間時(shí)，絕對(duì)誤差為0.01 V～0.14 V.對(duì)比表明，負(fù)載電壓誤差大于空載電壓誤差，這是由于電路中負(fù)載電流增加造成的電壓降，屬于一種正?，F(xiàn)象.負(fù)載下輸出電壓的相對(duì)誤差小于2%，說(shuō)明負(fù)載調(diào)整率較小，精度較高.

4結(jié)論

本文采用STM32單片機(jī)為主控芯片，設(shè)計(jì)了包括主電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、檢測(cè)電路、輔助電源電路、液晶顯示電路和保護(hù)電路的數(shù)控電源硬件電路.單片機(jī)通過(guò)檢測(cè)電路采集輸出電壓和電流信號(hào)構(gòu)成閉環(huán)控制，采用模糊自適應(yīng)PID和PWM算法的調(diào)節(jié)控制提高了輸出電壓的精度，且具有輸出電壓雙向可調(diào)、步進(jìn)幅度可設(shè)置、實(shí)時(shí)顯示和保護(hù)等功能，可以為各種工作電壓的精密直流電器提供工作電源.

參考文獻(xiàn)：

[1]陳麗娟.變電站通信電源綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].光源與照明，2022（11）：134－136.

[2] 周榮嫻.電力通信機(jī)房中智能通信電源實(shí)施與應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2022（21）：99－102.

[3] 王穎，李新，馮前進(jìn)，等.城市軌道交通信號(hào)UPS電源系統(tǒng)優(yōu)化配置方案[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2022，19（8）：62－67.

[4] 黃俊.地鐵車站UPS電源整合方式和容量確定[J].智能城市，2022，8（11）：49－51.

[5] 吳彤，孫廣輝.基于AT89S52的數(shù)控直流電源設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試，2021（13）：37－39.

[6] 胡城瑜.探析單片機(jī)的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)試2017（3）：13－14.

[7] 鐘成，池尚霏.基于單片機(jī)的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代信息科技，2019，03（3）：38－40.

[8] 胡維慶，顏建軍，劉哲緯.數(shù)控式直流電源設(shè)計(jì)[J].價(jià)值工程，2015，24（15）：70－72.

[9] 程習(xí)敏，劉華.數(shù)控直流電源設(shè)計(jì)[J].技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用，2018（27）：40－41.

[10] 張麗.精密數(shù)控直流電源的設(shè)計(jì)[J].電子世界，2016（21）：63－64.

[11] 張紅賓，李曉晨，趙二剛，等.基于STM32的便攜式數(shù)控直流電源設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2019，22（3）：53－56.

[12] 王瑜.數(shù)控可調(diào)不間斷直流電源設(shè)計(jì)[D].蕪湖：安徽工程大學(xué)，2017.

[13] 岑祺.基于多功能雙向直流變換的零碳模塊化電源[J].電信快報(bào)，2023（1）：24－29.

[14] 戴文俊，范鵬飛，凌有鑄，等.模糊自適應(yīng)PID控制器在無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].安徽工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，27（1）：64－67.

［責(zé)任編輯：李嵐］