基于STM32的数控DC-DC供电系统设计

最新推荐文章于 2025-09-09 21:47:55 发布

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#stm32 #嵌入式硬件 #单片机

1. 引言

随着电子设备对供电精度和稳定性的要求日益提高，数控DC-DC变换器成为了重要的电源管理方案。数控DC-DC供电系统可以通过数字信号精确调节输出电压或电流，从而满足不同应用的需求。基于STM32的数控DC-DC供电系统不仅可以实现高效的电源转换，还能通过数字控制提高系统的智能化和可调性。

2. 系统设计

硬件设计

本系统的主要硬件模块包括：

主控芯片：STM32F103系列单片机，作为系统的核心，负责处理控制信号、反馈信号以及系统通信。
DC-DC变换器模块：采用常见的降压型DC-DC变换器（如LM2596、TPS54060等），负责将输入电压转换为所需的稳定输出电压。
数字控制接口：使用PWM信号控制DC-DC变换器的占空比，从而调节输出电压。
反馈模块：利用反馈电压或电流信号，实时监测输出电压或电流，并将反馈信号输入STM32进行调整。
显示模块：通过LCD或OLED显示模块显示当前的输出电压和电流值。
用户输入模块：通过旋转编码器、按键或触摸屏输入用户的设置要求。

软件设计

软件设计主要包括以下几个部分：

控制信号生成：根据用户输入或预设条件，生成PWM信号控制DC-DC变换器，调节输出电压或电流。
反馈控制算法：通过采样反馈信号，调整控制信号以稳定输出电压或电流。
用户接口：提供用户界面，允许用户调节输出电压、电流或开关系统。
显示控制：在显示模块上实时更新当前输出电压和电流，方便用户监控系统状态。

3. 系统功能模块

3.1 DC-DC变换器模块

DC-DC变换器模块负责将输入的直流电压转换为所需的输出电压。根据用户输入的电压需求，STM32通过PWM信号调节变换器的占空比，从而控制输出电压。

常见的DC-DC变换器控制方式：

降压型（Buck）变换器：用于将较高的输入电压转换为较低的输出电压。
升压型（Boost）变换器：用于将较低的输入电压转换为较高的输出电压。

3.2 控制模块

控制模块是系统的核心部分，负责根据反馈信号和用户输入，生成相应的控制信号。STM32通过内部定时器生成PWM信号，并根据反馈电压或电流进行调整，以确保输出稳定。

3.3 显示模块

通过LCD或OLED显示模块，用户可以实时查看输出电压和电流值。这有助于用户更好地监控系统状态，及时调整参数。

3.4 用户输入模块

用户输入模块允许用户调节输出电压或电流值。可以通过旋转编码器、按钮、触摸屏等方式进行输入，STM32会读取这些输入并相应地调整输出。

4. 控制算法

4.1 数控调节算法

数控调节算法的目标是根据用户输入或系统要求，调整DC-DC变换器的输出电压或电流。具体方法为：

读取用户输入：通过编码器或按钮获取用户希望的输出电压值。
PWM生成：通过调整PWM信号的占空比（Duty Cycle），控制DC-DC变换器的输出电压。
精细调节：当输出电压接近目标值时，进一步调整PWM信号以实现精确控制。

4.2 反馈控制算法

为了保持输出电压的稳定性，系统需要实时监测输出电压并进行反馈控制：

采样反馈信号：通过ADC模块采样输出电压，并与目标电压进行比较。
误差计算：计算当前输出电压与目标电压之间的误差。
调整PWM：根据误差值调整PWM信号的占空比，使输出电压趋向目标值。

常见的反馈控制算法有PID控制，通过计算比例、积分和微分项，优化调节过程。

5. 代码实现

5.1 控制信号生成

#include "stm32f1xx_hal.h"

TIM_HandleTypeDef htim2;  // 定时器配置，用于产生PWM信号

void PWM_Init() {
    // 配置定时器用于PWM输出
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);  // 启动PWM
}

void setPWM_DutyCycle(uint16_t duty) {
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, duty);  // 设置PWM占空比
}

5.2 输出电压调节

#include "stm32f1xx_hal.h"

ADC_HandleTypeDef hadc1;  // ADC配置，用于读取反馈电压

float readVoltage() {
    HAL_ADC_Start(&hadc1);  // 启动ADC
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY);  // 等待转换完成
    uint16_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);  // 获取ADC值
    // 将ADC值转换为电压值
    float voltage = (adc_value / 4095.0) * 3.3;  // 假设参考电压为3.3V
    return voltage;
}

void controlVoltage(float target_voltage) {
    float current_voltage = readVoltage();
    float error = target_voltage - current_voltage;
    
    // 根据误差调整PWM占空比
    uint16_t pwm_duty = (uint16_t)(error * 1000);  // 简化的比例控制
    setPWM_DutyCycle(pwm_duty);
}