第３７卷第４期２０２３年７月
兰州文理学院学报(自然科学版)
J o u r n a l o fL a n z h o uU n i v e r s i t y o
fA r t s a n dS c i e n c e (N a t u r a l S c i e n c e s )V o l ．３７N o ．４
J u l ．２０２３
收稿日期:２０２３Ｇ０３Ｇ１０基金项目：淮南师范学院自然科学研究重点项目(２０２２X J Z D ０２６)；教育部产学合作协同育人项目(２２０９０６５１７２６１９２５)作者简介：戴文俊(１９８７Ｇ)，男，安徽长丰人，讲师，硕士，研究方向为电力电子与电气传动控制．E Ｇm a i l :a w j k a o y
a n ＠１６３．c o m．
㊀㊀文章编号:２０９５Ｇ６９９１(２０２３)０４Ｇ００７４Ｇ０５
基于S TM ３２的数控可调直流电源设计
戴文俊，胡艳丽，阚绪月
(淮南师范学院机械与电气工程学院，安徽淮南２３２０３８
)摘要：为了提高电源的输出电压精度和减小负载调整率，采用S TM ３２单片机作为控制核心设计数控可调电源．硬件包括主电路㊁驱动电路㊁控制电路㊁检测电路㊁辅助电源电路㊁液晶显示电路和保护电路．单片机通过检测电路采集输出电压和电流信号，采用模糊自适应P I D 和P WM 算法控制输出电压达到期望值并趋于稳定．
实验测试结果显示：本数控电源空载输出电压精度达９９．４％，负载输出电压精度为９８％，且具有输出电压双向可调㊁步进幅度可设置㊁实时显示和保护等功能．关键词:S TM ３２；可调直流电源；模糊自适应P I D ；数控中图分类号:T N ８６;T P ３６８．１㊀㊀㊀文献标志码:A
D e s i g no fN u m e r i c a l C o n t r o lA d j u s t a b l eD CP o w e r S u p p l y B
a s e do nS T M ３２D A IW e n Ｇj u n ,HUY a n Ｇl i ,K A N X u Ｇy
u e (S c h o o l o fM e c h a n i c a l a n dE l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ,H u a i n a nN o r m a lU n i v e r s i t y
,H u a i n a n２３２０３８,A n h u i ,C h i n a )A b s t r a c t :I no r d e r t o i m p r o v e t h e o u t p u t v o l t a g e a c c u r a c y o f t h e p o w e r s u p p l y a
n d r e d u c e t h e l o a d a d j u s t m e n t r a t e ,S T M ３２s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r i s u s e da s t h e c o n t r o l c o r e t od e s i g
n t h eN Ca d j u s t a b l e p o w e r s u p p l y
．T h eh a r d w a r e i n c l u d e sm a i nc i r c u i t ,d r i v ec i r c u i t ,c o n t r o l c i r c u i t ,d e t e c t i o n c i r c u i t ,a u x i l i a r yp o w e r c i r c u i t ,l i q u i dc r y s t a l d i s p l a y c i r c u i t a n d p r o t e c t i o n c i r c u i t ．T h e s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r c o l l e c t s t h e o u t p u t v o l t a g e a n d c u r r e n t s i g n a l t h r o u g
h t h e d e t e c t i o n c i r c u i t ,a n du s e s f u z z y a d a p t i v eP I Da n dP WMa l g o r i t h m s t o c o n t r o l t h eo u t p u t v o l t a g e t o r e a c h t h e e x p e c t e d v a l u e a n d t e n d s t o b e s t a b l e ．T h e e x p
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n d p r o t e c t i o n ．K e y w o r d s :S T M ３２;a d j u s t a b l eD C p o w e r s u p p l y ;f u z z y a d a p t i v eP I D ;n u m e r i c a l c o n t r o l ㊀㊀电源是各种电子设备必不可少的组成部分，其性能的优劣直接关系到整个设备的安全性与可靠性指标．随着科技的发展，各种先进设备已经普及到生产㊁生活和科研等各个领域，也对电源的精度和性能有了更高的要求，因此，许多设备逐渐采用高精度的数控电源，比如在电力通信领域，通信电源是各种电力数据采集㊁远程控制等终端设备
的能源保障[１Ｇ２
];U P S 电源在轨道交通领域的作
用是保障列车运行的信号系统安全㊁稳定和可持
续工作[３Ｇ４
]．
数控直流电源的设计与开发主要集中在控制
芯片㊁电源变换原理等方面．在控制芯片方面，大
部分采用基于冯诺依曼结构的８０５１系列单片机．文献[５Ｇ６]采用A T M E L 公司的５１系列单片机,
文献[７Ｇ８]采用中国宏晶科技公司的５１系列单片机，文献[９]采用意法半导体公司S T M８单片机，文献[１０]采用A T M E L公司的A V R单片机．上述控制芯片均为８位元的单片机，属于入门级控制芯片，在数据处理方面，精度有限．所以一些A R M芯片和数字信号处理器被应用到数控电源的设计中．文献[１１]所设计的便携式数控直流电源采用基于A R M C o r t e x内核的S T M３２控制器，其在电源设计中可以采用更优的控制技术，发挥更高的性能．在电源变换原理方面，主要分为D/A转换芯片和电力电子变换电路两大类[５Ｇ６,８,１０Ｇ１１]．经D/A转换芯片转换成模拟量，再通过集成运算放大器构成调理电路产生直流电压，采用独立按键调整单片机数字量值从而调节电压的输出值．这种变换方法一般是对于电压固定的直流电源进行变换，产生可调的电压值，且输出范围比较小，功率取决于提供的直流电源，控制方式一般采用开环控制，不能做到动态调整，精度较低．文献[９,１２Ｇ１３]采用的是基于电力电子开关器件构成的变换电路，一般采用A CＧD CＧD C变换方式，将输入的
工频５０H z的２２０V的交流电源进行整流(A CＧD C变换)，在经过变换电路(D CＧD C)实现电压调节．这种电源变换需要根据实时检测的输出实际电压与设定值的误差调节控制变换电路开关器件导通和关段的控制脉冲．这种方法称为脉宽调制技术(P WM)，属于闭环控制，精度较高，可实现大功率输出．
根据以上文献综述，本文基于高性能单片机S T M３２和电力电子器件实现数控可调电源的硬件电路设计；基于模糊自适应P I D控制算法和P WM技术实现动态调节和减小输出电压误差，提高精度．
1㊀电源电路硬件设计
1.1㊀电源电路结构
本电源将电压值２２０V㊁频率５０H z的输入交流电通过变压器转换为同频率的２６V交流电，再通过整流桥和滤波电容器获得３６V直流电(A CＧD C)．经直流调压电路按照设定值控制输出(D CＧD C)，采用O L E D液晶显示屏，实时显示电压设定值㊁输出值和电流值．电源硬件结构如图１所示．
图１中，检测电路采用串联分压的方式采集电压，采用１Ω电阻作为采样电阻，检测电流转换为电压信号，利用单片机的A D转换功能，实现检测输出电压和电流的功能．工作电源电路通过三端稳压芯片７８L０５将１２V的输入电源经过渡为５V输出，再经AM S１１１７低压降稳压器转为３．３V给单片机供电，同时１２V的输入电源也为直流调压电路的开关管控提供驱动电压
．
图１㊀电源硬件结构
1.2㊀驱动电路设计
驱动电路的原理如图２所示．当S T M３２单
片机控制电路产生的P WM信号的３．３V高电平
进入驱动电路时，驱动电路输出１５V的电压给
N M O S的栅极，使N M O S导通；当S T M３２单片机
控制电路产生的P WM信号的０V低电平进入驱
动电路时，驱动电路输出－７V的电压给N M O S
的栅极，使N M O S关断．P WM１和P WM２分别接
S T M３２单片机的P A７和P C６端口．
1.3㊀直流调压电路设计
直流调压电路采用半桥电路，如图３所示．整
流电路输出的３６V直流电压接入主电路中，通过
驱动芯片I R２１０１S输出信号控制型号为I R F６４０
的NMO S管的导通与关断．当I R F６４０栅极为高
电平时导通，低电平时关断．同时设计了输出电压
L C滤波电路，保证输出电压无杂波影响．
1.4㊀故障保护电路设计
保护电路如图４所示，主要针对欠压㊁过压及
５７第４期戴文俊等：基于S TM３２的数控可调直流电源设计
图２㊀
驱动电路原理
图３㊀
直流调压电路原理
图４㊀故障保护电路结构
过流等故障现象对主电路进行保护．当发生故障时，故障保护电路会产生一个低电平,S T M ３２对应的外部中断引脚的高电平被拉低，触发中断信号,S TM ３２将进入中断保护程序．在中断保护程序中,P WM 信号的输出被关闭,P WM 输出设置变为高阻态并保持低电平,I G B T 功率器件将处于关闭状态，保护三极管处于断开状态，主电路将会一直被及时有效保护．硬件自动完成整个故障
保护触发过程，能快速准确地应对和处理各种故障状态．
根据原理图绘制P C B ,
通过制板焊接完成数控电源如图５所示
．
图５㊀数控直流电源实物
2㊀控制策略
将设定电压值与检测到的实际电压值之间的
偏差及偏差的变化值输入到模糊自适应P I D 控制器获取P WM 信号的占空比值，然后动态调节
P WM 信号控制D C ＧD C 变换电路开关的通断,
实现电压调节．控制策略结构如图６所示
．图６㊀控制策略结构linux内核设计与实现 pdf
㊀㊀模糊自适应P I D 控制算法的表达式可表示
为[
１４
]
:ut ()＝k p ０＋Δk p ()et
()＋k i ０＋Δk i ()
ʏ
t
０
et ()d t ＋k d ０＋Δk d ()d et
()d t
,(１
)式中,k p ０,k i ０和k d ０为P
I D 控制算法的初始参数;６
７㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀兰州文理学院学报(自然科学版)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３７卷
Δk p ,Δk i 为和
Δk d 为去模糊化后输出的P I D 在线实时调整参数．
基于上述算法，本电源的软件控制流程如图７所示
．
图７㊀数控直流源控制程序流程
3㊀测试结果与分析
3.1㊀空载输出电压测试
将数字万用表接在输出端口两侧，测量电路实际输出电压，观察电路输出电压大小与预期值是否符合．共进行了３次空载试验．各试验的电压范围为５V~３０V ，设定电压调整步长为１V．详细的测试数据如表１所列．测试１的１１V 设定值㊁测试２的２０V 设定值和测试３的２６V 和３０
V 设定值的测试结果如图８所示
．
图８㊀空载实验部分测试结果
表１㊀空载输出电压试验结果
(单位:V )
设定电压测试１输出电压绝对误差测试２输出电压绝对误差测试３输出电压绝对误差５５．０５０．０５５．０２０．０２５．０１０．０１６６．０２０．０２６．０２０．０２６．０３０．０３７７．０３０．０３７．０４０．０４７．０３０．０３８８．０４０．０４８．０５０．０５８．０４０．０４９
９．０３
０．０３９．０３
０．０３９．０６
０．０６１０１０．０１０．０１１０．０３０．０３１０．０４０．０４１１１１．０３０．０３１１．０４０．０４１１．０４０．０４１２１２．０４０．０４１２．０６０．０６１２．０５０．０５１３１３．０６０．０６１３．０５０．０５１３．０３０．０３１４１４．０５０．０５
１４．０６０．０６１４．０５０．０５１５１５．０７０．０７１５．０６０．０６１５．０７０．０７１６１６．０６０．０６１６．０８０．０８１６．０６０．０６１７１７．０８０．０８１７．０７０．０７１７．０８０．０８１８１８．０７０．０７１８．０９０．０９１８．０９０．０９１９１９．１０．１
１９．０９０．０９１９．１０．１
２０２０．０９０．０９２０．０９０．０９２０．０８０．０８２１２１．１０．１２１．１０．１
２１．１０．１２２２２．１０．１２２．０５０．０５２２．０６０．０６２３２３．１２０．１２２３．０９０．０９２３．０８０．０８２４２４．１２０．１２２４．１１０．１１２４．１０．１２５２５．１３０．１３２５．１２０．１２２５．１１０．１１２６２６．１２０．１２２６．１３０．１３２６．１３０．１３２７２７．１４０．１４２７．１３０．１３２７．１２０．１２２８２８．１
０．１
２８．１７０．１７２８．１９０．１９２９２９．１６０．１６２９．１４０．１４２９．１６０
．１６３０３０．１３０．１３３０．１５０．１５３０．１７０．１７㊀㊀表１所列的测试数据中,
实际输出电压值与期望值之间的绝对误差最小值为０．０１V ，最大值为０．１７V．根据表中的数据计算每个输出电压的平均绝对误差和平均相对误差，绘制两类误差曲线，如图９和图１０所示，并对误差曲线进行线性回归统计
．
图９㊀空载输出电压绝对误差曲线
７
７第４期戴文俊等：基于S TM ３２的数控可调直流电源设计
图１０㊀空载输出电压相对误差曲线
㊀㊀图９的误差曲线显示,
电压的绝对误差随输出电压值的增加而增大．根据图１０所示的相对误差曲线，该电源的相对误差在０．３％~０．６％之间，精度较高．
3.2㊀负载输出电压测试
将直流电动机作为负载连接到输出端口，用数字万用表与直流电动机并联测量输出的实际电压值，观察电源的输出电压是否与负载的期望值一致．测试数据采集结果如表２所列．设定电压为
５V 和８V 来测量电压和电流，测试结果如图１１所示．
根据表２所示的负载测试数据，当负载输出
电压在５V~１０V 之间时，绝对误差为０．０５V~
０．１５V ,
相对误差小于２％．表１中的空载试验数据显示，当空载输出电压在５V~１０V 之间时，绝对误差为
０．０１V~０．１４V．对比表明，负载电压误差大于空载电压误差，这是由于电路中负载电流增加造成的电压降，属于一种正常现象．负载下输出电压的相对误差小于２％，说明负载调整率较小，精度较高．
表２㊀负载输出电压试验结果
设定电压/V 输出电压/V
测量电流/m A
绝对误差/V
相对误差５４．９５１５１．５０．０５１．００％６５．９３３１７．６０．０７１．１７％７６．８７２５１．６０．１３１．８６％８８．０２２２７．２０．０２０．２５％９
９．０５２０８．３０．０５０．５６％１０９．８５２００．５０．１５１．５０
％
图１１㊀负载试验部分测试结果
4㊀结论
本文采用S T M ３２单片机为主控芯片,
设计了包括主电路㊁驱动电路㊁控制电路㊁检测电路㊁辅助电源电路㊁液晶显示电路和保护电路的数控电源硬件电路．单片机通过检测电路采集输出电压
和电流信号构成闭环控制，采用模糊自适应P I D 和P WM 算法的调节控制提高了输出电压的精度，且具有输出电压双向可调㊁步进幅度可设置㊁
实时显示和保护等功能，可以为各种工作电压的精密直流电器提供工作电源．参考文献:
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在无刷直流电机控制系统中的应用研究[J ]．安徽工程大学学报,２０１２,２７(１):６４Ｇ６７．[责任编辑：李㊀岚]
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