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用STM32和PID算法，我给自己做了个可调压调流的桌面数控电源（附完整代码）

news 2026/4/19 19:56:31

从零打造桌面级数控电源：STM32与PID算法的实战指南

1. 项目背景与设计思路

去年工作室搬迁时，我发现自己需要频繁切换不同电压的电源适配器来测试各种开发板。市面上的数控电源要么价格昂贵，要么功能单一，于是萌生了自己动手打造一台的想法。经过三个月的迭代，最终完成了一台基于STM32的数控电源，支持0-30V/0-5A可调范围，精度达到±0.05V和±10mA。

这个项目的核心挑战在于实现电压电流双闭环控制。与普通线性电源不同，我们采用BUCK降压拓扑，通过PWM控制MOSFET开关，配合PID算法实现快速响应和稳定输出。整个系统包含以下几个关键部分：

功率转换模块：IR2104驱动+IRL3803 MOSFET组合
采样电路：INA240电流检测放大器+差分电压采样
控制核心：STM32F103C8T6最小系统
人机交互：0.96寸OLED+旋转编码器
保护电路：输入过压/欠压、输出过流/过压四重保护

提示：选择STM32F103主要考虑其PWM分辨率（72MHz主频下可达1440级）和12位ADC的性价比优势

2. 硬件设计关键点

2.1 功率级设计

Buck电路的核心参数计算需要平衡效率、体积和成本。我的最终方案如下表所示：

参数	计算值	实际选用	备注
开关频率	100kHz	98.4kHz	基于STM32定时器配置
电感值	68μH	82μH	考虑20%余量
输入电容	47μF	2×22μF并联	低ESR电解电容
输出电容	100μF	47μF+10μF	陶瓷电容滤波高频噪声

电感饱和电流的选择尤为重要，我通过以下公式验证：

I_sat ≥ I_out_max + ΔI_pp/2 ΔI_pp = (V_in - V_out) × V_out / (V_in × L × f_sw)

实际测试中发现，使用铁硅铝磁环绕制的电感温升比现成功率电感低15℃左右。

2.2 采样电路设计

电流采样采用0.05Ω/3W的锰铜电阻配合INA240放大器，电路设计要点：

布局时采样电阻尽量靠近MOSFET源极
差分走线长度保持一致
在放大器输出端添加RC滤波（1kΩ+100nF）

电压采样则采用电阻分压+电压跟随器结构，特别注意：

分压电阻精度选0.1%
在ADC输入端添加TVS二极管防护
软件中实现数字滤波（移动平均+中值）

3. 软件架构与PID实现

3.1 控制逻辑框架

整个系统采用状态机模式运行，核心代码如下：

typedef enum { STATE_INIT, STATE_STANDBY, STATE_CV_MODE, STATE_CC_MODE, STATE_FAULT } PSU_State; void PSU_StateMachine(void) { static uint32_t last_update = 0; if(HAL_GetTick() - last_update < 10) return; switch(current_state) { case STATE_INIT: Hardware_Init(); current_state = STATE_STANDBY; break; case STATE_STANDBY: if(user_setting.enable) { PID_Reset(&vPID); current_state = STATE_CV_MODE; } break; case STATE_CV_MODE: CV_Control_Loop(); if(current > setting.current) { current_state = STATE_CC_MODE; } break; // 其他状态处理... } last_update = HAL_GetTick(); }

3.2 PID算法优化

传统位置式PID在电源控制中存在积分饱和问题，我改用了增量式PID算法：

typedef struct { float kp, ki, kd; float error, last_error, prev_error; float output, last_output; float max_limit, min_limit; } PID_Controller; float PID_Update(PID_Controller* pid, float setpoint, float feedback) { pid->error = setpoint - feedback; float delta = pid->kp * (pid->error - pid->last_error) + pid->ki * pid->error + pid->kd * (pid->error - 2*pid->last_error + pid->prev_error); pid->output = pid->last_output + delta; // 抗积分饱和处理 if(pid->output > pid->max_limit) { pid->output = pid->max_limit; } else if(pid->output < pid->min_limit) { pid->output = pid->min_limit; } pid->prev_error = pid->last_error; pid->last_error = pid->error; pid->last_output = pid->output; return pid->output; }

参数整定经验：

先调P直到出现轻微振荡
加入D抑制振荡
最后加入I消除静差
不同电压段可能需要不同的参数组

4. 保护机制与故障处理

完善的保护电路是电源设计的重中之重，我的实现方案包含硬件和软件双重保护：

硬件保护：

输入过压：TL431比较器直接关断MOSFET驱动
输出过流：ACS712霍尔传感器+快速比较器
MOSFET过热：NTC贴片电阻+迟滞比较

软件保护（优先级从高到低）：

输入电压异常（>32V或<8V）
输出短路检测（dI/dt>1A/ms）
温度监控（MOSFET>85℃）
功率器件失效检测（PWM占空比与输出电压不符）

故障恢复流程采用渐进式策略：

首次故障：立即关断，需手动复位
短时重复故障：自动延迟5秒后尝试恢复
持续故障：锁定并记录错误代码

5. 人机交互优化

旋转编码器的处理需要消抖和加速算法：

void Encoder_Handler(void) { static int32_t counter = 0; static uint8_t last_state = 0; static uint32_t last_time = 0; uint8_t current_state = HAL_GPIO_ReadPin(ENC_A_GPIO_Port, ENC_A_Pin) | (HAL_GPIO_ReadPin(ENC_B_GPIO_Port, ENC_B_Pin) << 1); // 状态机解码 if(last_state != current_state) { uint32_t now = HAL_GetTick(); uint32_t interval = now - last_time; // 加速算法：转速越快步进越大 int32_t step = (interval < 50) ? 5 : (interval < 100) ? 2 : 1; if((last_state == 0x00 && current_state == 0x02) || (last_state == 0x03 && current_state == 0x01)) { counter += step; } else { counter -= step; } last_state = current_state; last_time = now; } // 应用数值变化 if(abs(counter) >= ENC_THRESHOLD) { int8_t dir = (counter > 0) ? 1 : -1; Adjust_Setting(dir * (abs(counter)/ENC_THRESHOLD)); counter = 0; } }

OLED显示采用自定义字体和分级菜单，关键信息包括：