15.4 数字BUCK变换器项目2：闭环系统设计
# 15.4 数字BUCK变换器项目2：闭环系统设计
本实验在开环系统基础上引入数字PI控制，通过动态调节占空比实现输出电压的精确稳压，提升系统抗干扰能力。
核心改进：
- PI闭环控制：消除输入电压波动、负载变化带来的误差。
- 动态参数调节：通过编码器实时调整PI参数。
- 多模式切换：支持1V/3.3V输出快速切换，验证动态响应。
# 15.4.1 数字PI控制原理
# 1. PI控制公式
离散时间域表达式：
其中：
：控制输出 ：误差（设定值 - 实际值） ：比例系数 ：积分系数 ：采样周期
# 2. 参数作用
- 比例系数（
）：快速响应误差，过大会导致振荡，过小则响应迟缓。 - 积分系数（
）：消除稳态误差，过大引起超调，过小则静差残留。
# 15.4.2 STM32CubeMX配置
# 1. 新增配置（基于开环工程）
- 开启TIM1中断：用于逐周期PI计算。
- 编码器按键配置：PB4引脚设置为上拉输入，用于参数切换。
- 代码生成：为外设生成独立文件，保持原有配置不变。
# 15.4.3 闭环软件设计
# 1. 关键变量定义（代码清单15‑7）
/* USER CODE BEGIN PV */
uint16_t value[2]; // ADC采样值：[电流, 电压]
float Vout, Iout; // 实际电压/电流值
char Vo_str[30], Io_str[30], P_str[30], I_str[30];
int Encoder_cnt[2] = {0, 0}; // P/I参数编码值
int PI_select = 0; // 0:调节P，1:调节I
int32_t pidtest[2] = {310, 1024}; // 1V/3.3V对应的ADC参考值
/* USER CODE END PV */
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# 2. PI控制函数（代码清单15‑8）
void PositionalPI_Update(void) {
static int32_t Integral = 0;
int32_t Error = Voref - value[1]; // 电压误差
// PI计算
u0 = Integral + Error * KP;
Integral += Error * KI;
// 积分限幅
Integral = (Integral < INTEGREAL_MIN) ? INTEGREAL_MIN :
(Integral > INTEGREAL_MAX) ? INTEGREAL_MAX : Integral;
// 占空比限幅（10%~90%）
Dutycycle = (u0 >> 12);
Dutycycle = (Dutycycle < 409) ? 409 : (Dutycycle > 3686) ? 3686 : Dutycycle;
// 更新PWM占空比
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, Dutycycle * 720 >> 12);
}
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# 3. 功能函数
输出电压切换（代码清单15‑9）：
void Outputvoltage_Change() { pidcnt = (pidcnt + 1) % 2; // 0↔1切换 Voref = pidtest[pidcnt]; // 1V或3.3V }1
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4OLED显示（代码清单15‑10）：
void OLED_disp() { sprintf(P_str, "P:%.1f", KP / 4096.0); sprintf(I_str, "I:%.2f", KI / 4096.0); OLED_PrintString(45, 0, "BUCK", &font16x16, OLED_COLOR_NORMAL); // ...其他显示逻辑 }1
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6编码器控制（代码清单15‑11）：
void Encoder() { Encoder_cnt[PI_select] = __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim2); // 限幅0~100 if (Encoder_cnt[PI_select] > 100) Encoder_cnt[PI_select] = 100; // 更新PI参数 if (PI_select == 0) KP = Encoder_cnt[0] * 409; // P步长0.1 else KI = Encoder_cnt[1] * 82; // I步长0.02 }1
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# 15.4.4 PI调试过程
# 1. 调试步骤
比例系数（P）调试：
- 初始值
，逐步增加至系统出现轻微振荡（如 ）。 - 现象：输出电压超调，稳态误差明显（图15‑14）。
- 初始值
积分系数（I）调试：
- 固定
，逐步增加 至 ，消除稳态误差（图15‑15a）。 - 注意：
过大会导致振荡加剧（图15‑15b）。
- 固定
优化比例系数：
- 降低
至 ，平衡响应速度与稳定性（图15‑16）。
- 降低
# 2. 最终参数
- 理想值：
， - 实际效果：输出电压稳定在3.3V，误差<±0.05V（图15‑17）。
# 15.4.5 关键说明
- 死区保护：占空比限制10%~90%，避免MOS管直通。
- 定点数运算：采用Q12/Q24格式，避免浮点运算开销。
- 动态切换：200ms周期切换输出电压，验证系统响应。