2018年江蘇省大學生電子設計競賽E題設計報告(一等獎)

2018年江蘇省大學生電子設計競賽設計報告（一等獎）競賽選題：E題 變流器負載試驗中的能量回饋裝置（本科） 1. 任務設計并制作一個變流器及負載試驗時的能量回饋裝置，其結構如圖1所示。變流器進行負載試驗時，需在其輸出端接負載。通常情況下，輸出電能消耗在該負載上。為了節(jié)能，應進行能量回饋。負載試驗時，變流器1（逆變器）將直流電變?yōu)榻涣麟?，其輸出通過連接單元與變流器2（整流器）相連，變流器2將交流電轉換成直流電，并回饋至變流器1的輸入端，與直流電源一起共同給變流器1供電，從而實現(xiàn)了節(jié)能。+_U1圖1 變流器負載試驗中的能量回饋裝置2要求（1）變流器1輸出端c、d僅連接電阻性負載，變流器1能輸出50Hz、25V0.25V、2A的單相正弦交流電。 （20分）（2）在要求（1）的條件下，變流器1輸出交流電的頻率范圍可設定為20Hz100Hz，步進1Hz。 （15分）（3）變流器1與能量回饋裝置按圖1所示連接，系統(tǒng)能實現(xiàn)能量回饋，變流器1輸出電流I1 = 1A。 （20分）（4）變流器1與能量回饋裝置按圖1所示連接，變流器1輸出電流I1 = 2A，要求直流電源輸出功率Pd越小越好。 （35分）（5）其他。 （10分）（6）設計報告 （20分）項 目主要內容滿分方案論證比較與選擇，方案描述3理論分析與計算系統(tǒng)相關參數(shù)設計5電路與程序設計系統(tǒng)原理框圖與各部分的電路圖，系統(tǒng)軟件流程圖5測試方案與測試結果測試方案合理，測試結果完整性，測試結果分析5設計報告結構及規(guī)范性摘要，正文結構規(guī)范，圖表的完整與準確性。2總分203說明（1）圖1所示的變流器1及能量回饋裝置僅由直流電源供電，直流電源可采用實驗室的直流穩(wěn)壓電源。（2）圖1中的“連接單元”可根據(jù)變流器2的實際情況自行確定。（3）電路制作時應考慮測試方便，合理設置測試點。（4）能量回饋裝置中不得另加耗能器件。（5）圖1中，a、b與c、d端應能夠測試，a、c端應能夠測量電流；c、d端應能夠斷開，另接其他阻性負載。0摘要本設計是一種采用STC12C5A60S2單片機為主控的變流器負載試驗中的能量回饋裝置。其逆變板單片機采用查表法，輸出SPWM到H橋，將輸入的38v直流電壓，逆變到25v交流電輸出，通過按鍵能控制其輸出20100Hz的正弦波，1Hz步進。經(jīng)過工頻變壓器隔離后，輸入給回饋裝置，其采用單片機控制的BOOST電路，閉環(huán)控制其電流輸出，由于在特定電流下，電路效率基本是恒定的，故能控制環(huán)路中逆變部分的輸出交流電流。通過按鍵能步進調節(jié)其電流大小。整體設計符合題目要求。1設計方案工作原理1.1預期實現(xiàn)目標定位設計并制作一個變流器及負載試驗時的能量回饋裝置。變流器進行負載試驗時，需在其輸出端接負載。通常情況下，輸出電能消耗在該負載上。為了節(jié)能，應進行能量回饋。負載試驗時，變流器1（逆變器）將直流電變?yōu)榻涣麟姡漭敵鐾ㄟ^連接單元與變流器2（整流器）相連，變流器2將交流電轉換成直流電，并回饋至變流器1的輸入端，與直流電源一起共同給變流器1供電，從而實現(xiàn)了節(jié)能。本系統(tǒng)設計要求：變流器1輸出端c、d僅連接電阻性負載，變流器1能輸出50Hz、25V0.25V、2A的單相正弦交流電。在要求的條件下，變流器1輸出交流電的頻率范圍可設定為20Hz100Hz，步進1Hz。變流器1與能量回饋裝置按圖1所示連接，系統(tǒng)能實現(xiàn)能量回饋，變流器1輸出電流I1= 1A。 變流器1與能量回饋裝置按圖1所示連接，變流器1輸出電流I1 = 2A，要求直流電源輸出功率Pd越小越好。1.2 技術方案分析比較 （1）控制系統(tǒng)選擇方案一：采用STM32F407ZGT6單片機為控制核心， 通過輸出互補SPWM波控制驅動芯片驅動開關實現(xiàn)正弦逆變。STM32做為系統(tǒng)控制核心,配合12位高精度D/A模塊精確控制輸出電壓。系統(tǒng)具有良好的過流保護功能并可智能檢測負載情況,以控制系統(tǒng)工作狀態(tài)。方案二：采用STC12C5A60S2，能輸出兩路PWM波形控制驅動芯片驅動開關實現(xiàn)正弦逆變。TC12C5A60S2擁有36個I/O口并且具有兩路PWM輸出、8路10位ADC模數(shù)轉換、每個I/O能設置成弱上拉、強上拉、高阻、開漏模式，該單片機內置上電復位電路，性價比高，抗靜電，抗干擾，低功耗，低成本。綜合考慮性價比、成本、面積、功耗等因素軟硬件設計，采用方案二。（2）驅動電路選擇方案一：半橋式驅動電路是兩個三極管或MOS管組成的振蕩，振蕩轉換之間容易瀉有電流使波形變壞，產(chǎn)生干擾。成本低，電路容易形成。方案二：全橋式驅動電路，橋電路是四個三極管或MOS管組成的振蕩。全橋電路不容易產(chǎn)生瀉流，采用IR2104作為它的驅動芯片，該芯片結構簡單性能可靠并且能極大地提升電路的穩(wěn)定性且降低了設計難度。綜合考慮設計完成難度，采用方案二。（3）連接部分電路為了避免變頻器和升壓電路直接相連，地線耦合在一起，無法識別高電位和低電位，電流不會起作用。所以這里必須要電氣隔離變壓器。采用1:1的工頻變壓器，但是實際使用中有銅損和鐵損，最后測出變壓器效率為96%。（4）單相橋式整流電路橋式整流器利用四個二極管，兩兩對接。輸入正弦波的正半部分是兩只二極管導通，得到正弦波的正半周；輸入正弦波的負半周時，另兩只管導通，由于是反接的，所以輸出依然得到正弦波的正半周。經(jīng)過RC濾波電路之后變成直流輸出。（5）BOOST穩(wěn)壓分析在MOS管導通的時間里，電感L會把流經(jīng)的電流轉變成為磁能來完成能量的貯存，電容C把流經(jīng)的電感L的那一部分電流轉變成為電荷來進行貯存。在MOS管關掉的時間里，電感L會產(chǎn)生反向電動勢疊加在電源上，輸送給負載R并與續(xù)流二極管D組成回路，同時電容C將電荷轉換成電流向負載供電。若是這個進行通斷的過程是不斷進行反復的，那么就能夠在電容的兩端獲得高于輸入的電壓。把迅速進行通斷的晶體管置在輸入和輸出之間，單片機的ADC檢測其輸出電流的實時情況，經(jīng)過與設定電流的比較，實時調節(jié)通斷比例（占空比），從而閉環(huán)控制輸出的電流，達到閉環(huán)控制輸出電流的目的。1.3系統(tǒng)結構工作原理本系統(tǒng)通過采用C51單片機為主控的變流器負載試驗中的能量回饋裝置。將輸入的38V直流電壓，逆變到25v交流電輸出，通過按鍵能控制其輸出20100Hz的正弦波，1Hz步進。經(jīng)過工頻變壓器隔離后，輸入給回饋裝置，其采用單片機控制的BOOST電路，閉環(huán)控制其電流輸出。圖 1系統(tǒng)結構1.4功能指標實現(xiàn)方法根據(jù)題目任務，有如下系統(tǒng)設計：（1）要求1和2中，只要直流電源DC電壓是穩(wěn)定的，同負載下，輸出的AC電壓就是穩(wěn)定的，從而逆變部分可以采用開環(huán)設計。（2）通過1:1的變壓器隔離后，便于逆變器1和變流器2的單元設計，系統(tǒng)無需考慮共地問題，降低系統(tǒng)設計和調試難度。（3）由于在工作中，在特定電流下，電路效率基本是恒定的。所以本回饋電部分可閉環(huán)穩(wěn)定采集饋能流回變流器1的電流，去達到環(huán)路中變流器1的輸出電流的目的。2 核心部分電路設計2.1逆變電路逆變電路通過單片機控制驅動芯片的通斷控制H橋逆變電路輸出SPWM波，經(jīng)過LC濾波之后變?yōu)檎也?。圖 2逆變部分電路圖2.2變壓器部分為了避免變頻器和BOOST電路直接連，地線耦合，無法識別高電位和低電位，電流就不會起作用。所以這里必須要電氣隔離。變壓器這里采用1:1的工頻變壓器，但是實際使用中有銅損和鐵損，最后測出變壓器效率為96%。注：連接部分可使用導線直接相連，使轉化效率達到100%，若如此則不能使用接地的設備（如三角插座示波器）測量。2.3整流升壓部分電路(1)整流部分用整流橋進行全波整流，同一時刻必然有2個二極管在導通，將產(chǎn)生1.4V左右的電壓降（單個肖特基壓降為0.7V）。于此同時，電路中變壓器輸出平均電流1.5A，考慮濾波電路帶來的峰值電流，這里選取3倍余量，選取大于5A的整流橋。圖 3整流電路（2）LC濾波部分電流紋波比r是開關電源最基本的設計參數(shù)之一。將r值設定為0.4左右，是考慮了電源各應力參考后得到的最佳值。根據(jù)定義，r值與電感電流平均值（斜坡中點值或直流分量值）和電感電流總擺幅（交流紋波）I有關。r的大小應該在變換器設計初期確定，因為它影響所有其他參數(shù)的選擇，對于給定的開關頻率，r值講解表示出電感L的數(shù)值。目前最通用的電感設計規(guī)則是基于r的基礎公式，首先設置r=0.4,這適用于任何頻率和拓撲。輸入電壓Vin是25V交流整流后的電壓，大概是34V，輸出電壓為38V此中D為PWM的占空比、f為開關電源頻率。為輸入電壓、為輸出電壓、由于使用同步整流方案，所以沒有續(xù)流二極管，為肖特基二極管的電壓降（這里設置為0）。Io為輸出電流。根據(jù)電流公式I=VON*tONL*f得到電感。對于BOOST電路，VON=VIN根據(jù)伏秒法則，D*Vi=1-D*(VO+VD-Vi)得到占空比D，最后得到電感L為L=Vic*VO+VD-ViVO+VDIO*f*r=190H計算得到190uH電感，這里采用這個數(shù)值附近的220uH的功率電感。按照串連型開關電源的電容的推導公式，此中C是電容的容量、Io為一個模塊個輸出電壓、Up-p為輸出紋波電壓，T為PWM一個周期的時間。假定紋波的電壓是0.01V,把各個參數(shù)代入式子（2-8）得式（2-9），其結果為：遵循經(jīng)驗設計，1A用1000uF電容，這里使用2顆1000uF的高頻電容并聯(lián)，以達到降低紋波電壓的目的。（3）升壓部分電路圖 4升壓部分電路圖（3）整流部分總電路圖 5整流部分總電路圖3、系統(tǒng)軟件設計分析3.1逆變部分SPWM逆變器采用的是等效原理實現(xiàn)的，即讓逆變器輸出的波形是一系列的和正弦波一樣效果的雖不等寬但等幅的矩陣脈沖波形，方法是單極性SPWM調制H橋輸出正弦波。在系統(tǒng)初始化過后首先通過鍵盤設置輸出頻率,進入SPWM脈寬計算程序,根據(jù)所設置頻率選擇調制比，計算脈寬并確定最大值。在SPWM輸出程序中,特殊功能寄存器進行設置并啟動計數(shù)器,開始輸出SPWM波。 圖6 逆變流程圖圖7 整流升壓流程圖3.2整流升壓部分主程序主要處理對時間要求不敏感的數(shù)據(jù)，例如按鍵檢測，和顯示電壓電流狀況，此中顯示這些數(shù)據(jù)時刻采用數(shù)字平均濾波算法，采集50個數(shù)據(jù)，繼而取平均值，使得到的數(shù)據(jù)更加接近真實狀況，抗干擾能力得到很大的提升。4、競賽工作環(huán)境條件4.1測試方案采用先分別調試再整體調試，且硬件測試與軟件測試結合的方法，以提高調試效率。具體測試方案如下： (1）硬件測試整個過程中，首先分模塊搭建硬件電路并分別測試成功，然后將分立的模塊搭建在一起測試整體功能，然后進行聯(lián)合測試。經(jīng)測試，我們的電量檢測電路、偏移電路和單片機控制電路均工作正常。(2）軟件仿真測試軟件測試我們選擇在搭好的硬件上直接測試，并借助串口調試窗口查看并分析運行數(shù)據(jù)，結果正常。4.2 測試儀器1. 設計分析軟件環(huán)境 AD9電路繪制軟件，KEIL4等編程軟件。2. 儀器設備硬件平臺穩(wěn)壓電源，示波器