2017年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)(A題)

1、2017年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)（A題）2017年8月12日摘要本設(shè)計(jì)以逆變電路為主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以單片機(jī)最小系統(tǒng)板為控制核心，協(xié)調(diào)各個(gè)模塊工作以實(shí)現(xiàn)題設(shè)功能。電路分為逆變器主電路模塊、控制模塊、直流電源模塊、電壓電流采樣 模塊。 主 電路采 用 逆變電路；控制 模塊使用單片機(jī)STM32F103RCT6 的 PWM 輸出端口產(chǎn)生PWM 信號， 通過其內(nèi)部A/D 端口采集電壓、電流信號，通過程序PID 算法進(jìn)行控制；電壓信號經(jīng)分壓采樣送入單片機(jī)，電流采樣模塊通過濾波差分放大芯片OP07A 將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，處理之后送與單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載線電流電壓有效值控制功能。關(guān)鍵詞：STM32

2、F103RCT6； SPWM 控制； PWM 控制；逆變電路；DC-DC2摘 要 I.一、系統(tǒng)方案1.1、逆變器主電路方案1.2、 PWM 控制信號產(chǎn)生方案1.二、系統(tǒng)理論分析與計(jì)算2.1、逆變器提高效率的方法2.2、兩臺逆變器同時(shí)運(yùn)行模式控制策略2.三、電路與程序設(shè)計(jì)3.1、逆變器主電路與器件選擇3.2、控制電路與控制程序4.四、測試方案與測試結(jié)果5.1、測試方案5.2、測試條件與儀器5.3、測試結(jié)果及分析6.參考文獻(xiàn)：6.附錄1：電路原理圖7.附錄2：單片機(jī)最小系統(tǒng)9.附錄3：源程序 1.0.附錄4：測試結(jié)果1.1.附錄5：實(shí)物圖 1.2.微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)（A題） 【本科組】 一、系統(tǒng)方案本

3、系統(tǒng)主要由逆變模塊、控制模塊、檢測模塊、電源模塊組成，下面對逆變器主電 路方案和PWM控制信號方案進(jìn)行論證。1-+:1直流電源1逆變器I ，勿S 卜力負(fù)教+直流電源工逆變器2交流母線圖1 微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖1、逆變器主電路方案根據(jù)要求，初步得到以下兩種可行的逆變器主電路方案。方案一：晶體管三相橋式逆變器逆變器采用120。導(dǎo)通型的工作方式對換流的安全有利， 但晶體管的利用率較低，用 于控制120。導(dǎo)通型逆變器的導(dǎo)通角控制電路可采用硬件方式自動產(chǎn)生控制信號； 也可采 用微處理器的并行接口通過軟件方式產(chǎn)生控制信號。方案二：品閘管構(gòu)成的三相橋式逆變器180°導(dǎo)通型逆變器正常工作的必要條

4、件是可靠的換流，由于逆變器的輸入是直流電 源，一般品閘管不能通過控制門極電壓將它關(guān)斷換流，因此必須采用強(qiáng)迫換流的方法。通過比較，我們選擇方案一。2、PWM控制信號產(chǎn)生方案逆變器需要SPWM和PWM作為控制信號驅(qū)動開關(guān)管，并通過調(diào)節(jié)其的輸出達(dá)到 控制電路功能的目的。通過討論，共得到兩種產(chǎn)生方案。方案一：硬件調(diào)制產(chǎn)生可使用開關(guān)電源控制芯片產(chǎn)生 PWM作為控制信號，只需要對控制信號進(jìn)行采樣反 饋，與基準(zhǔn)源比較，產(chǎn)生調(diào)制信號，調(diào)制信號與鋸齒波比較，產(chǎn)生PWM對主電路進(jìn)行控制。這種方案控制電路的邏輯單一，單個(gè)控制芯片難以同時(shí)作為恒流源和恒壓源的控制核心。方案二：數(shù)字控制產(chǎn)生直接數(shù)字控制產(chǎn)生PWM 控制信

5、號的方案，通過單片機(jī)直接產(chǎn)生PWM 信號，通過軟件的方法實(shí)現(xiàn)，便于提高PWM 信號的質(zhì)量，易于進(jìn)行補(bǔ)償。同時(shí)由于PWM 信號的調(diào)制和產(chǎn)生在單片機(jī)內(nèi)部通過軟件實(shí)現(xiàn)，硬件電路得到簡化。同時(shí)，單片機(jī)能進(jìn)行更復(fù)雜的邏輯運(yùn)算，可較為翻遍地實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能。通過比較上述兩種方案，我們采用第二種方案，來方便、快捷的產(chǎn)生PWM 信號。它沒有模擬電路的溫漂，干擾等問題，通過軟件控制可以實(shí)現(xiàn)較高的精度，同時(shí)系統(tǒng)的升級改造也很簡單，便于擴(kuò)展。二、系統(tǒng)理論分析與計(jì)算1、逆變器提高效率的方法本系統(tǒng)的損耗主要在開關(guān)器件的損耗，以及濾波電感電容損耗。因此提高效率的重點(diǎn)在于減小這兩處器件的損耗。在設(shè)計(jì)中采取了以下措施來提高效

6、率，使得最終測試的逆變器器的效率達(dá)到90%以上。使用MOSFET管來替代續(xù)流二極管，三路SPWM同時(shí)控制六個(gè)MOS管開通關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)續(xù)流的功能，開關(guān)器件選用低通態(tài)電阻的MOSFET， 減小通態(tài)損耗。軟開關(guān)通過在開關(guān)過程前后引入諧振，使開關(guān)開通前電壓先降到零，關(guān)斷前電流先降到零，就可以消除開關(guān)過程中電壓、電流的重疊，降低它們的變化率，從而大大減小甚至消除開關(guān)損耗。同時(shí)的， 諧振過程限制了開關(guān)過程中電壓和電流的變化率，這使得開關(guān)噪聲也顯著減小。濾波電感采用4 股 0.5mm 的銅線繞制，降低電流密度以減小銅損耗。工作磁通設(shè)置到較低的值，減小磁芯的渦流和磁滯損耗。2、兩臺逆變器同時(shí)運(yùn)行模式控制策略當(dāng)兩

7、臺逆變器同時(shí)運(yùn)行時(shí)，要求逆變器1 和逆變器2 能共同向負(fù)載輸出功率，使負(fù)載線電流有效值?0?達(dá)到3A， 頻率?0? 為 50Hz± 0.2Hz。 即要求通向負(fù)載輸出恒流，可以不考慮逆變器輸出電壓。則只需檢測電流，通過具體的單片機(jī)的控制使輸出達(dá)到設(shè)計(jì)要求。8三、電路與程序設(shè)計(jì)1、逆變器主電路與器件選擇(1)系統(tǒng)總體框圖D DC-DC 電源逆變器負(fù)載PWM電流電壓檢測SPWMSTM32圖2 系統(tǒng)總體框圖(2)逆變器主電路逆變模塊的逆變器采用晶體管三相橋式逆變器，如圖3所示。(I5砰,IUW)lIUi四4.7主|廠而8九圖3晶體管三相橋式逆變器圖4 IR2104驅(qū)動模塊(3)器件選擇1、晶

8、體管的選擇：采用IRF540場效應(yīng)管2、驅(qū)動電路選擇：采用IR2104驅(qū)動電路。(4)電源逆變器的供電電路采用DC-DC模塊，如圖5所示百流電源i圖5 DC-DC模塊R82、控制電路與控制程序(1)控制電路電流檢測電路和電壓檢測電路分別如圖GND6、圖7所示。圖6電流檢測電路R111kR21kD11N40O7C2OJi. 50y.! lOuiGSD圖7 電壓檢測電路(2)程序功能描述利用STM32內(nèi)部集成的16位高精度的ADC進(jìn)行采樣，采樣電流、電壓值。采樣 得到電流、電壓值后通過 PID算法控制PWM的占空比，進(jìn)而調(diào)節(jié)DC-DC模塊的輸出 電壓，使負(fù)載線電流值電壓值等達(dá)到要求。輸出三相 SP

9、WM波控制逆變器工作片開關(guān) 模式。(3)程序流程圖程序流程圖如圖8所示。圖8 程序流程圖四、測試方案與測試結(jié)果1、測試方案首先，將硬件主電路分成兩個(gè)模塊分開測試，測試輸入電壓、電流與輸出電壓、電 流之間的關(guān)系。經(jīng)測試各模塊符合要求后，加入控制模塊進(jìn)行測試，最后將各個(gè)模塊合 并再次進(jìn)行測試，分別以此測試所要求項(xiàng)目。2、測試條件與儀器測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同， 并且檢查 無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：高精度的數(shù)字毫伏表，模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表，指針式 萬用表。3、測試結(jié)果及分析(1)測試結(jié)果根據(jù)測試，可以得出以下結(jié)論：1、負(fù)載線電流有效值 ？

10、?為2A時(shí)，線電壓有效值 ？為24V± 0.2V,頻率？為 50Hz± 0.2Hz2、逆變器1和逆變器2能共同向負(fù)載輸出功率，使負(fù)載線電流有效值 ？1達(dá)到3A, 頻率？?50Hz± 0.2Hz3、其他參數(shù)測試分析計(jì)算后都基本符合設(shè)計(jì)要求。綜上所述，本設(shè)計(jì)不僅滿足了題目要求的功能，并且實(shí)現(xiàn)了幾項(xiàng)發(fā)揮功能。(2)分析總結(jié)本設(shè)計(jì)根據(jù)大賽題目功能要求, 選擇逆變器作為主拓?fù)?STM32F103RCT6單片機(jī) 進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了題目要求的各項(xiàng)功能并達(dá)到了相應(yīng)的精度。在方案確定時(shí)，隊(duì)員進(jìn)行了反復(fù)的理論分析以確保電路可以實(shí)現(xiàn)要求的所有功能。 同時(shí)，通過電路的設(shè)計(jì)和單片機(jī)程序控制盡

11、量減小測量和控制的誤差，以保證精度。并 且通過硬件與軟件的設(shè)計(jì)最大的減小能量損耗，提升整體效率，使之高于題目要求的指 標(biāo)。在規(guī)定的時(shí)內(nèi)，我們完成了電路的設(shè)計(jì)，調(diào)試及設(shè)計(jì)報(bào)告。在設(shè)計(jì)和調(diào)試過程中， 我們遇到了許多的問題和困難，但最終都得以解決，得到較為理想的效果。這得益于隊(duì) 員努力與合作。參考文獻(xiàn)：1張國雄.測控電路M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.2王兆安.電力電子技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2010.3童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社,2006.4譚浩強(qiáng).C語言程序設(shè)計(jì)M.北京精華大學(xué)出版社,2012.附錄1:電路原理圖9DCDC2逆變模塊1IR2.M逆變模塊210附錄2

12、:單片機(jī)最小系統(tǒng)12nzn二二 4c RESET“ 手=二MKUy最上X二二I-IE.vnHN7<R>TptlaAlm 一AzSLis manwg ptxkosoz-;二-一 ZRSINon ?- Aw - 胃慢>旦二 PO ADC 匕 v%><su>3a w朦 _=二7Z1£ EUR FR*T714 23J'lrMn ?BCXJTE P=KR 匚§ MJO4T PF三廿(一 M,-TIM，二二一FBWO qurntQyl目峭口 EJN MISO PB紇JTDOywIJISCW - 3>二萬 PD2H1M3 ETMJSJbL

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17、力 X *J<密 .<8 ST3:MF=1RrTFHG/PU31Mm產(chǎn)SCK/EW JncmzLnH - MHSS/IM2 系二月2 S 卻 AJaM- HT 亍附錄3：源程序PID 算法：float pidCoefficients3;float Ui2,controlOutput;float ERR2;void pidbegin(float kp,float ki,float kd)Ui0=0;Ui1=0;ERR0=0;ERR1=0;controlOutput=0;pidCoefficients0=kp;pidCoefficients1=ki;pidCoefficients2=kd;void pid( float referenceInput,float measuredOutput)float Ud,regesister;ERR0 = referenceInput-measuredOutput ;Ui0=Ui1+ERR0*pidCoefficients1;Ud=(ERR0 -ERR1)*pidCoefficients2;regesister= ERR0*pidCoefficients0+Ui0+Ud;if(regesister>=0)if(regesister>141)controlOutput=1